CN115954906B - 一种储能变流器并联控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种储能变流器并联控制方法及系统。所述方法包括：对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换、Park变换后，计算有功功率和无功功率；计算得到参考电压和电流环参考值，在电流环上叠加预测值，得到直轴前端电压和交轴前端电压，进而计算得到直轴电压和交轴电压；直轴电压、交轴电压经过SPWM调制，驱动逆变器桥臂开关管通断以控制逆变器输出。本发明叠加的预测值在负载突变时，能够快速补偿电流环需要的参考值，进而维持电压的稳定。

Description

一种储能变流器并联控制方法及系统

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种储能变流器并联控制方法及系统。

背景技术

储能变流器常运行于下垂模式，可以自动调节电压和频率以支撑电网。当下构网型储能需求增加，例如要求变流器模拟同步发电机特性，以提高电网系统强度。储能产品小功率模块化也是一个趋势，多模块并联成为常态。在微电网中，常常遇到负载突然改变、负载三相不平衡的情况。

当负载发生突变，由于维持电压所需的电流剧变，而电压外环又无法快速跟踪，使得电流环的参考值短时间内和实际所需的电流不相符，输出电压将出现较大幅度的突变。

负载三相不平衡时，不加专门算法将输出不平衡电压，此不平衡电压含大量负序电压。传统不平衡补偿方法检测负序电压大小，输出负序电流，以消除负序电压。但是多台储能变流器并联时，由于各台的交流电压采样都是同一个点，如果没有主机进行协调，很容易出现各台储能变流器为了补偿不平衡负载输出负序电流大小不同的情况。具体来说，有的储能变流器为了补偿不平衡输出了过大的负序电流，将电压调节到平衡，而其它储能变流器认为电压已经平衡，就不再增加负序电流输出。而各台输出不同，将导致出现零序环流，个别模块负载过重等问题。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提出一种储能变流器并联控制方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种储能变流器并联控制方法，多个储能变流器模块并联运行，每模块硬件拓扑为三电平逆变器，其控制方法包括以下步骤：

步骤1.对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换，以获得αβ坐标系下的两相电压、两相电流；

步骤2.对αβ坐标系下的两相电压、两相电流进行Park变换（Parktransformation，派克变换），以获得直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量；

步骤3.根据直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量计算有功功率和无功功率；

步骤4.根据有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压和频率，所述参考电压通过坐标变换得到三相参考电压的直轴分量，令交轴分量为0；

步骤5.将所述参考电压直轴分量与直轴电压分量之差经过电压环控制器，得到直轴电流环的参考值，同理得到交轴电流环的参考值；

步骤6.在直轴电流环参考值上叠加直轴预测量，直轴补偿量与内环电流参考值、直轴电流分量之差经过电流环控制器计算后，产生直轴前端电压；

平行地，在交轴电流环参考值上叠加交轴预测量，交轴补偿量与内环电流参考值、交轴电流分量之差经过电流环控制器计算，产生交轴前端电压；

综合考虑历史预测量、比例系数、电压幅值以及直轴负载倒数变化，计算出当前周期的直轴预测量、交轴预测量；

所述步骤6中叠加补偿量，具体为：

采用DSOGI算法分离出逆变器负序电压，以0为参考值，以负序电压为反馈，经过PI调制时，负序电压环的PI的积分量上叠乘渐消量，得到参考负序电流，具体为：

式中，i _du为直轴负序补偿电流，i _{du_1}为直轴上一周期的输出，U ^- _d为直轴负序电压，U ^- _{d_1}为直轴上一周期的输入；i _qu为交轴负序补偿电流，i _{qu_1}为交轴上一周期的输出，U ^- _q为交轴负序电压，U ^- _{q_1}为交轴上一周期的输入；P为比例系数，I为积分系数；T为计算周期，为频率f的倒数；ξ为渐消量；

步骤7.直轴前端电压、直轴耦合分量和电压直轴分量的前馈补偿，相加后得到直轴电压；交轴前端电压、交轴耦合分量和电压交轴分量的前馈补偿，相加后得到交轴电压；

步骤8.直轴电压、交轴电压经过SPWM调制，驱动逆变器桥臂开关管通断以控制逆变器输出。

进一步地，所述步骤1中对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换，获得αβ坐标系下的两相电压 、两相电流 ，具体为：

其中，U _a、U _b、U _c为三电平逆变器输出的三相电压信号，I _a、I _b、I _c为三电平逆变器输出的三相电流信号。

进一步地，所述步骤2中对αβ坐标系下的两相电压、两相电流进行Park变换，以获得直轴电压分量U _d、电流分量I _d和交轴的电压分量U _q、电流分量I _q，具体为：

式中，θ为当前电压角度，当前电流角度。

进一步地，所述步骤3中有功功率P、无功功率Q计算如下：

。

进一步地，所述步骤4中采用下垂控制方法调节参考电压U和频率f：

式中，f ₀为基准频率，K _f为频率下垂斜率，U ₀为基准电压，K _u为电压下垂斜率。

进一步地，所述步骤6中补偿量包括直轴预测量i _dt和交轴预测量i _qt，具体为：

其中，

Z_d= i_d÷ U_amp

式中，i _{dt_1} 、i _{qt_1}为上一计算周期的预测量，Z _{d_1} 、Z _{q_1}为上一周期计算的负载倒数，k ₁为比例系数。

进一步地，ξ的具体计算方法为：

；

式中，k ₂为比例系数。

一种储能变流器并联控制系统，包括：Clark变换模块、Park变换模块、功率计算模块、下垂计算模块、外环电压模块、电流环控制模块、前馈模块、SPWM模块；

所述Clark变换模块用于对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换，以获得αβ坐标系下的两相电压、两相电流；

所述Park变换模块用于对αβ坐标系下的两相电压、两相电流进行Park变换，以获得直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量；

所述功率计算模块用于根据直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量计算有功功率和无功功率；

所述下垂计算模块用于根据有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压和频率，所述参考电压通过坐标变换得到三相参考电压的直轴、交轴分量；

所述外环电压模块用于将所述参考电压直轴分量与直轴电压分量之差经过电压环控制器，得到直轴电流环的参考值，令交轴电流环参考值为0；

所述电流环控制模块用于在直轴电流环参考值上叠加直轴预测量，直轴补偿量与内环电流参考值、直轴电流分量之差经过电流环控制器计算后，产生直轴前端电压；平行地，在交轴电流环参考值上叠加交轴预测量，交轴补偿量与内环电流参考值、交轴电流分量之差经过电流环控制器计算，产生交轴前端电压；

所述前馈模块用于直轴前端电压、直轴耦合分量和电压直轴分量的前馈补偿，相加后得到直轴电压；交轴前端电压、交轴耦合分量和电压交轴分量的前馈补偿，相加后得到交轴电压；

所述SPWM模块直轴电压、交轴电压经过SPWM调制，驱动逆变器桥臂开关管通断以控制逆变器输出。

进一步地，还包括负序电压控制模块，所述负序电压控制模块用于采用DSOGI算法分离出逆变器负序电压，以0为参考值，以负序电压为反馈，经过PI调制时，负序电压环的PI的积分量上叠乘渐消量，得到参考负序电流；还包括负载电流预测模块，实时估算负载大小，预测交轴和直轴电流环所需的参考值，并加以补偿。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

（1）本发明根据电压电流采样计算有功和无功负载，再根据负载的变化量计算电流环参考值补偿量，分别叠加到电流环直轴和交轴的参考值上，负载突变时，快速补偿电流环需要的参考值，维持电压稳定在设定值附近；

（2）本发明为消除不平衡负载导致的负序电压，用DSOGI算法分离出负序电压，以0为参考值，以负序电压为反馈，经过PI调制，得到参考负序电流，叠加到电流直轴和交轴的参考值上，为防止各模块出力不平衡，负序电压环的PI的积分量上叠乘渐消量，使负序电流越大，渐消量ξ越小。

附图说明

图1为本发明的硬件拓扑结构示意图；

图2为本发明整体控制框图；

图3为本发明带渐消的负序补偿计算框图；

图4为本发明负载突变时电流预测算法效果图；

图5为本发明在有/无渐消算法时输出的负序电流效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参照图1-图5，本发明公开了一种储能变流器并联控制方法，多个储能变流器模块并联运行，直流侧可以采用不同的电源，也可以共直流母线，每模块硬件拓扑为常规三电平逆变器，具体包括以下步骤：

步骤1. 对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换，以获得αβ坐标系下的两相电压、两相电流；

对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换，获得αβ坐标系下的两相电压 、两相电流 ，具体为：

其中，U _a、U _b、U _c为三电平逆变器输出的三相电压信号，I _a、I _b、I _c为三电平逆变器输出的三相电流信号。

步骤2. 对αβ坐标系下的两相电压、两相电流进行Park变换，以获得直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量；

对αβ坐标系下的两相电压、两相电流进行Park变换，以获得直轴电压分量U _d、电流分量I _d和交轴的电压分量U _q、电流分量I _q，具体为：

式中，θ为当前电压角度，当前电流角度。

步骤3. 根据直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量计算有功功率和无功功率；

有功功率P、无功功率Q计算如下：

。

步骤4. 根据有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压和频率，所述参考电压通过坐标变换得到三相参考电压的直轴分量，令交轴分量为0；所述频率直接作用于控制器开关频率；

采用下垂控制方法调节参考电压U和频率f：

式中，f ₀为基准频率，K _f为频率下垂斜率，U ₀为基准电压，K _u为电压下垂斜率。

步骤5. 将所述参考电压直轴分量与直轴电压分量之差经过电压环控制器，得到直轴电流环的参考值，所述参考电压交轴分量与交轴电压分量之差经过电压环控制器，得到交轴电流环的参考值。

SPWM为双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环。电压外环的作用是控制SPWM整流器直流侧电压，电流内环的主要作用是按照外环输出的电流指令进行电流控制。

步骤6.在直轴电流环参考值上叠加直轴预测量，直轴补偿量与内环电流参考值、直轴电流分量之差经过电流环控制器计算后，产生直轴前端电压；

平行地，在交轴电流环参考值上叠加交轴预测量，交轴补偿量与内环电流参考值、交轴电流分量之差经过电流环控制器计算，产生交轴前端电压。

在一些实施例中，负载突变时，电压突变的本质是，应输出的电流突然改变，而由于电压环的限制，电流环的参考值无法突变。应输出的电流与负载有着线性关系，因此，本实施例中根据负载变化程度来预测电流环输入。根据电压电流采样计算有功和无功负载，再根据负载的变化量计算电流环参考值补偿量，分别叠加到电流环直轴电流环参考值i _d和交轴电流环参考值i _q的参考值上。

负载突变时，快速补偿电流环需要的参考值，维持电压稳定在设定值附近。

补偿量包括直轴预测量i _dt和交轴预测量i _qt，具体为：

其中，

Z_d= i_d÷ U_amp

式中，i _{dt_1} 、i _{qt_1}为上一计算周期的预测量，Z _{d_1} 、Z _{q_1}为上一周期计算的负载倒数，k ₁为比例系数，应根据未加预测算法时电压突变程度酌情选取，通常取几十即可。

在另一些实施例中，为消除不平衡负载导致的负序电压，用DSOGI算法分离出负序电压，以0为参考值，以负序电压为反馈，经过PI调制，得到参考负序电流，叠加到电流i _d和i _q的参考值上。为防止各模块出力不平衡，负序电压环的PI的积分量上叠乘渐消量(略小于1的数字)，设为ξ，使负序电流越大，ξ越小。

其中，DSOGI算法公式如下：

式中，q为移相因子，代表移相90°，U_αβ由Clark变换得到，U⁺ _αβ和U^- _αβ为αβ轴下的正、负序电压，再经Park变换可以得到d、q轴下的正、负序电压U⁺ _d, U⁺ _q, U^- _d, U^- _q。

本实施例中，采用DSOGI算法分离出逆变器负序电压，以0为参考值，以负序电压为反馈，经过PI调制时，负序电压环的PI的积分量上叠乘渐消量，得到参考负序电流。

在负序电压环的PI的积分量上叠乘渐消量，以直轴为例，具体为：

式中，i _du为直轴负序补偿电流，i _{du_1}为上一周期的输出，U ^- _d为直轴负序电压，U ^- _{d_1}为上一周期的输入；P为比例系数，I为积分系数。参数选取可以积分为主，比例积分值参考：100KW容量，P=0.005，I=1000，容量增大则增大参数。T为计算周期，直接等于下垂计算所得频率的倒数，即1/f。

同理，以交轴为例，具体为：

式中，i _qu为交轴负序补偿电流，i _{qu_1}为上一周期的输出，U ^- _q为交轴负序电压，U ^- _{q_1}为上一周期的输入；P为比例系数，I为积分系数。参数选取可以积分为主，比例积分值参考：100KW容量，P=0.005，I=1000，容量增大则增大参数。

ξ为渐消量，ξ的具体计算方法为：

；

式中，i _du和i _qu为直轴、交轴的负序补偿电流，k ₂为比例系数，根据系统开关频率酌情选取，k ₂越大，各模块的输出就越快达到平衡，但k ₂过大将导致出现较大的静差，即稳态下仍存在少许负序电压。k ₂值参考：100kW容量，20kHz开关频率，k ₂=0.00002。

步骤7.直轴前端电压、直轴耦合分量ωL和电压直轴分量U _d的前馈补偿U _{d_m}，相加后得到直轴电压；交轴前端电压、交轴耦合分量ωL和电压交轴分量U _q的前馈补偿U _{q_m}，相加后得到交轴电压。

其中，ω为工频角速度（），L为线路电感，U _{q_m}和U _{d_m}为交流采样电压经Clark和Park计算得到的交、直轴电压分量。

步骤8.直轴电压、交轴电压经过SPWM调制，驱动逆变器桥臂开关管通断以控制逆变器输出。

本发明还公开了一种储能变流器并联控制系统，包括：Clark变换模块、Park变换模块、功率计算模块、下垂计算模块、外环电压模块、电流环控制模块、前馈模块、SPWM模块；

Clark变换模块用于对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换，以获得αβ坐标系下的两相电压、两相电流；

Park变换模块用于对αβ坐标系下的两相电压、两相电流进行Park变换，以获得直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量；

功率计算模块用于根据直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量计算有功功率和无功功率；

下垂计算模块用于根据有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压和频率，所述参考电压通过坐标变换得到三相参考电压的直轴、交轴分量；

外环电压模块用于将所述参考电压直轴分量与直轴电压分量之差经过电压环控制器，得到直轴电流环的参考值，令交轴电流环参考值为0；

电流环控制模块用于在直轴电流环参考值上叠加直轴预测量，直轴补偿量与内环电流参考值、直轴电流分量之差经过电流环控制器计算后，产生直轴前端电压；平行地，在交轴电流环参考值上叠加交轴预测量，交轴补偿量与内环电流参考值、交轴电流分量之差经过电流环控制器计算，产生交轴前端电压；

前馈模块用于直轴前端电压、直轴耦合分量和电压直轴分量的前馈补偿，相加后得到直轴电压；交轴前端电压、交轴耦合分量和电压交轴分量的前馈补偿，相加后得到交轴电压；

SPWM模块直轴电压、交轴电压经过SPWM调制，驱动逆变器桥臂开关管通断以控制逆变器输出。

所述系统还包括负序电压控制模块，所述负序电压控制模块用于采用DSOGI算法分离出逆变器负序电压，以0为参考值，以负序电压为反馈，经过PI调制时，负序电压环的PI的积分量上叠乘渐消量，得到参考负序电流。

所述系统还包括负载电流预测模块，实时估算负载大小，预测交轴和直轴电流环所需的参考值，并加以补偿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (9)

1.一种储能变流器并联控制方法，其特征在于，多个储能变流器模块并联运行，每模块硬件拓扑为三电平逆变器，其控制方法包括以下步骤：

步骤1. 对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换，以获得αβ坐标系下的两相电压、两相电流；

步骤2. 对αβ坐标系下的两相电压、两相电流进行Park变换，以获得直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量；

步骤3. 根据直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量计算有功功率和无功功率；

步骤4. 根据有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压和频率，所述参考电压通过坐标变换得到三相参考电压的直轴分量，令交轴分量为0；

步骤5. 将所述参考电压直轴分量与直轴电压分量之差经过电压环控制器，得到直轴电流环的参考值；所述参考电压交轴分量与交轴电压分量之差经过电压环控制器，得到交轴电流环的参考值；

步骤6.在直轴电流环参考值上叠加直轴预测量，直轴补偿量与内环电流参考值、直轴电流分量之差经过电流环控制器计算后，产生直轴前端电压；

平行地，在交轴电流环参考值上叠加交轴预测量，交轴补偿量与内环电流参考值、交轴电流分量之差经过电流环控制器计算，产生交轴前端电压；

综合考虑历史预测量、比例系数、电压幅值以及直轴负载倒数变化，计算出当前周期的直轴预测量、交轴预测量；

所述步骤6中叠加补偿量，具体为：

采用DSOGI算法分离出逆变器负序电压，以0为参考值，以负序电压为反馈，经过PI调制时，负序电压环的PI的积分量上叠乘渐消量，得到参考负序电流，具体为：

式中，i _du为直轴负序补偿电流，i _{du_1}为直轴上一周期的输出，U ^- _d为直轴负序电压，U ^- _{d_1}为直轴上一周期的输入；i _qu为交轴负序补偿电流，i _{qu_1}为交轴上一周期的输出，U ^- _q为交轴负序电压，U ^- _{q_1}为交轴上一周期的输入；P为比例系数，I为积分系数；T为计算周期，为频率f的倒数；ξ为渐消量；

步骤7.直轴前端电压、直轴耦合分量和电压直轴分量的前馈补偿，相加后得到直轴电压；交轴前端电压、交轴耦合分量和电压交轴分量的前馈补偿，相加后得到交轴电压；

步骤8.直轴电压、交轴电压经过SPWM调制，驱动逆变器桥臂开关管通断以控制逆变器输出。

2.根据权利要求1所述的一种储能变流器并联控制方法，其特征在于，所述步骤1中对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换，获得αβ坐标系下的两相电压 、两相电流 ，具体为：

其中，U _a、U _b、U _c为三电平逆变器输出的三相电压信号，I _a、I _b、I _c为三电平逆变器输出的三相电流信号。

3.根据权利要求2所述的一种储能变流器并联控制方法，其特征在于，所述步骤2中对αβ坐标系下的两相电压、两相电流进行Park变换，以获得直轴电压分量U _d、电流分量I _d和交轴的电压分量U _q、电流分量I _q，具体为：

式中，θ为当前电压角度，当前电流角度。

4.根据权利要求3所述的一种储能变流器并联控制方法，其特征在于，所述步骤3中有功功率P、无功功率Q计算如下：

。

5.根据权利要求4所述的一种储能变流器并联控制方法，其特征在于，所述步骤4中采用下垂控制方法调节参考电压U和频率f：

式中，f ₀为基准频率，K _f为频率下垂斜率，U ₀为基准电压，K _u为电压下垂斜率。

6.根据权利要求4所述的一种储能变流器并联控制方法，其特征在于，所述步骤6中补偿量包括直轴预测量i _dt和交轴预测量i _qt，具体为：

其中，

Z_d = i_d÷ U_amp

式中，i _{dt_1} 、i _{qt_1}为上一计算周期的预测量，Z _{d_1} 、Z _{q_1}为上一周期计算的负载倒数，k ₁为比例系数。

7.根据权利要求1所述的一种储能变流器并联控制方法，其特征在于，ξ的具体计算方法为：

；

式中，k ₂为比例系数。

8.一种储能变流器并联控制系统，采用如权利要求1-7任意一项所述的一种储能变流器并联控制方法，其特征在于，包括：Clark变换模块、Park变换模块、功率计算模块、下垂计算模块、外环电压模块、电流环控制模块、前馈模块、SPWM模块；

所述Clark变换模块用于对逆变器输出的三相电压信号、三相电流信号进行Clark变换，以获得αβ坐标系下的两相电压、两相电流；

所述Park变换模块用于对αβ坐标系下的两相电压、两相电流进行Park变换，以获得直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量；

所述功率计算模块用于根据直轴电压分量、电流分量和交轴的电压分量、电流分量计算有功功率和无功功率；

所述下垂计算模块用于根据有功功率和无功功率采用下垂控制方法调节参考电压和频率，所述参考电压通过坐标变换得到三相参考电压的直轴、交轴分量；

所述外环电压模块用于将所述参考电压直轴分量与直轴电压分量之差经过电压环控制器，得到直轴电流环的参考值，令交轴电流环参考值为0；

所述电流环控制模块用于在直轴电流环参考值上叠加直轴预测量，直轴补偿量与内环电流参考值、直轴电流分量之差经过电流环控制器计算后，产生直轴前端电压；平行地，在交轴电流环参考值上叠加交轴预测量，交轴补偿量与内环电流参考值、交轴电流分量之差经过电流环控制器计算，产生交轴前端电压；

所述前馈模块用于直轴前端电压、直轴耦合分量和电压直轴分量的前馈补偿，相加后得到直轴电压；交轴前端电压、交轴耦合分量和电压交轴分量的前馈补偿，相加后得到交轴电压；

所述SPWM模块直轴电压、交轴电压经过SPWM调制，驱动逆变器桥臂开关管通断以控制逆变器输出。

9.根据权利要求8所述的一种储能变流器并联控制系统，其特征在于，还包括负序电压控制模块，所述负序电压控制模块用于采用DSOGI算法分离出逆变器负序电压，以0为参考值，以负序电压为反馈，经过PI调制时，负序电压环的PI的积分量上叠乘渐消量，得到参考负序电流；还包括负载电流预测模块，实时估算负载大小，预测交轴和直轴电流环所需的参考值，并加以补偿。