CN113991634A - 储能变换器二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制方法 - Google Patents

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CN113991634A CN202111269243.1A CN202111269243A CN113991634A CN 113991634 A CN113991634 A CN 113991634A CN 202111269243 A CN202111269243 A CN 202111269243A CN 113991634 A CN113991634 A CN 113991634A
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Abstract

本发明公开了储能变换器二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制方法，主要包括二次谐波电流抑制器和动态特性优化器，其中，二次谐波电流抑制器A可在不降低电压调节器的幅频增益的条件下增加直流侧电感支路的等效阻抗在两倍输出频率处的幅值，但为显著地抑制二次谐波电流，需要以等效阻抗的频率适应性变差为代价。在此基础上，二次谐波电流抑制器B的引入可在不改变等效阻抗的频率适应性的条件下增加等效阻抗在两倍输出频率处的幅值，对二次谐波电流的抑制效果有所提高，但这两个二次谐波电流抑制器的引入未能改善系统的动态特性。进一步地，动态特性优化器可降低直流侧电感支路的等效阻抗在非两倍输出频率的幅值，改善系统的抗负载突变能力。

Description

储能变换器二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制方法
技术领域
本发明涉及新能源分布式发电领域，特别是储能变换器二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制方法。
背景技术
直流微电网不存在类似交流微电网中频率稳定、无功功率等问题，且能通过后级逆变器与交流微电网或配电网并联，有效隔离交流侧扰动的同时又能保证直流系统内负荷的高可靠用电，运行方式更为灵活，因此受到了国内外工业界的广泛关注。为保障直流微电网的稳定运行，通常需要引入储能系统来平抑光伏发电系统产生的功率波动，以维持直流微电网的能量平衡以及直流母线电压的稳定，因此研究直流微电网中的储能系统具有重要意义。
对于直流微电网中的储能系统，其瞬时输出功率以两倍输出频率脉动，使得储能系统直流侧电感电流含有二次谐波分量，该二次谐波电流将导致电流有效值增大，增大前级变换器中开关管的电流应力以及通态损耗，降低变换器的效率，严重时还会影响蓄电池以及电力电子设备的寿命。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
1)储能电池为主电路的能量源，通过前级变换器得到直流侧母线电压Vbus，再经过后级逆变器得到单相交流电，单相交流电经过滤波电感Lf和滤波电容Cf后给负载Zload供电；
2)在每个采样周期的起始点，对直流侧母线电压Vbus、直流侧电感电流if和输入电流iinv分别进行采样，经过AD转换器转换后的数据通过并行接口送给DSP控制器进行处理；
3)将直流电压基准值Vref与直流侧母线电压Vbus乘以电压采样系数KHv的值进行相减后，再经过直流电压环PI控制器Gv(s)和二次谐波电流抑制器A得到直流侧电感电流基准值ifref，其中，直流电压环PI控制器Gv(s)的表达式为：
Figure BDA0003328086630000011
kpv是直流电压环PI控制器的比例系数，kiv是直流电压环PI控制器的积分系数，s＝jω，j是虚部单位符号，ω是电网角频率；
二次谐波电流抑制器A的表达式为：
Figure BDA0003328086630000021
其中，ωnm是特征角频率，Qm是特征系数，m＝1,2,…,n；
4)将输入电流iinv经过动态特性优化器Gop(s)后，再与直流侧电感电流基准值ifref相加后，再与直流侧电感电流if经过电流采样系数KHi与二次谐波电流抑制器B后进行相减，再经过电流环PI控制器Gi(s)和等效增益Kpwm后，得到输出电压Vi，其中，动态特性优化器Gop(s)的表达式为：
Figure BDA0003328086630000022
其中，Vbus是直流侧母线电压，Kpower是调整系数，Kopm是优化系数，ωopm是优化角频率，m＝1,2,…,n；
二次谐波电流抑制器B的表达式为：
Figure BDA0003328086630000023
其中，kprm是抑制器B的比例系数，kgrm是抑制器B的增益系数，ωcm是带宽角频率，ωrm是谐振角频率，m＝1,2,…,n；
电流环PI控制器Gi(s)的表达式为：
Figure BDA0003328086630000024
kpi是电流环PI控制器的比例系数，kii是电流环PI控制器的积分系数。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用储能变换器二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制方法，主要包括二次谐波电流抑制器和动态特性优化器，其中，二次谐波电流抑制器A可在不降低电压调节器的幅频增益的条件下增加直流侧电感支路的等效阻抗在两倍输出频率处的幅值，但为显著地抑制二次谐波电流，需要以等效阻抗的频率适应性变差为代价。在此基础上，二次谐波电流抑制器B的引入可在不改变等效阻抗的频率适应性的条件下增加等效阻抗在两倍输出频率处的幅值，对二次谐波电流的抑制效果有所提高，但这两个二次谐波电流抑制器的引入未能改善系统的动态特性。进一步地，动态特性优化器可降低直流侧电感支路的等效阻抗在非两倍输出频率的幅值，改善系统的抗负载突变能力。
附图说明
图1为储能系统的拓扑结构图；
图2为储能变换器的二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制框图；
图3为本发明一实施例采用传统方法的稳态波形图；
图4为本发明一实施例采用本发明方法的稳态波形图；
图5为本发明一实施例采用传统方法的负载响应动态特性图；
图6为本发明一实施例采用本发明方法的负载响应动态特性图。
具体实施方式
图1为储能系统的拓扑结构图，储能电池为主电路的能量源，通过前级变换器得到直流侧母线电压Vbus，再经过后级逆变器得到单相交流电，单相交流电经过滤波电感Lf和滤波电容Cf后给负载Zload供电，其中，Lfdc为前级变换器的滤波电感，Cbus为前级变换器的滤波电容，if为直流侧电感电流，iinv为输入电流。
图2为储能变换器的二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制框图，将直流电压基准值Vref与直流侧母线电压Vbus乘以电压采样系数KHv的值进行相减后，再经过直流电压环PI控制器Gv(s)和二次谐波电流抑制器A得到直流侧电感电流基准值ifref；
直流电压环PI控制器Gv(s)的表达式为：
Figure BDA0003328086630000031
式中，kpv是直流电压环PI控制器的比例系数，kiv是直流电压环PI控制器的积分系数，s＝jω，j是虚部单位符号，ω是电网角频率；二次谐波电流抑制器A的表达式为：
Figure BDA0003328086630000032
式中，ωnm是特征角频率，Qm是特征系数，m＝1,2,…,n；
将输入电流iinv经过动态特性优化器Gop(s)后，再与直流侧电感电流基准值ifref相加后，再与直流侧电感电流if经过电流采样系数KHi与二次谐波电流抑制器B后进行相减，再经过电流环PI控制器Gi(s)和等效增益Kpwm后，得到输出电压Vi，其中，动态特性优化器Gop(s)的表达式为：
Figure BDA0003328086630000033
式中，Vbus是直流侧母线电压，Kpower是调整系数，Kopm是优化系数，ωopm是优化角频率，m＝1,2,…,n；
二次谐波电流抑制器B的表达式为：
Figure BDA0003328086630000041
式中，kprm是抑制器B的比例系数，kgrm是抑制器B的增益系数，ωcm是带宽角频率，ωrm是谐振角频率，m＝1,2,…,n；
电流环PI控制器Gi(s)的表达式为：
Figure BDA0003328086630000042
式中，kpi是电流环PI控制器的比例系数，kii是电流环PI控制器的积分系数。
图3和图4分别为采用传统方法和本发明方法的稳态波形图，可以明显看到，传统方法下电感支路电流的二次谐波分量较大，电感支路电流的峰峰值甚至达到近1.51A。而本发明方法下电感支路电流的峰峰值约为0.07A，二次谐波电流得到明显的抑制。图5和图6分别为采用传统方法和本发明方法的负载响应动态特性图，在0.1s时，负载由满载降低至10％满载，在0.3s时，负载又由10％满载升高至满载，可以明显看到，传统方法下系统恢复到稳态时间较长，约为112.5ms，直流母线电压抖动约为32V，而本发明方法下系统恢复时间变短，降低为100ms左右，直流母线电压抖动降低为19.8V左右，系统抗负载突变能力得到改善。

Claims (3)

1.储能变换器二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)储能电池为主电路的能量源，通过前级变换器得到直流侧母线电压Vbus，再经过后级逆变器得到单相交流电，单相交流电经过滤波电感Lf和滤波电容Cf后给负载Zload供电；
2)在每个采样周期的起始点，对直流侧母线电压Vbus、直流侧电感电流if和输入电流iinv分别进行采样，经过AD转换器转换后的数据通过并行接口送给DSP控制器进行处理；
3)将直流电压基准值Vref与直流侧母线电压Vbus乘以电压采样系数KHv的值进行相减后，再经过直流电压环PI控制器Gv(s)和二次谐波电流抑制器A得到直流侧电感电流基准值ifref，其中，直流电压环PI控制器Gv(s)的表达式为：
Figure FDA0003328086620000011
kpv是直流电压环PI控制器的比例系数，kiv是直流电压环PI控制器的积分系数，s＝jω，j是虚部单位符号，ω是电网角频率；二次谐波电流抑制器A的表达式为：
Figure FDA0003328086620000012
其中，ωnm是特征角频率，Qm是特征系数，m＝1,2,…,n；
4)将输入电流iinv经过动态特性优化器Gop(s)后，再与直流侧电感电流基准值ifref相加后，再与直流侧电感电流if经过电流采样系数KHi与二次谐波电流抑制器B后进行相减，再经过电流环PI控制器Gi(s)和等效增益Kpwm后，得到输出电压Vi，其中，动态特性优化器Gop(s)的表达式为：
Figure FDA0003328086620000013
其中，Vbus是直流侧母线电压，Kpower是调整系数，Kopm是优化系数，ωopm是优化角频率，m＝1,2,…,n；
二次谐波电流抑制器B的表达式为：
Figure FDA0003328086620000014
其中，kprm是抑制器B的比例系数，kgrm是抑制器B的增益系数，ωcm是带宽角频率，ωrm是谐振角频率，m＝1,2,…,n；
电流环PI控制器Gi(s)的表达式为：
Figure FDA0003328086620000021
kpi是电流环PI控制器的比例系数，kii是电流环PI控制器的积分系数。
2.根据权利要求1所述的储能变换器二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制方法，其特征在于，步骤3)中，kpv是直流电压环PI控制器的比例系数，其取值范围为35≤kpv≤45；kiv是直流电压环PI控制器的积分系数，其取值范围为6000≤kiv≤7000；Qm是特征系数，其取值范围为0.1≤Qm≤3。
3.根据权利要求1所述的储能变换器二次谐波电流抑制与动态特性优化的控制方法，其特征在于，步骤4)中，Kpower是调整系数，其取值范围为10-3≤Kpower≤5×10-3；Kopm是优化系数，其取值范围为300≤Kopm≤400；kprm是抑制器B的比例系数，其取值范围为0.5≤kprm≤5；kgrm是抑制器B的增益系数，其取值范围为0.01≤kgrm≤0.05；kpi是电流环PI控制器的比例系数，其取值范围为1000≤kpi≤1200；kii是电流环PI控制器的积分系数，其取值范围为50≤kii≤200；Kpwm是等效增益，其取值范围为0.5≤Kpwm≤2。
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