[發(fā)明專利]一種基于功率分配的虛擬直流電機和模型預測聯(lián)合穩(wěn)定直流母線電壓的方法

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• 申請日: 2021-07-15
• 公開（公告）號: CN113488983A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設計）人: 穆勇;李騰;熊宏棟;姚玉永;劉勇;何緒偉;李振成;王麗麗;王濤;徐懷鐸;趙丹陽;云飛
• 申請（專利權(quán)）人: 國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司;國家電網(wǎng)有限公司
• 主分類號: H02J1/10
• 分類號: H02J1/10;H02J1/14;H02J7/34;H02J7/00;H02M3/155
• 代理公司: 唐山順誠專利事務所(普通合伙) 13106
• 代理人: 楊全保

本發(fā)明涉及一種基于功率分配的虛擬直流電機和模型預測聯(lián)合穩(wěn)定直流母線電壓的方法，屬于微電網(wǎng)混合儲能技術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)方案是：包含可變時間常數(shù)低通濾波器功率分配算法、虛擬直流電機控制和儲能單元能量管理以及反饋校正的模型預測控制。本發(fā)明有益效果：在傳統(tǒng)的PI雙閉環(huán)控制的基礎上，加入了VDCM控制，能夠抑制負荷波動對混合儲能系統(tǒng)影響，有效提升混合儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過設計基于儲能荷電狀態(tài)的可變時間常數(shù)低通濾波功率分配算法，有效控制蓄電池和超級電容的充放電深度，避免過充過放現(xiàn)象出現(xiàn)；提出的反饋校正模型預測控制，能夠有效提高系統(tǒng)的動態(tài)響應，在負荷擾動時加快電壓恢復速度，并且能進一步增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于功率分配的虛擬直流電機和模型預測聯(lián)合穩(wěn)定直流母線電壓的方法，考慮微電網(wǎng)中混合儲能系統(tǒng)直流母線電壓虛擬電機預測模型控制以及儲能單元能量管理的一致性，屬于微電網(wǎng)混合儲能技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于接入微電網(wǎng)的分布式電源輸出功率的隨機性以及負載的波動性，微網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性受到較大影響。加之電力電子接口裝置缺乏慣性，多機并聯(lián)可能會導致系統(tǒng)振蕩甚至誘發(fā)失穩(wěn)。因此，為了讓微電網(wǎng)系統(tǒng)達到功率供需平衡，需要配置儲能提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。儲能技術(shù)中常將蓄電池和超級電容組合成混合儲能系統(tǒng)(HESS)，二者優(yōu)勢互補，作為能量型儲能的蓄電池主要平滑功率變動時的穩(wěn)態(tài)分量，而功率型儲能超級電容響應速度快，適用于承擔暫態(tài)分量，讓儲能裝置的性能大幅提升。然而，混合儲能HESS裝置并聯(lián)時，需要控制策略合理地將功率分配給各個儲能單元，以此減小母線側(cè)電壓波動，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)定性。

近年來，在HESS中，對于控制儲能元件和實現(xiàn)功率流動的雙向DC-DC變換器，控制策略上仍大多采用傳統(tǒng)的PI雙閉環(huán)，但無法有效地改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且由于自身的滯后性，不能較好的反映儲能系統(tǒng)的動態(tài)性能。有學者將雙閉環(huán)控制中的電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)用一階自抗擾控制器控制，實現(xiàn)了更靈活的控制，或者通過對直流側(cè)建立PCH模型，用ES控制器實現(xiàn)對PI控制的替換，但需要儲能單元采取反饋互聯(lián)的級聯(lián)方式，不能有效地對儲能單元單獨控制。有文獻在直流變換器采用了虛擬直流電機控制，通過模擬電機的特性為直流微電網(wǎng)加入慣性和阻尼，有效地減小的功率擾動帶來的母線電壓波動，提高穩(wěn)定性，但采用的控制模型鮮有應用于混合儲能中。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)響應，出現(xiàn)了各種先進的非線性控制算法，例如模糊神經(jīng)控制和滑膜控制。近年來，模型預測控制已被廣泛使用和深入研究，但其在HESS中的應用仍然較少。總之，在HESS中結(jié)合功率分配以及穩(wěn)定直流母線電壓的方法還有待改善。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的上提供一種基于功率分配的虛擬直流電機和模型預測聯(lián)合穩(wěn)定直流母線電壓的方法，在傳統(tǒng)的PI雙閉環(huán)控制的基礎上，加入了VDCM控制，能夠抑制負荷波動對混合儲能系統(tǒng)影響，有效提升混合儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過設計基于儲能荷電狀態(tài)的可變時間常數(shù)低通濾波功率分配算法，有效控制蓄電池和超級電容的充放電深度，避免過充過放現(xiàn)象出現(xiàn)；提出的反饋校正模型預測控制，能夠有效提高系統(tǒng)的動態(tài)響應，在負荷擾動時加快電壓恢復速度，并且能進一步增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，解決已有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題。

本發(fā)明技術(shù)方案是：

一種基于功率分配的虛擬直流電機和模型預測聯(lián)合穩(wěn)定直流母線電壓的方法，包含可變時間常數(shù)低通濾波器功率分配算法、虛擬直流電機控制和儲能單元能量管理以及反饋校正的模型預測控制；步驟如下：首先是基于功率分配的VDCM-FCMPC控制的小信號模型，分析轉(zhuǎn)動慣量和阻尼對電池以及超級電容的影響，在此基礎上，在低通濾波器的時間常數(shù)上增加對儲能單元SOC的反饋，根據(jù)限值分區(qū)來調(diào)節(jié)時間常數(shù)T，進而分配兩者所需承擔的功率；第二是對電流內(nèi)環(huán)引入模型預測控制，并提出反饋校正模型預測控制，通過在代價函數(shù)中利用上一時刻的數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)MPC進行反饋校正，并加入直流電壓母線補償量，減少電壓波動。

所述可變時間常數(shù)低通濾波器功率分配算法，用于將功率波動分為高頻功率擾動和低頻功率擾動，通過將儲能單元的荷電狀態(tài)反饋到低通濾波器中的濾波時間常數(shù)，控制超級電容和蓄電池承擔功率的大小和儲能充放電深度。