CN117239813B - 一种考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法，设计储能变流器的PQ、Vf、电能质量改善控制策略以及模式切换控制方法，考虑非线性载荷带来的谐波影响，通过测量电网的谐波来补偿电网的谐波电流，然后对电网电流进行谐波补偿。采集电网相角信号输入并离网切换模块，依据给定模式信号判断当前要运行在并网或离网模式，输出切换信号至控制模块与并网开关，切换控制模式。与现有技术相比，本发明以减小电网电流的总谐波失真实现储能单元在局部的削峰填谷、改善电能质量、备用电源等不同控制目标。

Description

一种考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法

技术领域

本发明涉及储能系统控制领域，尤其涉及一种考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法。

背景技术

近年来，随着负荷快速增长，峰谷差不断增大，城乡配电网“标准低、联系弱、低电压”等问题日益突出。在冬夏两季，尤其春节期间，间歇性高峰负荷问题尤为突出。配变，尤其是农网配变重载、过载情况时有发生，配电网面临着越来越大的运行风险和运营压力。此外，分布式电源渗透率的提高，电动汽车、LED照明等非线性、冲击性负荷的接入，配电网谐波、低电压、三相不平衡等电能质量问题越来越突出。

低压配网现状与用户对供电可靠性和电能质量高要求愈发不适应。传统分布式低压储能系统主要用于平滑间歇式能源功率波动、削峰填谷，但未考虑并网时如何改善网侧电能质量，亦缺少并网运行、电能质量改善、离网控制的统一控制策略及其控制模式切换方法。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是实现低压储能变流器并网运行、电能质量改善、离网运行多模式的统一控制及其控制模式灵活切换，使储能系统满足削峰填谷、改善电能质量、离网备用电源等不同应用场景需求，公开一种考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法，包括如下内容：

采集储能变流器输出三相电压、电流信号输入检测模块，检测模块根据输入的三相电压、电流信号获取含无功谐波电流信号、电压d、q轴信号以及相角频率ω ^*、相角正弦、余弦信号输出至控制模块，控制模块依据输入的给定信号输出控制储能变流器主拓扑电路的空间矢量脉冲宽度调制SVPWM信号，控制储能变流器输出功率；

同时采集电网相角信号输入并离网切换模块，并离网切换模块依据给定模式信号判断当前要运行在并网或离网模式，输出切换信号至控制模块与并网开关，切换控制模式。

进一步地，所述检测模块具体操作为：

将输入三相电压信号输入锁相环PLL模块，输出至SINCOS模块，输出相角频率ω ^*、相角正弦、余弦信号；

将三相电流信号输入矩阵C ₃₂中，计算得电流信号i _α 、i _β ，再与相角正弦、余弦信号一起输入矩阵C中，获得电流信号i _d 、i _q ，其中将信号i _d 输入低通滤波LPF模块，输出信号，将储能变流器主拓扑电路直流侧电压V _bus与给定直流侧电压V _bus ^*作差，将差值输入PI控制器，将信号/>与PI控制器输出作差获得信号/>，再将/>与0依次输入矩阵C’、C ₃₂’中，获得含无功谐波电流的信号i _h-abc；

检测三相电压e _abc，将其依次输入矩阵C ₃₂、矩阵C，获得电压d、q轴信号e _d 、e _q 。

进一步地，所述控制模块具体操作为：

将含无功谐波电流的信号i _h-abc依次输入矩阵C ₃₂、矩阵C中，将其中有功电流信号与有功功率PI控制器输出i _P ^*求和，将其中无功电流信号与无功功率PI控制器输出i _Q ^*求和，分别获得参考的有功电流信号i _d ^*与i _q ^*，将其与实测电流信号i _d 、i _q 作差并输入PI控制器获得信号i _d ’、i _q ’，将i _d ’与电网电压d轴信号e _d 求和再与ω ^* Li _q 作差获得控制电压信号u _d ，将i _q ’与电网电压q轴信号e _q 求和再与ω ^* Li _d 求和获得控制电压信号u _q ，将u _d 与u _q 连同相角正弦、余弦信号一起输入矩阵C’获得电压信号u _α 与u _β ，将其依次输入切换模块、SVPWM模块，输出SVPWM驱动信号至储能变流器主拓扑电路；

同时由三相电压信号e _abc与给定电压信号e _abc ^*作差，输入PI控制器，PI控制器输出与直流侧电压V _bus输入V/f控制模块，输出调制比m与相角ωt，再输入m/ωt转αβ模块，获得输出电压控制信号V _α 与V _β ，再依次输入切换模块、SVPWM模块，输出SVPWM驱动信号至储能变流器主拓扑电路。

进一步地，所述矩阵C ₃₂为：

；

矩阵C为：

；

矩阵C ₃₂’为矩阵C ₃₂逆矩阵，矩阵C’为矩阵C逆矩阵。

进一步地，所述并离网切换模块具体操作为：

将检测模块获得的电网相角ω ^* t与离网控制相角ωt输入相角跟踪模块，依据模式切换指令输出并网、离网模式切换信号S，并将信号S输入并网开关、控制模块中的切换模块。

进一步地，所述相角跟踪模块包括：

将计算电网相角ω ^* t与离网控制相角ωt之差，将偏差输入PID控制器中，PID控制器输出相角调整量Δω，将其与当前离网控制相角ωt求和后更新原ωt值，输入至控制模块中m/ωt转αβ模块；当相角调整量Δω小于等于π/1800，则判断当前模式是否与模式切换指令中的模式一致，若一致则不输出并网、离网模式切换信号S，若不一致则输出并网、离网模式切换信号S至并网开关、控制模块中的切换模块。

本发明的有益效果在于：通过所设计的考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法，及其中检测模块、控制模块、并离网切换模块，实现低压储能变流器并网运行、电能质量改善、离网运行多模式的统一控制及其控制模式灵活切换，使储能系统满足削峰填谷、改善电能质量、离网备用电源等不同应用场景需求，参与电网调峰、电能质量改善等辅助服务，有效提高电网安全水平和运行效率。

附图说明

图1是系统整体功能逻辑框图；

图2是储能变流器模块框图；

图3是电网A相电压与变流器输出A相电流示意图；

图4是储能变流器吸收纯无功功率示意图；

图5是储能变流器发出纯无功功率示意图；

图6是储能变流器同时输出有功、无功功率；

图7是储能变流器由离网模式切换到并网模式储能变流器输出三相电流波形；

图8是储能变流器由离网模式切换到并网模式储能变流器输出电网三相电压波形；

图9是谐波补偿前电网A相电流波形及其THD；

图10是谐波补偿后电网A相电流波形及其THD。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在MATLAB/Simulink中建立仿真模型实施例，其中电网电压380Vac，频率50Hz，储能电池额定电压为360Vdc，电池初始SOC设置为80%，为方便观察储能电量变化，设电池额定容量为10Ah。

本发明公开的一种考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法，其结构框图参见图1，包括如下步骤：

采集储能变流器输出三相电压、电流信号输入检测模块，检测模块根据输入的三相电压、电流信号获取含无功谐波电流信号、电压d、q轴信号以及相角频率ω ^*、相角正弦、余弦信号至控制模块，控制模块依据输入的给定信号输出控制储能变流器主拓扑电路的空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）信号，控制储能变流器输出功率。同时采集电网相角信号输入并离网切换模块，并离网切换模块依据给定模式信号判断当前要运行在并网或离网模式，输出切换信号至控制模块与并网开关，切换控制模式。

对于检测模型，其具体执行过程如下：

将输入三相电压信号输入锁相环PLL模块，输出至SINCOS模块，输出相角频率ω ^*、相角正弦、余弦信号。同时将三相电流信号输入矩阵C ₃₂中，计算得电流信号i _α 、i _β ，与相角正弦、余弦信号一起输入矩阵C中，获得电流信号i _d 、i _q ，其中将信号i _d 输入低通滤波LPF模块，输出信号，将储能变流器主拓扑电路直流侧电压V _bus与给定直流侧电压V _bus ^*作差，将差值输入PI控制器，将信号/>与PI控制器输出作差获得信号/>，再将/>与0依次输入矩阵C’、C ₃₂’中，获得含无功谐波电流的信号i _h-abc。同时，检测三相电压e _abc，将其依次输入矩阵C ₃₂、矩阵C，获得电压d、q轴信号e _d 、e _q 。

对于控制模型执行过程如下：

控制模块将含无功谐波电流的信号i _h-abc依次输入矩阵C ₃₂、矩阵C中，将其中有功电流信号与有功功率PI控制器输出i _P ^*求和，将其中无功电流信号与无功功率PI控制器输出i _Q ^*求和，分别获得参考的有功电流信号i _d ^*与i _q ^*，将其与实测电流信号i _d 、i _q 作差并输入PI控制器获得信号i _d ’、i _q ’，将i _d ’与电网电压d轴信号e _d 求和再与ω ^* Li _q 作差获得控制电压信号u _d ，将i _q ’与电网电压q轴信号e _q 求和再与ω ^* Li _d 求和获得控制电压信号u _q ，将u _d 与u _q 连同相角正弦、余弦信号一起输入矩阵C’获得电压信号u _α 与u _β ，将其依次输入切换模块、SVPWM模块，输出SVPWM驱动信号至储能变流器主拓扑电路。

同时由三相电压信号e _abc与给定电压信号e _abc ^*作差，输入PI控制器，PI控制器输出与直流侧电压V _bus输入V/f控制模块，输出调制比m与相角ωt，再输入m/ωt转αβ模块，获得输出电压控制信号V _α 与V _β ，再依次输入切换模块、SVPWM模块，输出SVPWM驱动信号至储能变流器主拓扑电路。

矩阵C ₃₂为：

矩阵C ₃₂’为矩阵C ₃₂逆矩阵，矩阵C为：

矩阵C’为矩阵C逆矩阵。

图1中的并离网切换模块为：

将检测模块获得的电网相角ω ^* t与离网控制相角ωt输入相角跟踪模块，依据模式切换指令输出并网、离网模式切换信号S，并将信号S输入并网开关、控制模块中的切换模块。

相角跟踪模块为：

将计算电网相角ω ^* t与离网控制相角ωt之差，将偏差输入PID控制器中，PID控制器输出相角调整量Δω，将其与当前离网控制相角ωt求和后更新原ωt值，输入至控制模块中m/ωt转αβ模块；当相角调整量Δω小于等于π/1800，则判断当前模式是否与模式切换指令中的模式一致，若一致则不输出并网、离网模式切换信号S，若不一致则输出并网、离网模式切换信号S至并网开关、控制模块中的切换模块。

本实施例中，设置控制模块中给定有功功率P ^*为4kW、给定无功功率Q ^*为0，变流器以功率因数1并网运行，由图3可知，系统稳定时，变流器输出的A相电流波为与电网电压同相位的正弦波。同时，设置控制模块中给定有功功率P ^*为0kW、给定无功功率Q ^*为750Var，测试了储能变流器吸收无功功率功能，如图4所示。设置控制模块中给定有功功率P ^*为0kW、给定无功功率Q ^*为1.5kVar，测试了储能变流器发出纯无功功率性能，如图5所示。设置控制模块中给定有功功率P ^*为3.8kW，给定无功功率Q ^*为1.5kVar，测试了储能变流器同时输出有功与无功功率性能，如图6所示。

应用并离网切换模块，在0.3s控制低压储能变流器从离网模式切换至并网模式运行过程中，电压、电流曲线如图7、图8所示。

将非线性负荷连接到电网，非线性负载由带阻感负载的不控整流组成，有功功率3.2kW，无功功率1.5kVar，功率因数0.9，通过检测模块与控制模块对储能变流器主拓扑电路控制，结果如图9和图10所示，可见在变流器进行谐波抑制之前，电网电流受非线性负载影响，出现较大的畸变，A相电流THD达到16.63%，主要谐波包括5次、7次等奇次谐波，在启动谐波抑制功能后，电网电流得到较大程度改善，THD降低至6.12%。

综上所述，由仿真结果表明，当变流器的输出为有功功率时，可以正常向电网馈入有功功率，当负荷中存在谐波时，变流器可实现谐波补偿功能，有效降低电网电流THD，非线性负荷产生的谐波对电网的危害显著减轻，亦满足低压储能变流器并网、离网模式切换。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法，其特征在于，包括如下内容：

采集储能变流器输出三相电压、电流信号输入检测模块，检测模块根据输入的三相电压、电流信号获取含无功谐波电流信号、电压d、q轴信号以及相角频率ω ^*、相角正弦、余弦信号输出至控制模块，控制模块依据输入的给定信号输出控制储能变流器主拓扑电路的空间矢量脉冲宽度调制SVPWM信号，控制储能变流器输出功率；

同时采集电网相角信号输入并离网切换模块，并离网切换模块依据给定模式信号判断当前要运行在并网或离网模式，输出切换信号至控制模块与并网开关，切换控制模式；

控制模块具体操作为：

将含无功谐波电流的信号i _h-abc依次输入矩阵C ₃₂、矩阵C中，将其中有功电流信号与有功功率PI控制器输出i _P ^*求和，将其中无功电流信号与无功功率PI控制器输出i _Q ^*求和，分别获得参考的有功电流信号i _d ^*与i _q ^*，将其与实测电流信号i _d 、i _q 作差并输入PI控制器获得信号i _d ’、i _q ’，将i _d ’与电网电压d轴信号e _d 求和再与ω ^* Li _q 作差获得控制电压信号u _d ，将i _q ’与电网电压q轴信号e _q 求和再与ω ^* Li _d 求和获得控制电压信号u _q ，将u _d 与u _q 连同相角正弦、余弦信号一起输入矩阵C’获得电压信号u _α 与u _β ，将其依次输入切换模块、SVPWM模块，输出SVPWM驱动信号至储能变流器主拓扑电路；

同时由三相电压信号e _abc与给定电压信号e _abc ^*作差，输入PI控制器，PI控制器输出与直流侧电压V _bus输入V/f控制模块，输出调制比m与相角ωt，再输入m/ωt转αβ模块，获得输出电压控制信号V _α 与V _β ，再依次输入切换模块、SVPWM模块，输出SVPWM驱动信号至储能变流器主拓扑电路。

2.根据权利要求1所述的考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法，其特征在于，所述检测模块具体操作为：

将输入三相电压信号输入锁相环PLL模块，输出至SINCOS模块，输出相角频率ω ^*、相角正弦、余弦信号；

将三相电流信号输入矩阵C ₃₂中，计算得电流信号i _α 、i _β ，再与相角正弦、余弦信号一起输入矩阵C中，获得电流信号i _d 、i _q ，其中将信号i _d 输入低通滤波LPF模块，输出信号，将储能变流器主拓扑电路直流侧电压V _bus与给定直流侧电压V _bus ^*作差，将差值输入PI控制器，将信号/>与PI控制器输出作差获得信号/>，再将/>与0依次输入矩阵C’、C ₃₂’中，获得含无功谐波电流的信号i _h-abc；

检测三相电压e _abc，将其依次输入矩阵C ₃₂、矩阵C，获得电压d、q轴信号e _d 、e _q 。

3.根据权利要求2或1所述的考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法，其特征在于，所述矩阵C ₃₂为：

；

矩阵C为：

；

矩阵C ₃₂’为矩阵C ₃₂逆矩阵，矩阵C’为矩阵C逆矩阵。

4.根据权利要求1所述的考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法，其特征在于，所述并离网切换模块具体操作为：

将检测模块获得的电网相角ω ^* t与离网控制相角ωt输入相角跟踪模块，依据模式切换指令输出并网、离网模式切换信号S，并将信号S输入并网开关、控制模块中的切换模块。

5.根据权利要求4所述的考虑谐波抑制的低压储能变流器控制方法，其特征在于，所述相角跟踪模块包括：

将计算电网相角ω ^* t与离网控制相角ωt之差，将偏差输入PID控制器中，PID控制器输出相角调整量Δω，将其与当前离网控制相角ωt求和后更新原ωt值，输入至控制模块中m/ωt转αβ模块；当相角调整量Δω小于等于π/1800，则判断当前模式是否与模式切换指令中的模式一致，若一致则不输出并网、离网模式切换信号S，若不一致则输出并网、离网模式切换信号S至并网开关、控制模块中的切换模块。