一種單相直流電力彈簧的模型預測相位控制方法

2024-04-12 10:58:05 1

1.本發明涉及一種單相直流電力彈簧的模型預測相位控制方法，屬於電力電子應用技術領域。


背景技術：

2.高比例光伏、風力發電接入電網所引起的系統強不確定性，一般對於分布式電源都採取與主網隔離的做法，但該種方法會造成一定程度上的資源浪費，產生消納瓶頸的問題。近年來提出的直流電力彈簧(dces)通過對負載進行分類，可在穩定關鍵負載功率的同時將新能源發電功率的波動通過dces轉移給非關鍵負載。該技術在針對分布式直流微網有著不錯的控制效果，可有效克服光伏發電不可預測的缺點，促進能源清潔低碳轉型。
3.目前大多數電壓源逆變器的控制策略都能移用於直流電力彈簧，但或多或少存在一定缺陷，在直流電力彈簧的控制策略方面尚有研究進步的空間。


技術實現要素：

4.發明目的：在已有的單相直流電力彈簧拓撲以及一些控制策略的基礎上，提出一種模型預測控制與相位控制相結合的控制策略，通過模型預測控制來保證關鍵負載電壓幅值的穩定，通過相位控制來控制關鍵負載電壓相位實現多種工作模式。
5.基於上述控制策略的單相直流電力彈簧，可以應用於直流微電網也可以獨立運行，能夠轉移關鍵負載的電能穩定，為光伏、風能發電提供應用途徑解決消納問題。
6.

技術實現要素：

7.本發明所提出的單相直流電力彈簧的模型預測相位控制技術，其應用主體是單相直流電力彈簧，拓撲結構為輸入側接直流電壓源如光伏發電等，通過單相全橋逆變器變換成交流電，經過lc濾波器為電力彈簧輸出。單相電力彈簧與非關鍵負載串聯形成智能負載，並與關鍵負載並聯接入公共耦合點。
8.在單相直流電力彈簧的控制策略上結合了已有的相位控制來控制相位，根據負載所需的工作狀態和電路信息計算得到相位，得到的相位輸入到模型預測控制中，其他輸入為預設關鍵負載電壓vs，濾波電流i
l
，電力彈簧電壓v
es
，電網電流i1和電網電壓vg。
9.在模型預測控制中通過電路信息計算離散狀態下每一種可能的開關信號組合在下個時刻得到的關鍵負載電壓值，與預設的參考電壓比較得到差值，差值作為損失函數評價該次動作，選擇損失函數最小的情況輸出。
10.一種單相直流電力彈簧的模型預測相位控制方法，包括模型預測控制和相位控制，所述模型預測控制和相位控制相結合來實現對控制目標的準確跟蹤，所述模型預測控制電壓幅值和正弦度，所述相位控制用來計算給定正弦波參考值的相位，具體包括以下步驟：
11.步驟1：根據電路參數和工作模式計算給定參考信號的相位δ；
12.步驟2：將相位δ和採集的電路信息輸入模型預測控制中，選擇一個開關動作；
13.步驟3：計算全橋輸出電壓，根據採集的當前時刻的電路信息估計下一時刻的電路信息；
14.步驟4：計算並記錄估計的關鍵負載電壓與參考電壓之間的差值絕對值作為損失函數；
15.步驟5：按順序選擇下一個開關動作並重複步驟3、4，得到每個開關動作產生的損失函數，選擇損失最小的開關動作輸出為下個時刻的開關信號。
16.進一步的，所述輸入模型預測控制中需要的輸入信息包括相位控制計算得到的相位，預設關鍵負載電壓vs，濾波電流il，電力彈簧電壓ves，電網電流i1和電網電壓vg，輸出為全橋逆變器開關信號。
17.進一步的，所述模型預測控制中的損失函數採用關鍵負載電壓參考值和預測值的差值。
18.進一步的，所述模型預測控制有四種預測行為，分別代表全橋開關信號的組合。
19.進一步的，所述模型預測控制的工作模式包括純無功補償、功率因數校正、恆功率模式。
20.進一步的，所述相位控制策略確定需要的工作模式，根據電路信息計算關鍵負載參考電壓的相位。
21.進一步的，所述相位控制中的確定電路參數包括線路阻抗r1、l1，關鍵負載r2，非關鍵負載r3，給定關鍵負載電壓幅值vs，電網電壓vg。
22.進一步的，所述單相直流電力彈簧的拓撲結構為輸入側接直流電壓源，通過單相全橋逆變器變換成交流電，經過lc濾波器輸出，單相電力彈簧與非關鍵負載串聯形成智能負載，並與關鍵負載並聯接入公共耦合點。
23.進一步的，一種設備，包括：
24.一個或多個處理器；
25.存儲器，用於存儲一個或多個程序；
26.當一個或多個所述程序被一個或多個所述處理器執行，使得一個或多個所述處理器實現如上述所述的一種單相直流電力彈簧的模型預測相位控制方法。
27.進一步的，一種包含計算機可執行指令的存儲介質，所述計算機可執行指令在由計算機處理器執行時用於執行如上述所述的一種單相直流電力彈簧的模型預測相位控制方法。
28.有益效果：1、本發明在應用光伏等新能源發電的過程中，將輸入波動轉移到非關鍵負載上，保證關鍵負載電壓的穩定性。
29.2、本發明提出的控制方法在實現上簡單，避免了使用控制器方法控制時參數調試困難的問題。
30.3、本發明可以實現純無功補償，功率因數校正，恆功率運行的不同模式運行。
31.4、本發明可以降低電網波動和光伏輸入波動給關鍵負載帶來的影響，很大程度地降低關鍵負載地總諧波畸變值，提高電能質量。
32.5、本發明有助於推進單相直流電力彈簧推廣，推進完善新型電力系統，促進低碳、零碳發展，解決新能源消納問題。
附圖說明
33.圖1是本發明的單相直流電力彈簧拓撲和控制系統結構圖；
34.圖2是本發明模型預測控制結合相位控制的流程圖；
35.圖3給出了使用所提出的控制技術後損失函數圖，即關鍵負載被穩定在一個極小範圍內；
36.圖4給出了本發明的單相直流電力彈簧拓撲和控制的仿真結果。
具體實施方式
37.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。
38.在圖1本發明的單相直流電力彈簧系統中，輸入側接直流電壓源，通過單相全橋逆變器變換成交流電，經過lc濾波器形成電力彈簧輸出ves，單相電力彈簧與非關鍵負載串聯形成智能負載負責吸收關鍵負載的電壓波動，而後與關鍵負載並聯，再接入公共耦合點，與電網並聯，l1和r1代表線路阻抗。需要收集各負載，濾波器參數以及濾波電流i
l
，電力彈簧電壓v
es
，電網電流i1和電網電壓vg的電路信息。具體的控制策略如圖2所示。
39.第一步：根據關鍵負載運行模式、電路信息以及預設的幅值vs計算關鍵負載相位。計算輔助計算相角的參數
[0040][0041][0042][0043][0044]
其中vg1，a，b，m都是理論推導的中間變量，沒有實際意義；r1，r2，r3分別表示線路電阻，關鍵負載電阻，非關鍵負載；ω為電網頻率，l1是線路感抗；φ0為線路阻抗的阻抗角，φ1為vg1矢量的相角。
[0045]
1)純無功補償模式下，關鍵負載相位差δ為
[0046]
[0047][0048]
其中θ是關鍵負載電壓和非關鍵負載電流的兩倍相位差。
[0049]
2)功率因數校正模式下，需要測量i1落後vg的相位差φ。關鍵負載相位差δ為
[0050][0051]
3)恆定功率補償模式下，需要預設提供的有功功率p或無功功率q，聯立以下方程可求解所需的關鍵負載相位差δ
[0052][0053]
其中φ5是電網流入電流領先關鍵負載電壓的相位；φ是電網流入電流落後電網電壓的相位；
[0054]
第二步：將得到的相位信息以及其他電路信息輸入模型預測控制。首先根據得到相位差δ以及給定的參考電壓幅值vs得到關鍵負載的參考電壓v
s_ref
。其次計算離散狀態下不同的行為既不同開關信號組合產生的下一個時刻關鍵負載電壓的估計值以及損失函數，具體步驟如下：
[0055]
步驟1：根據電路參數計算模型預測中所需要的參數
[0056][0057]
其中l，c分別是lc濾波器的濾波電感和濾波電容值，ts為電網波形的周期。
[0058]
步驟2：將全橋開關管開關信號定義為sa和sb。總共能產生4個行為。
[0059]
按順序先選擇一個行為
[0060][0061][0062]
其中s
11
，s
12
，s
13
，s
14
分別是全橋變換器的開關管的導通情況，等於1時表示該開關管導通，具體的對應情況如圖1。
[0063]
步驟3：計算該行為下得到全橋逆變器的輸出電壓vi[0064][0065]
其中vdc表示直流側接入電源的電壓。
[0066]
步驟4：根據採集的當前時刻的電路信息估計下一時刻的電路信息
[0067][0068]
其中k+1表示在k時刻計算下一時刻，ves表示電力彈簧輸出電壓，i1為電網輸入電流，vs為估計的關鍵負載電壓。
[0069]
步驟5：計算並記錄估計的關鍵負載電壓與參考電壓之間的差值絕對值作為損失函數
[0070]
j＝|vs(k+1)-v
s_ref
|
[0071]
步驟6：按順序選擇下一個開關動作並重複步驟2-5，得到每個開關動作產生的損失函數，選擇損失最小的開關動作輸出為下個時刻的開關信號。
[0072]
圖3、圖4給出了一個仿真例子的結果。圖3為損失函數圖，說明關鍵負載的波動被穩定在一個極小範圍內。圖4給出了當電網波動時，電力彈簧通過將波動轉移至非關鍵負載，從而穩定關鍵負載電壓波形的結果。
[0073]
本發明所提出的單相直流電力彈簧的模型預測相位控制技術，其應用主體是單相直流電力彈簧，拓撲結構為輸入側接直流電壓源如光伏發電等，通過單相全橋逆變器變換成交流電，經過lc濾波器為電力彈簧輸出。單相電力彈簧與非關鍵負載串聯形成智能負載，並與關鍵負載並聯接入公共耦合點。
[0074]
在單相直流電力彈簧的控制策略上結合了已有的相位控制來控制相位，根據負載所需的工作狀態和電路信息計算得到相位，得到的相位輸入到模型預測控制中，其他輸入為預設關鍵負載電壓vs，濾波電流i
l
，電力彈簧電壓v
es
，電網電流i1和電網電壓vg。
[0075]
在模型預測控制中通過電路信息計算離散狀態下每一種可能的開關信號組合在下個時刻得到的關鍵負載電壓值，與預設的參考電壓比較得到差值，差值作為損失函數評價該次動作，選擇損失函數最小的情況輸出。
[0076]
基於同一種發明構思，本發明還提供一種計算機設備，該計算機設備包括：一個或多個處理器，以及存儲器，用於存儲一個或多個電腦程式；程序包括程序指令，處理器用於執行存儲器存儲的程序指令。處理器可能是中央處理單元(central processing unit，cpu)，還可以是其他通用處理器、數位訊號處理器(digital signal processor、dsp)、專用集成電路(application specific integrated circuit，asic)、現場可編程門陣列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可編程邏輯器件、分立門或者電晶體邏輯器件、分立硬體組件等，其是終端的計算核心以及控制核心，其用於實現一條或一條以上指令，具體用於加載並執行計算機存儲介質內一條或一條以上指令從而實現上述方法。
[0077]
需要進一步進行說明的是，基於同一種發明構思，本發明還提供一種計算機存儲介質，該存儲介質上存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器運行時執行上述方法。該存儲介質可以採用一個或多個計算機可讀的介質的任意組合。計算機可讀介質可以是計算機可讀信號介質或者計算機可讀存儲介質。計算機可讀存儲介質例如可以是但不限於電、磁、光、電、磁、紅外線、或半導體的系統、裝置或器件，或者任意以上的組合。計算機可讀存儲介質的更具體的例子(非窮舉的列表)包括：具有一個或多個導線的電連接、可攜式計算機磁碟、硬碟、隨機存取存儲器(ram)、只讀存儲器(rom)、可擦式可編程只讀存儲器(eprom或快閃記憶體)、光纖、可攜式緊湊磁碟只讀存儲器(cd-rom)、光存儲器件、磁存儲器件，或者上述的任意合適的組合。在本發明中，計算機可讀存儲介質可以是任何包含或存儲程序的有形介質，該程序可以被指令執行系統、裝置或者器件使用或者與其結合使用。
[0078]
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「示例」、「具體示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0079]
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。