CN114221367A - 一种储能变流器运行优化控制方法、装置及储能变流器 - Google Patents

一种储能变流器运行优化控制方法、装置及储能变流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种储能变流器运行优化控制方法、装置及储能变流器,其中方法包括:采用能量成型和端口受控的耗散哈密顿控制方法,建立储能变流器的端口受控的耗散哈密顿数学模型;利用阻尼配置无源性控制策略求得系统的无源控制器;利用非线性干扰观测器设计扰动前馈补偿器;将上述的干扰观测器输出作为无源控制器输出的补偿,从而得到储能变流器的调制信号。本发明提高了储能变流器的电流内环控制性能,克服了无源控制器的参数依赖特性,并有效地抑制非线性扰动对储能变流器输出电能质量的影响。

Description

一种储能变流器运行优化控制方法、装置及储能变流器
技术领域
本发明涉及储能系统技术领域,尤其涉及一种储能变流器运行优化控制方法、装置及储能变流器。
背景技术
随着碳达峰、碳中和的提出,风电和光伏等可再生能源将作为电力系统主力能源迎来前所未有的快速发展机会。可再生能源自身波动性、间歇性等特性将对电力系统的安全和稳定带来极大的挑战。近年来快速发展的储能电站,可应用于平抑可再生能源发电波动、提高电网弹性和电能质量、降低弃风弃光,使其成为有效的灵活性资源,满足未来电力系统对灵活性调节资源的迫切需求。
在储能变流器实际应用中,PI控制器处于主导地位,但PI控制器在面对系统内部和外部扰动时不能表现出良好的抗扰性能。其中最主要的原因是储能变流器是一个复杂的非线性、多输出系统,而传统的PI控制是基于线性的。近年来,学者们尝试将无源控制理论运用到储能变流器控制中。由于无源控制采用的是基于精确参数的模型,在不确定因素下,会对系统的运行平衡点产生影响,进而影响控制器的控制性能,而且现有的基于端口受控哈密顿模型的控制器,其设计策略较为复杂。
发明内容
针对现有技术的不足之处,本发明提供了一种储能变流器运行优化控制方法、装置及储能变流器,以提高储能变流器的控制性能。
第一方面,提供了一种储能变流器运行优化控制方法,包括:
S1:采用能量成型和端口受控的耗散哈密顿控制方法,建立储能变流器的端口受控的耗散哈密顿数学模型;
S2:基于耗散哈密顿数学模型,利用阻尼配置无源性控制策略求得系统的无源控制器;
S3:利用非线性干扰观测器设计扰动前馈补偿器;
S4:将上述的干扰观测器输出作为无源控制器输出的补偿,从而得到储能变流器的调制信号。
进一步地,所述步骤S1包括:
基于基尔霍夫电压定律得到储能变流器在abc三相静止坐标系电压方程,将其变换到dq旋转坐标系,得到储能变流器端口受控的耗散哈密顿数学模型:
Figure BDA0003482033480000021
式中,x是状态变量;y是系统输出变量;J(x)是互联矩阵;R(x)是阻尼矩阵;u是外部输入控制矩阵;G(x)是输入矩阵;Dl是系统扰动;H(x)是哈密顿能量函数。
进一步地,x=[Lid Liq]T,L为储能变流器输出滤波电感,id和iq为储能变流器输出三相电流变换到dq旋转坐标系的d轴电流分量和q轴电流分量;
Figure BDA0003482033480000022
ω为电网基频角速度,且有J(x)=-JT(x);
Figure BDA0003482033480000023
R为包括变换器损耗和滤波电感内阻在内的等值电阻,且有R(x)=RT(x);
Figure BDA0003482033480000024
ud和uq为无源控制器所输出的d轴和q轴调制指令,usd和usq为储能变流器电网侧三相电压变换到dq旋转坐标系的d轴电压分量和q轴电压分量;
Figure BDA0003482033480000025
Dl=[dld dlq]T,dld和dlq为系统扰动变换到dq旋转坐标系的d轴分量和q轴分量。
进一步地,所述步骤S2包括:
构造一个加入反馈控制后的闭环期望能量函数Hd(x)=H(x)+Ha(x),使之在
Figure BDA0003482033480000026
处取极小值;其中,Hd(x)是期望的哈密顿能量函数,Ha(x)是注入阻尼函数,x*是状态变量x的指令值(参考值);寻求反馈控制,u(x)=β(x),使闭环系统为:
Figure BDA0003482033480000027
式中,Jd(x)=J(x)+Ja(x)和Rd(x)=R(x)+Ra(x)分别是期望的互联矩阵和阻尼矩阵;β(x)是待设计的控制函数;u(x)是无源控制器的输出,即PWM调制的调制波;
设待定的互联矩阵Ja(x)和阻尼矩阵Ra(x)为:
Figure BDA0003482033480000028
其中,r1和r2两个预设的阻尼值,一般选择设计r1=r2
取闭环系统期望的哈密顿函数为:
Figure BDA0003482033480000031
其中,xe表示跟踪误差,xe=x*-x;
推导出响应的无源控制率为:
Figure BDA0003482033480000032
进一步地,所述步骤S3包括:
采用非线性干扰观测器来估计和消除系统扰动,非线性干扰观测器为:
Figure BDA0003482033480000033
式中,
Figure BDA0003482033480000034
是系统扰动的观测值,z是非线性干扰观测器的内部状态变量,l(x)是非线性干扰观测器的增益矩阵,p(x)是非线性干扰观测器的观测函数,
Figure BDA0003482033480000035
进一步地,非线性干扰观测器的增益矩阵为:
Figure BDA0003482033480000036
其中,ld、lq表示非线性干扰观测器的增益,写成矩阵形式就是l(x);
非线性干扰观测器的观测函数为:
p(x)=lx=[ldx1 lqx2]T
其中,x=[x1 x2]T=[Lid Liq]T
进一步地,所述步骤S4包括:将无源控制器的输出减去非线性干扰观测器所估计的系统扰动的输出,得到储能变流器在dq旋转坐标系的调制信号为:
Figure BDA0003482033480000037
第二方面,提供了一种储能变流器运行优化控制装置,包括:
电压电流采样电路,用于采集储能电流器交流侧三相电压、电流,以及采集直流侧的电压和电流,并将采集的数据传输至CPU控制器;
CPU控制器,执行如上所述的储能变流器运行优化控制方法;
驱动电路,将CPU控制器发出的调制信号进行功率放大,控制储能变流器功率器件的开断。
进一步地,还包括与所述CPU控制器连接的人机交互装置,其用于读写和设置CPU控制器运行。
第三方面,提供了一种储能变流器,所述储能变流器包括如上所述的储能变流器运行优化控制装置。
有益效果
本发明提出了一种储能变流器运行优化控制方法、装置及储能变流器,与现有技术相比,具有如下优点:
1、本发明克服了传统无源控制器的参数依赖特性,提高了储能变流器的电流内环控制性能;
2、本发明的控制方法比PI控制方法具有更好的动态性和鲁棒性,提高了储能变流器的内环响应速度;
3、本发明有效地抑制非线性扰动(包括死区效应和并网点电压扰动等)对储能变流器输出电能质量的影响,提高了储能变流器输出电流的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的并联储能系统的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的储能变流器的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的储能变流器电流内环控制示意图;
图4是本发明实施例提供的动态性能比较仿真结果;
图5是本发明实施例提供的参数扰动比较仿真结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
图1示出了根据本申请一个实施例的并联储能系统的结构示意图,储能单元由电池与储能变流器(power coversion system,PCS)构成,电池作为能量的承载体,汇流后接入PCS进行逆变,经低压交流断路器接入10kV升压变压器的低压侧,升压变压器高压侧由环网柜并联汇流通过进线断路器并入10kV母线,再由出线断路器接入电网变电站。图2给出了单个PCS结构示意图,作为储能系统与电网的接口友好,能够实现电能双向流动,在完成电网“削峰填谷”调度任务的同时,并确保电能的质量和可靠性。本申请中的储能变流器运行优化控制方法应用于单个储能变流器的电流内环中,多个储能变流器并联组成储能系统。
图3给出了储能变流器电流内环控制示意图,也即给出了储能变流器运行优化控制方法示意图,该方法包括:
S1:采用能量成型和端口受控的耗散哈密顿控制方法,建立储能变流器的端口受控的耗散哈密顿数学模型。具体包括:
基于基尔霍夫电压定律得到储能变流器在abc三相静止坐标系电压方程,将其变换到dq旋转坐标系,得到储能变流器端口受控的耗散哈密顿数学模型:
Figure BDA0003482033480000051
式中,x=[Lid Liq]T是状态变量,L为储能变流器输出滤波电感,id和iq为储能变流器输出三相电流变换到dq旋转坐标系的d轴电流分量和q轴电流分量;y是系统输出变量;
Figure BDA0003482033480000052
是互联矩阵,ω为电网基频角速度,且有J(x)=-JT(x);
Figure BDA0003482033480000053
是阻尼矩阵,R为包括变换器损耗和滤波电感内阻在内的等值电阻,且有R(x)=RT(x);
Figure BDA0003482033480000054
是外部输入控制矩阵,ud和uq为无源控制器所输出的d轴和q轴调制指令,usd和usq为储能变流器电网侧三相电压变换到dq旋转坐标系的d轴电压分量和q轴电压分量;
Figure BDA0003482033480000055
是输入矩阵;Dl=[dld dlq]T是系统扰动,dld和dlq为系统扰动变换到dq旋转坐标系的d轴分量和q轴分量;H(x)是哈密顿能量函数。
S2:基于耗散哈密顿数学模型,利用阻尼配置无源性控制策略求得系统的无源控制器。
具体包括:
构造一个加入反馈控制后的闭环期望能量函数Hd(x)=H(x)+Ha(x),使之在
Figure BDA0003482033480000056
处取极小值;其中,Hd(x)是期望的哈密顿能量函数,Ha(x)是注入阻尼函数,x*是状态变量x的指令值(参考值);寻求反馈控制,u(x)=β(x),使闭环系统为:
Figure BDA0003482033480000061
式中,Jd(x)=J(x)+Ja(x)和Rd(x)=R(x)+Ra(x)分别是期望的互联矩阵和阻尼矩阵;β(x)是待设计的控制函数;u(x)是无源控制器的输出,即PWM调制的调制波;
设待定的互联矩阵Ja(x)和阻尼矩阵Ra(x)为:
Figure BDA0003482033480000062
其中,r1和r2两个预设的阻尼值,一般选择设计r1=r2
取闭环系统期望的哈密顿函数为:
Figure BDA0003482033480000063
其中,xe表示跟踪误差,xe=x*-x;
推导出响应的无源控制率为:
Figure BDA0003482033480000064
S3:利用非线性干扰观测器设计扰动前馈补偿器。具体包括:
采用非线性干扰观测器来估计和消除系统扰动,非线性干扰观测器为:
Figure BDA0003482033480000065
式中,
Figure BDA0003482033480000066
是系统扰动的观测值,z是非线性干扰观测器的内部状态变量,l(x)是非线性干扰观测器的增益矩阵,p(x)是非线性干扰观测器的观测函数,
Figure BDA0003482033480000067
本实施例中,设计非线性干扰观测器的增益矩阵为:
Figure BDA0003482033480000068
其中,ld、lq表示非线性干扰观测器的增益,写成矩阵形式就是l(x);
非线性干扰观测器的观测函数为:
p(x)=lx=[ldx1 lqx2]T
其中,x=[x1 x2]T=[Lid Liq]T
S4:将上述的干扰观测器输出作为无源控制器输出的补偿,从而得到储能变流器的调制信号。具体包括:
将无源控制器的输出减去非线性干扰观测器所估计的系统扰动的输出,得到储能变流器在dq旋转坐标系的调制信号为:
Figure BDA0003482033480000071
本发明的一实施例提供了一种储能变流器运行优化控制装置,包括:
电压电流采样电路,用于采集储能电流器交流侧三相电压、电流,以及采集直流侧的电压和电流,并将采集的数据传输至CPU控制器;
CPU控制器,执行如上所述的储能变流器运行优化控制方法;
驱动电路,将CPU控制器发出的调制信号进行功率放大,控制储能变流器功率器件的开断;
人机交互装置,与所述CPU控制器连接,其用于读写和设置CPU控制器运行。
本发明的一实施例提供了一种储能变流器,所述储能变流器包括如上所述的储能变流器运行优化控制装置。
可以理解的是,上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考,在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
为验证本申请的控制方法有效性,在matlab中对典型的两电平PCS进行仿真验证。如图4仿真所示,将PCS产生的有功电流指令值i* d从100A突变为-100A,可以观察到,本申请的控制方法和无源控制方法都比传统的PI方法具有更快的收敛速度和更短的动态响应时间。PI方法的超调量约为25%,而本申请的控制方法和无源控制方法具有较小的超调量,甚至没有超调。此外,本申请的控制方法能很好地抑制d轴和q轴耦合效应。图5给出了在PCS参数偏差(L=3mH,R=0.3Ω,Ln=2mH,Rn=0.1Ω)下,采用本申请的控制方法和常规无源控制、PI方法的仿真结果。可以观察到,常规的无源控制在PCS参数偏差下会存在指令跟踪误差,而申请的控制方法将无源控制和非线性干扰观测器结合,通过非线性干扰观测器消除无源控制的稳态跟踪误差,从而实现在PCS参数偏差下的指令跟踪零误差。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种储能变流器运行优化控制方法,其特征在于,包括:
S1:采用能量成型和端口受控的耗散哈密顿控制方法,建立储能变流器的端口受控的耗散哈密顿数学模型;
S2:基于耗散哈密顿数学模型,利用阻尼配置无源性控制策略求得系统的无源控制器;
S3:利用非线性干扰观测器设计扰动前馈补偿器;
S4:将上述的干扰观测器输出作为无源控制器输出的补偿,从而得到储能变流器的调制信号。
2.根据权利要求1所述的储能变流器运行优化控制方法,其特征在于,所述步骤S1包括:
基于基尔霍夫电压定律得到储能变流器在abc三相静止坐标系电压方程,将其变换到dq旋转坐标系,得到储能变流器端口受控的耗散哈密顿数学模型:
Figure FDA0003482033470000011
式中,x是状态变量;y是系统输出变量;J(x)是互联矩阵;R(x)是阻尼矩阵;u是外部输入控制矩阵;G(x)是输入矩阵;Dl是系统扰动;H(x)是哈密顿能量函数。
3.根据权利要求2所述的储能变流器运行优化控制方法,其特征在于,x=[Lid Liq]T,L为储能变流器输出滤波电感,id和iq为储能变流器输出三相电流变换到dq旋转坐标系的d轴电流分量和q轴电流分量;
Figure FDA0003482033470000012
ω为电网基频角速度,且有J(x)=-JT(x);
Figure FDA0003482033470000013
R为包括变换器损耗和滤波电感内阻在内的等值电阻,且有R(x)=RT(x);
Figure FDA0003482033470000014
ud和uq为无源控制器所输出的d轴和q轴调制指令,usd和usq为储能变流器电网侧三相电压变换到dq旋转坐标系的d轴电压分量和q轴电压分量;
Figure FDA0003482033470000015
Dl=[dld dlq]T,dld和dlq为系统扰动变换到dq旋转坐标系的d轴分量和q轴分量。
4.根据权利要求2或3所述的储能变流器运行优化控制方法,其特征在于,所述步骤S2包括:
构造一个加入反馈控制后的闭环期望能量函数Hd(x)=H(x)+Ha(x),使之在
Figure FDA0003482033470000016
处取极小值;其中,Hd(x)是期望的哈密顿能量函数,Ha(x)是注入阻尼函数,x*是状态变量x的指令值;寻求反馈控制,u(x)=β(x),使闭环系统为:
Figure FDA0003482033470000021
式中,Jd(x)=J(x)+Ja(x)和Rd(x)=R(x)+Ra(x)分别是期望的互联矩阵和阻尼矩阵;β(x)是待设计的控制函数,u(x)是无源控制器的输出;
设待定的互联矩阵Ja(x)和阻尼矩阵Ra(x)为:
Figure FDA0003482033470000022
其中,r1和r2两个预设的阻尼值;
取闭环系统期望的哈密顿函数为:
Figure FDA0003482033470000023
其中,xe表示跟踪误差,xe=x*-x;
推导出响应的无源控制率为:
Figure FDA0003482033470000024
5.根据权利要求4所述的储能变流器运行优化控制方法,其特征在于,所述步骤S3包括:
采用非线性干扰观测器来估计和消除系统扰动,非线性干扰观测器为:
Figure FDA0003482033470000025
式中,
Figure FDA0003482033470000026
是系统扰动的观测值,z是非线性干扰观测器的内部状态变量,l(x)是非线性干扰观测器的增益矩阵,p(x)是非线性干扰观测器的观测函数,
Figure FDA0003482033470000027
6.根据权利要求5所述的储能变流器运行优化控制方法,其特征在于,非线性干扰观测器的增益矩阵为:
Figure FDA0003482033470000028
非线性干扰观测器的观测函数为:
p(x)=lx=[ldx1 lqx2]T
其中,x=[x1 x2]T=[Lid Liq]T
7.根据权利要求5所述的储能变流器运行优化控制方法,其特征在于,所述步骤S4包括:将无源控制器的输出减去非线性干扰观测器所估计的系统扰动的输出,得到储能变流器在dq旋转坐标系的调制信号为:
Figure FDA0003482033470000031
8.一种储能变流器运行优化控制装置,其特征在于,包括:
电压电流采样电路,用于采集储能电流器交流侧三相电压、电流,以及采集直流侧的电压和电流,并将采集的数据传输至CPU控制器;
CPU控制器,执行如权利要求1-7中任一项所述的储能变流器运行优化控制方法;
驱动电路,将CPU控制器发出的调制信号进行功率放大,控制储能变流器功率器件的开断。
9.根据权利要求8所述的储能变流器运行优化控制装置,其特征在于,还包括与所述CPU控制器连接的人机交互装置,其用于读写和设置CPU控制器运行。
10.一种储能变流器,其特征在于,所述储能变流器包括如权利要求8或9所述的储能变流器运行优化控制装置。
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Citations (8)

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