一種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)測控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)測控制方法。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)的重要構(gòu)成設(shè)備，研究其在微電網(wǎng)的多種用途，對于提高其利用效率具有重要的作用。本發(fā)明在分析利用電壓源型儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)諧波電流補(bǔ)償?shù)目尚行曰A(chǔ)上，研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)提高微電網(wǎng)電壓、頻率動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和補(bǔ)償諧波電流的多功能預(yù)測控制方法。首先基于諧波電流的<i>i</i><i>p</i>?<i>i</i><i>q</i>檢測法和瞬時(shí)功率理論，結(jié)合<i>GM(1,1)</i>灰色模型，研究實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置多功能控制的綜合補(bǔ)償指令電流的預(yù)測方法；然后基于電壓源型變流器輸出電流的動(dòng)態(tài)模型，通過建立變流器的最優(yōu)開關(guān)選擇函數(shù)，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)變流器基于最優(yōu)開關(guān)模式跟蹤綜合指令電流的預(yù)測控制策略。最后驗(yàn)證了所提開關(guān)控制策略的有效性。
【專利說明】
-種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)測控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種預(yù)測控制方法，尤其是設(shè)及一種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì) 量的預(yù)測控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷組成的微電網(wǎng)具有供電方式靈活和充分利用各種 可再生清潔能源的特點(diǎn)，既可向用戶提供電能，又能適時(shí)為大電網(wǎng)提供支撐，在提高供電可 靠性的同時(shí)，也能有效提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。但是，微電網(wǎng)容量小且大量采用電力電 子裝置組網(wǎng)的特點(diǎn)，也使運(yùn)些裝置和網(wǎng)內(nèi)的非線性負(fù)荷將會(huì)給其造成諧波污染。因此，改善 微電網(wǎng)的電能質(zhì)量也成為其運(yùn)行技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方面。
[0003] 考慮滯環(huán)調(diào)制法的開關(guān)頻率波動(dòng)范圍受跟蹤指令電流大小和滯環(huán)寬度影響較大， 本申請基于諧波電流ip-iq檢測法和瞬時(shí)功率理論，利用GM(l.l)灰色模型研究實(shí)現(xiàn)電壓型 儲(chǔ)能系統(tǒng)（Voltage Type Energy Storage System,VESS)提高微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定性、 補(bǔ)償諧波電流等多功能控制的綜合補(bǔ)償指令電流的預(yù)測方法基礎(chǔ)上，基于電壓源型變流器 輸出電流的動(dòng)態(tài)模型，研究變流器輸出電流跟蹤綜合補(bǔ)償指令電流的最優(yōu)決策方法，在此 基礎(chǔ)上提出了實(shí)現(xiàn)電壓源型儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)變流器多功能應(yīng)用的開關(guān)預(yù)測控制策略。該策略 不僅能夠有效協(xié)調(diào)VESS不同控制的時(shí)間尺度，使變流器開關(guān)頻率與控制采樣頻率一致，而 且電流跟蹤誤差將隨采樣頻率增大而減小，同時(shí)較電流空間矢量調(diào)制具有控制方法簡單、 易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。最后，通過仿真驗(yàn)證了該預(yù)測控制策略的可行性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得W解決的：
[0005] -種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)測控制方法，其特征在于，包括：
[0006] 綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流預(yù)測的步驟:首先進(jìn)行第k個(gè)采樣周期微電網(wǎng)諧波補(bǔ)償指 令電流的檢測;然后根據(jù)k、k-l、…、k-n各采樣周期諧波補(bǔ)償指令電流的檢測結(jié)果，基于灰 色模型進(jìn)行k+1采樣周期微電網(wǎng)諧波補(bǔ)償指令電流的有功和無功分量的預(yù)測，最后通過分 別在預(yù)測的諧波補(bǔ)償指令電流的有功和無功分量上，疊加電壓源型儲(chǔ)能進(jìn)行微電網(wǎng)基波功 率調(diào)節(jié)的有功和無功電流分量，得到電壓源型儲(chǔ)能k+1采樣周期綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流的 預(yù)測值。該灰色模型基于W下公式：
[0007]
[000引上式中，k=l，2,…，n為系統(tǒng)輸出采樣值的數(shù)量;B、yn和的求解表達(dá)式如 下；
[0009]
[0010]
[0011]
[001^ 上式中，Ix(D)(I)，x(d)(2)，…，x(D)(n)}為n個(gè)系統(tǒng)輸出巧慢值；
[0013] 電壓源型儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開關(guān)預(yù)測控制步驟:根據(jù)綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流預(yù) 測步驟中得到的用于k+1采樣周期實(shí)現(xiàn)綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)的指令電流預(yù)測結(jié)果，基于電壓源型 變流器的S相輸出電流預(yù)測模型W及目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行k+1采樣周期變流器開關(guān)狀態(tài)的預(yù)測 控制。所述電壓源型變流器=相輸出電流的預(yù)測模型基于W下公式：
[0014]
[001引上式中，Um=a，b，C)為變流器交流側(cè)等值電感;Rm(m = a，b，C)為變流器交流側(cè)等 值電阻；ivEssm(m=a，b，c)為變流器交流側(cè)電流;Sm(m = a，b，c) = l或-l，Sm=l表示六脈沖變 流器m相上橋臂開關(guān)導(dǎo)通，Sm=-I表示m相下橋臂開關(guān)導(dǎo)通。
[0016] 所述目標(biāo)函數(shù)基于W下公式：
[0017]
[001引上式中，^,.0^^0為1^采樣周期預(yù)測的1^+1采樣周期的綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流， 言批+ 為k采樣周期利用電壓源型變流器S相輸出電流的預(yù)測模型預(yù)測的k+1采樣周 期電壓源型變流器的8種ivEssm(m=a,b,c)值，A=I ,2, ,??? ,8。
[0019] 因此，在k采樣周期，根據(jù)狀態(tài)測量值，按照目標(biāo)函數(shù)，就能夠確定變流器在k+1采 樣周期跟蹤+ 的最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)[53，擁，5。]1，從而實(shí)現(xiàn)電壓源型變流器基于滾動(dòng)優(yōu)化 預(yù)測的開關(guān)控制。
[0020] 在上述的一種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)測控制方法，所述綜合補(bǔ)償 調(diào)節(jié)指令電流預(yù)測的步驟中，進(jìn)行實(shí)時(shí)諧波補(bǔ)償指令電流的檢測是基于ip-iq檢測法，具體 方法是：
[0021] 利用式一對采樣電流值iLm(m = a，b，c)進(jìn)行Clarke變換，W得到a-e坐標(biāo)系的瞬時(shí) 分量iLcc和Ilp，然后利用式二將iLcc和Ilp分別向變流器并網(wǎng)點(diǎn)電壓ULm在a-0坐標(biāo)系的電壓合 成矢量及其法線投影，從而得到采樣電流值的有功分量Up和無功分量iLq，經(jīng)低通濾波分離 基波有功分量ibp和無功分量ibq后，即可得到采樣電流值的諧波有功分量ihp和無功分量ihq;
[0022] 式.
[002；3] 式-
[0024] 在上述的一種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)測控制方法，所述綜合補(bǔ)償 調(diào)節(jié)指令電流預(yù)測的步驟中，利用電壓源型儲(chǔ)能提高微電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定特性的有功、無 功調(diào)節(jié)指令電流的檢測是基于瞬時(shí)功率理論，利用式=計(jì)算電壓源型儲(chǔ)能用于功率調(diào)節(jié)的 輸出電流的有功和無功分量。
[0025]
A
[0026] 式；中，ULa和ULP分別為ULm的郵分量;E為ULm的有效值；i巧和ifq分別為電壓源型儲(chǔ) 能用于功率調(diào)節(jié)的輸出電流的有功和無功分量；
[0027] 由于ihp和ifp均是ULm在a-0坐標(biāo)系電壓合成矢量上的投影，而ihq和也是在該電壓合 成矢量法線上的投影；因此，可通過在ihp、ihq上分別疊加ifP、ih分量，實(shí)現(xiàn)電壓源型儲(chǔ)能用 于提高微電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定性和諧波補(bǔ)償?shù)木C合指令電流檢測。
[0028] 因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：所述的一種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù) 測控制方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)利用電壓源型儲(chǔ)能補(bǔ)償微電網(wǎng)諧波、提高微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn) 定性的多功能控制目標(biāo)，而且能夠有效協(xié)調(diào)電壓源型儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)諧波補(bǔ)償和提高微電 網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定性兩種不同時(shí)間尺度的控制的，同時(shí)保持變流器開關(guān)頻率與控制采樣頻 率一致。變流器采用所述開關(guān)預(yù)測控制方法不僅使輸出電流的跟蹤誤差與控制采樣周期成 正比，而且較電流空間矢量調(diào)制具有控制方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[00巧]圖1為VESS的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0030] 圖2為諧波補(bǔ)償電流的檢測原理圖。
[0031] 圖3為綜合指令電流的預(yù)測原理圖。
[0032] 圖4為含儲(chǔ)能裝置的微電網(wǎng)模型示意圖。
[0033] 圖5a為VESS綜合補(bǔ)償前后微電網(wǎng)電壓和頻率、分布式電源輸出功率對擾動(dòng)的響應(yīng) (綜合補(bǔ)償前后的Busl電壓響應(yīng)）。
[0034] 圖化為VESS綜合補(bǔ)償前后微電網(wǎng)電壓和頻率、分布式電源輸出功率對擾動(dòng)的響應(yīng) (綜合補(bǔ)償前后的頻率響應(yīng)）。
[0035] 圖5c為VESS綜合補(bǔ)償前后微電網(wǎng)電壓和頻率、分布式電源輸出功率對擾動(dòng)的響應(yīng) (綜合補(bǔ)償前后的DG2有功輸出）。
[0036] 圖5d為VESS綜合補(bǔ)償前后微電網(wǎng)電壓和頻率、分布式電源輸出功率對擾動(dòng)的響應(yīng) (綜合補(bǔ)償前后的DG2無功輸出）。
[0037] 圖5e為VESS綜合補(bǔ)償前后微電網(wǎng)電壓和頻率、分布式電源輸出功率對擾動(dòng)的響應(yīng) (綜合補(bǔ)償前后的DGl功率輸出）。
[0038] 圖6a為擾動(dòng)過程中的VESS的調(diào)節(jié)功率和補(bǔ)償電流示意圖(VESS的綜合補(bǔ)償電流）。
[0039] 圖化為擾動(dòng)過程中的VESS的調(diào)節(jié)功率和補(bǔ)償電流示意圖(VESS的調(diào)節(jié)功率）。
[0040] 圖7a為0.4s-0.6s的VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（0.4s-0.6s無VESS補(bǔ)償?shù)膇B2電流）。
[0041 ] 圖7b為0.4s-0.6s的VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（0.4s-0.6s有VESS補(bǔ)償?shù)膇B2電流）。
[00創(chuàng)圖7c為0.4s-0.6s的VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（0.4s-0.5s補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的 對比）。
[0043] 圖8a為Loadl投切時(shí)VESS的綜合補(bǔ)償示意圖化oadl投切時(shí)無VESS補(bǔ)償?shù)膇B2電流）。
[0044] 圖8b為Loadl投切時(shí)VESS的綜合補(bǔ)償示意圖化oadl投切時(shí)有VESS補(bǔ)償?shù)膇B2電流）。
[0045] 圖8c為Loadl投切時(shí)VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（0.7S-0.8s時(shí)補(bǔ)償電流跟蹤指令電流 的對比）。
[0046] 圖9a為短路故障時(shí)VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（短路故障時(shí)無VESS補(bǔ)償?shù)膇B2電流）。
[0047] 圖9b為短路故障時(shí)VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（短路故障時(shí)有VESS補(bǔ)償?shù)膇B2電流）。 [004引圖9c為短路故障時(shí)VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（1. Is-I. 2s時(shí)補(bǔ)償電流跟蹤指令電流 的對比）。
[00例圖IOa為Zr淑切擾動(dòng)時(shí)VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（Zr淑切時(shí)無VESS補(bǔ)償?shù)膇B2電流）。 [0050]圖1化為Zr淑切擾動(dòng)時(shí)VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（Zr淑切時(shí)有VESS補(bǔ)償?shù)膇B2電流）。 [0051 ]圖IOc為Zr2投切擾動(dòng)時(shí)VESS的綜合補(bǔ)償示意圖（1.7S-1.8s時(shí)補(bǔ)償電流跟蹤指令電 流的對比）。
[0052] 圖Ila為滯環(huán)控制補(bǔ)償前后微電網(wǎng)電壓、頻率和iB2示意圖（滯環(huán)補(bǔ)償前后的Busl電 壓響應(yīng)）。
[0053] 圖Ilb為滯環(huán)控制補(bǔ)償前后微電網(wǎng)電壓、頻率和iB2示意圖（滯環(huán)補(bǔ)償前后的頻率響 應(yīng)）
[0054] 圖Ilc為滯環(huán)控制補(bǔ)償前后微電網(wǎng)電壓、頻率和iB2示意圖(滯環(huán)補(bǔ)償后的iB2電流）
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。
[0056] 實(shí)施例:下面依次來介紹本發(fā)明設(shè)及的理論基礎(chǔ)和方法。
[0057] UVESS用于諧波補(bǔ)償?shù)目尚行浴?br>[005引圖1所示為VESS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，VESS主要由儲(chǔ)能元件、DC/DC變換器和電壓源 型變流器(V0ltages-sou;rce-conve;rte;r ,VSC)等設(shè)備構(gòu)成。其中，儲(chǔ)能元件通過DC/DC變換 器與VSC的直流側(cè)并聯(lián)，并經(jīng)VSC與電力系統(tǒng)接口。一方面，VSC基于直流側(cè)恒定電壓Vdc，可W 通過開關(guān)控制調(diào)節(jié)其交流側(cè)輸出電壓波形，W間接控制其輸出電流ivEssm(m = a，b，C)的波 形，從而實(shí)現(xiàn)VESS的四象限功率調(diào)節(jié);另一方面，儲(chǔ)能單元的DC/DC變換器，通過開關(guān)控制調(diào) 節(jié)iEss的大小和方向W維持Vdc的恒定。若忽略VSC和DC/DC調(diào)節(jié)過程中的功率損耗，則儲(chǔ)能元 件和電網(wǎng)間的功率調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上是通過兩個(gè)變換器的動(dòng)態(tài)功率調(diào)節(jié)配合加W實(shí)現(xiàn)。
[0059] 有源電力濾波器(Active化wer Filter，APF)的主電路與圖1所示VESS的VSC具有 相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，ivEssm(m = a，b，c)是變流器輸出電流;Rm(m = a，b，c)，Lm(m = a，b，c) 分別為變流器交流側(cè)等效連接電阻與電感，Si~Se是變流器橋臂開關(guān)，圖中DC/DC Convener模塊和Energy Storage化it分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的斬波器和儲(chǔ)能單元模塊。它利用 電流跟蹤開關(guān)控制策略，通過調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓W控制交流側(cè)電流波形?？刂七^程中， 一方面維持逆變器直流側(cè)電壓Vdc的恒定;另一方面輸出與待補(bǔ)償諧波電流大小相等方向相 反的電流。相對于傳統(tǒng)無源濾波器，APF具有濾波頻率范圍寬，能動(dòng)態(tài)跟蹤諧波電流變化，達(dá) 到實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
[0060]對比VESS實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)和APF補(bǔ)償諧波電流的主電路和工作原理可知，它們都是 基于恒定的直流電壓Vdc,通過變流器開關(guān)控制調(diào)節(jié)電流ivEssm的波形實(shí)現(xiàn)。因此，研究使 VESS快速跟蹤指令電流的開關(guān)控制策略，就能利用其實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)和諧波電流補(bǔ)償?shù)亩喙?能控制。
[0061] 2、綜合指令電流的預(yù)測。
[0062] 利用VESS在微電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)諧波抑制和提高電壓頻率動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，需要確定實(shí)現(xiàn)其 準(zhǔn)確補(bǔ)償控制的指令電流。本申請基于諧波電流的ip-iq檢測法和瞬時(shí)功率理論，結(jié)合GM(1, 1)灰色模型，研究了綜合補(bǔ)償指令電流的預(yù)測方法。
[0063] 2.1綜合指令電流檢測。
[0064] 采用圖2所示ip-iq檢測法進(jìn)行諧波電流檢測，可有效避免電網(wǎng)電壓崎變對諧波電 流檢測產(chǎn)生的誤差影響。
[0065] 如圖所示，i Lm (m=a, b, C)為采樣電流，i La和i LP是a-0坐標(biāo)系的瞬時(shí)分量，ULa是變流 器并網(wǎng)點(diǎn)電壓，P化是鎖相環(huán)，iLp和Uq分別為待補(bǔ)償線路電流的有功分量和無功分量，LPF 為低通濾波器，ibp和ibq分別為基波有功分量和無功分量，ihp和ihq分別為采樣電流值的諧波 有功分量和無功分量。C32和C是參數(shù)矩陣。它利用式（1)對采樣電流值iLm(m = a，b，c)進(jìn)行 Clarke變換，W得至Ija-P坐標(biāo)系的瞬時(shí)分量山和山，然后利用式(2)將山和山分別向變流器 并網(wǎng)點(diǎn)電壓ULm在a-e坐標(biāo)系的電壓合成矢量及其法線投影，從而得到采樣電流值的有功分 量iLp和無功分量iLq，經(jīng)低通濾波分離基波有功分量ibp和無功分量ibq后，即可得到采樣電流 值的諧波有功分量ihp和無功分量ihq。
[0066] 。）
[0067] 巧）
[0068] VESS可通過快速的有功和無功調(diào)節(jié)提高微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定特性。依據(jù)瞬時(shí) 功率理論可知，VESS的瞬時(shí)調(diào)節(jié)功率可表示如下：
[0069]
(3)
[0070] 巧W甲，ULa和ULP分別刃ULm的日0分量;E為ULm的有效值；i巧和ifq分別為VESS用于功 率調(diào)節(jié)的輸出電流的有功和無功分量。由于ihp和ifP均是ULm在a-e坐標(biāo)系電壓合成矢量上的 投影，而ihq和也是在該電壓合成矢量法線上的投影。因此，可通過在ihp、ihq上分別疊加ifP、 分量，實(shí)現(xiàn)VESS用于提高微電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定性和諧波補(bǔ)償?shù)木C合指令電流檢測。2.2 基于灰色模型的綜合指令電流預(yù)測。
[0071] GM(1，1)模型是依據(jù)灰色系統(tǒng)理論，利用系統(tǒng)輸出的離散采樣數(shù)據(jù)建立式(4)所示 動(dòng)態(tài)微分方程，通過尋找數(shù)據(jù)間內(nèi)在規(guī)律W預(yù)測系統(tǒng)的輸出，能在不完全確定受控系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)和參數(shù)情況下實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的預(yù)測W-W。它基于采樣數(shù)據(jù)不斷更新預(yù)測模型參數(shù)W提 高預(yù)測精度，具有預(yù)測模型結(jié)構(gòu)不變而參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的特點(diǎn)。
賄
[0072] 、
[0073] 式中，k=l，2,…，n為系統(tǒng)輸出的采樣時(shí)刻。式中B、yn和xW(k)的計(jì)算方法如式 (5)-式(7)所示：
(皂）
[0074]
[0075]
[007引 （7) (.-I
[0077] 式(6)中，{xW(l)，xW(2)，…，xW(n)}為系統(tǒng)輸出的n個(gè)采樣值，本申請仿真所用 GM( 1，1)模型中，取n = 5。由GM( 1，1)模型可知，k時(shí)刻根據(jù)檢測的諧波補(bǔ)償P軸分量ihp化-n)、 ihp化-n+l)'''ihp化)和q軸分量ihq化-n)、ihq化-n+l)'''ihq化），可W預(yù)測k+1時(shí)刻的諧波補(bǔ)償 分量！,(UU芽口 !W化+ 11。
[0078] 由于微電網(wǎng)的頻率和電壓對VESS的功率調(diào)節(jié)具有響應(yīng)慣性，因此利用VESS提高微 電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定性的控制相對于諧波補(bǔ)償控制的實(shí)時(shí)快速性是一個(gè)慢動(dòng)態(tài)過程，因此， 在綜合指令電流的諧波電流分量補(bǔ)償控制期間，可W近似認(rèn)為用于功率調(diào)節(jié)指令電流分量 近似不變。由此，通過將VESS用于功率調(diào)節(jié)的采樣控制周期設(shè)為諧波補(bǔ)償采樣控制周期的 整數(shù)倍，即在每個(gè)功率調(diào)節(jié)的采樣控制時(shí)刻，通過分別在和!，如+1)預(yù)測分量上疊加。P和 ifq控制分量，就能夠?qū)崿F(xiàn)兩種補(bǔ)償控制的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，并形成用于綜合補(bǔ)償控制的指令電流 1〇11化+1)(1]1 = 3,13，(3)。由于功率型￥655的功率調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間通常為41]18左右，諧波補(bǔ)償則要 求在最大開關(guān)頻率允許條件下進(jìn)行快速補(bǔ)償，控制周期通常設(shè)置為IOOus左右，因此，可W 設(shè)置VESS用于功率調(diào)節(jié)的采樣控制周期為諧波補(bǔ)償采樣控制周期的50倍左右。綜合指令電 流的產(chǎn)生原理如圖3所示。圖中，ihp化）、ihp化-l)'''ihp化-n)分別為諧波補(bǔ)償電流k、k-l'''k-n采樣時(shí)刻的有功分量;ihq化）、ihq化-1)…ihq化-n)分別為諧波補(bǔ)償電流k、k-1-'k-n采樣時(shí) 亥IJ的無功分量;W巧和;郵+1)分別為諧波補(bǔ)償電流k+1采樣時(shí)刻有功和無功分量的灰色預(yù)測 值;fset和Uset分別為頻率和電壓額定值;fs和Us分別為頻率和電壓的實(shí)際值;Afs( j )為基波 補(bǔ)償電流j采樣時(shí)刻的系統(tǒng)頻率偏差;AlU j)為基波補(bǔ)償電流j采樣時(shí)刻的電壓偏差;ULa和 ULP分別為并網(wǎng)點(diǎn)電壓ULm(m = a，b，C )的日0分量;E為ULm的有效值；ifp( j )、ifq( j )分別為基波 補(bǔ)償電流j采樣時(shí)刻的有功和無功分量，基波補(bǔ)償電流采樣周期可W設(shè)為諧波補(bǔ)償電流采 樣周期的整數(shù)倍;化+l)(m = a，b，c)為諧波補(bǔ)償電流k+1采樣時(shí)刻的綜合補(bǔ)償指令電流； Pcr和Qcr分別為儲(chǔ)能裝置的有功和無功補(bǔ)償指令;C23為C32的逆矩陣。
[0079] 3、開關(guān)預(yù)測控制策略。
[0080] 當(dāng)忽略圖1所示六脈沖￥5(：的開關(guān)器件損耗，利用1(\^1^定理和線性網(wǎng)絡(luò)疊加定理，可 列出VSC在八種可能開關(guān)模式下的電路方程。通過對各種開關(guān)模式的電路方程進(jìn)行歸 納，可得式(8)所示通用表達(dá)式：
[0081 ]
(8)
[0082] 式中，Lm(m = a，b，c)為VSC交流側(cè)等值電感;Rm(m = a，b，c)為VSC交流側(cè)等值電阻； ivEssm(m = a,b，c)為VSC交流側(cè)電流;Sm(m = a,b，c) = 1或-1 ,Sm=I表示m相上橋臂開關(guān)導(dǎo)通， Sm=-I表示m相下橋臂開關(guān)導(dǎo)通。
[0083] 當(dāng)諧波電流補(bǔ)償?shù)牟蓸又芷赥較小時(shí)，利用差分變換法對式(8)進(jìn)行離散可得VSC S相電流輸出的預(yù)測模型：
(9)
[0084]
[0085] 忽略儲(chǔ)能單元維持Vdc恒定的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程，可令Vdc化Vdc化+1)，同時(shí)考慮T較 小時(shí)可令ULm( k ) a ULm( k+1 )，運(yùn)樣，依據(jù)式（9 )可知，在k時(shí)刻可預(yù)測k+1時(shí)刻的8種i VES；3ii!值 OUW 篡)。因此，在k控制時(shí)亥Ij,根據(jù)狀態(tài)量測值，按照式（10)所示目標(biāo)函 數(shù)，根據(jù)相互比較結(jié)果確定第k+1采樣時(shí)刻的最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)[53，擁，5。]1，從而在第4+1采樣 時(shí)刻到來時(shí)，進(jìn)行變流器開關(guān)狀態(tài)切換，在實(shí)現(xiàn)無差拍開關(guān)控制的同時(shí)，使變流器輸出電流 能夠在k+1采樣周期利用最優(yōu)開關(guān)模式逼近補(bǔ)償電流目標(biāo)值。
[0086]
(10)
[0087] 4、仿真實(shí)施例。
[00則構(gòu)建圖4所示微電網(wǎng)仿真模型。圖中，DGl和DG2為分布式電源，DGl變流器基于PQ控 制方式向微電網(wǎng)輸入6kW有功功率，DG2配置有P-f和Q-V下垂控制方式，用W孤島運(yùn)行方式 下維持微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定，該電源額定有功輸出化W，額定線電壓380V，額定頻率 50Hz，P-f 下垂系數(shù)lOOkW/Hz，Q-V下垂系數(shù)3.3kVar/V。Zl = Z2 = 0.05eW' n" Q，代表并網(wǎng)等 值阻抗。ZRi = ZR2=130.01eW'?4"Q，分別代表立相全波不控整流的負(fù)載，用于模擬非線性負(fù) 荷。LoacU和Load2分別為6kW有功負(fù)荷。開關(guān)Sli和Sl2用于控制Loadl和整流負(fù)載Zr2在微電網(wǎng) 中的投切。開關(guān)Sf用于模擬支路化anch2經(jīng)Zf= 1.37eW'24" Q的阻抗發(fā)生S相接地短路故障。
[0089] 利用該模型進(jìn)行微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行方式的如下過程仿真:0.6s閉合開關(guān)SliW接入負(fù) 荷Loadl，0.8s再次斷開Sli W切除負(fù)荷Loadl，0.9s開關(guān)Sf閉合，Branch2支路發(fā)生S相接地 短路，1.3s Sf斷開W清除故障；1.6s斷開開關(guān)SlsW切除非線性負(fù)荷Zr2, 1.8s再次閉合Sl2。 仿真過程中，令式(6)和式(7)中的n = 5,諧波補(bǔ)償采樣周期T = O. 1ms，功率調(diào)節(jié)采樣周期設(shè) 為5ms"VESS綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)前后，微電網(wǎng)的電壓、頻率、分布式電源對上述擾動(dòng)作用的響應(yīng)過 程如圖5所示。
[0090] 由圖5(a)-(e)可知，孤網(wǎng)運(yùn)行方式且無VESS綜合補(bǔ)償時(shí)，對于0.6s到0.8s的Loadl 投切擾動(dòng)，DG2在P-f下垂控制作用下，通過增大其有功輸出W平衡微電網(wǎng)的新增有功需求， 同時(shí)微電網(wǎng)的頻率在下垂控制作用下將由初始穩(wěn)態(tài)降至49.9化左右。0.9s到1 . 3s的 化anch2接地短路在導(dǎo)致微電網(wǎng)Busl母線電壓下降的同時(shí)，也導(dǎo)致有功需求增加，DG2在P-f 和Q-V下垂控制作用下，通過增大其有功和無功輸出，W恢復(fù)Busl母線電壓和有功需求平 衡，由圖可知，DG2有功輸出由初始穩(wěn)態(tài)值增至40kW左右，無功輸出由初始穩(wěn)態(tài)值增至 SOWar左右，但當(dāng)DG2的功率調(diào)節(jié)輸出達(dá)到其額定輸出允許值時(shí)，微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定在340V 左右，頻率也下降到49化左右。對于1.6s到1.8s期間的Zr2投切擾動(dòng)，DG2在維持電壓穩(wěn)定的 基礎(chǔ)上，通過p-rf垂控制減小有功輸出W維持負(fù)荷需求的供需平衡，同時(shí)微電網(wǎng)的頻率在 下垂控制作用下將由初始穩(wěn)態(tài)升至50. mz左右。上述擾動(dòng)過程中，由于DGl工作于PQ控制方 式，因此其輸出功率將保持恒定。仿真結(jié)果也同時(shí)表明所建立微電網(wǎng)仿真模型及其孤網(wǎng)運(yùn) 行特性的合理性。
[0091 ]對比圖5中VESS補(bǔ)償后的微電網(wǎng)電壓、頻率和分布式電源的功率輸出響應(yīng)可知， VESS在本申請所提多功能應(yīng)用預(yù)測開關(guān)策略進(jìn)行綜合補(bǔ)償時(shí)，通過VSC的功率調(diào)節(jié)，不僅提 高了微電網(wǎng)電壓和頻率在擾動(dòng)期間的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，而且各分布式電源都保持其輸出功率的 穩(wěn)定。上述擾動(dòng)作用下的VESS調(diào)節(jié)功率和綜合補(bǔ)償電流如圖6所示。
[0092] 圖7-圖10為不同擾動(dòng)下VESS綜合補(bǔ)償前后化anch2支路電流iB2的響應(yīng)及ivEss對綜 合指令電流的跟蹤效果。VES巧H嘗前后的iB2對比結(jié)果表明，本申請?zhí)岢龅木C合指令電流的 預(yù)測方法能不僅能夠?yàn)閂ESS對微電網(wǎng)進(jìn)行多目標(biāo)補(bǔ)償控制提供有效的指令電流，而且具有 良好的補(bǔ)償調(diào)節(jié)效果。VES巧H嘗電流跟蹤指令電流的對比表明，所提預(yù)測開關(guān)控制策略不 僅具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤特性。
[0093] 圖11為上述擾動(dòng)作用下，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用滯環(huán)調(diào)制方法進(jìn)行綜合指令跟蹤時(shí)，微電 網(wǎng)頻率、電壓和Branch2支路電流iB2的響應(yīng)。圖11和圖5仿真結(jié)果的對比表明儲(chǔ)能裝置在所 提預(yù)測開關(guān)控制方法和滯環(huán)調(diào)制方法的作用下，都能通過對綜合指令電流進(jìn)行有效跟蹤W 實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的多功能應(yīng)用。
[0094] 表1則對比給出iB2在各階段采用預(yù)測開關(guān)方法和滯環(huán)調(diào)制方法進(jìn)行綜合補(bǔ)償前后 的崎變率W及補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的均方差。由表1對比結(jié)果可知，本申請所提開關(guān)預(yù)測 控制方法不僅能夠?qū)χC波電流進(jìn)行有效補(bǔ)償，而且諧波補(bǔ)償和指令電流跟蹤特性較滯環(huán)調(diào) 制方法要好。此外，由于預(yù)測開關(guān)方法能夠使開關(guān)器件的最小開關(guān)周期與采樣周期保持一 致，而采用滯環(huán)調(diào)制方法時(shí)，開關(guān)器件的開關(guān)周期與滯環(huán)寬度有關(guān)，并且隨著跟蹤指令電流 的大小變化而變化，因此，采用所提開關(guān)控制策略可W在保持一定響應(yīng)速度和電流跟蹤精 度的前提下，避免開關(guān)器件的開關(guān)頻率超過所允許的最高頻率。
[00M]表1開關(guān)預(yù)測控制與滯環(huán)調(diào)制的補(bǔ)償效果對比
[0096]
[0097] 本申請中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的技術(shù)人員可W對所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式 替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)測控制方法，其特征在于，包括： 綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流預(yù)測的步驟:首先進(jìn)行第k個(gè)采樣周期微電網(wǎng)諧波補(bǔ)償指令電 流的檢測;然后根據(jù)k、k-l、…、k-n各采樣周期諧波補(bǔ)償指令電流的檢測結(jié)果，基于灰色模 型進(jìn)行k+Ι采樣周期微電網(wǎng)諧波補(bǔ)償指令電流的有功和無功分量的預(yù)測，最后通過分別在 預(yù)測的諧波補(bǔ)償指令電流的有功和無功分量上，疊加電壓源型儲(chǔ)能進(jìn)行微電網(wǎng)基波功率調(diào) 節(jié)的有功和無功電流分量，得到電壓源型儲(chǔ)能k+Ι采樣周期綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流的預(yù)測 值;該灰色模型基于以下公式：上式中，k = 1，2，…，η為系統(tǒng)輸出采樣值的數(shù)量;B、yn和X(1 > (k)的求解表達(dá)式如下；上式中，{X(Q)(l)，x(Q)(2)，…，xw(n)}為η個(gè)系統(tǒng)輸出測量值； 電壓源型儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開關(guān)預(yù)測控制步驟:根據(jù)綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流預(yù)測步 驟中得到的用于k+Ι采樣周期實(shí)現(xiàn)綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)的指令電流預(yù)測結(jié)果，基于電壓源型變流 器的三相輸出電流預(yù)測模型以及目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行k+Ι采樣周期變流器開關(guān)狀態(tài)的預(yù)測控制； 所述電壓源型變流器三相輸出電流的預(yù)測模型基于以下公式：上式中，Lm(m = a，b，c)為變流器交流側(cè)等值電感;Rm(m=a，b，c)為變流器交流側(cè)等值電 阻；ivEssm(m = a，b，c)為變流器交流側(cè)電流;Sm(m=a，b，c) = 1或-1，Sm= 1表示六脈沖變流器 m相上橋臂開關(guān)導(dǎo)通，Sm=_l表示m相下橋臂開關(guān)導(dǎo)通； 所述目標(biāo)函數(shù)基于以下公式：上式中，+ 為k采樣周期預(yù)測的k + Ι采樣周期的綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流， + 為k采樣周期利用電壓源型變流器三相輸出電流的預(yù)測模型預(yù)測的k+Ι采樣周 期電壓源型變流器的8種ivEssm(m=a，b，c)值，λ=1，2,，···，8; 因此，在k采樣周期，根據(jù)狀態(tài)測量值，按照目標(biāo)函數(shù)，就能夠確定變流器在k+Ι采樣周 期跟蹤最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)[33，&，&]1，從而實(shí)現(xiàn)電壓源型變流器基于滾動(dòng)優(yōu)化預(yù)測 的開關(guān)控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)測控制方法，其 特征在于:所述綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流預(yù)測的步驟中，進(jìn)行實(shí)時(shí)諧波補(bǔ)償指令電流的檢測 是基于ip_iq檢測法，具體方法是： 利用式一對采樣電流值iLm(m = a，b，c)進(jìn)行Clarke變換，以得到α-β坐標(biāo)系的瞬時(shí)分量 iu和iu，然后利用式二將iu和iu分別向變流器并網(wǎng)點(diǎn)電壓ULm在α-β坐標(biāo)系的電壓合成矢 量及其法線投影，從而得到采樣電流值的有功分量k P和無功分量iu，經(jīng)低通濾波分離基波 有功分量ibp和無功分量ibq后，即可得到采樣電流值的諧波有功分量ihp和無功分量ihq;3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電壓源型儲(chǔ)能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的預(yù)測控制方法，其 特征在于:所述綜合補(bǔ)償調(diào)節(jié)指令電流預(yù)測的步驟中，利用電壓源型儲(chǔ)能提高微電網(wǎng)電壓、 頻率穩(wěn)定特性的有功、無功調(diào)節(jié)指令電流的檢測是基于瞬時(shí)功率理論，利用式三計(jì)算電壓 源型儲(chǔ)能用于功率調(diào)節(jié)的輸出電流的有功和無功分量；式三中，ULa和ULP分別為ULm的αβ分量;E為ULm的有效值；ifP和ifq分別為電壓源型儲(chǔ)能用 于功率調(diào)節(jié)的輸出電流的有功和無功分量； 由于ihp和ifp均是ULm在α-β坐標(biāo)系電壓合成矢量上的投影，而ihq和也是在該電壓合成矢 量法線上的投影；因此，可通過在ihP、iha：分別疊加 ifP、ifq分量，實(shí)現(xiàn)電壓源型儲(chǔ)能用于提 高微電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定性和諧波補(bǔ)償?shù)木C合指令電流檢測。
【文檔編號(hào)】H02J3/01GK105826922SQ201610159840
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】彭曉濤, 周歧林, 張彬, 谷志華, 徐云
【申請人】武漢大學(xué)