一种储能变流器预测控制方法、装置及存储介质

1.本发明涉及储能变流器控制领域，尤其涉及一种储能变流器预测控制方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.大力开发、利用新能源是我国“双碳”目标的必由之路。随着新能源渗透率不断提升，传统电力系统的动态特性和运行模式发生了深刻变化。以光伏、风电为代表的新能源存在天然的波动性和随机性，发电与用电曲线难以实时吻合，“源-荷”存在不平衡现象。储能系统是平抑新能源波动性、提升其消纳率的有效手段。同时，当主网出现故障时，或在海岛、沙漠等电力系统难以覆盖的偏远地区，储能及其接口变流装备可以构建稳定的电压和频率，为本地关键负荷可靠供电。
3.现有的构网型储能变流器控制策略主要采用比例-谐振控制器结合有源阻尼技术，实现输出电压的准确跟踪。具体地，输出电压的参考值与反馈值做差，将误差值送入比例-谐振控制器，其输出与有源阻尼项相减，以此获得构网型储能变流器的电压参考值。该参考值通过脉宽调制(plus width modulation,pwm)环节生成功率开关器件的触发信号，驱动变流器工作。近年来，有方案提出了构网型储能变流器的预测控制方法。该方法首先构建构网型变流器的离散域数学模型，结合该数学模型，通过遍历变流器的有限个开关状态，预测输出电压在未来时刻的轨迹。以输出电压参考值与预测值之差的平方和设计代价函数并评估有限个开关状态对应的代价函数值，将使代价函数最小的开关状态定义为最优开关状态，并施加于变流器。上述过程在每个开关状态中循环往复。针对主流的比例谐振控制器结合有源阻尼的控制策略，在进行控制参数设计时，需首先保证系统的稳定性。通常利用频域分析工具(如bode图、nyquist曲线等)结合线性系统的稳定判据，对控制器参数进行迭代优化。构网型储能变流器的数字控制系统存在固有的延时环节，该环节导致系统的开环传递函数的相角特性呈现快速衰减的趋势，另一方面，构网型储能变流器的lc滤波器在谐振频率处的幅值增益远高于0db。因此，控制器的增益较低时，才可以确保系统开环传函具有合理的幅值裕度，确保系统稳定，过大的增益将导致系统失稳。因此，基于比例谐振控制器结合有源阻尼的技术方案，储能变流器动态响应慢，负载突增、突降时，输出电压畸变大。对于构网型储能变流器的预测控制，该方法显著提升了系统的动态性能，减小了负载突增、突降时，输出电压的畸变程度。然而，该方法对被控对象的模型精度要求较高，对采样噪声、参数漂移等外界不确定扰动敏感，上述因素导致输出电压存在稳态误差、电能质量差。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供一种储能变流器预测控制方法、装置及存储介质。
5.第一方面，本发明提供一种储能变流器预测控制方法，包括：
6.将量测变量经坐标变换转换到α-β坐标系下并进行延时补偿；获取指令中设定的
原输出电压参考值后，将误差补偿参考值与原输出电压参考值求和获得补偿后的修正输出电压参考值；基于修正输出电压参考值计算生成修正的全阶变量参考值；所述测量变量包括三相电感电流、三相电容电压和三相输出电流；遍历变流器中两电平三相桥式功率电路的所有开关状态，计算测量变量预测值，并根据全阶变量参考值和测量变量预测值计算各开关状态下的代价函数，并筛选使得代价函数最小的开关状态序列为最优开关状态序列；将选取的最优开关状态序列的第一个元素经驱动电路施加至变流器。
7.更进一步地，获取指令中设定的原输出电压参考值后，将误差补偿参考值与原输出电压参考值求和获得补偿后的修正输出电压参考值包括：获取指令中设定的原输出电压参考值和实际输出电压值并做差得到误差信号；将误差信号输入到比例多谐振控制器计算得到补偿参考值；补偿参考值与原输出电压参考值求和获得补偿后的修正输出电压参考值。
8.更进一步地，所述比例多谐振控制器的频域表达式为：
[0009][0010]
其中，k
p
为比例系数，k
r,h
(h＝1,3,5,7,9,11)为各谐波谐振项的系数，ωb为阻尼带宽，ω0为基波频率。
[0011]
更进一步地，将量测变量经坐标变换转换至α-β坐标系下所涉及的坐标变换公式如下：
[0012]
xa、xb和xc为测量变量。
[0013]
更进一步地，基于修正输出电压参考值计算生成修正的全阶变量参考值包括：补偿数字控制引入的延时，计算修正输出电压参考值在k+2和k+3时刻的全阶参考值：
[0014][0015][0016]
其中，δθ＝ω0ts为一个采样周期转过的电角度，ts为采样时间；
[0017]
根据基尔霍夫电流定律，利用修正输出电压参考值的全阶参考值计算电感电流在k+2和k+3时刻的全阶参考值：
[0018][0019]
[0020]
其中，cf为滤波电容容值，和为负载电流。通常在一个采样周期内负载电流变换可忽略，因此下式成立：忽略，因此下式成立：和
[0021]
更进一步地，将量测变量经坐标变换转换到α-β坐标系下采用的坐标转换公式为：
[0022]
更进一步地，转换到α-β坐标系下的量测变量进行延时补偿的计算方式为：
[0023][0024]
其中，x
α
＝[i
α
,v
α
]
t
、u
α
和d
α
分别为α轴测量变量、α轴输入变量和α轴负载扰动；x
β
＝i
β
,v
β
]
t
、u
β
和d
β
分别为β轴测量变量、β轴输入变量和β轴负载扰动；a为系统矩阵、b为输入矩阵和d为扰动矩阵，且各自形式如下：
[0025]
其中，lf为滤波电感的电感值，cf为滤波电容的电容值，rf为与滤波电感串接的电阻阻值，ts为采样时间。
[0026]
更进一步地，所述代价函数的表达式如下：
[0027][0027][0028]
其中，g为代价函数，其中，g为代价函数，为全阶变量参考值；表示以p为权重矩阵的二次型，表示以q为权重矩阵的二次型，gc为过电流对应的惩罚项：
[0029][0030]ilim
为电流上界；x
α
，x
β
为计算滤波电容电压和滤波电感电流k+2和k+3时刻的预测值：
[0031]
[0032][0033]
第二方面，本发明提供一种储能变流器预测控制装置，包括：至少一处理单元，存储单元、第一电流采集单元、第二电流采集单元、电压采集单元和总线单元，所述总线单元连接处理单元，存储单元、第一电流采集单元、第二电流采集单元、电压采集单元，所述存储单元存储至少一指令，所述处理单元执行所述指令实现所述的储能变流器预测控制方法。
[0034]
第三方面，本发明提供一种实现储能变流器预测控制方法的存储介质，所述存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被通过驱动电路连接储能变流器的处理器执行时，实现所述的储能变流器预测控制方法。
[0035]
本发明实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0036]
传统预测控制对被控对象的模型精度依赖程度高、参数鲁棒性差，导致其输出电压存在稳态误差，进而导致构网型储能变流器的输出电能质量不佳，对负载的供电品质下降。本发明基于原输出电压参考值与实际输出电压值的误差信号，通过比例多谐振控制器生成补偿参考值，将误差补偿参考值与原输出电压参考值求和获得补偿后的修正输出电压参考值，可有效消除储能变流器的输出稳态误差，提升系统供电质量，工程实用价值突出。
[0037]
针对以lc滤波器构成的储能变流器，传统预测控制仅将输出电压的误差项放入代价函数，并未考虑电感电流的运行状态，易导致lc滤波器在固有谐振频率处出现振荡，乃至系统失稳的现象。此外，不考虑电感电流的运行状态，也容易造成储能变流器动态调节过程中的过电流，进而导致功率开关器件超过其电流应力而失效。本发明将滤波电容电压和滤波电感电流均计入代价函数，充分考虑滤波电容和滤波电感的影响，可有效提升系统稳定性。此外，代价函数中引入电流上界的惩罚项，在过流时即使执行根据代价函数执行保护，实现变流器的快速过流保护功能，提升系统的可靠性。
附图说明
[0038]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0039]
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为本发明实施例提供的储能变流器的示意图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的一种储能变流器预测控制方法的流程图；
[0042]
图3为本发明实施例提供的获取指令中设定的原输出电压参考值后，将误差补偿参考值与原输出电压参考值求和获得补偿后的修正输出电压参考值的流程图；
[0043]
图4为本发明实施例提供的基于修正输出电压参考值计算生成修正的全阶变量参考值的流程图；
[0044]
图5为本发明实施例提供的一种储能变流器预测控制装置的示意图；
[0045]
图6为本发明实施例提供的一种储能变流器预测控制系统的示意图；
[0046]
图7为本发明实施例提供的一种储能变流器预测控制系统中的修正输出电压参考值生成模块的示意图。
具体实施方式
[0047]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0049]
储能变流器的功率拓扑图如图1所示，其主要由交流侧lc滤波器、两电平三相桥式功率电路和直流侧母线电容器c
dc
构成。交流侧lc滤波器主要滤除电力电子开关过程产生的高频谐波，获得平滑的正弦输出电压。滤波器的三相输出端连接至负载，为负载供电。两电平三相桥式功率电路对直流母线进行高频斩波，在桥臂中点a、b和c点产生合适的高频方波脉冲信号。直流母线电容通常与储能单元(如，电池e
dc
)并联，滤除叠加在直流母线上的高频纹波，构造相对稳定、平滑的直流母线电压。
[0050]
实施例1
[0051]
参阅图2所示，本发明实施例提供一种储能变流器预测控制方法，包括：
[0052]
s100，将量测变量经坐标变换转换α-β坐标系下。所述量测变量包括：三相滤波电感电流i
abc，k
、三相滤波电容电压v
abc，k
和三相输出电流其中，三相自然坐标系到α-β坐标系变换公式为：
[0053][0054]
s200，对转换到α-β坐标系下的量测变量进行延时补偿：
[0055][0056]
其中，x
α
＝[i
α
,v
α
]
t
、u
α
和d
α
分别为α轴测量变量、α轴输入变量和α轴负载扰动；x
β
＝[i
β
,v
β
]
t
、u
β
和d
β
分别为β轴测量变量、β轴输入变量和β轴负载扰动；a为系统矩阵、b为输入矩阵和d为扰动矩阵，且各自形式如下：
[0057]
其中，lf为滤波电感的电感值，cf为滤波电容的电容值，rf为与滤波电感串接的电阻阻值，ts为采样时间。
[0058]
s300，获取指令中设定的原输出电压参考值后，将误差补偿参考值与原输出电压
参考值求和获得补偿后的修正输出电压参考值。其中，将原输出电压参考值与延时补偿后的实际输出电压值做差得到误差信号，比例多谐振控制器根据误差信号产生所述误差补偿参考值。
[0059]
具体实施过程中，参阅图3所示，步骤s300，包括：
[0060]
s301,获取指令中设定的原输出电压参考值和延时补偿后的实际输出电压值(v
α,k+1
,v
β,k+1
)。
[0061]
s302，将原输出电压参考值与延时补偿后的实际输出电压值(v
α,k+1
,v
β,k+1
)做差得到误差信号(e
α,k+1
,e
β,k+1
)。
[0062]
s303，将误差信号(e
α,k+1
,e
β,k+1
)输入到比例多谐振控制器计算得到补偿参考值具体的，参阅图所示，所述比例多谐振控制器的频域表达式为：
[0063][0064]
其中，k
p
为比例系数，k
r,h
(h＝1,3,5,7,9,11)为各谐波谐振项的系数，ωb为阻尼带宽，ω0为基波频率。比例和基波谐振部分可消除基波频率下的稳态误差，多谐振补偿器的其他低次谐波的谐振项则可有效消除非线性负载产生的谐波分量，如3、5、7、9和11次谐波分量。
[0065]
s304，补偿参考值与原输出电压参考值求和获得补偿后的修正输出电压参考值：
[0066][0067]
传统的预测控制无电压补偿器，直接将给定的参考电压不加修正的传递给预测控制器。然而，由于预测控制器本身对模型精度要求高，对采样噪声、参数漂移等外界不确定扰动敏感，不加修正的应用参考电压无法规避噪声、漂移等干扰会导致输出电压存在稳态误差。本技术通过闭环反馈的手段消除参数漂移、噪声扰动带来的输出电压稳态误差、电能质量欠佳的问题。
[0068]
s400，基于修正输出电压参考值计算生成修正的全阶变量参考值；
[0069]
具体实施过程中，参阅图4所示，s400包括：s401，补偿数字控制引入的延时，计算修正输出电压参考值在k+2和k+3时刻的全阶参考值为：
[0070][0071]
[0072]
其中，δθ＝ω0ts为一个采样周期转过的电角度，ts为采样时间。
[0073]
s202，根据基尔霍夫电流定律，利用修正输出电压参考值的全阶参考值计算电感电流在k+2和k+3时刻的全阶参考值：
[0074][0075][0076]
其中，cf为滤波电容容值，和为负载电流。通常在一个采样周期内负载电流变换可忽略，因此下式成立：忽略，因此下式成立：和
[0077]
s500，遍历变流器中两电平三相桥式功率电路的所有开关状态，并基于相应的开关状态计算滤波电容电压和滤波电感电流在k+2和k+3时刻的预测值。滤波电容电压和滤波电感电流的预测方程为：
[0078][0079][0080]
s600，根据全阶变量参考值和测量变量预测值计算代价函数g，并筛选使得代价函数最小的开关状态序列为最优开关状态序列。代价函数g的表达式如下：
[0081][0081][0082]
其中，g为代价函数，其中，g为代价函数，为全阶变量参考值；x
α
，x
β
为如s500中描述的测量变量预测值；表示以p为权重矩阵的二次型，表示以q为权重矩阵的二次型，gc为过电流对应的惩罚项：
[0083][0084]ilim
为电流上界。在电流超过上界电流时，代价函数始终为无穷大，不会筛选出最小代价函数，执行过流保护来保护储能变流器。
[0085]
s700，将s600中选取的最优开关状态序列的第一个元素，即(u
α,k+1
,u
β,k+1
)经驱动
电路施加至变流器。变流器接收驱动电路的驱动信号来控制功率开关器件。
[0086]
在下一采样时刻到来时，重复上述步骤。
[0087]
实施例2
[0088]
参阅图5所示，本发明实施例提供一种储能变流器预测控制装置，包括：至少一处理单元，存储单元、第一电流采集单元、第二电流采集单元、电压采集单元和总线单元，所述总线单元连接处理单元，存储单元、第一电流采集单元、第二电流采集单元、电压采集单元，所述存储单元存储至少一指令，所述处理单元执行所述指令实现所述的储能变流器预测控制方法。具体实施过程中，所述第一电流采集单元采集三相电感电流、第二电流采集单元采集三相输出电流，电压采集单元采集三相电容电压。所述储能变流器预测控制装置通过总线单元的控制总线连接驱动电路，所述驱动电路连接变流器的两电平三相桥式功率电路的功率开关器件。所述驱动电路采用光耦进行信号隔离。
[0089]
实施例3
[0090]
本发明实施例提供一种实现储能变流器预测控制方法的存储介质，所述存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被通过驱动电路连接储能变流器的处理器执行时，实现所述的储能变流器预测控制方法。
[0091]
实施例4
[0092]
参阅图6和图7所示，本发明实施例提供一种储能变流器预测控制系统，包括：修正输出电压参考值生成模块，所述修正输出电压参考值生成模块获取指令中设定的原输出电压参考值后，将误差补偿参考值与原输出电压参考值求和获得补偿后的修正输出电压参考值；具体的，参阅图7所示，所述修正输出电压参考值生成模块包括比例多谐振控制器，比例多谐振控制器根据误差信号计算得到补偿参考值，所述多利多谐振控制器的频域表达式为：
[0093][0094]
坐标变换及补偿模块，所述坐标变换及补偿模块用于将测量变量转换到α-β坐标系中并进行延时补偿。三相自然坐标系到α-β坐标系变换公式为：
[0095][0096]
对转换到α-β坐标系下的量测变量进行延时补偿：
[0097][0098]
其中，x
α
＝[i
α
,v
α
]
t
、u
α
和d
α
分别为α轴测量变量、α轴输入变量和α轴负载扰动；x
β
＝[i
β
,v
β
]
t
、u
β
和d
β
分别为β轴测量变量、β轴输入变量和β轴负载扰动；a为系统矩阵、b为输入矩阵和d为扰动矩阵，且各自形式如下：
[0099]
其中，lf为滤波电感的电感值，cf为滤波电容的电容值，rf为与滤波电感串接的电阻阻值，ts为采样时间。
[0100]
预测控制模块，所述预测控制模块包括全阶变量参考值生成单元、驱动信号生成单元和状态变量预测单元。
[0101]
全阶变量参考值生成单元连接修正输出电压参考值生成模块，所述全阶变量参考值生成单元补偿数字控制引入的延时，利用修正输出电压参考值计算修正输出电压参考值在k+2和k+3时刻的全阶参考值，根据基尔霍夫电流定律，利用修正输出电压参考值的全阶参考值计算电感电流在k+2和k+3时刻的全阶参考值；
[0102]
状态变量预测单元连接坐标变换及补偿模块，所述状态变量预测单元基于坐标变换及补偿模块提供的测量变量预测k+2和k+3时刻的测量变量。
[0103]
驱动信号生成单元连接全阶变量参考值生成单元和状态变量预测单元，利用提供的全阶变量参考值和测量变量预测值计算全部开关状态的代价函数，筛选使得代价函数最小的开关状态序列为最优开关状态序列，选取的最优开关状态序列的第一个元素，经驱动电路施加至变流器。
[0104]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0105]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0106]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0107]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。