一种储能系统网侧变流器直接功率预测控制方法与流程

1.本发明涉及储能技术，特别是网侧变流器的直接功率预测控制。


背景技术：

2.由于化石能源引发的环境问题愈加凸显，光伏、风电等新能源发电成为各界关注的焦点。新能源发电具有空间分散和时间随机的特点，容易造成电网功率不平衡，储能技术是解决这一问题的有力手段。储能系统一般采用网侧变流器并网，同时实现能量的双向流动。储能时，控制网侧变流器整流运行，让电能从电网流向储能系统；发电时，控制其逆变运行，将储能系统发出的电能送入电网。网侧变流器控制策略还具有维持直流侧电压、减少谐波、改善功率因数和实现功率调控等功能，甚至对整个系统的静态和动态性能都有影响。可见，控制策略对网侧变流器的运行至关重要。
3.目前网侧变流器的直接功率预测控制方法利用开关表查询的方式来实现，采用了电压外环和功率内环的控制结构，外环通过pi控制方式来维持直流侧电压稳定，内环追踪交流侧参考有功功率和无功功率，由此选出变流器的最优开关矢量，实现有功和无功的解耦控制。这种控制方式的开关频率不固定，且该预测控制方法存在计算量大、寻优过程复杂的问题，较大的计算量和繁杂的寻优过程会造成控制延时，影响控制性能，不利于工业应用。因此网侧变流器的直接功率预测控制方法存在进一步优化的空间。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种储能系统网侧变流器直接功率预测控制方法，能够实现有功、无功的解耦控制和快速响应，具有良好的控制效果。
5.为此，本发明采用以下技术方案：
6.一种储能系统网侧变流器直接功率预测控制方法，其特征在于，根据网侧变流器微分方程离散化表达式，构建功率状态量的预测模型；以追踪参考功率为目标，利用李雅普诺夫函数直接反推求得变流器参考输出电压矢量；通过判断输出电压矢量所在扇区，利用目标函数选出与参考值最接近的电压矢量，快速选出最终的开关控制量。该方法减少了计算量，简化了寻优过程，还保证了控制系统的稳定性。该改进方法能够实现有功、无功的解耦控制和快速响应，具有良好的控制效果。
7.在采用上述技术方案的通是，本发明还可同时采用根据以下描述的技术方案：
8.所述的网侧变流器微分方程离散化表达式为：
[0009][0010]
式中：u
con
为交流侧的输出电压，lg为滤波电感，rg为电阻，ig为交流侧的电流，ug为交流侧的电压，ts为采样周期；(k)表示各变量的当前状态值，(k+1)代表各变量经过一个采样周期ts后的值。
[0011]
所述的预测模型为利用变流器k时刻的状态量预测下一时刻的瞬时有功功率和无
功功率：
[0012]
pg(k+1)＝u
gα
(k+1)i
gα
(k+1)+u
gβ
(k+1)i
gβ
(k+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0013]
qg(k+1)＝u
gβ
(k+1)i
gα
(k+1)-u
gα
(k+1)i
gβ
(k+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0014]
式中：pg为交流侧瞬时有功功率，qg为交流侧瞬时无功功率，i
gα
、i
gβ
分别表示两相静止坐标系下的电流横轴与纵轴分量；u
gα
、u
gβ
分别表示两相静止坐标系下的电压横轴与纵轴分量。
[0015]igα
(k+1)和i
gβ
(k+1)由下式求得：
[0016][0017][0018]
式中：i
gα
、i
gβ
分别表示两相静止坐标系下的电流横轴与纵轴分量；u
gα
、u
gβ
分别表示两相静止坐标系下的电压横轴与纵轴分量。u'
conα
、u'
conβ
分别表示两相静止坐标系下的输出电压横轴与纵轴分量；lg为滤波电感，rg为电阻，ig为交流侧的电流，ug为交流侧的电压，ts为采样周期；k表示各变量的当前状态值，k+1代表各变量经过一个采样周期ts后的值。
[0019]
所述的变流器参考输出电压矢量的推导过程如下：
[0020]
k时刻有功功率与无功功率误差分别表示为：
[0021]ep
(k)＝pg(k)-p
ref
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0022]eq
(k)＝qg(k)-q
ref
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0023]
式中：p
ref
为有功参考值，q
ref
为无关参考值，e
p
为有功功率误差，eq为无功功率误差。
[0024]
选取有功功率与无功功率的lyapunov的函数：
[0025][0026][0027]
式中：l
p
为有功功率的lyapunov函数，lq为无功功率的lyapunov函数。
[0028]
则有功功率和无功功率的lyapunov函数变化率为：
[0029][0030][0031]
根据lyapunov稳定性理论，为了让输出变量跟踪参考值，lyapunov函数变化率应该为非正，即需使l
p
(k)≤0和lq(k)≤0，则令：
[0032]
pg(k+1)-p
ref
(k+1)＝λ
pep
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0033]
qg(k+1)-q
ref
(k+1)＝λ
qeq
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0034]
式中：λ
p
和λq为控制增益，λ
p
∈[-1,1],λq∈[-1,1]。
[0035]
定义最终lyapunov函数l(k)：
[0036]
l(k)＝l
p
(k)+lq(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0037]
则有l(k)》0，δl(k)＝δl
p
(k)+δlq(k)≤0。
[0038]
根据式(12)和(13)，结合式(2)和(3)可找到k+1时刻的网侧电流参考值：
[0039][0040][0041]
结合式(1)的变形，可以进一步得到k+1时刻变流器的参考输出电压矢量：
[0042][0043][0044]
式中：采样周期ts为1μs，由于采样时间极短，故可把式(17)和(18)中k+1时刻下p
ref
、q
ref
和ug的值分别用k时刻的实际值来代替。
[0045]
所述的目标函数如式(19)所示，选出与参考输出电压最接近的空间电压矢量，与之对应的开关状态就是k+1时刻的控制输出量。
[0046]
g'(k+1)＝|u'
conα
(k+1)-u
conα
|+|u'
conβ
(k+1)-u
conβ
|
ꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0047]
式中：g'表示直接功率预测控制的目标值；u'
conα
、u'
conβ
分别表示两相静止坐标系下的输出电压横轴与纵轴分量；u
gα
、u
gβ
分别表示两相静止坐标系下的电压横轴与纵轴分量。
[0048]
根据本发明目的的第二个方面，本发明提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述储能系统网侧变流器直接功率预测控制方法的步骤。
[0049]
根据本发明目的的第三个方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述储能系统网侧变流器直接功率预测控制方法的步骤。
[0050]
本发明在传统变流器直接功率预测控制方法基础上，设计了一个基于lyapunov函数的反推控制算法，可以直接得到下一时刻的参考输出电压矢量，从而避免繁琐的寻优过程，并且基于lyapunov函数的改进算法还能提高控制系统的稳定性和动态性能。
附图说明
[0051]
图1为网侧交流器拓扑结构图。
[0052]
图2为本发明的控制框图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0054]
图1显示了本发明实施例中的网侧交流器拓扑结构。
[0055]
针对图2所示的网侧交流器，本实施例的控制电路为直流电压外环和功率内环的双闭环结构，由交流电压、电流检测电路和直流电压检测电路，基于lyapunov稳定性的直接功率预测算法计算模块，扇形划分器、开关表等组成，如图2所示。
[0056]
根据图2所示的结构，通过直流侧母线电容的采样得到母线电压u
dc
，u
dc
与给定参考母线电压u
dcref
的误差经过调节器得到有功参考电流i
ref
，i
ref
与母线电压的乘积作为有功功率的参考p
ref
，为实现单位功率因数，无功功率的参考q
ref
设为0。将检测到的电压u
ga
、u
gb
、u
gc
及电流i
ga
、i
gb
、i
gc
进行clark变换得到两相αβ静止坐标系下的电压u
gα
、u
gβ
，和电流i
gα
、i
gβ
。根据上文所述改进的预测控制算法，也即公式(1)～(18)，得到变流器的参考输出电压矢量u'
conα
与u'
conβ
。为了进一步减少计算量，本发明先判断出参考电压矢量所在的扇区，之后利用公式(19)所示的目标函数选出与参考值最接近的电压矢量。因此，本发明简化了每个采样周期的寻优过程，使寻优范围也更窄。
[0057]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明的设施可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。本发明的实施例可以使用现有的处理器来实现，或者由被用于此目的或其他目的用于适当系统的专用处理器来实现，或者由硬接线系统来实现。本发明的实施例还包括非暂态计算机可读存储介质，其包括用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质；这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质可以包括ram、rom、eprom、eeprom、cd-rom或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备，或任何其他可用于以机器可执行指令或数据结构的形式携带或存储所需的程序代码，并可被由通用或专用计算机或其它带有处理器的机器访问的介质。当信息通过网络或其他通信连接(硬接线、无线或硬接线或无线的组合)传输或提供给机器时，该连接也被视为机器可读介质。
[0058]
以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。