CN113890073A - 不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法 - Google Patents

不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法，属于直流微网多逆变器并联稳定控制技术领域。所提控制方法可实现多逆变器并联由于线路阻抗、各逆变器容量和输出电压不同而引起的正序环流抑制。控制环节主要包括电流内环控制和模型预测直接功率控制。电流内环控制设计了扰动电流补偿项，对扰动电流进行无静差追踪，实现较好的电流控制效果。模型预测直接功率控制环节采用Park变换将三相abc电压电流信号变为两相αβ信号，通过扰动电流法测出线路阻抗，针对微电网多逆变器并联由于线路阻抗和输出电压差异引起的环流问题，给出不平衡容量下多逆变器并联改进模型预测控制方法，可有效抑制多逆变器并联间的环流产生。

Description

不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法
技术领域
本发明涉及一种不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法，属于直流微网多逆变器并联稳定控制技术领域。
背景技术
在新能源发电中，并网逆变器作为核心的装备，其性能的好坏直接关系着并网的质量。目前下垂控制被广泛应用于微网多逆变器并联环流抑制中，但存在着波动抑制效果差、通信实时性与精准性不足以及算法过于复杂等局限性。
不同额定容量逆变器间的线路阻抗不匹配会造成微网中的负荷分配不均问题，从而引发环流现象，环流的存在会降低功率传输效率，而且会造成系统中大量电力电子设备过热损耗，缩短设备寿命使其安全性能降低。因此，研究一种不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法意义重大。
发明内容
本发明为了解决不同额定容量逆变器间的线路阻抗不匹配引起的多逆变器间环流问题，针对现有技术不足，提供一种不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法，控制环节主要包括电流内环控制和模型预测直接功率控制。所述模型预测直接控制系统包括不同坐标系间变换、线路阻抗测量、电流内环控制方法、模型预测控制算法、建立目标函数、扇区判断、PWM脉宽调制；所述多逆变器间环流抑制方法采用一种模型预测控制策略，根据输出电压、相角和测得的线路阻抗，计算出影响环流的有功和无功功率，从而代入目标函数求得环流最小值。基于建立的不同容量和线路阻抗的多逆变器间并联环流的目标函数：
Figure BDA0003287154300000011
式中t为时间，ki为不同容量间的逆变器容量比，Pi(t)为第i台逆变器t时刻的输出有功功率，Qi(t)为第i台逆变器t时刻的输出无功功率，VPCC为公共点电压，Ei为第i台逆变器的输出电压。
包括以下步骤：
步骤1：采集线路三相电压Eabc、线路三相电流Iabc，并将其变为αβ坐标系下的值，测量线路阻抗Zi作为算法的输入信号；
步骤2：在电流环增加扰动改变逆变器的输出电流，测量扰动前后的稳态电压值，进行线路阻抗测量，利用测量量计算有功功率Pi和无功功率Qi；
步骤3：预测t+1时刻的有功功率P和无功功率Q
步骤4：利用扇区判断将参考电压矢量锁定于一个较小的区域，排除了不相关的电压空间矢量，减少了不必要的预测次数，同时，结合电压矢量等效控制方法，进而实现了预测过程的简化。
步骤5：通过构建目标函数对所有开关状态作用下的预测结果进行在线评估，直接选择最优的开关状态作用于逆变器。
在上述的不平衡容量下多逆变器并联改进模型预测控制方法，所述步骤1中线路阻抗Zi计算公式为：
Figure BDA0003287154300000021
经计算得线路阻抗为：
Figure BDA0003287154300000022
式中Ei为第i台逆变器的输出电压，VPCC为公共点电压，Ri和Xi分别为逆变器i所在支路的线路电阻和电抗，Ii为第i台逆变器的输出电流，I′i为电流环增加扰动后的电流值、E′i为测得的电流环增加扰动后的稳态电压值。
在上述的不平衡容量下多逆变器并联改进模型预测控制方法，所述步骤2中的有功功率P和无功功率Q分别为：
Figure BDA0003287154300000023
式中Pi为第i台逆变器的输出有功功率，Qi为第i台逆变器的输出无功功率，VPCC为公共点电压，Ei为第i台逆变器的输出电压，δi为逆变器i输出电压相角，Xi为逆变器i所在支路的线路电抗；；
在上述的不平衡容量下多逆变器并联改进模型预测控制方法，所述步骤3中预测功率为：
Figure BDA0003287154300000024
式中t为时间，，Pi(t)为第i台逆变器t时刻的输出有功功率，Qi(t)为第i台逆变器t时刻的输出无功功率，λ为给定系数。利用之前的输出功率预测未来的输出功率，提高控制精度；
在上述的不平衡容量下多逆变器并联改进模型预测控制方法，所述步骤4中的环流电流为：
Figure BDA0003287154300000025
将有功和无功功率代入上式化解得：
Figure BDA0003287154300000026
式中ki为不同容量间的逆变器容量比，IH为环流分量，Ei为第i台逆变器的输出电压，VPCC为公共点电压，Xi为逆变器i所在支路的线路电抗，Pi为第i台逆变器的输出有功功率，Qi为第i台逆变器的输出无功功率。
本发明的优点是：本方案使用模型预测控制(MPC)具有动态响应快控制灵活、电流控制性能好，易于考虑系统非线性约束等特点。与传统的下垂控制和电压电流双闭环控制相比，本方案无需复杂的PI参数整定，它通过对逆变器的工作状态进行预测，在不同时刻选择最有效的电压矢量，从而使系统获得最优的控制。相较于传统控制方法更加简单易于实现，对多逆变器间由于线路阻抗和逆变器容量不同引起的环流抑制效果良好，在线路阻抗发生波动时能够平抑环流间影响，有较好的鲁棒性和动态响应性能，利于提高系统电能质量；
附图说明：
图1是两逆变器并联等效电路图。
图2是单台逆变器等效电路图。
图3是多台逆变器并联等效电路图。
图4是直流微网母线电压控制框图。
具体实施方式：
下面结合附图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法，采用模型预测控制策略，根据输出有功功率和无功功率预测环流值得大小，实时抑制环流，包括以下步骤：
步骤一：采集线路三相电压Eabc、线路三相电流Iabc，并将其变为αβ坐标系下的值，测量线路阻抗Zi作为算法的输入信号；
步骤二：在电流环增加扰动改变逆变器的输出电流，测量扰动前后的稳态电压值，进行线路阻抗测量，利用测量量计算有功功率Pi和无功功率Qi；
步骤三：预测t+1时刻的有功功率P和无功功率Q
步骤四：建立不同容量和线路阻抗的多逆变器间并联环流的目标函数；
步骤五：利用目标函数的最小值对逆变器进行PWM调制
步骤六：在脉宽调制前设置扇区判断，减小计算量，提高控制速度。
下面结合附图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，附图一是两逆变器并联等效电路示意图，图中将两台相同容量逆变器相互串联，从而求得逆变器输出电流表达式：
Figure BDA0003287154300000031
当每台逆变器等效电路的线路阻抗相等，即Z1＝Z2＝…＝Zt＝z时，各台逆变器环流分量IHi(i＝1，2，…，t)可表示为：
Figure BDA0003287154300000032
当各台逆变器等效阻抗不同，即Z1≠Z2≠…≠zt时，各台逆变器环流可表示为：
Figure BDA0003287154300000033
从上述分析可以看出，输出功率的均分是由每台逆变器的输出电压和其所在线路的阻抗共同决定的。
下面结合附图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，附图二是单台逆变器并联等效电路示意图，为简化分析忽略电阻影响，得出输出电流表达式：
Figure BDA0003287154300000034
式中E1、E2、VPCC分别为E1、E2、VPCC的幅值；R1、R2和X1、X2分别为逆变器1、2所在支路的线路电阻和电抗；δ1、δ2为电压相角，其值接近于0°，即可近似认为cosδ1≈1，cosδ2≈1，sinδ1≈δ1，sinδ2≈δ2。忽略上式中电阻后，可得2台逆变器间环流为：
Figure BDA0003287154300000041
逆变器i输出的有功和无功功率为：
Figure BDA0003287154300000042
忽略电阻影响，令δi近似为0°(即cosδi≈1，sinδi≈δi)，简化可得：
Figure BDA0003287154300000043
从而可得逆变器间得环流表达式为：
Figure BDA0003287154300000044
由上述分析可得，逆变器间环流可分为有功环流和无功环流，分别由各逆变器有功、无功分配不均造成。
下面结合附图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，附图三是不同容量和输出阻抗的多台逆变器并联等效电路示意图，可得环流表达式为：
Figure BDA0003287154300000045
将有功功率和无功功率表达式代入上式得
Figure BDA0003287154300000046
由上述分析可得，各台逆变器间的有功、无功环流分别由有功分配比与额定容量比差异和无功分配比与额定容量比差异造成。
下面结合附图1至附图4说明本实施方式，本实施方式为仿真实验部分，是对实施方式的进一步说明，采用本发明所述方法在MATLAB/SIMULINK电力系统仿真软件上建立模型预测直接功率控制仿真模型，已验证本发明提出方法对多逆变器并联的环流抑制效果，具体参数设置如表1所示：
表1仿真参数表
Figure BDA0003287154300000047
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种不等容的多逆变器并联飞轮储能系统改进模型预测方法，其特征在于：基于建立的不同容量和线路阻抗的多逆变器间并联环流的目标函数:
Figure FDA0003287154290000011
式中t为时间，ki为不同容量间的逆变器容量比，Pi(t)为第i台逆变器t时刻的输出有功功率，Qi(t)为第i台逆变器t时刻的输出无功功率，VPCC为公共点电压，Ei为第i台逆变器的输出电压；
包括以下步骤：
步骤1：采集线路三相电压Eabc、线路三相电流Iabc，并将其变为αβ坐标系下的值，测量线路阻抗Zi作为算法的输入信号；
步骤2：在电流环增加扰动改变逆变器的输出电流，测量扰动前后的稳态电压值，进行线路阻抗测量，利用测量量计算有功功率Pi和无功功率Qi；
步骤3：预测t+1时刻的有功功率P和无功功率Q；
步骤4：利用扇区判断将参考电压矢量锁定于一个较小的区域，排除了不相关的电压空间矢量，减少了不必要的预测次数，同时，结合电压矢量等效控制方法，进而实现了预测过程的简化；
步骤5：通过构建目标函数对所有开关状态作用下的预测结果进行在线评估，直接选择最优的开关状态作用于逆变器。
2.根据权利要求1所述的不平衡容量下多逆变器并联改进模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤1中线路阻抗Zi计算公式为：
Figure FDA0003287154290000012
经计算得线路阻抗为：
Figure FDA0003287154290000013
式中Ei为第i台逆变器的输出电压，VPCC为公共点电压，Ri和Xi分别为逆变器i所在支路的线路电阻和电抗，Ii为第i台逆变器的输出电流，I′i为电流环增加扰动后的电流值、E′i为测得的电流环增加扰动后的稳态电压值。
3.根据权利要求1所述的不平衡容量下多逆变器并联改进模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤2中的有功功率P和无功功率Q分别为：
Figure FDA0003287154290000014
式中Pi为第i台逆变器的输出有功功率，Qi为第i台逆变器的输出无功功率，VPCC为公共点电压，Ei为第i台逆变器的输出电压，δi为逆变器i输出电压相角，Xi为逆变器i所在支路的线路电抗。
4.根据权利要求1所述的不平衡容量下多逆变器并联改进模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤3中预测功率为：
Figure FDA0003287154290000015
式中t为时间，Pi(t)为第i台逆变器t时刻的输出有功功率，Qi(t)为第i台逆变器t时刻的输出无功功率，λ为给定系数，利用之前的输出功率预测未来的输出功率，提高控制精度。
5.根据权利要求1所述的不平衡容量下多逆变器并联改进模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤4中的环流电流为：
Figure FDA0003287154290000021
IH为环流分量，ki为不同容量间的逆变器容量比，Ei为第i台逆变器的输出电压，VPCC为公共点电压，Xi为逆变器i所在支路的线路电抗；
将有功和无功功率代入上式化解得：
Figure FDA0003287154290000022
式中ki为不同容量间的逆变器容量比，Pi为第i台逆变器的输出有功功率，Qi为第i台逆变器的输出无功功率。
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