一种基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法及装置

摘要

本发明涉及电力电子技术领域，具体提供了一种基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法及装置，旨在解决储能变流器的自适应、高精度死区补偿的技术问题。包括：基于负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量，利用基波控制器和准谐振控制器获取电压调制信号；将所述电压调制信号作为SVPWM模块的输入，得到所述SVPWM模块输出的储能变流器的开关管驱动信号；该方案实现了储能变流器自适应、高精度的死区补偿，从而提高变流器控制性能和带载能力。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法及装置。

背景技术

能源作为工业社会运转的动力，其持续可靠供应是社会发展中的重大问题。随着新能源的推广和使用，风电、光伏等各种分布式电源接入电网，新能源发电在总发电量中的占比不断升高。为了解决新能源消纳问题，优化能源结构，采用储能系统可以将多余的电能转化为其他形式的能量存储起来。储能变流器作为直流侧电池与交流侧电网/负载的接口，实现了能量双向流动及辅助功能，是整个储能系统的关键及核心设备。

在储能变流器控制中，为避免变流器上下开关管直通，通常把同相控制信号置为互补状态，同时考虑到IGBT导通关断动作存在延迟，通常在软件上引入死区时间设置。死区时间虽然保护了开关管，但是会造成指令电压无法严格调制输出电压。特别地，造成电压信号含有6次及其倍数的脉动分量，对储能变流器控制系统产生影响。

目前应用较多的死区补偿方法主要分为两大类：一种是时间补偿法，通过判断当前流过开关管的电流极性，判断开关管的开通时间是否延长或者缩短，然后直接调整脉冲信号的开通、关断时间；另一种是电压补偿法，根据电流极性确定扇区，进而在调制波幅值上叠加相应的电压补偿量。但是这些方法主要存在两个缺点：

1)采用开环方式进行死区补偿，并且受到调制方式的限制以及死区时间设置的影响，无法实现自适应的死区补偿；

2)补偿过程一方面依赖电流极性判断，另一方面补偿量是一个估算平均值，无法实现高精度的死区补偿。

发明内容

为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决储能变流器的自适应、高精度死区补偿的技术问题的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法及装置。

第一方面，提供一种基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法，所述基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法包括：

基于负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量，利用基波控制器和准谐振控制器获取电压调制信号；

将所述电压调制信号作为SVPWM模块的输入，得到所述SVPWM模块输出的储能变流器的开关管驱动信号。

优选的，所述基于负载侧三相交流电压信号对应的d轴电压分量和q轴电压分量，利用基波控制器和准谐振控制器获取电压调制信号，包括：

将所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量作为基波控制器的输入，得到所述基波控制器输出的电压分量；

将所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量分别作为n个准谐振控制器的输入，得到所述n个准谐振控制器输出的电压分量；

将所述基波控制器输出的电压分量和所述n个准谐振控制器输出的电压分量叠加后转换至α-β静止坐标系下，得到所述电压调制信号；

其中，n＝N/6，N为负载侧三相交流电压信号含有的脉动分量的次数。

进一步的，所述准谐振控制器的数学模型如下：

上式中，u

优选的，所述基波控制器由电流环调节器和电压环调节器组成。

进一步的，所述电流环调节器的数学模型计算式如下：

所述电压环调节器的数学模型计算式如下：

上式中，i

进一步的，在所述基于负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量，利用基波控制器和准谐振控制器获取电压调制信号之前还包括：

将负载侧三相交流电压信号变换到与基波电压同步旋转的d-q坐标系中，得到所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量。

第二方面，提供一种基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿装置，所述基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿装置包括：

获取模块，用于基于负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量，利用基波控制器和准谐振控制器获取电压调制信号；

驱动信号生成模块，用于将所述电压调制信号作为SVPWM模块的输入，得到所述SVPWM模块输出的储能变流器的开关管驱动信号。

优选的，所述获取模块，包括：

第一生成单元，用于将所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量作为基波控制器的输入，得到所述基波控制器输出的电压分量；

第二生成单元，用于将所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量分别作为n个准谐振控制器的输入，得到所述n个准谐振控制器输出的电压分量；

第三生成单元，用于将所述基波控制器输出的电压分量和所述n个准谐振控制器输出的电压分量叠加后转换至α-β静止坐标系下，得到所述电压调制信号；

其中，n＝N/6，N为负载侧三相交流电压信号含有的脉动分量的次数。

优选的，所述装置还包括：

abd/dq转换模块，用于将负载侧三相交流电压信号变换到与基波电压同步旋转的d-q坐标系中，得到所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量。

第三方面，提供一种存储装置，该存储装置其中存储有多条程序代码，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行上述任一项技术方案所述的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法。

第四方面，提供一种控制装置，该控制装置包括处理器和存储装置，所述存储装置适于存储多条程序代码，所述程序代码适于由所述处理器加载并运行以执行上述任一项技术方案所述的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法。

本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

本实施例中，首先，基于负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量，利用基波控制器和准谐振控制器获取电压调制信号；然后，将所述电压调制信号作为SVPWM模块的输入，得到所述SVPWM模块输出的储能变流器的开关管驱动信号；该方案基于基波控制器和准谐振控制器且控制回路采用闭环方式对变流器进行死区补偿，不会受到调制方式的限制以及死区时间设置的影响，可以实现自适应补偿；

进一步的，补偿过程无需额外的硬件检测电路或者复杂的电流极性判断算法，无需使用滤波器，补偿量是根据电压纹波偏差进行自动计算的，因而具有较高的补偿精度且可以适用于电压源型变流器应用场合，实现了储能变流器高精度的死区补偿，从而提高变流器控制性能和带载能力。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法的主要步骤流程示意图；

图2是本发明的技术方案涉及的一个实施例的应用场景示意图；

图3是本发明实施例中准谐振控制器结构框图；

图4是本发明实施例中采用传统算法-电压补偿法进行死区补偿的仿真波形图；

图5是本发明实施例中采用本发明技术方案进行死区补偿的仿真波形图；

图6是本发明实施例中未进行死区补偿时的储能变流器输出电压谐波频谱图；

图7是本发明实施例中采用电压补偿法进行死区补偿时的电压频谱图；

图8是本发明实施例中采用本发明技术方案进行死区补偿时的电压频谱图；

图9是根据本发明的一个实施例的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿装置的主要结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有方法难以实现储能变流器的自适应、高精度死区补偿问题，本实施例中提出一种基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法，可以适用于电压源型变流器应用场合，实现储能变流器自适应、高精度的死区补偿，从而提高变流器控制性能和带载能力。

在本发明实施例中，参阅附图1，图1是根据本发明的一个实施例的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法的主要步骤流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法主要包括以下步骤：

步骤S101：将负载侧三相交流电压信号变换到与基波电压同步旋转的d-q坐标系中，得到所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量；

步骤S102：基于负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量，利用基波控制器和准谐振控制器获取电压调制信号；

步骤S103：将所述电压调制信号作为SVPWM模块的输入，得到所述SVPWM模块输出的储能变流器的开关管驱动信号；

在本实施例中，可以利用abd/dq转换器实现所述步骤S101；

在一个实施方式中，所述abd/dq转换器的数学模型可以如下：

上式中，t为储能变流器运行时间，ω

本实施例中，可以利用下述过程实现所述步骤S102：

将所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量作为基波控制器的输入，得到所述基波控制器输出的电压分量；

将所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量分别作为n个准谐振控制器的输入，得到所述n个准谐振控制器输出的电压分量；

将所述基波控制器输出的电压分量和所述n个准谐振控制器输出的电压分量叠加后转换至α-β静止坐标系下，得到所述电压调制信号；

其中，n＝N/6，N为负载侧三相交流电压信号含有的脉动分量的次数。

在一个实施方式中，所述准谐振控制器的数学模型如下：

上式中，u

在一个实施方式中，所述基波控制器由电流环调节器和电压环调节器组成。

所述电流环调节器的数学模型计算式如下：

所述电压环调节器的数学模型计算式如下：

上式中，i

需要指出的是，尽管上述实施例中将各个步骤按照特定的先后顺序进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本发明的效果，不同的步骤之间并非必须按照这样的顺序执行，其可以同时(并行)执行或以其他顺序执行，这些变化都在本发明的保护范围之内。

基于上述方案，本发明提供了本发明的技术方案涉及的一个实施例的应用场景，参阅附图2，图2是本发明的技术方案涉及的一个实施例的应用场景示意图，包括硬件回路和控制回路两部分。硬件回路含有储能电池U

其中，K

进一步的，所述电压环调节器的数学模型计算式如下：

电流环给定值为电压环调节器输出值i

进一步的，所述电流环调节器的数学模型计算式如下：

上式中，i

本实施例中，负载侧三相交流电压信号含有的脉动分量的次数为12，因此，谐波控制由2个准谐振控制器构成，给定值为0，反馈为电压互感器采集的三相电压信号，输出为6次和12次谐波调制信号。谐波调制信号与基波调制信号叠加后经过SVPWM得到开关管触发信号。

图3为准谐振控制器结构框图。输入信号为u

具体的，在本实施方式中，将d-q轴电压分量u

所述准谐振控制器的数学模型如下：

上式中，u

将第一、第二准谐振控制器的输出分量与基波控制器的输出分量进行叠加，再变换到α-β静止坐标系，得到电压调制信号u

电压调制信号u

需要说明的是，准谐振控制器的数量取决于回路中主要的谐波分量，如果主要为6次谐波，仅仅需要第一准谐振控制器。

以一台500kW的储能变流器为例具体说明该本发明的实施方式。储能变流器额定功率为500kW，直流侧输入电压为650V，输出线电压为380V，开关频率为3200Hz，基波频率为50Hz，输出滤波器的电感值为0.1mH，电容值为80uF。

图4为采用传统算法-电压补偿法进行死区补偿的仿真波形，从上至下为电压补偿量和6次谐波分量。0.01s时刻储能变流器投入500kW负荷，此时未进行死区补偿，从图中可以看出电压中含有明显的6次谐波分量。0.1s时刻进行死区补偿，可见到6次谐波分量有一定程度衰减，但是仍未完全谐波分量。这是因为电压补偿法的补偿量呈现锯齿形状，而6次谐波分量呈现正弦形状，两者未能完全吻合。

图5为采用本发明技术方案进行死区补偿的仿真波形，0.1s时刻进行死区补偿，可以看到电压补偿量呈正弦量，因而6次谐波分量在0.02s内衰减到极小值。对比图4，证明本专利所提的方法可以自适应的补偿死区效应造成的谐波分量。

图6为未进行死区补偿时的储能变流器输出电压谐波频谱图，电压THD超过5％，而且从频谱图中可知主要的谐波成分为5、7、11、13次。图7为采用电压补偿法进行死区补偿时的电压频谱图，THD下降到3.91％，同时5、7、11次谐波有一定程度衰减，而13次谐波几乎不变。图8为采用本发明技术方案进行死区补偿时的电压频谱图，THD下降到2.89％，同时5、7、11、13次谐波均有较大程度的衰减。对比图6-图8可知，采用本发明所提的技术方案可以高精度的补偿死区效应导致的谐波分量。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿装置，参阅附图9，图9是根据本发明的一个实施例的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿装置的主要结构框图。如图9所示，本发明实施例中的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿装置主要包括abd/dq转换模块、获取模块和驱动信号生成模块。在一些实施例中，abd/dq转换模块、获取模块和驱动信号生成模块中的一个或多个可以合并在一起成为一个模块。

在一些实施例中，abd/dq转换模块，用于将负载侧三相交流电压信号变换到与基波电压同步旋转的d-q坐标系中，得到所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量；

获取模块，用于基于负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量，利用基波控制器和准谐振控制器获取电压调制信号；

驱动信号生成模块，用于将所述电压调制信号作为SVPWM模块的输入，得到所述SVPWM模块输出的储能变流器的开关管驱动信号。

具体的，所述获取模块，包括：

第一生成单元，用于将所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量作为基波控制器的输入，得到所述基波控制器输出的电压分量；

第二生成单元，用于将所述负载侧三相交流电压信号对应的d/q轴电压分量分别作为n个准谐振控制器的输入，得到所述n个准谐振控制器输出的电压分量；

第三生成单元，用于将所述基波控制器输出的电压分量和所述n个准谐振控制器输出的电压分量叠加后转换至α-β静止坐标系下，得到所述电压调制信号；

其中，n＝N/6，N为负载侧三相交流电压信号含有的脉动分量的次数。

本实施例中，所述准谐振控制器的数学模型如下：

上式中，u

本实施例中，所述基波控制器由电流环调节器和电压环调节器组成。

其中，所述电流环调节器的数学模型计算式如下：

所述电压环调节器的数学模型计算式如下：

上式中，i

本领域技术人员能够理解的是，本发明实现上述一实施例的方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器、随机存取存储器、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

进一步，本发明还提供了一种存储装置。在根据本发明的一个存储装置实施例中，存储装置可以被配置成存储执行上述方法实施例的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法的程序，该程序可以由处理器加载并运行以实现上述基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该存储装置可以是包括各种电子设备形成的存储装置设备，可选的，本发明实施例中存储是非暂时性的计算机可读存储介质。

进一步，本发明还提供了一种控制装置。在根据本发明的一个控制装置实施例中，控制装置包括处理器和存储装置，存储装置可以被配置成存储执行上述方法实施例的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法的程序，处理器可以被配置成用于执行存储装置中的程序，该程序包括但不限于执行上述方法实施例的基于准谐振控制器的储能变流器死区补偿方法的程序。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该控制装置可以是包括各种电子设备形成的控制装置设备。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。