一种弱电网工况下储能变流器控制方法以及装置

1.本公开涉及储能变流器控制领域，具体而言，涉及一种弱电网工况下储能变流器控制方法以及装置。


背景技术：

2.随着全球能源短缺、环境污染问题日益严峻，构建以可再生清洁能源为主体的能源架构成为各国工业发展的核心战略举措。但随着“高比例”的随机性、波动性的风电、光电等分布式电源并入电网以及“高比例电力电子化”的新型负载接入，微电网供电质量受到严重影响，同时微电网在“双高化”的基础上逐渐呈现出“弱电网”的性质，弱电网工况下，常规的控制策略会将电网背景谐波引入，严重影响系统稳定性运行。
3.储能变流器(power conversion system，pcs)作为可再生能源发电系统的核心设备，在微电网中承担着能量双向流通、功率变换、系统稳定运行等重要任务。在弱电网特性下会影响储能变流器/并网逆变器的控制性能，包括引起并网电流不稳定、造成并网电流畸变等。
4.因此，需要一种或多种方法解决上述问题。
5.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本公开的目的在于提供一种弱电网工况下储能变流器控制方法以及装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
7.根据本公开的一个方面，提供一种弱电网工况下储能变流器控制方法，包括：
8.基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs建立单级式pcs数学模型，基于所述单级式pcs数学模型分别对pcs并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析；
9.建立pcs等效输出阻抗模型，基于所述pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据，并对弱电网下lc型pcs输出阻抗进行分析；
10.基于所述弱电网工况下pcs系统稳定性判据，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能变流器的控制。
11.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
12.基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs分别建立单级式pcs在并网运行时的pcs数学模型、在离网运行时的pcs交流小信号数学模型。
13.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
14.基于所述单级式pcs在并网运行时的pcs数学模型，分别对pcs并网运行时的充电控控制策略、放电控制策略、充/放电切换控制策略、并网谐波抑制进行分析。
15.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
16.基于所述单级式pcs在离网运行时的pcs交流小信号数学模型，分别对pcs离网运行时的放电电压幅值与电压频率比v/f控制策略、输出三相电压不平衡抑制控制策略进行分析。
17.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
18.基于单级式pcs在并网运行时的pcs数学模型、在离网运行时的pcs交流小信号数学模型，对pcs并/离网切换控制策略进行分析。
19.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
20.基于阻抗分析方法建立pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据为：pcs在强电网工况下能稳定工作及弱电网工况下电网阻抗与pcs阻抗比zg(s)/zo(s)是否满足奈奎斯特稳定性判据。
21.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
22.对弱电网下lc型pcs输出阻抗进行分析，生成加入电容电压前馈后的pcs等效输出阻抗的表达式。
23.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
24.基于所述加入电容电压前馈后的pcs等效输出阻抗的表达式，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略。
25.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
26.基于伯德图，对基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略在不同弱电网工况下的稳定性进行分析。
27.在本公开的一个方面，提供一种弱电网工况下储能变流器控制装置，包括：
28.建模模块，用于基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs建立单级式pcs数学模型，基于所述单级式pcs数学模型分别对pcs并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析；
29.判据生成模块，用于建立pcs等效输出阻抗模型，基于所述pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据，并对弱电网下lc型pcs输出阻抗进行分析；
30.控制策略生成模块，用于基于所述弱电网工况下pcs系统稳定性判据，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能变流器的控制。
31.本公开的示例性实施例中的一种弱电网工况下储能变流器控制方法，该方法包括：基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs建立单级式pcs数学模型，分别对pcs并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析；建立pcs等效输出阻抗模型，基于所述pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据；生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能变流器的控制。本公开通过对储能变流器为控制对象进行分析，基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略实现了弱电网工况下储能变流器的稳定控制。
32.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
33.通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
34.图1示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的流程图；
35.图2示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的两电平储能变流器拓扑结构图；
36.图3示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的pcs等效交流单相模型电路图；
37.图4示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的abc三相静止坐标系、αβ两相静止坐标系及dq同步旋转坐标系示意图；
38.图5示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的pcs并网交流侧数学模型图；
39.图6示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的pcs并网直流侧数学模型图；
40.图7示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的pcs离网交流小信号数学模型图；
41.图8示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的常规控制策略在强/弱电网下的运行效果图；
42.图9示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的三相lc型全桥逆变电路图；
43.图10示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的三相lc型全桥逆变电路等效化简电路图；
44.图11示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的弱电网下pcs诺顿等效电路模型图；
45.图12示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的三相lc型的pcs弱电网下控制框图；
46.图13示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的弱电网下pcs电路等效图；
47.图14示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的g
lcl
(s)的伯德图；
48.图15示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的弱电网下采用lc滤波电容电流有源阻尼反馈的pcs系统电流控制框图；
49.图16示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的电流控制框图简化示意图；
50.图17示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的电流控制框图简化示意图；
51.图18示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的电流控制框图简化示意图；
52.图19示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的电流控制框图简化示意图；
53.图20示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的加入电容电压前馈的电流控制框图；
54.图21示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的加入电容电压前馈的电流控制等效变换控制框图；
55.图22示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的加入电容电压前馈后的电流等效化简框图；
56.图23示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的基于dsogi的改进型lc滤波电容的前馈控制策略框图；
57.图24示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的dsogi-pll系统结构控制框图；
58.图25a-25d示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制方法的pcs不同控制下的输出阻抗伯德图；
59.图26示出了根据本公开一示例性实施例的一种弱电网工况下储能变流器控制装置的示意框图。
具体实施方式
60.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
61.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法以及装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
62.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
63.在本示例实施例中，首先提供了一种弱电网工况下储能变流器控制方法；参考图1中所示，该一种弱电网工况下储能变流器控制方法可以包括以下步骤：
64.步骤s110，基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs建立单级式pcs数学模型，基于所述单级式pcs数学模型分别对pcs并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析；
65.步骤s120，建立pcs等效输出阻抗模型，基于所述pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据，并对弱电网下lc型pcs输出阻抗进行分析；
66.步骤s130，基于所述弱电网工况下pcs系统稳定性判据，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能变流器的控制。
67.本公开的示例性实施例中的一种弱电网工况下储能变流器控制方法，该方法包括：基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs建立单级式pcs数学模型，分别对pcs并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析；建立pcs等效输出阻抗模型，基于所述pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据；生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能变流器的控制。本公开通过对储能变流器为控制对象进行分析，基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略实现了弱电网工况下储能变流器的稳定控制。
68.下面，将对本示例实施例中的一种弱电网工况下储能变流器控制方法进行进一步的说明。
69.实施例一：
70.在步骤s110中，可以基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs建立单级式pcs数学模型，基于所述单级式pcs数学模型分别对pcs并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析。
71.在本示例的实施例中，所述方法还包括：
72.基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs分别建立单级式pcs在并网运行时的pcs数学模型、在离网运行时的pcs交流小信号数学模型。
73.在本示例的实施例中，所述方法还包括：
74.基于所述单级式pcs在并网运行时的pcs数学模型，分别对pcs并网运行时的充电控控制策略、放电控制策略、充/放电切换控制策略、并网谐波抑制进行分析。
75.在本示例的实施例中，所述方法还包括：
76.基于所述单级式pcs在离网运行时的pcs交流小信号数学模型，分别对pcs离网运行时的放电电压幅值与电压频率比v/f控制策略、输出三相电压不平衡抑制控制策略进行分析。
77.在本示例的实施例中，所述方法还包括：
78.基于单级式pcs在并网运行时的pcs数学模型、在离网运行时的pcs交流小信号数学模型，对pcs并/离网切换控制策略进行分析。
79.在步骤s120中，可以建立pcs等效输出阻抗模型，基于所述pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据，并对弱电网下lc型pcs输出阻抗进行分析。
80.在本示例的实施例中，所述方法还包括：
81.基于阻抗分析方法建立pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据为：pcs在强电网工况下能稳定工作及弱电网工况下电网阻抗与pcs阻抗比zg(s)/zo(s)是否满足奈奎斯特稳定性判据。
82.在步骤s130中，可以基于所述弱电网工况下pcs系统稳定性判据，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能
变流器的控制。
83.在本示例的实施例中，所述方法还包括：
84.对弱电网下lc型pcs输出阻抗进行分析，生成加入电容电压前馈后的pcs等效输出阻抗的表达式。
85.在本示例的实施例中，所述方法还包括：
86.基于所述加入电容电压前馈后的pcs等效输出阻抗的表达式，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略。
87.在本示例的实施例中，所述方法还包括：
88.基于伯德图，对基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略在不同弱电网工况下的稳定性进行分析。
89.实施例二：
90.在本示例的实施例中，通过研究两电平pcs拓扑具备结构简单、开关功率器件较少等优点，因此课题以单极式两电平拓扑为研究对象，其拓扑如图2所示，t
a1
～t
c2
为abc三相功率开关管；ea、eb、ec为交流侧电网三相电压；u
oa
、u
ob
、u
oc
为pcs逆变侧输出相电压，i
oa
、i
ob
、i
oc
为pcs逆变侧输出电流；i
ga
、i
gb
、i
gc
为pcs并网三相电流；i
la
、i
lb
、i
lc
为三相负载电流；la、lb、lc为pcs逆变输出侧滤波电感；rd为pcs逆变输出侧滤波电感等效电阻；ca、cb、cc为滤波电容；u
dc
为直流母线电压、c1、c2为直流母线电容；qs1、qs2为并离网开关；k1为负载开关。当qs1、qs2闭合，k1断开时，pcs为并网模式；当qs1、qs2断开，k1闭合时，pcs为离网模式。
91.由图2可见，单级式两电平pcs直流侧由储能介质通过双向dc/ac变换器(由六个开关器件组成)与交流侧(三相对称)电网进行能量交互，经lc滤波器连至本地负载或电网，图3为其等效交流单相模型电路图，其中u
dc
为直流侧电压；uo为pcs逆变侧输出电压；eg为交流侧电网电压；io为pcs逆变侧输出电流。双向dc/ac变流器的直流侧和交流测均可控制，同时控制交流侧电网相电压、相电流的相位关系，可以实现pcs的四象限运行。
92.在本示例的实施例中，pcs数学建模包括：
93.当pcs处于并网工作模式时，根据图2(设其中pcs逆变输出侧的三相滤波电感数值相等均为l)电路拓扑和kvl定理，a、b、c三相的回路电压方程为，
[0094][0095]
设交流侧电网电压为，
[0096][0097]
式中，em为电网的相电压峰值。
[0098]
定义开关器件函数为，
[0099][0100]
由此则u
ao
、u
bo
、u
co
可用u
dc
、tk表示为，
[0101][0102]
将式(4)代入式(1)可得
[0103][0104]
将三相三线制电网平衡条件带入式(5)得，根据kcl和kvl电路定理可得，
[0105]udc
(ta+tb+tc)＝6u
no (6)
[0106]
将式(6)代入式(5)得，
[0107][0108]
pcs直流侧母线电流i
dc
表达式为，
[0109]
2i
dc
＝tai
oa
+tbi
ob
+tci
oc
ꢀꢀ
(8)
[0110]
定义矩阵
[0111][0112]
并联立式(7)、(8)得到pcs开关数学模型表达式为，
[0113][0114]
式中i
o_abc
为pcs逆变侧输出三相电流简写；u
c_abc
为pcs逆变侧三相滤波电容电压
简写。
[0115]
式(9)的pcs开关函数模型中包含了器件通断过程中的高频分量，增加了控制器设计的难度，可利用状态空间平均法对上述模型线性化处理。
[0116]
引入开关周期平均值基本计算公式为，
[0117][0118]
式中，g(t)为pcs系统中某一电气变量；tk为功率管通断周期；《g(t)》
ts
为该电平状态时的开关周期平均值。
[0119]
根据式(10)可知，tk内pcs三相功率开关管的开关函数平均值为各相的占空比，pcs三相占空比分别用da、db、dc表示。t
abc
的开关周期平均值表示为d
abc
，
[0120][0121]
该平均值只考虑电量的基波信号，而忽略高频信号。
[0122]
同理，可以推导得出，
[0123][0124]
将式(10)、式(11)、式(12)代入式(9)计算可得用pcs三相功率开关管的周期平均值表示的数学开关模型为，
[0125][0126]
为了方便控制器设计，对式(13)中的为pcs数学模型进行坐标变换将处理。图4为三类坐标系之间的位置关系示意图。
[0127]
abc坐标系到dq坐标系(3s/2r)的变换矩阵为，
[0128][0129]
2r/3s变换矩阵为，
[0130][0131]
由式(15)可知，经过坐标变化得到pcs各量在dq坐标系下表达式为，
[0132][0133]
将式(16)代入式(15)后，并对得到的式子进行化简，可以得到同步坐标系下的pcs功率开关管的周期平均模型为：
[0134][0135]
式(17)的数学模型中包含d
dq
《u
dc
》
ts
，dt dq《i
odq
》
ts
等非线性式，可使用交流小信号法进行线性化处理，pcs各直流稳态工作点的电气量d
abc
、i
abc
电网电压e
abc
、网侧电流i
gabc
分解为dq轴分量依次为dd、dq、id、iq、ed、eq、i
gd
、i
gq
；u
dc
、i
dc
的直流稳态点分量为u
dc
、i
dc
。
[0136]
将上述pcs各稳态信号代入式(17)可得pcs的稳态工作点数学模型表达式为，
[0137][0138]
pcs直流稳态工作点的相应交流小信号扰动表达式为，
[0139][0140]
将式(19)代入式(18)中，因为pcs直流侧电池电压较稳定，所以可以忽略直流电压的交流扰动(即)，得到pcs交流小信号模型，并且对其进行laplace变换可得表达式为，
[0141][0142]
由式(20)可以得到单级式两电平pcs并网交流小信号数学模型框图如图5所示；pcs并网直流侧小信号数学模型框图如图6所示。
[0143]
用离网工作模式时负载电压u
labc
、负载电流i
labc
代替并网工作模式时电网电压e
abc
、电网电流i
g_abc
，类比并网数学建模过程可得到pcs离网交流小信号数学模型。
[0144][0145]
同pcs并网运行模式下的线性化处理类似，对pcs离网工作模式下的功率开关器件周期平均模型进行坐标变化以及扰动量带入，可以得到pcs离网工作模式下交流小信号模型。
[0146][0147]
由式(22)得到离网pcs交流小信号数学模型如图7所示。
[0148]
在本示例的实施例中，弱电网的特性及对pcs系统的影响包括：
[0149]
1.弱电网特性
[0150]
当前微电网呈现出“双高”的特性，大量的分布式可再生能源通过电力电子变换器并入电网，导致电网系统发电侧电力电子化；新能源汽车、充电桩、大型直流供电系统、大型电池储能中心等新型电力电子设备负载接入电网，导致电网系统用户侧高度电力电子化。在没有大型火电机组提供惯性支撑的微电网中“双高”特性往往渗透的更严重，大量非线性电力电子设备导致电网呈现出弱电网特性，对系统运行的稳定性产生严重影响。
[0151]
电网的强弱程度通过短路比(short circuit ratio，scr)来表示，为
[0152][0153]
式中、sn为发电系统的额定有功功率、s
gsc
为电网短路容量。
[0154][0155]
式中，eg为电网电压有效值；zg为电网阻抗在基波处的模值。
[0156]
具体的电网强弱程度对应的scr见表1所列。
[0157]
表1scr数值对应的电网强度
[0158][0159]
弱电网特性主要表现为：存在不可忽略的电网阻抗，电网电压存在大量背景谐波；电网电压的频率和幅值受可再生分布式电源的影响。
[0160]
2.弱电网对pcs系统的影响
[0161]
前述的弱电网特性会进一步影响储能变流器/并网逆变器的控制性能，主要表现为以下几点：
[0162]
1)弱电网的电网阻抗引起并网电流不稳定
[0163]
电网阻抗主要由发电机阻抗、输电线路阻抗和变压器的等效阻抗抗叠加而成。在弱电网下，电网阻抗会对pcs控制系统的电流环路增益造成不可估量的影响，导致系统不稳定。
[0164]
2)弱电网的电网电压背景谐波会造成并网电流畸变
[0165]
由于电网阻抗的存在，弱电网的电网电压中将会产生不可忽略的背景谐波，造成并网电流畸变，引起设备发热、损耗增加等问题。此外，由于电网阻抗的存在，在采用多机并联抑制电流谐波时，电网阻抗会和谐波补偿模块形成交互耦合，严重情况下会损坏功率器件。同时，弱电网工况下pcs并网点电压的相位、幅值、频率容易发生突变，严重影响锁相环(phase-locked loop，pll)的电网同步性能，而pll的实时性和输出精度直接影响谐波补偿指令电流环控制精度。
[0166]
正常电网下的pcs控制策略也将不再适用于弱电网的工况下，以为常用的双闭环pi控制为例说明，对于交流电流内环输出而言，基于预设pcs并网运行控制框图中可以看到pcs运行时在交流电流内环控制输出端中引入交流侧电网电压前馈，用来消除电网电压的扰动。但是，在弱电网工况下交流侧电网电的流控制和pcc点电压前馈会通过电网阻抗耦合在一起，在电流内环中引入一个正反馈通路，会激起大量电网电流谐波，系统的稳定裕度会被严重恶化。
[0167]
对于外环而言，在弱电网下，pcs的外环控制同样会受到影响，尤其是给pcs逆变输出侧电压控制带来的影响。
[0168]
以scr＝2为例，模拟弱电网工况下的常规控制策略的运行效果，pcs逆变输出侧的三相电流波形图如图8所示。
[0169]
从图8中可以看到，0～0.25s阶段为强电网下的常规控制策略，可以看到此时常规控制策略下pcs逆变侧输出较好的电流波形。
[0170]
在0.25s时切换成弱电网工况(0.25～0.5s)，可以明显的看出pcs逆变输出侧的电流发生振荡，波形质量变差。
[0171]
造成强电网下的pcs常规控制策略在弱电网工况下和波形畸变的主要原因为：(1)弱电网工况下电网线路阻抗不可忽略，而常规控制策略中存在引入的电网电压前馈，该信息量会将弱电网中的大量背景谐波引入恶化其控制效果；(2)弱电网工况下，大量背景谐波的引入将会干扰pcs本身的锁相环的精度，而锁相环的精准度直接关系pcs的控制精度，进而影响pcs在弱电网工况下稳定输出。
[0172]
综合波形分析可以得出结论：强电网下的pcs常规控制策略不再适用于弱电网工况。可见，弱电网工况的出现对储能变流器/并网逆变器等电力电子变换器的控制提出了巨大的挑战。针对改善弱电网下pcs的输出电流波形，提高pcs在弱电网下的适应性控制进行研究。
[0173]
在本示例的实施例中，弱电网下pcs系统稳定性分析
[0174]
优化弱电网工况下pcs的输出波形质量的前提条件为分析影响pcs弱电网工况运行稳定性的因素。其中：阻抗分析方法包括：
[0175]
序阻抗建模方法具有阻抗可直接测量、阻抗形式简单、物理意义清晰和适用范围广等优点。基于阻抗的稳定性分析方法广泛用于分析并网变换器在弱电网下稳定性的分析。
[0176]
精准建立弱电网数学模型的可行性过于复杂，因此在实际工程应用常采用戴维南等效法进行简化分析，主要是在pcs的并网点处对电网进行戴维南等效处理，简化为电网阻抗zg(s)和电压源eg串联的形式。对图2电路图进行简化处理，忽略lc电感等效电阻，将直流
侧电源一分为二，并设其中点为o，得到图9。
[0177]
根据电路原理列出如下回路方程。
[0178][0179][0180]
lc滤波电容电压可表示为
[0181][0182]
对于三相三线制接法，存在
[0183][0184]
将式(27)和(28)带入式(25)和(26)可以得到如下表达式
[0185][0186]
因为u
ao
、u
bo
、u
co
、由spwm控制，u
ao
+u
bo
+u
co
≠0，因此此n’点和o点不等电位；在电网三相平衡时，ea+eb+ec＝0；因此n’点和n点为等相位。继而图9可进一步化简为图10。
[0187]
由图10可知n点和o点之间存在共模电压，可将此共模电压与u
ao
(u
bo
、u
co
)进行叠加，同时将电压源串接阻抗形式化简为电流源并联阻抗形式，得到图11的pcs在弱电网下的诺顿等效电路图，u
pcc
为变流器的并网点电压，i
dis
(s)为弱电网下pcc点处电压引起的pcs并网电流扰动量；ig(s)为pcs逆变侧并网电流。
[0188]
在弱电网下，电压源eg不再看作理想的正弦电压，其含有丰富的背景谐波，且基波电压频率和幅值也会跟随负载的变化而变化；电网阻抗zg(s)主要包括输电线路阻抗、配电变压器的漏抗，表现为阻感特性，即zg(s)≈rg+slg。
[0189]
根据图11，采用电路叠加定理，可以得到pcs并网电流表达式
[0190]
[0191]
式(30)可以进一步改写为
[0192][0193]
式(31)中
[0194][0195]
在强电网下(scr》3)zg(s)＝0，此时式(30)为
[0196][0197]
假设式(33)的根轨迹完全处在复平面的左半轴，pcs系统在强电网下处于稳定状态，而在弱电网下zg(s)不忽略，因此弱电网下pcs的稳定性取决于式(31)中a(s)项。
[0198]
从式(32)中可知，该式的前向传递函数为1，闭环系统的负反馈传递函数为zg(s)/zo(s)，因此弱电网下pcs系统的稳定性取决于zg(s)/zo(s)是否满足奈奎斯特稳定性判据。
[0199]
综上所述，pcs能够稳定工作需要满足的条件为：(1)强电网下能稳定工作；(2)弱电网下zg(s)/zo(s)是否满足奈奎斯特稳定性判据。
[0200]
在本示例的实施例中，弱电网下lc型pcs输出阻抗分析包括：
[0201]
对于实际的兆瓦级别的分布式可再生能源发电系统而言，一般在变换器的逆变输出侧与电网之间还会存在一个升压隔离变压器，一方面变压器可能与pcs存在一定的距离；另一方面，在高压工程中pcc点的电压经升压变压器处理后电压相对较高，对采样电路和信号调理电路的要求也同步升高，增加成本。因此采集变压器与电网之间的电压来实现锁相同步较为困难。又因为lc滤波器电容电压与pcc点电压近似，并且成线性关系。因此在弱电网工况下，采用lc滤波器的电容电压前馈来代替pcc点电压作为锁相环的同步参考电压。
[0202]
如图12所示为三相lc型pcs弱电网控制框图。
[0203]
与pcs基础控制策略相比不同之处在于，图12中不将交流侧电网电压前馈引入电流内环输出端，原因是在弱电网下pcc点的电压直接前馈会在电流环中引入正反馈通路，其中含有弱网电流和弱网阻抗的相关信息，会激起大量电流谐波，严重降低系统的稳定裕度；另一方面为了抑制lcl谐振尖峰，同时为了减少pcs的lc电感上串接的无源阻尼电阻引起的损耗，将无源阻尼更改为lc电容电流比例反馈的有源阻尼形式。
[0204]
由图12可知在弱电网下升压变压器阻抗l
t
和电网阻抗lg同pcs自身的lc滤波器可以等效的看成lcl滤波器，存在谐振尖峰问题。
[0205]
图12的单相等效简化电路如图13所示。
[0206]
根据图13容易推出从pcs至电网的并网电流ig的传递函数表达式
[0207][0208]
式(34)中wr为谐振角频率，数学表达式为
[0209][0210]
谐振频率fr表达式为
[0211][0212]
此时，易得出g
lcl
(s)的伯德图，
[0213]
由图14可知由于弱电网自身阻抗与pcs系统滤波器构成的等效lcl形滤波器会在fr处产生谐振并且相位也会发生一次跳变，带来一次负穿越，使得pcs系统不稳定，而引入阻尼后可以看到能够有效抑制谐振，因此图12中采用基于lc滤波电容电流的有源阻尼反馈控制。
[0214]
对图13应用kvl电路定律并进行拉氏变换得式
[0215][0216]
当采用lc滤波器的电容电流有源阻尼反馈和电容电压前馈时，并网电流的控制框图如图15所示。
[0217]
其中
[0218][0219]
为电流环控制器，k
ci
为有源阻尼反馈系数。
[0220][0221]
为系统控制延迟函数，其中ts为系统开关频率。
[0222]
为进行阻抗稳定性分析，对图15进一步整理，其等效变换过程如图16、图17所示，虚线表示图15中原来的连接方式，实线表示经过等效变换后的连接。
[0223]
首先将lc滤波电容电压uc引出点进行前移，同时将其反馈点前移置g
pi
(s)输出端口，得到图16。
[0224]
其次将lc滤波电容电压uc和电流ic的反馈点前移至g
pi
(s)前端，并对这两条支路进行化简，得到图17。
[0225]
对图17中灰色部分进行闭环化简，并将电网电流ig的反馈点前移至i
ref
的输出端，此时完成了lc滤波电容电流ic、电容电压uc、电网电流ig对实际pcs系统的输出采样电流io的解耦，得到图18。
[0226]
对图18中灰色部分进行闭环化简，得到最终等效电流控制框图，如图19所示。
[0227]
图19中：
[0228][0229][0230][0231]
电网电流ig的环路增益为
[0232]gig
(s)＝g
ig1
(s)g
ig2
(s)h
ig
(s) (42)
[0233]
此时电网电流ig的表达式可以写成
[0234][0235]
从式(36)中可以看到，并网电流ig由于包括两部分：pcs电流给定分量(i
g1
)和电网电压扰动分量(i
g2
)。
[0236]
此时得到的pcs的等效输出阻抗为
[0237][0238]
一般为了抑制pcs启动时的冲击电流，会引入电网电压前馈，在弱电网下本文以lc滤波电容电压代替电网电压前馈抑制启动冲击电流，其电流控制框图如图20所示。
[0239]
对图20进行等效处理得到图21，由上述图14-图21化简推导过程，易得到加入电容电压前馈后的电流等效化简框图如图22所示，图22中
[0240][0241]
此时电网电流ig的环路增益为
[0242]
g'
ig
(s)＝g
ig3
(s)g
ig2
(s)h
ig
(s) (46)
[0243]
加入电容电压前馈后的pcs等效输出阻抗的表达式
[0244][0245]
从图21的等效变换图中可以看到弱电网下为抑制启动冲击电流，以lc滤波电容电压前馈代替含有背景谐波的电网电压前馈后，会引入带有电网线路阻抗的正反馈，若通过改变gc(s)以此来减弱电网线路阻抗的影响，则很有可能恶化pcs在弱电网下的波形质量和系统稳定性，为此本文提出基于dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略来改善弱电网下的波形质量。
[0246]
在本示例的实施例中，基于dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略包括，首先对控制策略分析：
[0247]
基于dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈(d-capacitor voltage-feed-forward，dcvff)控制策略整体控制框图如图23所示。
[0248]
dcvff控制策略利用两个二阶广义积分器(sogi)的正交发生器对输入信号进行
90
°
相角偏移处理，同时可以起到滤除高次谐波的作用，dsogi-pll控制结构图如图24所示，从图24中可以看到，对经sogi的处理后的信号进一步处理可以到lc滤波电容电压的基波正序d轴分量。
[0249]
因为控制系统本身需要使用dsogi-pll进行电网相位同步锁相，期间会计算出输入信号的基波正序d轴分量，所以该方法并未增加系统软件的数字计算量和硬件成本。
[0250]
从图20中可以看出，lc滤波电容电压经过gc(s)函数后前馈至g
pi
(s)输出端，同时考虑dsogi锁相环的作用，gc(s)的表达式可以写成
[0251][0252]
其中k
c1
+k
c2
＝1，当k
c2
＝1时即为常规的lc滤波电容电压前馈方式，此时会将弱电网下的背景谐波引入pcs控制系统中，严重的会使系统失稳；当k
c1
＝1(或k
c1
+k
c2
＝1，且k
c2
＜1)时，为dcvff控制策略的重点。通过引入k
c1
使pcs系统不仅能够在弱电网下继续抑制启动冲击电流，并且能够滤除弱电网下的背景谐波，优化pcs输出波形。
[0253]
其次，对dcvff控制策略的稳定性分析包括：
[0254]
对未加入lc滤波电容电压和dcvff下的k
c1
和k
c2
的不同取值时的pcs的输出阻抗(z
o1
和z
o2
)进行分析，具体的伯德图如图25a-25d所示。
[0255]
根据输出阻抗稳定性判据分析，要使得pcs系统能够在弱电网工况下稳定性输出，需要满足以下条件：
[0256]
(1)pcs在强电网工况下处于稳定状态；
[0257]
(2)zg(s)/zo(s)满足奈奎斯特稳定性判据，即zo(s)幅值曲线与不同等级下scr(电网阻抗)的交点在对应的相位伯德图中的相位要保证在180
°
以内，即图4-18中标记的相位裕度双箭头越长越好(90
°
以下)。
[0258]
现基于上述条件分析图25a-25d的pcs等效输出阻抗伯德图，图25a分析图下：
[0259]
(1)从图25a中可以看到，在弱电网工况下(scr＝2)，未加入优化控制策略时的pcs等效输出阻抗z
o1
(s)有较好的幅值裕度和相位裕度。
[0260]
(2)在加入dcvff控制策略后(k
c1
＝1，k
c2
＝0)时，能够看出此时pcs的等效输出阻抗z
o2
(s)在低频段与z
o1
(s)相比幅值裕度和相位均有所提高，并且在与scr＝2(弱电网工况下)的交点处的相位裕度与z
o1
(s)相比，相位裕度有所提高，可以得知dcvff控制策略能提高pcs系统在弱电网工况下的电网适应性。
[0261]
(3)在加入dcvff控制策略后(k
c1
＝0，k
c2
＝1)时，可以看到此时pcs的等效输出阻抗z
o2
(s)在低频段与z
o1
(s)相比幅值裕度有明显的提高，能够证明该系数分配下的控制能使pcs系统在低频段有较好的抑制电网背景谐波的能力；但是，整体的相位曲线已经不在180
°
范围以内，pcs系统处在不稳定的工作模态。
[0262]
图25b分析如下：
[0263]
幅值曲线伯德图中加入dcvff控制策略后的pcs的等效输出阻抗z
o2
(s)从上至下的k
c1
和k
c2
的取值见表2。
[0264]
表2dcvff控制策略下更改k
c1
系数，k
c2
保持不变
[0265][0266]
结合表2和图25b，可以看出在k
c2
取值固定情况下，k
c1
的取值越大其对应的z
o2
(s)在低频段的幅值裕度越高，且与之对应的在scr＝2(弱电网工况下)的相位裕度也越大。由此可以证明该取值条件下的dcvff控制策略能够使pcs系统有较好的弱电网适应能力。
[0267]
图25c分析如下：
[0268]
幅值曲线伯德图中加入dcvff控制策略后的pcs的等效输出阻抗z
o2
(s)从上至下的k
c1
和k
c2
的取值见表3.
[0269]
表3dcvff控制策略下k
c1
系数保持不变，更改k
c2
系数
[0270][0271]
结合表3和图25c，可以看出在k
c1
取值固定情况下，k
c2
的取值越大其对应的z
o2
(s)在低频段的幅值裕度越高，但是该取值条件下的pcs相位曲线整体已经不在180
°
范围以内，pcs系统处在不稳定的工作模态。
[0272]
图25d分析如下：
[0273]
幅值曲线伯德图中加入dcvff控制策略后的pcs的等效输出阻抗z
o2
(s)从上至下的k
c1
和k
c2
的取值见表4.
[0274]
表4dcvff控制策略下更改k
c1
和k
c2
系数
[0275][0276]
结合表4和图25d，可以看出在k
c1
取值逐渐增加，k
c2
的取值逐渐减小的情况下，z
o2
(s)在低频段的幅值裕度虽有减小，但是整体要高于未加入dcvff策略时的z
o1
(s)的幅值，说明dcvff控制策略在能够提高pcs低频段的鲁棒性；随着k
c1
取值逐渐增加，k
c2
的取值逐渐减小，z
o2
(s)的相位曲线也逐渐进入稳定区，并且随着k
c1
取值逐渐增加，在scr＝2(弱电网工况下)的相位裕度也逐渐增大。
[0277]
综合伯德图曲线和k
c1
、k
c2
取值变换分析，可以得知dcvff控制策略(k
c1
＝1，k
c2
＝0)，能有保证pcs在弱电网下具有足够的幅值裕度和相位裕度，提高pcs在弱电网下的电网适应性，同时满足在强/弱电网下的鲁棒性。
[0278]
需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
[0279]
此外，在本示例实施例中，还提供了一种弱电网工况下储能变流器控制装置。参照
图4所示，该一种弱电网工况下储能变流器控制装置200可以包括：建模模块210、判据生成模块220以及控制策略生成模块230。其中：
[0280]
建模模块210，用于基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs建立单级式pcs数学模型，基于所述单级式pcs数学模型分别对pcs并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析；
[0281]
判据生成模块220，用于建立pcs等效输出阻抗模型，基于所述pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据，并对弱电网下lc型pcs输出阻抗进行分析；
[0282]
控制策略生成模块230，用于基于所述弱电网工况下pcs系统稳定性判据，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能变流器的控制。
[0283]
上述中各一种弱电网工况下储能变流器控制装置模块的具体细节已经在对应的一种弱电网工况下储能变流器控制方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。
[0284]
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了一种弱电网工况下储能变流器控制装置200的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
[0285]
此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
[0286]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
[0287]
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

技术特征：
1.一种弱电网工况下储能变流器控制方法，其特征在于，所述方法包括：基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs建立单级式pcs数学模型，基于所述单级式pcs数学模型分别对pcs并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析；建立pcs等效输出阻抗模型，基于所述pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据，并对弱电网下lc型pcs输出阻抗进行分析；基于所述弱电网工况下pcs系统稳定性判据，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能变流器的控制。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs分别建立单级式pcs在并网运行时的pcs数学模型、在离网运行时的pcs交流小信号数学模型。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于所述单级式pcs在并网运行时的pcs数学模型，分别对pcs并网运行时的充电控控制策略、放电控制策略、充/放电切换控制策略、并网谐波抑制进行分析。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于所述单级式pcs在离网运行时的pcs交流小信号数学模型，分别对pcs离网运行时的放电电压幅值与电压频率比v/f控制策略、输出三相电压不平衡抑制控制策略进行分析。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于单级式pcs在并网运行时的pcs数学模型、在离网运行时的pcs交流小信号数学模型，对pcs并/离网切换控制策略进行分析。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于阻抗分析方法建立pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据为：pcs在强电网工况下能稳定工作及弱电网工况下电网阻抗与pcs阻抗比z
g
(s)/z
o
(s)是否满足奈奎斯特稳定性判据。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：对弱电网下lc型pcs输出阻抗进行分析，生成加入电容电压前馈后的pcs等效输出阻抗的表达式。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于所述加入电容电压前馈后的pcs等效输出阻抗的表达式，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于伯德图，对基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略在不同弱电网工况下的稳定性进行分析。10.一种弱电网工况下储能变流器控制装置，其特征在于，所述装置包括：建模模块，用于基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器pcs建立单级式pcs数学模型，基于所述单级式pcs数学模型分别对pcs并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析；判据生成模块，用于建立pcs等效输出阻抗模型，基于所述pcs等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下pcs系统稳定性，生成弱电网工况下pcs系统稳定性判据，并对弱电网下lc型
pcs输出阻抗进行分析；控制策略生成模块，用于基于所述弱电网工况下pcs系统稳定性判据，生成基于双二阶广义积分锁相环dsogi的改进型lc滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能变流器的控制。

技术总结
本公开是关于一种弱电网工况下储能变流器控制方法以及装置。其中，该方法包括：基于单级式两电平拓扑结构的储能变流器PCS建立单级式PCS数学模型，分别对PCS并网运行控制策略、离网运行控制策略进行分析；建立PCS等效输出阻抗模型，基于所述PCS等效输出阻抗模型，分析弱电网工况下PCS系统稳定性，生成弱电网工况下PCS系统稳定性判据；生成基于双二阶广义积分锁相环DSOGI的改进型LC滤波电容电压前馈控制策略，完成对弱电网工况下储能变流器的控制。本公开通过对储能变流器为控制对象进行分析，基于双二阶广义积分锁相环DSOGI的改进型LC滤波电容电压前馈控制策略实现了弱电网工况下储能变流器的稳定控制。况下储能变流器的稳定控制。况下储能变流器的稳定控制。


技术研发人员：周京华 李津 张贵辰 徐爽 章小卫 景柳铭 张海峰 刘浩宇
受保护的技术使用者：北方工业大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/15