儲能變流系統與變流器及四象限運行器的控制方法和控制器與流程
2023-10-29 13:57:27 3
本發明涉及微電網電力變換技術領域，特別涉及一種儲能變流系統與變流器及四象限運行器的控制方法和控制器。
背景技術：
我國西北部等光伏和風電豐富的地區出現了大規模的棄光和棄風現象，其重要原因之一就是光伏發電和風力發電的輸出不穩定導致的併網困難。目前，主流的解決方案是為這些光伏電站或者風電場配套一定容量的儲能系統，起到一個改善電能質量和「蓄水池」的緩衝作用，以及對大電網的削峰填谷作用，由於儲能系統可以併網運行，也可以離網運行，有效地提高了區域電網的供電可靠性和安全性。
儲能系統主要由儲能裝置、儲能變流器和併網開關等組成，其中，儲能變流器是儲能系統能量變換和傳輸的核心，實現了儲能裝置直流到電網交流電的轉換，以及儲能裝置和電網之間的能量的雙向傳輸。
電能變換是通過儲能變流器中功率開關器件的高頻開關來實現的，這就給交流側電流引入了高次的諧波，交流側電流的諧波含量是衡量儲能變流器品質的一個重要指標，雖然儲能變流器中一般都會有LC或者LCL型濾波電路，但受限於體積、重量和成本，濾波電感器和電容器不會太大，濾波電路的截止頻率一般選取為功率開關器件開關頻率的10％，對於高頻諧波的濾除效果顯著，但對於25次以內的次高頻諧波濾除效果不佳。
因此，需要一種有效的裝置和方法來減小儲能變流器的交流側電流諧波含量，改善輸出電能質量。
技術實現要素：
本發明提供了一種儲能變流系統與變流器及四象限運行器的控制方法和控制器，以解決現有技術中對儲能變換器交流側電流中次高頻諧波濾除效果不佳的問題。
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：
一方面，本發明提供了一種儲能變流器中四象限運行器的控制方法，該方法包括：
將預先確定的饋網電流參考值與儲能變流器交流側的電感電流相減，得到偏差信號，並將偏差信號經過準比例諧振控制器調製得到電壓基準信號；
將儲能變流器交流側的饋網電流進行集員濾波處理，得到饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號；
將饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號經過相對應的增益處理後作為減量與電壓基準信號相減，得到電壓參考信號；
將電壓參考信號經過PWM發生器調製，得到控制四象限運行器功率開關管的開通與關斷的SPWM控制信號。
另一方面，本發明提供了一種儲能變流器中四象限運行器的控制器，該控制器包括：第一減法器、準比例諧振控制器、集員濾波器、第一增益器，第二減法器、PWM發生器；
第一減法器，用於將預先確定的饋網電流參考值與儲能變流器交流側電感電流相減，得到偏差信號並發送給準比例諧振控制器；
準比例諧振控制器，用於對接收到的偏差信號進行調製，得到電壓基準信號並發送給第二減法器；
集員濾波器，用於將儲能變流器交流側的饋網電流進行集員濾波處理，得到饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號並發送給第一增益器；
第一增益器，用於對饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號進行相對應的增益處理，並將增益後的各次諧波電流的狀態估計信號發送給第二減法器；
第二減法器，用於將增益後的各次諧波電流的狀態估計信號作為減量與電壓基準信號相減，得到電壓參考信號並發送給PWM發生器；
PWM發生器，用於對電壓參考信號進行調製，得到控制四象限運行器功率開關管的開通與關斷的SPWM控制信號。
再一方面，本發明提供了一種儲能變流器，包括四象限運行器和與四象限運行器連接的上述控制器。
又一方面，本發明還提供了一種儲能變流系統，包括儲能裝置，電網和上述儲能變流器，儲能變流器連接在儲能裝置和電網之間，用於為儲能裝置充電或為電網供電。
本發明實施例的有益效果是：本發明通過對儲能變流器交流側的饋網電流進行集員濾波處理，得到饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號後，並利用增益後的狀態估計信號修正電壓基準信號，得到電壓參考信號，使PWM發生器根據電壓參考信號生成所需的SPWM控制信號，控制四象限運行器功率開關管的開通與關斷，從而減小交流電流中諧波含量較高的次高頻諧波含量，改善輸出電能的質量。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的儲能變流器中四象限運行器的控制器的結構框圖；
圖2為本發明實施例提供的控制器的信號處理流程圖；
圖3為本發明實施例提供的儲能變流器中四象限運行器的控制方法流程圖；
圖4為本發明實施例提供的儲能變流器結構框圖；
圖5為本發明實施例提供的儲能變流器結構圖；
圖6為本發明實施例提供的另一種儲能變流器的結構圖；
圖7為本發明實施例提供的儲能變流系統結構框圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
實施例一
圖1為本發明實施例提供的儲能變流器中四象限運行器的控制器的結構框圖，如圖1所示，該控制器1包括：第一減法器11、準比例諧振控制器12、集員濾波器13、第一增益器14，第二減法器15、PWM(Pulse Width Modulation，脈衝寬度調製)發生器16；
第一減法器11與準比例諧振控制器QPR 12連接，用於將預先確定的饋網電流參考值與儲能變流器交流側電感電流相減，得到偏差信號並發送給準比例諧振控制器QPR 12；其中，饋網電流參考值為交流電流；
準比例諧振控制器QPR 12與第二減法器15連接，用於對接收到的偏差信號進行調製，得到電壓基準信號並發送給第二減法器15；
集員濾波器SMF 13與第一增益器14連接，用於將儲能變流器交流側的饋網電流進行集員濾波處理，得到饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號並發送給第一增益器14；
第一增益器14與第二減法器15連接，用於對饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號進行相對應的增益處理，並將增益後的各次諧波電流的狀態估計信號發送給第二減法器15；
第二減法器15與PWM發生器16連接，用於將增益後的各次諧波電流的狀態估計信號作為減量與電壓基準信號相減，得到電壓參考信號並發送給PWM發生器16；
PWM發生器16，用於對電壓參考信號進行調製，得到控制四象限運行器功率開關管的開通與關斷的SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈衝寬度調製)控制信號。
本實施例的控制器通過利用集員濾波器SMF對儲能變換器交流側的饋網電流進行集員濾波處理，得到饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號後，利用增益後的狀態估計信號修正電壓基準信號，得到電壓參考信號，使PWM發生器根據電壓參考信號生成所需的SPWM控制信號，控制四象限運行變換器功率開關管的開通與關斷，濾除交流電流中諧波含量較高的次高頻諧波含量，改善輸出電能的質量。
雖然本實施例利用增益後的饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號修正電壓基準信號後，使得PWM發生器生成的SPWM控制信號能夠濾除交流電流中諧波含量較高的次高頻諧波含量，但無法有效地濾除交流電流中的高頻諧波，因此在本實施例的一個優選方案中，進一步利用儲能變流器交流側的電容電流修正電壓基準信號，使PWM發生器生成的SPWM控制信號還能夠濾除交流電流中的高頻諧波。
在本優選方案中，圖1所示的控制器還包括與第二減法器15連接的第二增益器，第二增益器用於將儲能變流器交流側的電容電流進行增益處理，將增益後的電容電流發送給第二減法器15；第二減法器15，進一步用於將增益後的各次諧波電流的狀態估計信號作為減量，以及將增益後的電容電流作為減量，將兩個減量與電壓基準信號與相減，得到電壓參考信號。
由於圖1中的集員濾波器SMF 13僅能處理線性信號，但儲能變流器交流側的饋網電流信號屬於非線性，因此本實施例的一個實現方案中，控制器對饋網電流信號進行了線性化數字建模。
在本實施例的該實現方案中，圖1中的控制器還包括採樣電路和模型計算電路，採用電路用於以Δt為採樣間隔對饋網電流進行離散化處理，得到離散化的饋網電流
模型計算電路用於建立離散化的饋網電流的狀態方程為輸出方程為Y(k)＝CX(k)+λ(k)；
其中，I0和In分別表示饋網電流的基波與n(n＝3,5,…,25)次諧波的幅值，ω0為饋網電流的基波角頻率，θ0與θn分別表示基波和n次諧波的初始相位角，k表示第k次採樣，狀態變量X(k)＝[x1(k),x2(k),...,x26(k)]T，Y(k)為輸出變量，和λ(k)表示系統過程噪聲和測量噪聲，B＝[1 0 1 0 … 1 0]T，C＝[1 0 1 0 … 1 0]，
建立饋網電流信號的線性化數字建模後，集員濾波器SMF 13依照下述方式對儲能變流器交流側的饋網電流進行集員濾波處理：
步驟1，確定濾波參數β和ρ，以及系統過程噪聲和測量噪聲λ(k)的協方差Q和R；
步驟2，初始化狀態變量的估計矩陣和正定矩陣
步驟3，根據所述線性狀態方程預測下一時刻的估計矩陣以及根據所述線性狀態方程、濾波參數和系統過程噪聲的協方差預測下一時刻的正定矩陣
步驟4，根據公式修正預測到的估計矩陣，得到修正後的下一時刻的估計矩陣以及根據公式修正預測到的正定矩陣，得到修正後的下一時刻的正定矩陣
步驟5，利用修正後的下一時刻的估計矩陣更新初始化的估計矩陣以及利用修正後的下一時刻的正定矩陣更新初始化的正定矩陣在下一時刻時返回步驟3進行循環迭代，直至儲能變流器停止工作。
其中，上述分別表示饋網電流信號中3,5,…,25次諧波的估計值。
為便於說明書本實施例的控制器的具體工作過程，下面參考圖2所示的信號處理流程進行說明。
圖2為本發明實施例提供的控制器的信號處理流程圖，如圖2所示，控制器對信號處理流程為：
S1，將給定的交流側的饋網電流參考值i*與反饋回來的交流側電感電流iL相減，偏差輸入到準比例諧振控制器QPR中得到電壓基準信號u0。
其中，交流側的饋網電流參考值i*獲取方法為現有技術，本實施例不做特別說明。
S2，電壓基準信號u0與交流側電容電流iC採樣值經過增益K後的信號相減，得到一中間處理信號。
需要指出的是，增益K的取值範圍為(0,1]，增益K起到濾波電容串聯一個虛擬電阻的作用，以減小濾波電容中流過的電流諧波影響，且不會造成能量損耗。
S3，儲能變流器交流側的饋網電流採樣信號iac經過集員濾波器LKF處理後，得到交流電流iac中各次諧波電流的狀態估計信號ithn(n代表諧波的階次，在本發明中n取值為3、5、...、25，因為這些階次的諧波中通常是交流電流諧波含量相對較高的諧波)，ithn經過相對應增益Kn之後作為減量與上一步驟S2得到的中間處理信號相減，得到電壓參考信號u*。
本步驟可以抵消饋網電流波形中相應階次的諧波，類似於有源濾波；其中，增益Kn的取值範圍為(0,1)，其取值取決於儲能變流器交流側到電網之間的輸出阻抗的大小。
需要說明的是，本實施例為便於說明，將步驟S2和步驟S3分開限定說明，在實現時，步驟S2和S3的信號都輸出到第二減法器作為減量與準比例諧振控制器QPR輸出的電壓基準信號u0相減。
S4，電壓參考信號u*經過PWM發生器得到SPWM控制信號，通過SPWM控制信號實現對四象限運行器中的功率開關器件進行控制。
由上，本實施例通過上述步驟S1～S4濾除了交流電流中諧波含量較高的次高頻諧波含量，並且濾除了交流電流中的高頻諧波，有效地改善了輸出電能的質量。
需要說明的是，本實施例的儲能變流器交流側可以連接單相交流電網，也可以連接三相交流電網，如圖5所示，當儲能變流器交流側連接單相交流電網時，本實施例中儲能變流器交流側的電感電流iL為電感L5的電流，儲能變流器交流側的電容電流iC為濾波電容C6的電流，儲能變流器交流側的饋網電流iac為交流預充電電路7的電流；如圖6所示，當儲能變流器交流側連接三相交流電網時，本實施例中儲能變流器交流側的電感電流iL為電感L5處的三相電感電流，儲能變流器交流側的電容電流iC為濾波電容C7的三相電容電流，儲能變流器交流側的饋網電流iac為交流預充電電路8處的三相饋網電流電流。
實施例二
本實施例採用與實施例一相同的技術構思，提供了一種儲能變流器中四象限運行器的控制方法。
圖3為本發明實施例提供的儲能變流器中四象限運行器的控制方法流程圖，如圖3所示，該方法包括：
S300，將預先確定的饋網電流參考值與儲能變流器交流側的電感電流相減，得到偏差信號，並將偏差信號經過準比例諧振控制器調製得到電壓基準信號。
S320，將儲能變流器交流側的饋網電流進行集員濾波處理，得到饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號。
S340，將饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號經過相對應的增益處理後作為減量與電壓基準信號相減，得到電壓參考信號。
S360，將電壓參考信號經過PWM發生器調製，得到控制四象限運行器功率開關管的開通與關斷的SPWM控制信號。
本實施例通過對儲能變換器交流側的饋網電流進行集員濾波處理，得到饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號，並利用增益後的狀態估計信號修正電壓基準信號，得到電壓參考信號，使PWM發生器根據電壓參考信號生成所需的SPWM控制信號，控制四象限運行變換器功率開關管的開通與關斷，濾除交流電流中諧波含量較高的次高頻諧波含量，平滑分布式電源的輸出，減小電壓波動，改善輸出電能的質量。
雖然本實施例利用增益後的饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號修正電壓基準信號後，使得PWM發生器生成的SPWM控制信號能夠濾除交流電流中諧波含量較高的次高頻諧波含量，但無法有效地濾除交流電流中的高頻諧波，因此在本實施例的一個優選方案中，進一步利用儲能變流器交流側的電容電流修正電壓基準信號，使PWM發生器生成的SPWM控制信號還能夠濾除交流電流中的高頻諧波。
本優選方案中，圖3中步驟S340通過下述方式得到電壓參考信號包括：
將饋網電流中各次諧波電流的狀態估計信號經過相對應的增益處理後作為減量，以及將儲能變流器交流側的電容電流經過增益處理後作為減量，將兩個減量與電壓基準信號與相減，得到電壓參考信號。
由於圖3中儲能變流器交流側的饋網電流信號屬於非線性，因此本實施例還需進一步對饋網電流信號進行線性化數字建模。
在本實施例的一個實現方案中，利用公式(1)表示儲能變流器交流側的饋網電流：
其中，I0和In分別表示饋網電流的基波與n(n＝3,5,…,25)次諧波的幅值，ω0為饋網電流的基波角頻率，θ0與θn分別表示基波和n次諧波的初始相位角。
對饋網電流進行離散化後可以得到離散化的饋網電流iac(k)：
公式(2)中的Δt為採樣間隔，k表示第k次採樣，則第k+1次採樣的饋網電流iac(k+1)可表示為：
公式(3)正交分解後，可以表示為公式(4)：
令：
可見，變量x1(k)與變量x2(k)，變量x3(k)與變量x4(k)，…，變量x25(k)與變量x26(k)對應表示相互正交的信號分量。
根據公式(5)和公式(2)可以得到饋網電流的狀態方程為輸出方程為Y(k)＝CX(k)+λ(k)；
其中，狀態變量X(k)＝[x1(k),x2(k),...,x26(k)]T，Y(k)為輸出變量，即為饋網電流iac的採樣值，和λ(k)表示系統過程噪聲和測量噪聲，B＝[1 0 1 0 … 1 0]T，C＝[1 0 1 0 … 1 0]，
由上，饋網電流信號的線性化數字建模完成，通過上述線性化數字建模即可通過集員濾波器對交流電流採樣信號中的諧波進行狀態估計，估計方法如下：
步驟1，確定濾波參數β和ρ，以及系統過程噪聲和測量噪聲λ(k)的協方差Q和R；
步驟2，初始化狀態變量的估計矩陣和正定矩陣
步驟3，根據線性狀態方程預測下一時刻的估計矩陣以及根據線性狀態方程、濾波參數和系統過程噪聲的協方差預測下一時刻的正定矩陣
步驟4，根據公式修正預測到的估計矩陣，得到修正後的下一時刻的估計矩陣以及根據公式修正預測到的正定矩陣，得到修正後的下一時刻的正定矩陣
步驟5，利用修正後的下一時刻的估計矩陣更新初始化的估計矩陣以及利用修正後的下一時刻的正定矩陣更新初始化的正定矩陣在下一時刻時返回步驟3進行循環迭代，直至儲能變流器停止工作。
其中，上述分別表示饋網電流信號中3,5,…,25次諧波的估計值，即圖2中的交流電流iac中各次諧波電流的狀態估計信號ithn。
實施例三
基於與實施例一相同的技術構思，本實施例提供了一種儲能變流器。
圖4為本發明實施例提供的儲能變流器結構框圖，如圖4所示，該儲能變流器400包括四象限運行器4和實施例一中的控制器1,本實施例中的控制器1的結構可參見實施例一的相關說明，在此不再贅述。
實現時，四象限運行器4和控制器1可以集成為一體。
其中，本實施例中的四象限運行器4是由功率開關器件組成的全橋式電路拓撲結構，功率開關器件可以是但不局限於IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)、MOS管(絕緣柵型場效應管)或者IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成門極換流晶閘管)，為吸收功率開關器件開通或關斷時產生的電壓尖峰，優選地在功率開關器件上並聯高頻電容；控制器1可以是但不局限於TI的DSP、飛思卡爾的MCU或者其他廠家的數位訊號處理器，控制器1採集的電信號包括但不局限於：交流側的饋網電流信號iac、交流側的電感電流信號iL和電容電流信號iC等信號，此外，控制器1還能夠生成控制四象限運行器內部功率開關器件工作的SPWM控制信號。
本實施例中的全橋式電路拓撲結構可以實現電能的整流/逆變雙向流動，其一端連接直流側，另一端連接交流側，可以根據設定的有功無功實現逆變交流輸出到交流電網的供電，也可以實現可控整流給儲能裝置充電。
在本實施例的一個優選方案中，參考圖5或圖6所示，儲能變流器還包括：直流側濾波電路和交流側濾波電路，直流側濾波電路連接在儲能變流器的儲能端和四象限運行器之間，交流側濾波電路連接在四象限運行器和儲能變流器的電網端之間，交流側濾波電路還與控制電路連接。
其中，直流側濾波電路可濾除直流電流中的高次諧波；交流側濾波電路可吸收四象限運行器中高頻開關器件造成的高次諧波，交流側濾波電路可以採用但不局限於LC型濾波電路或者LCL型濾波電路，參考圖5和圖6，圖5示出了採用串聯的濾波電感L5和並聯的濾波電容C6組成的LC型濾波電路，圖6示出了採用串聯的濾波電感L5和濾波電感L6以及並聯的濾波電容C7組成的LCL型濾波電路。
在本優選方案中，參考圖5所示，儲能變流器還包括：直流預充電電路1和交流側預充電電路7，直流預充電電路1連接在儲能變流器的儲能端和直流側濾波電路之間，交流側預充電電路7連接在交流側濾波電路和儲能變流器的電網端之間。
其中，直流預充電電路1可實現對直流側電容的充電和處於虧電狀態的儲能裝置的預充電；設計時，直流側濾波電路1中裝有多個限流電阻，根據儲能裝置的電壓等級不同，而投切不同數量的限流電阻，實現寬電壓範圍的接入，而不會出現過流的情況。
交流側預充電電路7可以實現交流側濾波電路和直流側濾波電路中電容的限流充電，防止電容充電電流過大損壞器件；設計時，交流側預充電電路7裝有多個限流電阻，根據電網的電壓幅值，而投切不同數量的限流電阻，從而實現寬電壓範圍的接入，不會出現過流的情況，保護電容和內部功率器件。
在本實施例的另一個優選方案中，參考圖5，直流側濾波電路由電解電容C2與串聯的LC諧振電路3並聯形成，所述LC諧振電路3的諧振頻率為兩倍電網電壓頻率，利用該LC震蕩電路抑制直流側電流的二次脈動，提高儲能裝置的循環壽命。
實施例四
基於與實施例三相同的技術構思，本實施例提供了一種儲能變流系統。
圖7為儲能變流系統結構框圖，如圖7所示，該儲能變流系統包括儲能裝置9、電網10和實施例三中的儲能變流器400(或儲能變流器500，或儲能變流器600)，儲能變流器連接在儲能裝置9和電網10之間，用於為儲能裝置充電或為電網供電。
本實施例中儲能裝置9集成有電池管理系統(BMS)，實現光伏電站或者風電場電能平滑輸出，抑制電壓波動和削峰填谷；儲能裝置可以是鉛酸/鉛碳電池、鋰離子電池、超級電容或者飛輪電池等，根據不同的應用場合選擇不同的儲能介質，比如能量型儲能，則可以選擇鉛酸/鉛碳電池、鍅液流電池等，作為備用電源和/或者削峰填谷，若是功率型儲能，則可以採用鋰離子電池、超級電容等，平滑電能輸出，維持電網穩定。本實施例的儲能裝置的電壓範圍為450-700V。
電網10承擔著儲能變流器負載和供電電源的雙重角色，根據儲能變流器接受的不同指令來變換角色，電網不局限於通常所認為的大電網，還可以是光伏電站或者風電場與電網相連的交流母線，在本實施例中，電網可以為單相交流電網，也可以為三相交流電網。
綜上所述，本發明實施例公開了一種儲能變流系統與變流器及四象限運行器的控制方法和控制器，本發明實施例至少具有如下優點：
1、本實施例通過多重手段來抑制儲能變流器交流側交流電流的諧波含量，使其能夠很好地滿足儲能裝置的併網要求，改善與其配套的光伏電站或者風電場等分布式能源的電能輸出質量。
2、可以準確的掌握儲能變流器交流側各節點處電流和電壓的各次諧波含量，可以替代複雜的FFT算法。
在分析儲能變流器交流側各節點處電流和電壓的各次諧波含量時，採集儲能變流器交流側相應節點處的電壓或電流信號，將採集到的電壓或電流信號利用本實施例的集員濾波算法進行分析，即可得到該電壓或電流信號中各次諧波含量。
3、可以根據指令工作於併網或者離網的工作模式，平滑分布式電源的輸出，減小電壓波動，削峰填谷，解決大電網觸及不到地區的供電難問題。
4、可以抑制直流側電流的二次脈動，提高儲能裝置的循環壽命。
為了便於清楚描述本發明實施例的技術方案，在發明的實施例中，採用了「第一」、「第二」等字樣對功能和作用基本相同的相同項或相似項進行區分，本領域技術人員可以理解「第一」、「第二」等字樣並不對數量和執行次序進行限定。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，在本發明的上述教導下，本領域技術人員可以在上述實施例的基礎上進行其他的改進或變形。本領域技術人員應該明白，上述的具體描述只是更好的解釋本發明的目的，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。