用于超级电容器储能系统变流器的控制方法技术方案

本发明专利技术是一种用于超级电容器储能系统变流器的控制方法,其特点是，包括分析超级电容器储能系统处于不同工作模式的能量分布状态、建立系统的数学模型、设计双向DC/DC变流器的控制策略和设计DC/AC电压源型变流器的控制策略等内容，采用双向DC/DC变换器和DC/AC电压源型变流器作为功率调整装置，实现对超级电容器储能系统功率吞吐和直流侧电压的控制。基于PSCAD/EMTDC软件搭建仿真系统，表明超级电容器储能系统能够实现对指定充放电功率准确快速的响应，直流侧电压工作稳定，工作效率高。

【技术实现步骤摘要】
用于超级电容器储能系统变流器的控制策略
本专利技术涉及超级电容器储能的控制策略，是一种用于超级电容器储能系统变流器的控制策略,用于改善以风电、光伏为代表的分布式电源出力品质。
技术介绍
随着化石燃料枯竭、全球气候变暖的问题日益严峻，风电、光伏等可再生能源发展受到了高度关注。目前的电力系统中，以风电、光伏为代表的新能源比例越来越高，但由于其本身波动性、随机性等特征使得电能供应品质恶化，从而限制了风电、光伏的接入。储能系统由于可以对能量实现时空平移，而被视为改善分布式电源平滑并网的有效手段之一，近年来得到了高度的重视。与普通的化学电池相比，超级电容器通过电荷的转移和离子的取向控制电能的充放，电极表面没有发生化学反应，容量衰减几乎为零，因此其循环寿命长、响应速度快以及充放电效率高等特性是任何一种化学电源所无法比拟的。
技术实现思路
本专利技术的目的是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，效果佳，能够对变流器实施准确控制，从而实现超级电容器对功率准确、快速跟踪的用于超级电容器储能系统变流器的控制策略。实现本专利技术目的采用的技术方案是，一种用于超级电容器储能系统变流器的控制策略，其特征是：将超级电容器与双向DC/DC变换器相连后，经DC/AC变流器接入电网，利用双闭环解耦的控制，通过DC/AC变流器，准确控制所要交换的有功、无功功率，对DC/DC变换器进行单端稳压双向功率流的控制，稳定直流母线电压，保证交换功率的双向流动，实现超级电容器与交流系统功率的有效交换，改善新能源发电的电能品质的同时，提高新能源并网规模，其具体内容包括：1)分析超级电容器储能系统处于不同工作模式的能量分布状态当DC/DC变换器工作为降压模式时，VC1和VD2为变换器的动作开关，当DC/DC变换器工作为升压模式时，VC2和VD1为变换器的动作开关，变换器VC1和VC2为脉宽调制控制开关；2)建立系统的数学模型无论电路处于升压模式还是降压模式，其数学模型相似，只是电流iL方向不同而已，因此以双向DC/DC变换器的升压模式，即iL>0，设V2的占空比为D，则根据状态空间平均法得：式(1)为超级电容器储能系统数学模型，此模型为二阶线性系统，其中，iL、udc为状态量，占空比D为控制量，Ri、U为已知量，当系统的控制变量被确定后，状态变量即可求解，对于DC/AC电压源型变流器，DC/AC变流器工作模式较多，且每一相的数学模型相似，以A相为例：V1导通V2关断时，输出电压Udc为正；V1关断V2导通时，Udc为负,因此分别设三相开关函数为ma、mb、mc，将其单相扩展为三相电压源型变流器的数学模型，如式(2)式中：Ea、Eb、Ec为交流系统电压，ia、ib、ic为变流器相电流，为分析方便，将式(2)变换到两相同步旋转坐标系下的变流器模型，如式(3)，式(3)为DC/AC变流器数学模式，二阶线性系统，Ed、Eq是电网电压的d、q轴分量，为已知量，id、iq是电网电流空间矢量的d、q轴分量，为状态量；ud、uq为变流器电压的d、q轴分量，为控制量，当变流器电压被确定后，id、iq即可求解；3)设计双向DC/DC变流器的控制策略双向DC/DC变换器的控制目标是实现直流侧电压Udc恒定，同时通过对占空比D的控制实现DC/DC变换器两种工作模式的切换，进而实现超级电容器的充放电功能，以储能系统数学模型为基础，实现单端稳压双向功率流的控制，V2的占空比为D，超级电容器端电感电流，如式(4)当D<1-Uc/Udc时，DC/DC变换器工作于降压模式，iL<0，功率流向超级电容器端；当D>1-Uc/Udc时，DC/DC变换器工作于升压模式，iL>0，功率流向直流母线端，实现功率的双向流动，双向DC/DC变换器控制采用电压变量获得开关管的占空比，见式(5)，为保持直流侧母线电压恒定，实测量Udc作为反馈量被控制，并通过电压调节器获得满足电压恒定值的参考电流idc-ref，如式(6)，根据功率守恒原理和直流变换器占空比的定义，得到超级电容器储能系统充放电参考电流iL-ref，再与实际充放电电流iL相比，经电流调节器和PWM脉宽调节产生控制DC/DC变换器开关器件的控制信号，达到直流母线电压恒定的目标，idc-ref＝kp(udc-ref-udc)+ki∫(udc-ref-udc)dt(6)4)设计DC/AC电压源型变流器的控制策略基于DC/AC电压源型变流器数学模型，电感L、电阻R相对较小，基于瞬时功率理论，变流器与交流系统间交换的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q如式(7)因此当电网电压空间矢量幅值E是恒定值时，可通过有功电流id和无功电流iq来分别反应有功功率和无功功率的变化，外环控制器用于实现超级电容器储能系统与交流系统之间指定功率的设定与跟踪，实现超级电容器储能系统在电力系统中的应用，根据指定参考值与实际值间的误差，经功率调节器得到满足指定交换功率的电流参考值，即内环控制器的输入参考电流idref、iqref，并对电网扰动电压Ed、Eq采取前馈补偿，同时引入d、q轴电压耦合补偿项ΔUd、ΔUq，实现d、q轴电流的独立解耦控制，进而实现有功功率、无功功率的解耦控制，DC/AC变流器的电压控制方程如式(8)，电压耦合补偿量如式(9)将Ud、Uq从两相旋转坐标系逆变到三相静止坐标系下得Ua、Ub、Uc，再通过PWM脉宽调制的参考值，产生变流器的控制信号，实现DC/AC变流器指定工作模式的转换。本专利技术的用于超级电容器储能系统变流器的控制策略的有益效果体现在：通过分析超级电容器不同工作模式下的能量分布而建立数学模型，同时通过对变流器的准确控制，而实现超级电容器对功率准确、快速的跟踪。其科学合理，效果佳。附图说明图1变换器降压工作模式示意图；图2变换器升压工作模式示意图；图3DC/AC电压源型变流器工作模式示意图；图4双向DC/DC变换器控制框图；图5DC/AC变流器控制框图；图6指定功率跟踪曲线示意图；图7局部功率放大图示意图；图8交流侧A相电压与电流示意图；图9超级电容器侧与交流系统侧功率示意图；图10超级电容器直流母线侧电压Udc示意图。具体实施方式下面利用附图和实施例对本专利技术用于超级电容器储能系统变流器的控制策略作进一步说明。本专利技术的用于超级电容器储能系统变流器的控制策略，包括以下步骤：1)分析超级电容器储能系统处于不同工作模式的能量分布状态当DC/DC变换器工作为降压模式时，如图1，此时VC1和VD2为动作开关。当DC/DC变换器工作为升压模式时，如图2，此时VC2和VD1为动作开关。VC1和VC2为脉宽调制控制开关。2)建立系统的数学模型无论电路处于升压模式还是降压模式，其数学模型相似，只是电流iL方向不同而已。因此以双向DC/DC变换器的升压模式(iL>0)为例，设V2的占空比为D，则根据状态空间平均法得：式(1)为超级电容器储能系统数学模型，此模型为二阶线性系统，其中，iL、udc为状态量，占空比D为控制量，Ri、U为已知量。当系统的控制变量被确定后，状态变量即可求解。DC/AC电压源型变流器如图3所示。由于DC/AC变流器工作模式较多，且每一相的数学模型相似，以A相为例：当V1导通V2关断时，输出电压Udc为正；当V1关断本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超级电容器储能系统变流器的控制策略，其特征是：将超级电容器与双向DC/DC变换器相连后，经DC/AC变流器接入电网，利用双闭环解耦的控制，通过DC/AC变流器，准确控制所要交换的有功、无功功率，对DC/DC变换器进行单端稳压双向功率流的控制，稳定直流母线电压，保证交换功率的双向流动，实现超级电容器与交流系统功率的有效交换，改善新能源发电的电能品质的同时，提高新能源并网规模，其具体内容包括：1)分析超级电容器储能系统处于不同工作模式的能量分布状态当DC/DC变换器工作为降压模式时，VC1和VD2为变换器动作开关，当DC/DC变换器工作为升压模式时，VC2和VD1为变换器动作开关，变换器VC1和VC2为脉宽调制控制开关；2)建立系统的数学模型无论电路处于升压模式还是降压模式，其数学模型相似，只是电流iL方向不同而已，因此以双向DC/DC变换器的升压模式，即iL>0，设V2的占空比为D，则根据状态空间平均法得：

【技术特征摘要】
1.一种用于超级电容器储能系统变流器的控制策略，其特征是：将超级电容器与双向DC/DC变换器相连后，经DC/AC变流器接入电网，利用双闭环解耦的控制，通过DC/AC变流器，准确控制所要交换的有功、无功功率，对DC/DC变换器进行单端稳压双向功率流的控制，稳定直流母线电压，保证交换功率的双向流动，实现超级电容器与交流系统功率的有效交换，改善新能源发电的电能品质的同时，提高新能源并网规模，其具体内容包括：1)分析超级电容器储能系统处于不同工作模式的能量分布状态当DC/DC变换器工作为降压模式时，VC1和VD2为变换器动作开关，当DC/DC变换器工作为升压模式时，VC2和VD1为变换器动作开关，变换器VC1和VC2为脉宽调制控制开关；2)建立系统的数学模型无论电路处于升压模式还是降压模式，其数学模型相似，只是电流iL方向不同而已，因此以双向DC/DC变换器的升压模式，即iL>0，设V2的占空比为D，则根据状态空间平均法得：式(1)为超级电容器储能系统数学模型，此模型为二阶线性系统，其中，iL、udc为状态量，占空比D为控制量，Ri、U为已知量，当系统的控制变量被确定后，状态变量即可求解，DC/AC电压源型变流器，由于DC/AC变流器工作模式较多，且每一相的数学模型相似，以A相为例：V1导通V2关断时，输出电压Udc为正；V1关断V2导通时，输出电压Udc为负,因此分别设三相开关函数为ma、mb、mc，将其单相扩展为三相电压源型变流器的数学模型，如式(2)式中：Ea、Eb、Ec为交流系统电压，ia、ib、ic为变流器相电流，为分析方便，将式(2)变换到两相同步旋转坐标系下的变流器模型，如式(3)，式(3)为DC/AC变流器数学模式，二阶线性系统，Ed、Eq是电网电压的d、q轴分量，为已知量，id、iq是电网电流空间矢量的d、q轴分量，为状态量；ud、uq为变流器电压的d、q轴分量，为控制量，当变流器电压被确定后，id、iq即可求解；3)设计双向DC/DC变流器的控制策略双向DC/DC变换器的控制目标是实现直流侧电压Udc恒定，同时通过对占空比D的控制实现DC/DC变换器两种工作模式的切换，进而实现超级电容器的充放电功能，以储能系统数学模型为基础，实现单端稳压双向功率流的控制，V2的占空比为D，超级电容器端电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军徽，葛延峰，蒋莲，严干贵，李大路，傅予，
申请(专利权)人：国家电网公司，东北电力大学，国网辽宁省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11