一种级联H桥型储能STATCOM的SOC均衡控制方法

一种级联h桥型储能statcom的soc均衡控制方法
技术领域
1.本发明涉及statcom装备研究领域，特别是一种级联h桥型储能statcom的soc均衡控制方法。


背景技术：

2.statcom在应用于hvdc系统换相失败抑制时通常需要较大的无功出力，但statcom存在输出电压电流质量受直流侧电容值影响大、无功输出容量受电网电压波动影响大、仅补偿无功功率导致电网电压稳定效果不理想等不足，极大地限制了其在hvdc系统换相失败抑制领域的应用。
3.储能电池具有能量密度高、自放电小、污染少、循环寿命长的特点。且近年来随电池性能的提高和成本的降低，储能电池已获得较为广泛的应用。通过储能电池可以实现直流侧的稳定，并提供一定的有功储备，而statcom则向交流处提供快速动态无功补偿和有功调节储备。储能statcom集成储能技术与动态补偿技术，通过储能实现直流侧稳定，statcom则向交流处提供快速动态无功补偿和有功调节储备，对于改善交直流混合电网的安全可靠运行具有重要意义。级联h桥型储能statcom结构简单，适用于模块化生产，运行维护方便。级联h桥型储能statcom在交流电网发生故障或者扰动时提供无功支撑，在正常运行时根据功率指令输出相应有功功率和无功功率，同时，还要实现soc均衡控制。若不加额外的soc均衡控制，由于各链节有功功率难以保证完全一致，不同链节的soc以及同一个链节里的各个子模块soc难以均衡，亟待突破。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种级联h桥型储能statcom的soc均衡控制方法，解决statcom中soc均衡控制难的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种级联h桥型储能statcom的soc均衡控制策略，首先以链节电流和总电容电压为状态变量，建立状态方程，并离散化得到链节的离散状态方程。然后结合基于有限控制集的模型预测控制，得到所需要输出的电平数q(k)；再利用soc排序法对各模块soc值排序，根据当前周期需要输出的电平数q(k)以及此时链节电流的方向最终将开关动作分配至各h桥模块，从而实现链节内soc的均衡控制。此外，通过对各链节等效soc求平均值，获得各链节soc均衡控制的指令，再进行闭环控制，使各相链节等效soc都向总等效soc靠近，以此实现链节间的soc均衡控制。本发明在一定程度上解决了储能储能statcom中soc均衡控制问题，提高了储能系统的利用率与使用寿命，使级联h桥型储能statcom在交流电网发生故障或者扰动时可更好的提供无功支撑。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案具体包括以下步骤：
7.1)角形储能statcom每相承受系统线电压，各链节之间相互独立，以ab相为例(bc、ac相计算过程与ab相计算过程相同)，由基尔霍夫定理可得：
[0008][0009]
定义h桥模块开关状态h
i
为该h桥左桥臂与右桥臂开关状态之差，则h
i
为：
[0010][0011]
建立h桥模块直流侧电容电压状态方程为：
[0012][0013]
定义q为级联变换器开关状态，即各级联h桥开关状态之和：
[0014]
q＝h1+h2+
…
+h
i
+
…
h
n
；
[0015]
ab链节变换器输出电压为：
[0016][0017]
其中，u
dab
为ab链节n个h桥模块电容电压之和。有：
[0018][0019][0020]
以链节电流i
ab
和总电容电压u
dab
为状态变量，建立状态方程，并离散化，得ab链节的离散状态方程为：
[0021][0022]
其中，级联储能statcom各相链节损耗用电阻r等效，l为连接电抗器，t
s
为采样周期，i
ab
(k+1)、u
dab
(k+1)分别为(k+1)时刻的ab链节电流和ab链节内所有h桥模块电容电压值总和，q(k)和u
sab
(k)分别为k时刻的链节开关状态和电网电压值。
[0023]
2)基于有限控制集的模型预测控制，以变换器输出的有限电压矢量构建控制集，每个控制周期里，单个链节输出电压电平数有2n+1个可取值：
[0024][0025]
其中，x∈{ab,bc,ca}。再对电流离散方程超前一步预测，得电流预测值：
[0026][0027]
其中t
s
为采样周期，i
x
(k+2)、i
x
(k+1)分别为(k+2)、(k+1)时刻的电流预测值，u
dx
(k
+1)为(k+1)时刻单个链节n个h桥模块电容电压之和，q(k+1)和u
sx
(k+1)为(k+1)时刻的链节开关状态和电网电压值。
[0028]
建立电流控制目标优化函数g为电流指令irefx与预测值之差的绝对值：
[0029][0030]
每个控制周期里循环计算q(k+1)的2n+1个可取值对应的电流预测值及目标函数值，并进行评估，最终选择使2n+1个g值中最小的q(k+1)取值作为下个控制周期的最优输出电平。
[0031]
通过储能电池信息监测管理平台系统读取一个链节内的所有子模块soc，将得到的n个h桥子模块soc送入控制器中，并读取由优化模型预测控制计算得到的当前周期需要输出的电平数q(k)，如果q(k)＝n或q(k)＝
‑
n，则所有子模块输出1或者
‑
1，否则将n个soc值按由小到大的顺序排序。
[0032]
若q(k)≥0，则所有h桥模块只工作在1和0状态，若链节电流值i
x
>0，根据排序结果，则选择soc最低的|q(k)|个子模块输出1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为1的子模块进行充电，soc增大；若i
x
<0，根据排序结果，则选择soc最高的|q(k)|个子模块输出1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为1的子模块进行放电，soc减小；若q(k)<0，则所有h桥模块只工作在
‑
1和0状态，若i
x
>0，根据排序结果，则选择soc最高的|q(k)|个子模块输出
‑
1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会对输出状态为
‑
1的子模块放电，soc减小；若i
x
<0，根据排序结果，则选择soc最低的|q(k)|个子模块输出
‑
1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为
‑
1的子模块充电，soc增大，从而实现链节内模块的soc均衡。
[0033]
3)ab相链节的等效soc可表示为：
[0034][0035]
其中，s
ab
为ab相链节的等效soc，n为ab相链节的串联子模块数量。
[0036]
储能系统总等效soc为：
[0037][0038]
其中，s为储能系统总等效soc，s
ab
为ab相链节的等效soc，s
bc
为bc相链节的等效soc，s
ca
为ca相链节的等效soc。
[0039]
通过对各链节等效soc求平均值，得到链节间soc均衡控制指令，再通过对各相链节等效soc进行比例闭环控制，即：将链节间soc均衡控制指令与各相链节等效soc做差，再将差值乘以比例系数，得到各相链节的相间均衡控制电流指令i
abs
、i
bcs
、i
cas
，在将其叠加得最终电流指令上进行电流内环控制，从而使得各相链节等效soc都向总等效soc靠近，实现链节间soc均衡控制。
[0040]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在一定程度上解决了储能储能statcom中soc均衡控制问题，提高了储能系统的利用率与使用寿命，使级联h桥型储能statcom在交流电网发生故障或者扰动时可更好的提供无功支撑。
附图说明
[0041]
图1为本发明—角形级联储能statcom的拓扑图；
[0042]
图2为本发明一级联h桥型储能statcom soc均衡控制结构图；
[0043]
图3为本发明一基于有限控制集的模型预测控制示意图；
[0044]
图4为本发明一链节内soc均衡控制流程图；
[0045]
图5为本发明一链节间soc均衡控制图。
具体实施方式
[0046]
图1为本发明角形级联储能statcom的拓扑图，采用了角形级联h桥结构，每个链节由n个h桥逆变单元串联而成，形成阶梯波电压，通过滤波电抗l耦合接入变压器低压侧，变压器高压侧则接入受端电网。储能单元通过双向dc/dc变换器并联到h桥逆变单元的直流侧。
[0047]
图2为本发明一级联h桥型储能statcom soc均衡控制结构图，其中包括相间soc均衡电流计算、相内soc均衡控制以及基于有限控制集的模型预测控制。上层电流指令与链节间soc均衡控制指令相加得最终电流指令，电流内环采用基于有限控制集的模型预测控制，得到链节当前周期需要输出的电平数q(k)，并送入链节内soc平衡控制模块，实现soc均衡控制。
[0048]
图3为本发明一基于有限控制集的模型预测控制示意图，实施方式如下：
[0049]
角形储能statcom每相承受系统线电压，各链节之间相互独立，以ab相为例，由基尔霍夫定理可得：
[0050][0051]
定义h桥模块开关状态h
i
为该h桥左桥臂与右桥臂开关状态之差，则h
i
为：
[0052][0053]
建立h桥模块直流侧电容电压状态方程为：
[0054][0055]
定义q为级联变换器开关状态，即各级联h桥开关状态之和：
[0056]
q＝h1+h2+
…
+h
i
+
…
h
n
[0057]
ab链节变换器输出电压为：
[0058][0059]
其中，u
dab
为ab链节n个h桥模块电容电压之和。有：
[0060]
[0061][0062]
以链节电流i
ab
和总电容电压u
dab
为状态变量，建立状态方程，并离散化，得ab链节的离散状态方程为：
[0063][0064]
其中级联储能statcom各相链节损耗用电阻r等效，l为连接电抗器，t
s
为采样周期，i
ab
(k+1)、u
dab
(k+1)为(k+1)时刻的链节电流和总电容电压值，q(k)和u
sab
(k)为k时刻的链节开关状态和电网电压值。
[0065]
基于有限控制集的模型预测控制，以变换器输出的有限电压矢量构建控制集，每个控制周期里，单个链节输出电压电平数有2n+1个可取值：
[0066][0067]
其中，x∈{ab,bc,ca}。再对电流离散方程超前一步预测，得电流预测值：
[0068][0069]
其中t
s
为采样周期，i
x
(k+2)、i
x
(k+1)分别为(k+2)、(k+1)时刻的电流预测值，u
dx
(k+1)为(k+1)时刻单个链节n个h桥模块电容电压之和，q(k+1)和u
sx
(k+1)为(k+1)时刻的链节开关状态和电网电压值。
[0070]
建立电流控制目标优化函数g为电流指令irefx与预测值之差的绝对值：
[0071][0072]
每个控制周期里循环计算q(k+1)的2n+1个可取值对应的电流预测值及目标函数值，并进行评估，最终选择使2n+1个g值中最小的q(k+1)取值作为下个控制周期的最优输出电平。
[0073]
图4为本发明一链节内soc均衡控制流程图，具体实施过程为：1)通过储能电池信息监测管理平台系统读取一个链节内的所有子模块soc，将得到的n个h桥子模块soc送入控制器中，并读取由优化模型预测控制计算得到的当前周期需要输出的电平数q(k)，如果q(k)＝n或q(k)＝
‑
n，则所有子模块输出1或者
‑
1，否则将n个soc值按由小到大的顺序排序；2)若q(k)≥0，则所有h桥模块只工作在1和0状态，若链节电流值i
x
>0，根据排序结果，则选择soc最低的|q(k)|个子模块输出1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为1的子模块进行充电，soc增大；若i
x
<0，根据排序结果，则选择soc最高的|q(k)|个子模块输出1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为1的子模块进行放电，soc减小；若q(k)<0，则所有h桥模块只工作在
‑
1和0状态，若i
x
>0，根据排序结果，则选择soc最高的|q(k)|个子模块输出
‑
1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会对输出状态为
‑
1的子模块放电，soc减小；若i
x
<0，根据排序结果，则选择soc最低的|q(k)|个子模块输出
‑
1，而其余子模
块输出0，此时链节电流将会给输出状态为
‑
1的子模块充电，soc增大，从而实现链节内模块的soc均衡。
[0074]
图5为本发明一链节间soc均衡控制图，具体实施过程为：
[0075]
ab相链节的等效soc可表示为：
[0076][0077]
其中，s
ab
为ab相链节的等效soc，n为ab相链节的串联子模块数量。
[0078]
储能系统总等效soc为：
[0079][0080]
其中，s为储能系统总等效soc，s
ab
为ab相链节的等效soc，s
bc
为bc相链节的等效soc，s
ca
为ca相链节的等效soc。再通过对各相链节等效soc进行闭环控制，使得各相链节等效soc都向总等效soc靠近，实现链节间soc均衡控制。