CN117060446B - 一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，所述三相串联型储能系统包括三个相互并联的单相串联型储能系统，每个所述单相串联型储能系统包括多个串联的储能单元，所述多个串联的储能单元中包括一个主储能单元与至少一个从储能单元，分别采用主单元控制方法与从单元控制方法进行控制，所述主储能单元与从储能单元无信息交互；对三个相的主储能单元采用主单元控制方法，基于所述三相串联型储能系统输出电压信息，分别对各相进行频率修正与电压幅值修正，以达到三相电压平衡；对三个相的从储能单元采用从单元控制方法，基于功率因数角下垂控制，实现从储能单元与主储能单元频率自同步，从而保证三相平衡与供电质量。
Description
技术领域
本发明涉及智能电网领域，具体来说，涉及一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法、系统及其存储介质。
背景技术
相位波动和负载不平衡扰动下三相系统难以实现全局自同步，现有解决方案主要分有三种：三相串联型系统集中式控制、三相串联型系统分布式控制、单相串联型系统分散式控制。
其中，三相串联型系统集中式控制方式如图1所示，使用中央控制器来计算所有控制和调制指令，中央控制器将基于高带宽通讯向每个串联单元发送每个逆变器控制命令。集中控制器便于协调全局各单元的底层控制，可以实现最佳谐波调制和最佳闭环电流调节。但随着串联单元模块数量的增加，中央控制器必须计算越来越复杂的调制参考波形，才能继续实现最佳相位配置调制，因此会加重系统的计算负担。不仅如此，传输的通讯网络带宽必须增加，以便在每个调制周期将此调制信息可靠地传输到所有单元。因此，控制器性能严重依赖于通讯网络的鲁棒性和可靠性。
而三相串联型系统分布式控制如图2所示，在该控制框架下，每个单元都有自己的本地控制器，系统可以将快时间尺度的控制任务转移到本地控制器中。此结构下，中央控制器作为主控制器协调每个本地控制器PWM调制并提供输出参考信号，同时为系统提供全局保护，不仅可以大大减少主单元计算压力，还以可以降低通讯带宽，从而降低通讯成本。然而，控制系统的稳定性和控制性能仍然受到通讯延迟、干扰和故障的影响。尤其当各储能单元的地理位置分散时，用于获取数据和传输控制命令的通讯负担将增加。因此，通讯网络的可靠性对串联型储能系统可靠性的威胁也将增加。此外，中央处理器或主控制器的故障也会影响所有控制单元控制信号传输，从而导致系统失稳。
另外，单相串联型系统分散式控制如图3所示，在该控制框架下，系统仅依赖本地信息实现各单元频率的自调节，从而实现全局频率的自同步。现有单相系统的自同步控制方法无法兼顾相内同步与相间协同，无法确保三相系统电压平衡。此外，当负载不平衡情况下，仅依赖本地信息无法保证系统相间频率同步。
也就是说，1)集中式、分布式等同步控制方法均依赖与通讯，一方面，通讯网络增加了系统的建设成本；另一方面，通讯网络比物理系统脆弱，更易受攻击，而任意通讯延迟、干扰、故障和网络攻击均将威胁电网的安全和稳定运行，降低了系统的可靠性。2)由于三相串联逆变器型系统结构复杂，不仅要求相内各单元自同步，还需要相子系统之间实现自同步。然而目前针对三相串联逆变器型系统的自同步控制仍处于空白。3)现有单相系统的自同步控制方法无法兼顾相内同步与相间协同，且在负载不平衡情况下，仅依赖本地信息无法保证系统相间频率同步。因此无法将其直接拓展到三相系统，在实现全局频率同步的同时兼顾保证系统三相电压平衡是亟待解决的难题。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法、系统及其存储介质，能够使系统具有良好的供电可靠性和供电质量，保证三相电压平衡。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，所述三相串联型储能系统包括三个相互并联的单相串联型储能系统，每个所述单相串联型储能系统包括多个串联的储能单元，
所述多个串联的储能单元中包括一个主储能单元与至少一个从储能单元，分别采用主单元控制方法与从单元控制方法进行控制，所述主储能单元与从储能单元无信息交互；对三个相的主储能单元采用主单元控制方法，基于所述三相串联型储能系统输出电压信息，分别对各相进行频率修正与电压幅值修正，以达到三相电压平衡；对三个相的从储能单元采用从单元控制方法，基于功率因数角下垂控制，实现从储能单元与主储能单元频率自同步。
进一步地，所述从单元控制方法进一步包括：基于功率因数角下垂控制，表达如下：
式中：ωxi、Vxi和Vxi_ref分别表示x相系统中第i个从储能单元的的角频率参考、功率因数角、电压幅值参考和输出电压矢量参考。ω0表示系统空载时角频率值，V*是相电压的额定电压幅值，mx是x相系统中储能单元的下垂系数。进一步地，下垂系数满足以使系统频率在49.5Hz～50.5Hz范围内变化；其中ωmax与ωmin分别表示电网角频率波动范围的最大值与最小值，/>与/>分别表示系统功率因数角可行范围的最大值与最小值，通常为π/2与-π/2。
进一步地，所述主单元控制方法中的频率修正与电压幅值修正包括：
式中，ωxL、VxL和VxL_ref分别为x相系统中主储能单元角频率基准、功率因数角、电压幅度参考和输出电压矢量参考；此外/>和uxm分别是相系统频率修正机制和电压幅值修正机制；ω0为系统空载时角频率值，mx为x相系统中储能单元的下垂系数,参数N表示系统每一相子系统中储能单元的个数。
进一步地，所述频率修正机制用于三相串联型储能系统输出电压的相位角平衡；所述频率修正机制具体设计如下：
式中：Ω＝{A,B,C}；kP和kI分别表示频率修正比例系数与积分系数，
δ’A＝δA；δ’B＝δB+2π/3；δ’C＝δC-2π/3。
进一步地，所述电压幅值修正机制用于保证稳态时各相系统具有相同的电压幅值，实现三相电压平衡；所述电压幅值修正机制具体设计如下：
进一步地，所述从储能单元采用三层控制环控制，最外层为功率环，采用所述从单元控制方法通过计算本地功率因数角作为功率反馈来调节系统输出功率大小，另外两层为双闭环控制，分别是电压环和电流环，其中双闭环控制的反馈信号分别为电容电压和电感电流，用来跟踪输出电压矢量参考信号，随后通过PR控制来实现系统双闭环控制。
进一步地，所述主储能单元采用三层控制环控制，最外层为功率环，采用所述主单元控制方法通过PCC电压信息引入了修正频率、电压修正项，保持系统电压三相平衡；另外两层为双闭环控制，分别是电压环和电流环，其中双闭环控制的反馈信号分别为电容电压和电感电流，用来跟踪输出电压矢量参考信号，随后通过PR控制来实现系统双闭环控制。
另一方面，还提供一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制系统，包括存储器、处理器和存储在存储器上的计算机程序，在处理器上运行的所述计算机程序，其中所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述的分散主从自同步控制方法。
另一方面，还提供一种计算机可读存储介质，用于存储在处理器上运行的计算机程序，其中所述处理器执行所述程序时实现前的分散主从自同步控制方法。
本发明的有益效果：通过在多个串联的储能单元中设置一个主储能单元与至少一个从储能单元，分别采用主单元控制方法与从单元控制方法进行控制，所述主储能单元与从储能单元无信息交互；对三个相的主储能单元采用主单元控制方法，基于所述三相串联型储能系统输出电压信息，分别对各相进行频率修正与电压幅值修正，以达到三相电压平衡；对三个相的从储能单元采用从单元控制方法，基于功率因数角下垂控制，实现从储能单元与主储能单元频率自同步。进而达到1)功率控制可以在每个模块中本地完成。因此，计算工作量将大大减少。2)每个本地控制单元之间没有通信，这将减少通信漏洞风险对控制性能的影响。与单相CHS的分散控制方法相比，该控制方法可以同时实现相间和相间频率同步。同时，即使在负载不平衡的情况下，也能保证三相电压的平衡。
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是现有技术中三相串联型系统集中式控制方式；
图2是现有技术中三相串联型系统分布式控制方式；
图3是现有技术中单相串联型系统分散式控制方式；
图4是三相串联型储能系统结构图；
图5是本发明中分散主从子自同步控制框架图；
图6是本发明中分散主从子自同步控制框图，其中，图6中的(a)为从单元控制方法，图6中的(b)为主单元控制方法；
图7是硬件在环实验平台图；
图8是初始电压相位角&RL负载下仿真测试图；
图9是初始电压相位角&RC负载下仿真测试图；
图10是不平衡RL负载下仿真测试图；
图11是不平衡RC负载下仿真测试图；
图12是负载与负载特性切换下仿真测试图；
图13是无电压修正项有效性仿真测试图；
图14是有电压修正项有效性仿真测试图。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，所述三相串联型储能系统包括三个相互并联的单相串联型储能系统，每个所述单相串联型储能系统包括多个串联的储能单元，如图4所示。
三相系统中的A、B、C相为三个单相串联型储能系统。其中A、B、C相子系统中第i个储能单元的输出电压分别表示为A相、B相和C相子系统输出电压等于相内各个储能单元的输出电压矢量和：
式(4-2)中：分别表示A相、B相和C相子系统输出电压矢量。
相比于单相串联逆变器型储能系统，三相系统频率同步机理更复杂，且必须保证系统三相电压平衡。为了实现这一点，不仅需要每相中各个储能单元的频率协调同步，而且还需相与相之间保持频率一致，即
ωAi＝ωAj＝ωBj＝ωBj＝ωCi＝ωCj
此外，每个相电压的相角需要彼此互差120度，并且每相的电压幅度也应该相等，即
δA＝δB+2π/3＝δC-2π/3
VA＝VB＝VC
由此可见，三相系统比单相系统有着更为复杂的控制要求，因此在三相串联逆变器型储能系统中直接使用现有的单相自同步控制方法是不可行的，系统输出电压平衡将会受到挑战。
如图5所示，该框架下主单元无需与从单元交互信息，从单元可与主单元实现频率自同步。主单元通过获取PCC信息对子系统输出频率、相位进行修正，实现系统的稳定可靠运行。所述多个串联的储能单元中包括一个主储能单元与至少一个从储能单元，分别采用主单元控制方法与从单元控制方法进行控制，所述主储能单元与从储能单元无信息交互。
如图6所示，对三个相的主储能单元采用主单元控制方法，基于所述三相串联型储能系统输出电压信息，分别对各相进行频率修正与电压幅值修正，以达到三相电压平衡；对三个相的从储能单元采用从单元控制方法，基于功率因数角下垂控制，实现从储能单元与主储能单元频率自同步。
进一步地，所述从单元控制方法进一步包括：基于功率因数角下垂控制，表达如下：
式中：ωxi、Vxi和Vxi_ref分别表示x相系统中第i个从储能单元的的角频率参考、功率因数角、电压幅值参考和输出电压矢量参考。ω0表示系统空载时角频率值，V*是相电压的额定电压幅值，mx是x相系统中储能单元的下垂系数。进一步地，下垂系数满足以使系统频率在49.5Hz～50.5Hz范围内变化；其中ωmax与ωmin分别表示电网角频率波动范围的最大值与最小值，/>与/>分别表示系统功率因数角可行范围的最大值与最小值，通常为π/2与-π/2。
进一步地，所述主单元控制方法中的频率修正与电压幅值修正包括：
式中，ωxL、VxL和VxL_ref分别为x相系统中主储能单元角频率基准、功率因数角、电压幅度参考和输出电压矢量参考；此外/>和uxm分别是相系统频率修正机制和电压幅值修正机制；ω0为系统空载时角频率值，mx为x相系统中储能单元的下垂系数，参数N表示系统每一相子系统中储能单元的个数。
进一步地，所述频率修正机制用于三相串联型储能系统输出电压的相位角平衡；所述频率修正机制具体设计如下：
式中：Ω＝{A,B,C}；kP和kI分别表示频率修正比例系数与积分系数，
δ’A＝δA；δ’B＝δB+2π/3；δ’C＝δC-2π/3。
进一步地，所述电压幅值修正机制用于保证稳态时各相系统具有相同的电压幅值，实现三相电压平衡；所述电压幅值修正机制具体设计如下：
进一步地，所述从储能单元采用三层控制环控制，最外层为功率环，采用所述从单元控制方法通过计算本地功率因数角作为功率反馈来调节系统输出功率大小，另外两层为双闭环控制，分别是电压环和电流环，其中双闭环控制的反馈信号分别为电容电压和电感电流，用来跟踪输出电压矢量参考信号，随后通过PR控制来实现系统双闭环控制。
进一步地，所述主储能单元采用三层控制环控制，最外层为功率环，采用所述主单元控制方法通过PCC电压信息引入了修正频率、电压修正项，保持系统电压三相平衡；另外两层为双闭环控制，分别是电压环和电流环，其中双闭环控制的反馈信号分别为电容电压和电感电流，用来跟踪输出电压矢量参考信号，随后通过PR控制来实现系统双闭环控制。
在稳态下，根据频率修正项，在PI控制作用下稳态时可以得到三相电压的相角平衡，相角互差120度，即
对上式求微分可得到三相系统频率同步，即
ωA＝ωB＝ωC
根据功率因数角下垂特性，稳态下每相各储能单元具有相同的频率，即
ωxL＝ωxi＝ωx x＝A，B，C
合式可知，系统所有储能单元频率同步，即
ωAL＝ωAi＝ωA＝ωBL＝ωBi＝ωB＝ωCL＝ωCi＝ωC
可得
此外，根据功率守恒可以得到
对上式两个等式平方后相加可得
计算可得
＝VB＝V.＝V
保证了系统稳态时三相电压平衡。
为了验证所提出的控制，在控制硬件在环平台(Control-hardware-in-loop，CHIL)上设计了一个基于3×3级联H桥转换器的DGs系统，如图7所示。主电路包括三相级联H桥系统、LC滤波器、线路阻抗和负载，在OPAL-RT4510模拟器中进行了仿真。控制器在DSP-TMS320F28335控制板上实现，采样频率设置为10kHz。实验数据由OPAL-RT4510主机记录。主要电路及控制参数见表1。
表1主电路和控制参数
案例1：初始电压相位角差异
当初始电压相位角不同时，系统的仿真结果如图8所示。为了更好地说明所提控制方法的有效性，在仿真开始时每个储能单元设置了不同初始电压相位角：其中A相系统的储能单元初始电压相位角设置为0rad，B相系统的储能单元初始电压相位角设置为0.15rad，C相系统的储能单元初始电压相位角设置为-0.15rad。系统工作在RL负载，其大小设置为4+4jΩ。从图8不平衡度仿真结果可以看出，开始时由于初始相位角不同，三相电压不平衡度达到约8.6％，超出最大允许范围(≤4％)。在t＝1s时，启动所提出的控制，三相电压不平衡度开始明显减小，最终降至为零。因此，在稳态下所提控制可以实现三相电压平衡。仿真结果表明该方法可以实现电压平衡、频率同步和功率均分等多个功能。仿真结果证明了所提出的控制在RL负载下的有效性。
考虑到负载阻抗特性对串联型系统的影响，案例1仿真测试在RC负载下进行了双重验证，其中初始电压相位角设置与RL负载下相同。此时系统工作在RC负载，大小设置为4-4jΩ。从图9可以看出，仿真结果与RL负载下类似，开始时电压不平衡率约为8.6％，启动控制后，电压不平衡逐渐减小至零，且稳态时还兼顾实现了了系统各单元频率同步和功率均分。
案例2：不平衡负载下仿真测试
不平衡RL负载下系统的仿真测试结果如图10所示。仿真结果显示，在t＝1s时A相、B相和C相的负载大小从4+4jΩ、4+4jΩ和4+4jΩ变为4+4jΩ、5+4jΩ和4+5jΩ。负载变化后，电压出现不平衡，但随后逐渐趋于平衡。此外，如前述输出功率仿真结果所示，不平衡负载而改变虽然改变了无功和有功功率的分配，但在短暂波动后各储能单元频率依然保持同步。因此，所提出的控制在不平衡RL负载下具有良好的控制效果。
图11为系统在不平衡RC负载下工作的仿真结果。在t＝1s时，平衡负载4-4jΩ、4-4jΩ和4-4jΩ切换为4-4jΩ、5-4jΩ和4-5jΩ。仿真结果与不平衡RL负载下类似，系统不仅保持三相电压平衡，而且各储能单元间频率同步也得到保证。综上所述，在负载不平衡的情况下，所提出的控制能够有效保证系统频率同步与三相电压平衡，且控制效果对负载阻抗特性不敏感。
案例3：负载切换与负载特性切换仿真测试
案例3的仿真测试旨在说明所提出的控制在负载变化和负载特性变化下的鲁棒性。仿真开始时，系统在三相平衡负载下工作(每相负载8+2jΩ)。在t＝3s时，接入一个大小为6+2jΩ的三相平衡负载，如图12所示，频率在负载扰动后进入稳态点。此外，系统三相电压平衡和储能单元间功率均分受影响。在t＝11s时，C相负载特性突变，即从8+2jΩ突变为8-2jΩ，负载的平衡状态被打破。从频率与不平衡度仿真结果可以看出，尽负载特性切换后，各储能单元间频率和系统三相电压不平衡均发生较大扰动，各储能单元间频率逐渐收敛并同步，且电压不平衡度也最终衰减至0。总之，在负载切换与负载特性切换两种不同的动态扰动下，所提控制依然能够保证系统稳定运行与电压平衡，从而证明了所提控制具有良好的鲁棒性。
案例4：电压修正项有效性仿真测试
案例4旨在验证所提电压修正机制的有效性。图13与图14表示有电压修正和没有修正两种控制方案下的电压幅度和频率变化结果。t＝2s时系统触发相位扰动，虽然两种情况下频率均可实现同步，但没有电压修正时系统电压跌落。为了清晰解释原因，给出稳态时某一相系统储能单元输出电压矢量图。当系统进入稳态时，所有从储能单元具有相同的功率因数角，并且根据频率修正机制来修改主单元的功率因数角度，因此主单元与从单元功率因数角不一致，如果没有电压修正机制，从单元和主单元的电压幅度参考将都被设置为恒定值(V*/N)。因此，根据矢量相加原理，该相系统的整体输出电压幅度将减小。为了克服这一问题，可以基于电压矢量三角关系修改主单元电压幅值大小。如果系统存在电压修正，根据仿真结果所示，电压在短暂波动后最终恢复到额定值。因此，通过电压修正可以恢复频率修正带来的电压下降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，所述三相串联型储能系统包括三个相互并联的单相串联型储能系统，每个所述单相串联型储能系统包括多个串联的储能单元，其特征在于：
所述多个串联的储能单元中包括一个主储能单元与至少一个从储能单元，分别采用主单元控制方法与从单元控制方法进行控制，所述主储能单元与从储能单元无信息交互；对三个相的主储能单元采用主单元控制方法，基于所述三相串联型储能系统输出电压信息，分别对各相进行频率修正与电压幅值修正，以达到三相电压平衡；对三个相的从储能单元采用从单元控制方法，基于功率因数角下垂控制，实现从储能单元与主储能单元频率自同步。
2.一种如权利要求1所述的用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，其特征在于：所述从单元控制方法进一步包括：基于功率因数角下垂控制，表达如下：
式中：ωxi、Vxi和Vxi_ref分别表示x相系统中第i个从储能单元的的角频率参考、功率因数角、电压幅值参考和输出电压矢量参考，ω0表示系统空载时角频率值，V*是相电压的额定电压幅值，mx是x相系统中储能单元的下垂系数，N表示系统每一相子系统中储能单元的个数。
3.一种如权利要求2所述的用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，其特征在于：下垂系数满足以使系统频率在49.5Hz～50.5Hz范围内变化；其中ωmax与ωmin分别表示电网角频率波动范围的最大值与最小值，与/>分别表示系统功率因数角可行范围的最大值与最小值。
4.一种如权利要求2或3所述的用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，其特征在于：所述主单元控制方法中的频率修正与电压幅值修正包括：
式中，ωxL、VxL和VxL_ref分别为x相系统中主储能单元角频率基准、功率因数角、电压幅度参考和输出电压矢量参考；此外/>和uxm分别是相系统频率修正机制和电压幅值修正机制；ω0为系统空载时角频率值，mx为x相系统中储能单元的下垂系数；N表示系统每一相子系统中储能单元的个数。
5.一种如权利要求4所述的用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，其特征在于：所述频率修正机制用于三相串联型储能系统输出电压的相位角平衡；所述频率修正机制具体设计如下：
式中：Ω＝{A,B,C}；kP和kI分别表示频率修正比例系数与积分系数，
δ’A＝δA；δ’B＝δB+2π/3；δ’C＝δC-2π/3。
6.一种如权利要求4所述的用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，其特征在于：所述电压幅值修正机制用于保证稳态时各相系统具有相同的电压幅值，实现三相电压平衡；所述电压幅值修正机制具体设计如下：
7.一种如权利要求2或3所述的用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，其特征在于：所述从储能单元采用三层控制环控制，最外层为功率环，采用所述从单元控制方法通过计算本地功率因数角作为功率反馈来调节系统输出功率大小，另外两层为双闭环控制，分别是电压环和电流环，其中双闭环控制的反馈信号分别为电容电压和电感电流，用来跟踪输出电压矢量参考信号，随后通过PR控制来实现系统双闭环控制。
8.一种如权利要求7所述的用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法，其特征在于：所述主储能单元采用三层控制环控制，最外层为功率环，采用所述主单元控制方法通过PCC电压信息引入了修正频率、电压修正项，保持系统电压三相平衡；另外两层为双闭环控制，分别是电压环和电流环，其中双闭环控制的反馈信号分别为电容电压和电感电流，用来跟踪输出电压矢量参考信号，随后通过PR控制来实现系统双闭环控制。
9.一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制系统，其特征在于：包括存储器、处理器和存储在存储器上的计算机程序，在处理器上运行的所述计算机程序，其中所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8任一项所述的分散主从自同步控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：用于存储在处理器上运行的计算机程序，其中所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-8任一项所述的分散主从自同步控制方法。
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