一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法技术

本发明专利技术涉及一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法，该方法采用有限控制集模型预测控制方法对基于LLCL滤波器的储能变换器加以控制，通过建立LLCL型电池储能变换器的状态空间状态空间数学模型，将其离散化得到一个离散模型，同时基于相量法，将电网侧电流参考值转化为变换器侧电流和电容电压参考值，定义代价函数，将预测模型输出结果和参考值进行对比，选取最优电压矢量并选择最合适的开关状态进行工作，与现有技术相比，本发明专利技术能有效降低入网谐波，提升电能质量，同时充分利用了LLCL滤波器更佳的滤波性能，最终优化LLCL型储能变换器的输出电能质量。型储能变换器的输出电能质量。型储能变换器的输出电能质量。

【技术实现步骤摘要】
一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法


[0001]本专利技术涉及新能源发电与电能存储领域，尤其是涉及一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法。

技术介绍

[0002]电池储能变换器是电池储能系统中的关键设备，能够将电池直流电能转化为标准交流电能并入电网，可实现能量双向流动。有限集模型预测控制(FCS
‑
MPC)算法是一种典型的非线性控制算法，在工业界已被大量应用。该控制方法与传统PI控制不同，该方法基于模型预测下一周期的并网电流，然后根据预测结果选取最优控制量，物理含义明确，性能优越。
[0003]LLCL滤波器与传统的滤波器相比，它在其电容分支环路中插入一个电感，在开关频率处构成串联谐振电路，滤波效果佳，有着良好的动态性能。除此之外，LLCL型滤波器可以有效衰减开关频率处的电流纹波分量，从而降低总体电感量，减小无源器件体积，有助于削减电池储能变换器整机成本。
[0004]现有技术中，多为在LCL型储能变换器上应用有限集模型预测控制算法，如中国申请专利CN201910853161.8公开了一种LCL型储能变换器的有限控制集模型预测控制方法，将状态变量估算与延时补偿相结合，通过采样电网电流估算出变换器侧电流、电容电压以及电网电流，并且将采样的电网电流和估算的电网电流之间的误差通过一个校正矩阵，以此减小由模型失配和参数漂移带来的影响，再将估算出来的状态变量通过带延时补偿环节的有限控制集模型预测控制算法，以此提高系统性能，最终实现LCL型储能变换器的控制。本专利技术虽然可以减少传感器数量，降低成本，提高系统可靠性；结合延时补偿算法，消除计算延时对系统性能的影响，提高入网电流质量。但使用传统LCL型并网滤波器成本较高，且存在滤波效果不理想的问题，从而导致入网电流质量低，系统的控制性能与可靠性也较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法，本专利技术将LLCL型滤波器应用于储能变换器中，与FCS
‑
MPC控制算法相结合，可发挥出LLCL型滤波器的优势，提升入网电能质量，实现储能变换器的最优控制。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法，包括以下步骤：
[0008]利用传感器采集电气物理量，所述电气物理量包括当前时刻的电网侧电流、变换器侧电流、电网电压及电容电压；
[0009]基于所述采集的电气物理量，构建LLCL滤波器的状态空间状态空间数学模型；
[0010]设定采样周期，对所述LLCL滤波器的状态空间数学模型进行离散化，得到离散模型；
[0011]利用第k个采样周期中电网侧电流的给定值，推导出第k个采样周期中变换器侧电流和电容电压的参考值；
[0012]基于第k个采样周期中变换器侧电流和电容电压的参考值，根据所述离散模型，预测k+1时刻的参考值；
[0013]定义代价函数，用于定量评估有限集中每个电压矢量的控制性能；
[0014]基于所述k+1时刻的参考值，计算每个电压矢量对应的代价函数，选出使代价函数结果最小的最优输出电压矢量；
[0015]根据各个电压矢量与电路开关的对应关系，通过发送最优输出电压矢量以控制合适的电路开关状态进行工作。
[0016]进一步地，所述构建LLCL滤波器的状态空间数学模型包括以下步骤：
[0017]建立两相静止坐标系α
‑
β坐标系；
[0018]以流经电感L1的电流i1、和流经电感L2的电流i2及电容C的电压u
c
为状态空间变量，基于电池储能变换器的整体拓扑结构，建立α坐标轴下各回路的基本方程组：
[0019][0020][0021]i
3α
＝i
1α
‑
i
2α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022][0023][0024]其中，对于α坐标轴，i
1α
为变换器侧电流的瞬时值，i
2α
为电网侧电流值，i
3α
为流经电容的电流值，u
iα
为变换器输出电压值，u
mα
为LC支路耦合点的电压值，u
gα
为电网侧电压值，u
cα
为电容电压值，C为电容值，L1为第一电感值，L2为第二电感值，
[0025]通过将式(3)和(4)代入(1)和(2)，经过变量代换，推导出α分量的方程组如式(6)所示：
[0026][0027]其中，L3为第三电感值；
[0028]得到LLCL滤波器在α轴上的状态空间数学模型表达式为：
[0029][0030]其中，x
α
＝[i
1α
i
2α
u
cα
]T
为α轴上的状态空间向量，矩阵A、矩阵B和矩阵B
g
的表达式分
别为：
[0031][0032]B＝[(L2+L3)/L
Σ
L3/L
Σ
0]T
[0033]B
g
＝[
‑
L3/L
Σ
‑
(L1+L3)/L
Σ
0]T
[0034]其中L
Σ
＝L1L2+L1L3+L2L3。
[0035]进一步地，所述α
‑
β坐标系的α轴和β完全对称，将α替换为β可得到LLCL滤波器在β轴上的状态空间数学模型表达式为：
[0036][0037]其中，x
β
＝[i
1β
i
2β
u
cβ
]T
为β轴上的状态空间向量，对于β坐标轴，i
1β
为变换器侧电流的瞬时值，i
2β
为电网侧电流值，u
iβ
为变换器输出电压值，u
gβ
为电网侧电压值，u
cβ
为电容电压值；
[0038]则得到LLCL滤波器在α
‑
β坐标系上的状态空间数学模型为：
[0039][0040]进一步地，所述采样周期即电池储能开关周期，设定采样周期为T
s
，采用零阶保持器法，对LLCL滤波器的状态空间数学模型表达式(7)进行离散化，得到LLCL滤波器的离散模型表达式为：
[0041][0042]其中，k表示周期时刻，系统矩阵A
d
、输入矩阵B
d
和B
gd
的详细表达式如下：
[0043][0044][0045][0046]其中ω
res
为LLCL滤波器的等效谐振角频本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：利用传感器采集电气物理量，所述电气物理量包括当前时刻的电网侧电流、变换器侧电流、电网电压及电容电压；基于所述采集的电气物理量，构建LLCL滤波器的状态空间状态空间数学模型；设定采样周期，对所述LLCL滤波器的状态空间数学模型进行离散化，得到离散模型；利用第k个采样周期中电网侧电流的给定值，推导出第k个采样周期中变换器侧电流和电容电压的参考值；基于第k个采样周期中变换器侧电流和电容电压的参考值，根据所述离散模型，预测k+1时刻的参考值；定义代价函数，用于定量评估有限集中每个电压矢量的控制性能；基于所述k+1时刻的参考值，计算每个电压矢量对应的代价函数，选出使代价函数结果最小的最优输出电压矢量；根据各个电压矢量与电路开关的对应关系，通过发送最优输出电压矢量以控制合适的电路开关状态进行工作。2.根据权利要求1所述的一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法，其特征在于，所述构建LLCL滤波器的状态空间数学模型包括以下步骤：建立两相静止坐标系α
‑
β坐标系；以流经电感L1的电流i1、和流经电感L2的电流i2及电容C的电压u
c
为状态空间变量，基于电池储能变换器的整体拓扑结构，建立α坐标轴下各回路的基本方程组：储能变换器的整体拓扑结构，建立α坐标轴下各回路的基本方程组：i
3α
＝i
1α
‑
i
2α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)(3)其中，对于α坐标轴，i
1α
为变换器侧电流的瞬时值，i
2α
为电网侧电流值，i
3α
为流经电容的电流值，u
iα
为变换器输出电压值，u
mα
为LC支路耦合点的电压值，u
gα
为电网侧电压值，u
cα
为电容电压值，C为电容值，L1为第一电感值，L2为第二电感值，通过将式(3)和(4)代入(1)和(2)，经过变量代换，推导出α分量的方程组如式(6)所示：
其中，L3为第三电感值；得到LLCL滤波器在α轴上的状态空间数学模型表达式为：其中，x
α
＝[i
1α
i
2α
u
cα
]
T
为α轴上的状态空间向量，矩阵A、矩阵B和矩阵B
g
的表达式分别为：B＝[(L2+L3)/L
Σ
L3/L
Σ
0]
T
B
g
＝[
‑
L3/L
Σ
‑
(L1+L3)/L
Σ
0]
T
其中L
Σ
＝L1L2+L1L3+L2L3。3.根据权利要求2所述的一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法，其特征在于，所述α
‑
β坐标系的α轴和β完全对称，将α替换为β可得到LLCL滤波器在β轴上的状态空间数学模型表达式为：其中，x
β
＝[i
1β
i
2β
u
cβ
]
T
为β轴上的状态空间向量，对于β坐标轴，i
1β
为变换器侧电流的瞬时值，i
2β
为电网侧电流值，u
iβ
为变换器输出电压值，u
gβ
为电网侧电压值，u
cβ
为电容电压值；则得到LLCL滤波器在α
‑
β坐标系上的状态空间数学模型为：4.根据权利要求3所述的一种LLCL型电池储能变换器的有限集模型预测控制方法，其特征在于，所述采样周期即电池储能开关周期，设...

【专利技术属性】
技术研发人员：高宁，杨铖，陈昊，李波，吴卫民，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：