CN116979599A - 光储一体化并网换流器非线性混合控制方法、介质及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光储一体化并网换流器非线性混合控制方法、介质及系统，包括：判断电网的电能质量是否超出预设范围；根据判断结果选择不同的控制模式对并网换流器进行控制；其中，所述控制模式包括：PI控制模式和模型预测MPC控制模式。通过高性能非线性控制及多目标最优控制算法实现光储一体化发电功率的自适应跟踪及电能质量优化，具有成本低、改造难度小、谐波含量低等特点。

Description

光储一体化并网换流器非线性混合控制方法、介质及系统

技术领域

本发明涉及并网换流器控制技术领域，尤其涉及一种光储一体化并网换流器非线性混合控制方法、介质及系统。

背景技术

随着电网低碳化转型，大规模分布式光伏将接入配电网，导致谐波问题越来越严重，基于光储一体化多端口并网换流器是解决新能源接入的一种具有前景的技术，新能源及储能向交流侧非线性负荷供电时会导致大量的电压谐波，影响系统运行，目前现场应用的L型或LCL型滤波器对高频谐波有较好的抑制，但难以应对低次谐波。通过有源滤波器(APF)方式抑制谐波，需要投入大量电能质量补偿设备，经济性不高；在AC/DC并网换流器中利用多比例谐振、前馈比例等控制可以抑制低次谐波，但受限多个PI控制环参数的影响，实际工程中存在调参困难问题。

发明内容

本发明实施例提供一种光储一体化并网换流器非线性混合控制方法、介质及系统，以解决现有技术中新能源及储能向交流侧非线性负荷供电时会导致大量的电压谐波从而影响系统运行的问题。

第一方面，提供一种光储一体化并网换流器非线性混合控制方法，包括：

判断电网的电能质量是否超出预设范围；

根据判断结果选择不同的控制模式对并网换流器进行控制；

其中，所述控制模式包括：PI控制模式和模型预测MPC控制模式。

第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如第一方面实施例所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法。

第三方面，提供一种光储一体化并网换流器非线性混合控制系统，包括：如第二方面实施例所述的计算机可读存储介质。

这样，本发明实施例，通过高性能非线性控制及多目标最优控制算法实现光储一体化发电功率的自适应跟踪及电能质量优化，具有成本低、改造难度小、谐波含量低等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法的流程图；

图2是本发明实施例的光储一体化并网换流器非线性混合控制系统示意图；

图3是本发明实施例的并网换流器拓扑的示意图；

图4是本发明实施例的PI双闭环控制示意图；

图5是本发明实施例的并网换流器网侧等效电阻R_s，并网换流器网侧等效电感L_s，桥臂等效电阻R，桥臂等效电感L参数不失配时A相输出电流波形示意图，其中，A相Larm＝1*pu；

图6是本发明实施例的桥臂等效电感L参数失配时A相输出电流波形示意图，其中，A相Larm＝0.8*pu；

图7是本发明实施例的桥臂等效电感L参数失配时经修正A相输出电流波形示意图，其中，A相Larm＝0.8*pu。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种光储一体化并网换流器非线性混合控制方法。如图1所示，本发明实施例的方法包括如下的步骤：

步骤S101：判断电网的电能质量是否超出预设范围。

步骤S102：根据判断结果选择不同的控制模式对并网换流器进行控制。

具体的，控制模式包括：PI控制模式和模型预测MPC控制模式。

该步骤包括如下的两种情况：

一、若电网的电能质量不超出预设范围，则选择PI控制模式对并网换流器进行控制。

预设范围可根据经验设置，大于预设范围的最大值，小于预设范围的最小值，都是超出预设范围。

若电网的电能质量不超出预设范围，此时，电网处于正常运行状态，采用PI控制模式即可。PI控制模式是一种常规的控制模式，具体原理为：采用PI控制模块对并网换流器进行PI双闭环控制。如图4所示，PI双闭环控制采用外环定直流电压、定无功功率，内环定电流控制；外环控制器用于有功、无功的跟踪，内环控制器用于d-q轴电流控制，并生成参考波，环流抑制控制器用于抑制相间环流，上下桥臂电压参考波根据调制策略生成控制脉冲，为了对子模块进行均压，采用NLM排序方式或载波移相PWM方式，触发子模块导通关断。

二、若电网的电能质量超出预设范围，则选择模型预测MPC控制模式对并网换流器进行控制。

若电网的电能质量超出预设范围，此时，电网的电能质量变差，采用模型预测MPC控制模式对并网换流器进行控制，具体通过模型预测控制模块对换流器进行控制。

模型控制MPC控制模式的具体步骤如下：

1、对建立的并网换流器数学模型进行离散化处理，得到第一离散数学模型。

本发明实施例的并网换流器可以是模块化多电平换流器MMC，如图3所示，其由三相六桥臂组成，每个桥臂包括N个半桥子模块和一个桥臂电感，相输出端从上桥臂和下桥臂之间引出，通过换流变压器连接电网。

其中，并网换流器数学模型通过基尔霍夫定律KVL建立，并网换流器数学模型具体如下：

其中，U_k表示并网换流器网侧三相电压，i_vk表示并网换流器网侧三相电流，e_k表示上、下桥臂电压差，e_k＝(v_nk-v_pk)/2，v_pk表示上桥臂电压，v_nk表示下桥臂电压，R_s表示并网换流器网侧等效电阻，L_s表示并网换流器网侧等效电感，R表示桥臂等效电阻，L表示桥臂等效电感，k＝a，b，c，t表示采样时间。

通过一阶欧拉法对并网换流器数学模型进行离散化处理，得到的第一离散数学模型具体如下：

其中，T_s表示采样时间，L′＝L_s+L/2，R′＝R_s+R/2。

上述的R_s、L_s、R、L可通过迭代的方法得到，从而使得最终的计算结果更加准确。

具体迭代的过程如下：

(1)将第一离散数学模型作为连续状态方程，并令i_vk(t+T_s)＝u_m(t)。

(2)初始化R_s、L_s、R、L、i_vk，v_nk，v_pk和T_s。

具体的，通过赋值得到R_s、L_s、R、L的初始值，通过测量得到i_vk，v_nk，v_pk的初始值。T_s可根据需求预设得到。

(3)将初始化的R_s、L_s、R、L、i_vk，v_nk，v_pk和T_s，代入连续状态方程以计算i_vk(t+T_s)。

其中，U_k通过计算得到。

(4)令φ为学习算子，m为迭代次数，e_m(t)＝u_ref(t)-u_m(t)，u_ref(t)为预设参考值或实际采集的i_vk(t+T_s)，根据u_m+1(t)＝u_m(t)+φ(e_m(t))进行迭代计算，并且每次迭代计算，学习算子φ自适应更新以使R_s、L_s、R、L更新。

(5)当||u_ref(t)-u_m(t)||≤γ或者迭代次达到预设次数时，停止迭代计算，采用该次迭代计算对应的R_s、L_s、R、L作为MPC控制模式的R_s、L_s、R、L。

2、基于并网换流器网侧三相电流参考值，以及，通过第一离散数学模型计算得到的并网换流器网侧三相电流，构建第一代价函数。

第一代价函数J_k具体如下：

J_k＝|i_vkref(t+T_s)-i_vk(t+T_s)|。

其中，i_vkref表示并网换流器网侧三相电流参考值。

具体的，并网换流器网侧三相电流参考值可通过如下的方式获得：

(1)获取d轴电流参考值。

d轴电流参考值i_dref可根据外部输入有功类指令值，计算得到dq坐标系下d轴电流参考值i_dref，即其中，P_ref表示外部输入有功类指令值，v_sd表示并网换流器交流侧d轴电压。

d轴电流参考值i_dref也可根据外部输入指令值V_dref，与实际测量的直流母线电压V_dc，经PI控制环得到i_dref。

(2)获取q轴电流参考值。

q轴电流参考值i_qref可根据外部输入无功类指令值，计算得到dq坐标系下q轴电流参考值i_qref，即其中，Q_ref表示外部输入无功类指令值，v_sq表示并网换流器交流侧q轴电压。

q轴电流参考值i_qref也可根据外部输入指令值U_sm，与实际测量的电网三相电压u_abc，经PI控制环得到i_qref。

(3)将d轴电流参考值和q轴电流参考值经过d-q逆变换得到三相电流参考值i_vkref(t+T_s)。

其中，k＝a，b，c。

3、对建立的并网换流器内部环流数学模型进行离散化处理，得到第二离散数学模型。

由于并网换流器内部存在环流，通过电压补偿进行环流抑制，则并网换流器内部环流数学模型具体如下：

其中，V_dc表示直流母线电压，i_diffk表示并网换流器的内部环流，i_pk表示上桥臂电流，i_nk表示下桥臂电流。

通过一阶欧拉法对并网换流器内部环流数学模型进行离散化处理，得到的第二离散数学模型具体如下：

其中，V_diffk表示并网换流器的共模电压，M选自集合[-m,-(m-1),...0,...,m-1,m]中的一个，m为备用子模块，一般的，现场工程都要求具有备用子模块，如果有模块异常损坏，可以直接通过控制让备用子模块替代损坏模块。本发明实施例中的备用子模块用于谐波优化，即进行环流抑制及电网谐波抑制。

4、基于并网换流器直流侧电流，以及，通过第二离散数学模型计算得到的并网换流器的内部环流，构建第二代价函数。

第二代价函数J_diffk具体如下：

J_diffk＝|i_dc(t+T_s)/3-i_diffk(t+T_s)|。

其中，i_dc表示并网换流器直流侧电流。

5、通过所述第一代价函数和所述第二代价函数，计算得到上、下桥臂分别投入的子模块数。

具体的，该步骤包括如下的过程：

(1)计算得到第一代价函数J_k最小时的上、下桥臂电压差

(2)计算得到第二代价函数J_diffk最小时的并网换流器的共模电压

(3)基于第一代价函数J_k最小时的上、下桥臂电压差，以及，第二代价函数J_diffk最小时的并网换流器的共模电压，计算得到上桥臂投入的子模块数量和下桥臂投入的子模块数量。

上桥臂投入的子模块数量SMn_pj的计算式具体如下：

下桥臂投入的子模块数量SMn_nj的计算式具体如下：

其中，N表示单桥臂模块数量。

6、通过NLM调制，输出上、下桥臂的子模块的控制脉冲，以实现上、下桥臂分别投入的子模块数的子模块。

一般的，一个子模块包括两个开关管，当子模块投入时，脉冲为(1,0)；当子模块切除时，脉冲为(0,1)。

如图5～7所示，图5反映了桥臂等效电感没发生变化时的电流情况。一般的，随着时间推移，电感参数会发生老化，因此，当电感参数变化后，需要做修正。图6反映了不做修正的电流情况，图7反映了采用本发明实施例的方法控制修正后的电流情况。从图6和图7的对比可以看出，采用本发明实施例的方法控制后，有效减少谐波，达到了主动抑制谐波的作用。

通过上述的方法，通过传统PI控制与MPC非线性控制结合的方法，解决单一采用非线性控制带来计算复杂，工程经验不足，易出现控制发散问题。通过两种控制实时切换，综合提升系统控制鲁棒性与最优控制，适用于光伏直流并网换流器及电网谐波主动抑制。

此外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法。

此外，本发明实施例还提供一种光储一体化并网换流器非线性混合控制系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。

具体的，如图2所示，该系统包括：并网换流器、PI控制模块、MPC控制模块、采集计算模块、模式切换模块和迭代学习模块。

该系统通过采用模块化多电平拓扑结构，并网换流器的直流侧直接与光伏和储能进行直流连接，中间不再有交流环节；光伏工作模式为MPPT模式，储能工作模式为定直流电压或定电流控制模式，并网换流器的交流侧与电网连接。

采集计算模块主要是对对采集数据进行分析，并输出切换控制信号。切换模块获取外部控制信号或外部指令，进行实时控制模式切换。具体的，在电网电能质量变化时，通过切换模块，切换至非线性控制进行功率变换运行；切换模块内部将微控制器外部中断控制器EXTI设置为边沿触发模式用于捕获切换指令或控制信号，当发生切换事件时，控制信号将出现高电平向低电平转换，外部中断控制器EXTI捕获该信号下降沿并产生中断；中断服务函数实现PI控制模块输出与MPC控制模块输出的切换，并作用于并网换流器。

综上，本发明实施例，通过高性能非线性控制及多目标最优控制算法实现光储一体化发电功率的自适应跟踪及电能质量优化，具有成本低、改造难度小、谐波含量低等特点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光储一体化并网换流器非线性混合控制方法，其特征在于，包括：

判断电网的电能质量是否超出预设范围；

根据判断结果选择不同的控制模式对并网换流器进行控制；

其中，所述控制模式包括：PI控制模式和模型预测MPC控制模式。

2.根据权利要求1所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法，其特征在于，所述根据判断结果选择不同的控制模式对并网换流器进行控制的步骤，包括：

若所述电网的电能质量超出所述预设范围，则选择所述模型预测MPC控制模式对所述并网换流器进行控制。

3.根据权利要求2所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法，其特征在于，所述模型预测MPC控制模式的控制步骤包括：

对建立的并网换流器数学模型进行离散化处理，得到第一离散数学模型；

基于并网换流器网侧三相电流参考值，以及，通过所述第一离散数学模型计算得到的并网换流器网侧三相电流，构建第一代价函数；

对建立的并网换流器内部环流数学模型进行离散化处理，得到第二离散数学模型；

基于并网换流器直流侧电流，以及，通过所述第二离散数学模型计算得到的并网换流器的内部环流，构建第二代价函数；

通过所述第一代价函数和所述第二代价函数，计算得到上、下桥臂分别投入的子模块数；

通过NLM调制，输出上、下桥臂的子模块的控制脉冲，以实现上、下桥臂分别投入的子模块数的子模块。

4.根据权利要求3所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法，其特征在于，

所述并网换流器数学模型包括：

所述第一离散数学模型包括：

所述并网换流器内部环流数学模型包括：

所述第二离散数学模型包括：

其中，U_k表示并网换流器网侧三相电压，i_vk表示并网换流器网侧三相电流，e_k表示上、下桥臂电压差，e_k＝(v_nk-v_pk)/2，v_pk表示上桥臂电压，v_nk表示下桥臂电压，R_s表示并网换流器网侧等效电阻，L_s表示并网换流器网侧等效电感，R表示桥臂等效电阻，L表示桥臂等效电感，k＝a，b，c，t表示当前采样时刻，t表示采样时间，T_s表示采样周期，L′＝L_s+L/2，R′＝R_s+R/2，V_dc表示直流母线电压，i_diffk表示并网换流器的内部环流，i_pk表示上桥臂电流，i_nk表示下桥臂电流，V_diffk表示并网换流器的共模电压，/>M选自集合[-m,-(m-1),...0,...,m-1,m]中的一个，m为备用子模块，N表示单桥臂模块数。

5.根据权利要求4所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法，其特征在于，

所述第一代价函数J_k包括：

J_k＝|i_vkref(t+T_s)-i_vk(t+T_s)|；

所述第二代价函数J_diffk包括：

J_diffk＝|i_dc(t+T_s)/3-i_diffk(t+T_s)|；

其中，i_vkref表示并网换流器网侧三相电流参考值，i_dc表示并网换流器直流侧电流。

6.根据权利要求5所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法，其特征在于，所述通过所述第一代价函数和所述第二代价函数，计算得到上、下桥臂分别投入的子模块数的步骤，包括：

计算得到所述第一代价函数J_k最小时的上、下桥臂电压差

计算得到所述第二代价函数J_diffk最小时的并网换流器的共模电压

基于所述第一代价函数J_k最小时的上、下桥臂电压差，以及，所述第二代价函数J_diffk最小时的并网换流器的共模电压，计算得到上桥臂投入的子模块数量和下桥臂投入的子模块数量；

所述上桥臂投入的子模块数量SMn_pj的计算式包括：

所述下桥臂投入的子模块数量SMn_nj的计算式包括：

其中，N表示单桥臂模块数量。

7.根据权利要求4所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法，其特征在于：所述并网换流器网侧等效电阻R_s，所述并网换流器网侧等效电感L_s，所述桥臂等效电阻R，所述桥臂等效电感L通过迭代的过程确定，所述迭代的过程包括：

将第一离散数学模型作为连续状态方程，并令i_vk(t+T_s)＝u_m(t)；

初始化R_s、L_s、R、L、i_vk，v_nk，v_pk和T_s；

将初始化的R_s、L_s、R、L、i_vk，v_nk，v_pk和T_s，代入连续状态方程以计算i_vk(t+T_s)；

令φ为学习算子，m为迭代次数，e_m(t)＝u_ref(t)-u_m(t)，u_ref(t)为预设参考值或实际采集的i_vk(t+T_s)，根据u_m+1(t)＝u_m(t)+φ(e_m(t))进行迭代计算，并且每次迭代计算，学习算子φ自适应更新以使R_s、L_s、R、L更新；

当||u_ref(t)-u_m(t)||≤γ或者迭代次达到预设次数时，停止迭代计算，采用该次迭代计算对应的R_s、L_s、R、L作为MPC控制模式的R_s、L_s、R、L。

8.根据权利要求1所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法，其特征在于，所述根据判断结果选择不同的控制模式对并网换流器进行控制的步骤，包括：

若所述电网的电能质量不超出所述预设范围，则选择所述PI控制模式对所述并网换流器进行控制。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1～8中任一项所述的光储一体化并网换流器非线性混合控制方法。

10.一种光储一体化并网换流器非线性混合控制系统，其特征在于，包括：如权利要求9所述的计算机可读存储介质。