并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法与流程

本发明涉及一种控制方法，尤其涉及一种基于多源接入的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，属于储能多电平变换器控制。

背景技术：

1、由于级联多电平变换器不存在统一的直流侧，故每个链节单元的直流侧的元件和参数可以根据需要进行灵活配置。目前，多源接入级联多电平变换器被广泛运用于并网级联的混合储能系统中。为了能综合发挥储能电池与超级电容等多源接入的优势，需要为混合储能系统制定多模式运行策略，其技术核心就在于实现不同类型链节间的完全解耦，实现链节间电压/功率的灵活分配。

2、传统的并网变换器的控制中，由于存在大电网决定电压和频率，变换器仅提供稳定的功率，即工作在电流源模式，多采用经典恒功率控制方法(pq控制)或下垂控制。近些年来，有学者同样针对并网级联多电平变换器提出了分相控制策略，结合蓄电池四象限工作的特性以及前馈控制技术，直接给定电池单元输出电压调制波将其控制为电流源，而对电容单元采取电容电压外环加输出电流内环的双环控制，通过前馈控制技术将由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统控制策略，设计简化为statcom控制策略研究。

3、在现有技术中，无论是传统的pq控制或下垂控制，还是较为新颖的分相控制，均不能很好地实现在多源接入的并网级联多电平变换器多模式解耦控制。前者传统控制较为简单，往往很难发挥级联多电平变换器中接入各种直流源的优势，来设计多模式运行策略，以实现多源化的控制目标。后者分相控制，由于采用传统解耦方法，进行双闭环控制，使其响应速度较慢，且调节过程中链节单元可能出现过调制。因此，如何设计良好的控制方法，使多源接入的并网级联多电平变换器实现多模式运行、不同类型链节间的完全解耦，是本领域亟需解决的技术问题之一。

技术实现思路

1、为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种并网级联多电平变换器多模式解耦的控制方法。

2、为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法，主要包括以下步骤：

3、步骤s1、建立并化简并网级联混合储能系统等效模型，将每相等效成一个电池簇和一个超级电容簇级联而成；

4、步骤s2、提出多模式运行策略，分析各个模式下的功率输出范围；

5、步骤s3、采用基于分层原理的簇间解耦，实现多模式运行策略，调节不同类型储能单元间的功率分配；

6、步骤s4、有功矢量叠加，用以相同类型储能单元的簇内电压均衡控制。

7、优选的，步骤s1中，建立并化简并网级联混合储能系统等效模型的具体过程为：

8、当级联多电平变换器的每相均包含m个储能电池单元和n个超级电容单元时，将每相相同类型的储能电压进行输入输出的整合简化，使每相均可等效为一个电池簇和一个超级电容簇级联组成，且有：

9、

10、

11、其中x＝a,b,c

12、其中，vbat和vsc分别表示单个储能电池和超级电容的电压，vxbi(i＝1,…,m)和vxcj(j＝1,…,n)分别表示x(x＝a,b,c)相中单个电池单元及超级电容单元的输出电压，vbatσ和vscσ分别表示每相等效模型中电池簇和超级电容簇的整合直流侧电压，vxbσ和vxcσ则为x相中等效电池簇和超级电容簇的整合输出电压。

13、优选的，步骤s2中，所提出的多模式运行策略包括：电压维持模式、平抑波动模式；

14、在电压维持模式中，电池单元簇为电网提供额定功率，同时维持超级电容电压稳定以应对功率波动；

15、在平抑波动模式中，超级电容通过快速充/放电来平抑电网侧有功功率的波动，此时电池单元簇仍为电网提供额定功率或按需要进行功率补偿；同时当超级电容的工作电压达到上/下限时，亦会强行进入电压维持模式，并维持在超级电容工作电压的上/下限不变。

16、优选的，进一步分析电压维持模式和平抑波动模式下的功率输出范围，避免选取不合适的功率指令，使系统发生过调制；

17、在电压维持模式下，超级电容电压需要维持稳定，故超级电容仅与电网进行无功交换，且受调制比的限制，每项等效的电池簇和超级电容簇的输出表示为：

18、

19、其中，vxbσ和vxcσ分别为等效电池与超级电容簇的输出电压幅值，vbatσ和vscσ分别表示每相等效模型中电池簇和超级电容簇的整合直流侧电压，mb和mc分别为电池与超级电容单元簇的调制比；

20、在矢量图中，电网每相电压矢量可由每相等效的电池簇和超级电容簇电压矢量合成，在合成的电网电压矢量大小不变前提下，选取圆c1为等效电池簇最大输出范围，其半径为等效电池簇直流侧电压vbatσ，选取圆c2为等效超级电容簇最大输出范围，为防止超级电容过调制，其半径选为超级电容的最低工作电压vscσmin，因此，在圆c1与c2的交叠处，系统不会发生过调制，处于稳定的工作区域；

21、为化简计算，在dq坐标系中，具体分析输出电压和电流关系，得到系统在电压维持模式下所能输出的最大有功功率，且在电压维持模式下，最大有功功率输出还受到储能电池放电电流的约束，在保证储能电池的生命周期的前提下，综合考虑电压维持模式下有功功率输出范围为：

22、

23、其中，is为输出电流幅值，

24、idis,max为电池最大放电电流；

25、在平抑波动模式下，超级电容通过快速充/放电来补偿电网的有功功率的波动，当超级电容容量不足以弥补波动时，储能电池也将参与有功功率的补偿中，因此，在矢量图分析时，取边界情况，即超级电容单元簇仅输出有功功率且调制比达到最大值，且同时考虑电池放电的电流限制，可得平抑波动模式下混合储能系统的有功功率的输出范围为：

26、

27、优选的，在步骤s3中，分层原理是将混合储能系统的控制系统分为上层控制和下层控制；

28、上层控制根据电网调度指令计算系统中输出参考电压及上层功率解耦控制，并进行工作模式选择，实现多模式控制；

29、下层控制根据上层工作模式的选择情况，计算出超级电容簇输出电压的参考值，再用上层功率解耦算出的总输出电压参考值减去该参考值，即可得到储能电池簇输出电压的参考值，即簇间解耦；

30、最后，通过均衡控制实现相同类型链节间的功率分配。

31、优选的，上层控制由功率解耦控制和工作模式选择两部分组成；

32、工作模式选择是通过比较电网有功功率需求p*与电池单元簇额定有功功率输出pr来判断混合储能系统的工作模式，若两者相等为电压维持模式，若不等则为平抑波动模式，但出于对超级电容安全性考虑，倘若在平抑波动模式，当超级电容工作电压达到上/下限时，亦会强行进入电压维持模式，并维持在超级电容工作电压的上/下限不变；

33、功率解耦控制根据电网调度的有功功率和无功功率指令p*、q*分别计算出有功电流和无功电流的指令值id*、iq*，如下式所示：

34、

35、再将得到的有功和无功电流的指令值分别与实际测量得到的有功、无功电流id、iq比较，经过pi控制，再加入电网电压、滤波电感压降组成的前馈，即可计算出混合储能系统总输出电压的参考值：

36、

37、其中，voutd*和voutq*分别表示混合储能系统输出电压的d轴和q轴分量；vd和vq分别为电网电压的d轴和q轴分量；kip和kii分别为电流环的比例和积分增益；ω为电网电压的角速度。

38、优选的，在下层控制中，电压维持模式下的超级电容输出功率分配方法为：超级电容簇与电网几乎只存在无功交换，故可得下式：

39、

40、其中，vcdff和vcqff分别表示超级电容簇输出电压的d轴和q轴前馈量；qc*为超级电容簇的期望无功功率输出；根据式(14)，可进一步推导出前馈值vcdff和vcqff，如下式：

41、

42、为提高控制精度，通过从vcdff中减去一个可控变量δvcd以实现调节超级电容充/放电状态，即：

43、

44、其中，可控变量δvcd由改进的pi控制器计算得出：

45、

46、式中，kvp和kvi分别为电压环的比例和积分增益，sgn(x)为符号函数；

47、该改进的pi控制器的输入是超级电容期望电压与实际电压间的误差，输出是超级电容簇输出电压d轴参考值，且输出受有功电流方向的影响。

48、优选的，在下层控制中，平抑波动模式下的超级电容输出功率的分配方法为：根据电网的有功功率波动和链节单元容量，将平抑波动模式细分为不同工况，结合每种工况下超级电容簇和电池簇输出有功功率和无功功率的状况，分别计算超级电容簇输出的参考电压，进而实现簇间解耦。

49、优选的，平抑波动模式细分为四种工况，分别为工况i、工况ii、工况iii、工况iv；

50、工况i：当网侧有功波动较小时，储能电池簇仍维持发出额定功率，超级电容簇将补偿该有功波动并维持其原有的无功功率的输出；

51、工况ii：若采用工况i的超级电容簇输出电压计算方式会导致链节单元过调制，则改用工况ii；在工况ii下，超级电容簇工作于满调制状态，在补偿全部有功波动的同时输出尽可能多的无功功率；

52、工况iii：当电网的有功功率的波动大于超级电容所能输出的最大有功功率时，此时，超级电容仅做有功功率的输出，且工作在满调制状态，剩余的功率则由储能电池簇提供；

53、工况iv：当工况i～iii均会使得功率单元过调制时，采用工况iv，使得储能电池簇和超级电容簇均工作于满调制状态。

54、优选的，在步骤s4中，有功矢量的叠加：在簇内每个单元输出叠加与一个与输出电流平行的电压矢量，调节其有功输出，从而实现电池簇和超级电容簇，簇内每个储能单元的电压均衡控制。

55、本发明公开了一种基于多源接入的并网级联多电平变换器多模式解耦控制方法在步骤s1中对并网级联混合储能系统模型化简，进行输出整合，具有高效建模的优点；步骤s2中提出多模式运行策略，能充分发挥电池和超级电容的优势，使并网级联混合储能系统同时兼具高能量密度和高功率密度的优点；步骤s3中采用分层原理，实现不同类型直流源的簇间解耦，实现簇间功率的灵活分配；步骤s4中，通过均衡控制，进行功率的簇内分配。

56、相较于传统的控制方法，本发明提出了多模式运行策略，可以充分利用各种直流源优势，通过超级电容和蓄电池配合，平抑电网的有功功率波动，提高混合储能系统的稳定性和主动支撑电网的能力；相较于分相控制，本发明所提出的分层控制可进行不同类型链节的解耦，具有功率动态响应较快的优势，且由于对输出功率进行过精确的计算分析，也不会面临过调制的风险。