一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略

技术领域

本发明属于储能运行控制方法，具体地说是一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略。

背景技术

随着储能技术的高速发展，其在平滑风电和光伏出力，提供无功功率支撑，参与电网调频等领域得到广泛应用。飞轮储能是一种物理储能，由于其具有功率密度高、使用寿命长、充放电次数不受限制、机-网侧非耦合等优点，更适用于参与电网高频次调频和平滑风电功率输出等场景。

当飞轮储能并网点电压不对称故障时，网侧变流器交流侧的电压电流均会产生正序和负序分量。不平衡分量会在直流侧产生偶次谐波，使直流母线电容反复充放电，缩短电容工作寿命，降低飞轮储能运行的可靠性。直流侧电压波动导致交流侧产生奇次非特征谐波，恶化变流器的性能，甚至可能损坏设备。

在不考虑背靠背变流器自身损耗的情况下，根据功率守恒原理，变流器机侧功率与网侧功率相等。由于飞轮储能并网系统的背靠背变流器将机侧与网侧隔离开，所以在电网发生跌落故障时机侧无法立刻响应故障，导致网侧电流迅速增大，对整个系统的安全造成严重威胁。

由于电网故障期间飞轮储能的网侧变流器首先受到影响，研究故障期间网侧变流器的控制策略具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略。

本发明基于飞轮储能自身结构及运行原理，首先分析飞轮储能并网系统的拓扑结构；研究了飞轮储能网侧变流器的稳态控制策略；分析了电网电压不对称故障下飞轮储能网侧的暂态过程；在网侧变流器稳态控制策略的基础上，制定了一种电网不对称故障下，可以有效抑制网侧输出有功功率的二倍频波动并保证变流器电流不越限的网侧变流器控制策略；最后搭建了飞轮储能网侧变流器并网模型，对控制策略进行验证。

本发明采用如下技术方案：

一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略，其特征在于，包括

分析电网不对称故障下飞轮储能网侧的暂态过程，通过功率与正负序电压电流矢量之间的矩阵关系得到正负序电流参考值，通过4个电流内环PI调节器，采用正负序分离下双闭环电流控制策略：分别在正序和负序电压网络下控制输出的正负序电流无误差地跟踪正负序电流参考值，抑制有功功率的二倍频波动；

实时计算abc坐标系下网侧变流器输出的三相电流幅值的最大值，并与电流限幅值进行比较；如果电流越限，则通过调节功率参考值来调节电流，使电流不越限。

在上述的一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略，具体是：

通过Park变换和正负序分离，将电网不对称故障时电网电压矢量和电流矢量分别分解到两相旋转dq坐标系中，通过瞬时功率理论获得网侧功率与正负序电压电流矢量之间的矩阵关系；

选取相应的控制变量与被控变量；通过矩阵变换得到正负序电流参考值；

通过4个电流内环PI调节器，采用正负序分离下双闭环电流控制策略：分别在正序和负序电压网络下控制输出的正负序电流无误差地跟踪正负序电流参考值，以抑制有功功率的二倍频波动。

在上述的一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略，具体是：

将正负序电流参考值通过Park逆变换矩阵变换到abc坐标系中，计算abc坐标系下三相电流幅值的最大值；

将三相电流幅值的最大值与电流限幅值进行比较，如果判断结果为电流越限，则通过调节功率的控制方法来调节输出电流的幅值。

在上述的一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略，基于构建的两相旋转dq坐标系下网侧变流器的数学模型：

其中，u

在上述的一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略，抑制有功功率的二倍频波动时，具体包括

S5.1，通过Park变换和正负序分离，将电网不对称故障时电网电压矢量和电流矢量分别分解到两相旋转dq坐标系中，通过瞬时功率理论获得网侧功率与正负序电压电流矢量之间的矩阵关系；

通过Park变换和正负序分离，电网电压矢量和电网电流矢量在两相旋转dq坐标系中表示为：

其中，

网侧变流器输出的有功功率p和无功功率q表示如下：

p

将网侧变流器输出的电压矢量和电流矢量进行正负序分解，得到功率与正负序电压电流矢量之间的矩阵关系：

其中

S5.2，以抑制有功功率的二倍频波动为控制目标，选取相应的控制变量与被控变量；通过矩阵变换得到正负序电流参考值；选择p

其中

式(9)中的有功功率平均值参考值

其中

S5.3，通过4个电流内环PI调节器，采用正负序分离下双闭环电流控制策略：分别在正序和负序电压网络下控制输出的正负序电流无误差地跟踪正负序电流参考值，以抑制有功功率的二倍频波动；

正负序网络下控制方程如下所示：

在上述的一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略，调节电流，使电流不越限时，具体包括

步骤5.1，将正负序电流参考值通过Park逆变换矩阵变换到abc坐标系中，计算abc坐标系下三相电流幅值的最大值；

三相电流的最大值可由正负序电流指令值计算得到，如式(12)所示：

其中i

步骤5.2，将三相电流幅值的最大值与电流限幅值进行比较，如果判断结果为电流越限，则通过调节功率的控制方法来调节输出电流的幅值；

由于p

其中p

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)正负序分离下双闭环电流控制策略基于消除有功功率二倍频波动的控制目标设计正负序电流参考值，在正负序网络中分别对正负序电流进行控制，可以有效地抑制有功功率的二倍频波动；

(2)因为正负序分离下双闭环电流控制策略可以实现对功率因数的调节以及直流电压的稳定，故也可用于稳态运行过程中的网侧变流器控制，所以在故障发生时和故障恢复时，不需要进行控制策略的切换；

(3)由于四个电流指令值之间耦合性较强，若是分别在电流内环中进行限幅，很难保证最后合成的三相电流不越限。而通过调节功率参考值来控制输出电流的方式，具有快速计算、快速响应的优点，并且避免了其他反馈量的干扰，保证了对电流限幅的精确性。

附图说明

图1是飞轮储能并网系统结构图。

图2是网侧变流器的结构图。

图3是飞轮储能网侧变流器控制框图。

图4是电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器控制框图。

图5a是电网电压单相跌落故障下的仿真结果(网侧电压仿真结果)。

图5b是电网电压单相跌落故障下的仿真结果(电流仿真结果)。

图5c是电网电压单相跌落故障下的仿真结果(功率参考值和实际值)。

图5d是电网电压单相跌落故障下的仿真结果(基于本发明提出的控制策略和基于传统双闭环控制策略下的网侧变流器输出有功功率的对比)。

图6a是电网电压两相跌落故障下的仿真结果(网侧电压仿真结果)。

图6b是电网电压两相跌落故障下的仿真结果(电流仿真结果)。

图6c是电网电压两相跌落故障下的仿真结果(功率参考值和实际值)。

图6d是电网电压两相跌落故障下的仿真结果(本发明所提出的控制策略有效地抑制有功功率的二次波动)。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和附图对本发明技术方案作进一步具体说明。

一种电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的控制策略，具体步骤如下：

步骤1，分析飞轮储能并网系统的构成和拓扑结构；

本步骤为飞轮储能并网运行控制的基础与前提，为便于理解对本步骤进行详细说明。

飞轮储能一般由飞轮转子、永磁同步电机、背靠背变流器和控制系统构成。飞轮储能并网系统结构图如图1所示。

飞轮转子决定了飞轮中储存的能量。

永磁同步电机用于实现飞轮的旋转动能向电能的转化。在飞轮充电时从电网吸收能量，飞轮旋转动能增加，转速提高；而在飞轮储能放电时向电网输送电能，飞轮旋转动能减少，转速降低。

背靠背变流器由机侧变流器、网侧变流器和直流母线电容组成，机侧变流器控制永磁同步电机的运行，网侧变流器控制直流母线电压的稳定和功率因数；

步骤2，基于三相两电平电压源型逆变器的拓扑结构和运行原理，构建网侧变流器基于旋转dq坐标系的数学模型；

d-q坐标系上网侧变流器的电压方程如式(2)所示。

其中，u

步骤3，结合网侧变流器的控制目标和瞬时功率理论，网侧变流器采用基于电网电压定向的直接电流控制策略(VO-DCC)。VO-DCC控制系统由直流电压外环以及有功和无功电流内环组成；

步骤3.1，确定网侧变流器的控制以稳定直流母线电压、实现并网功率控制为主要目标；

步骤3.2，基于VO-DCC的网侧变流器d轴采用直流电压外环，电流内环的控制方式，电压的输出为电流内环的给定，维持直流侧电压稳定；

步骤3.3，基于VO-DCC的网侧变流器q轴采用无功功率外环，电流内环的控制方式，外环输出为电流内环的给定，实现对并网功率因数的调节；

步骤3.4，电流内环采用基于前馈解耦的电流控制。由于网侧变流器d轴与q轴电流内环的传递函数相同，故使用一组参数相同的PI调节器来实现电流的零稳态误差跟踪。

由式(1)可得，变流器对电流的控制不仅取决于对动态电流的跟踪控制，而且还会受到d、q轴电感压降和电网电动势扰动的影响，并且d、q轴分量之间存在耦合，因此，需要采用基于前馈解耦的电流控制策略。

电流控制器采用PI调节器设计，通过PI调节器运算获得式(1)中的电流微分项，利用前馈补偿运算获得其他的耦合扰动项，以此构建基于u

其中：K

在VO-DCC控制中，d轴始终与电网电压矢量E重合，则e

在图2所示的网侧变流器中，直流侧输入有功功率的瞬时值为p＝u

由式(4)可得，直流电压u

式(5)中：K

综上，飞轮储能网侧变流器稳态控制框图如图3所示。

步骤4，分析电网不对称故障下飞轮储能网侧的暂态过程，通过功率与正负序电压电流适量之间的矩阵关系得到正负序电流参考值，采用正负序分离下双闭环电流控制策略实现对正负序电流的控制，进而有效地抑制有功功率二倍频波动；

步骤4.1，通过Park变换和正负序分离，将电网不对称故障时电网电压矢量和电流矢量分别分解到两相旋转dq坐标系中，通过瞬时功率理论获得网侧功率与正负序电压电流矢量之间的矩阵关系；

通过Park变换和正负序分离，电网电压矢量和电网电流矢量在两相旋转dq坐标系中可以表示为：

所以网侧变流器输出的有功功率p和无功功率q可以表示如下：

式(7)中：p

基于式(7)，将网侧变流器输出的电压矢量和电流矢量分别分解至正序网络和负序网络，可以得到功率与正负序电压电流矢量之间的矩阵关系：

步骤4.2，以抑制有功功率的二倍频波动为控制目标，选取相应的控制变量与被控变量。通过矩阵变换得到正负序电流参考值；

为了抑制有功功率二倍频波动，选择p

式(9)中的有功功率平均值参考值

步骤4.3，通过4个电流内环PI调节器，采用正负序分离下双闭环电流控制策略：分别在正序和负序电压网络下控制输出的正负序电流无误差地跟踪正负序电流参考值，以抑制有功功率的二倍频波动。

正负序网络下控制方程如(8)所示：

电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器的正负序分离下双闭环电流控制框图如图4所示。

步骤5，实时计算abc坐标系下网侧变流器输出的三相电流幅值的最大值，并与电流限幅值进行比较，如果电流越限，则通过调节功率参考值来调节电流，使电流不越限。

步骤5.1，将正负序电流参考值通过Park逆变换矩阵变换到abc坐标系中，计算abc坐标系下三相电流幅值的最大值；

三相电流的最大值可由正负序电流指令值计算得到，如式(12)所示：

步骤5.2，将三相电流幅值的最大值与电流限幅值进行比较，如果判断结果为电流越限，则通过调节功率的控制方法来调节输出电流的幅值。

由于p

式(13)中：i

实施例：

电网不对称故障下飞轮储能网侧变流器控制策略有效性校验。

参数设计：直流母线电压设为350V，输出额定功率设为2kW，并网点额定相电压有效设为110V，额定频率设为50Hz，网侧三相电流的限幅值是10A。

(一).0.1s时发生了B相电网电压跌落至0.2p.u.的不对称故障，0.4s时故障恢复。为了验证电流限幅控制的有效性，在0.2s时再投入电流限幅控制。图5(a)和(b)分别是网侧电压和电流的仿真结果。

图5(b)中，发生故障后电流增大，超出电流限值。0.2s投入电流限幅控制后，通过调节p可以有效地限制了电流幅值。图5(c)是功率参考值和实际值。

图5(d)对比了基于本发明提出的控制策略和基于传统双闭环控制策略下的网侧变流器输出有功功率，可以看出通过采用本发明提出的控制策略，有效地减小有功功率的二倍频波动。

(二).0.1s时发生了AB两相电网电压跌落至0.5p.u.的不对称故障，0.4s时故障恢复。图6(a)和6(b)分别是网侧电压和电流的仿真结果。如图6(a)所示，A相和B相电流在故障发生后增大，超过了电流限制。0.2s后，通过调节有功功率有效地限制了电流幅值。在图6(d)中，本发明所提出的控制策略有效地抑制有功功率的二次波动。

此外，在电网稳定运行期间，电网中负序分量为0，从图5图6中可见，本发明所提出的控制策略仍可用于稳态控制。所以在故障发生时，不必切换飞轮储能并网系统网侧变流器的控制策略。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神所举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。