基于灰色滚动预测模型的多接口变换器功率直接控制方法_秦艳辉.pdf

收稿日期：第一作者：秦艳辉（），男，河南鹿邑县人，博士研究生，高级工程师，研究方向为电力系统运行与控制。：基于灰色滚动预测模型的多接口变换器功率直接控制方法秦艳辉，马晓磊，吴 鑫，舒 斐（东南大学 电气工程学院，江苏 南京；国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐；国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐；中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司，辽宁 沈阳）摘要：交流侧不平衡状况下，多接口变换器功率控制效果的瞬时效果较差，动态输出功率预测结果准确性较低，无法使调节功率达到既定功率，由此，提出基于灰色滚动预测模型的多接口变换器功率直接控制方法。构建电网功率灰色滚动预测模型，确定应输出功率。构建多接口变换器单元电路模型，计算电网运行模式转换状态下的功率波动量。选用 控制器，优化多接口变换器功率控制算法，对变换器输出功率进行补偿与控制。实验结果表明：该方法可在多种电网运行状态下对多接口变换器功率进行控制，使其与既定功率具有一致性，预测结果准确性得到提升，保证多接口变换器功率控制效果的瞬时效果，电网稳定运行。关键词：电网电压不平衡；分层控制；变功率调节；协调控制；功率管理；多接口变换器中图分类号：文章编号：（）文献标识码：，（，；，；，；，）：，：；引言多接口变换器是一种新型电力电子变换装置，工业仪表与自动化装置 年第 期可将新能源与储能单元有序连接，具有较高的工作效率以及可靠性，是储能电网实现多种能源输出的重要设备。其作为多种能源负载之间的接口，可实现不同接口之间的能源传递，具有成本低、结构简单的优点，在当今的电力系统中得到了广泛的应用。多接口变换器多应用于新能源电网中，可通过器件调节，实现多个端口的功率分配。为了更好地发挥多接口变换器的优势，需要对其工作功率进行调节，并提出相应的多接口变换器功率控制方法，进行合理的功率分配。部分电网交流侧不平衡条件下，多接口变换器功率控制效果的瞬时效果较差，无法使调节功率达到既定功率，对电网的运行稳定性造成威胁。针对此问题，提出了基于灰色滚动预测模型的多接口变换器功率直接控制方法。使用灰色滚动预测模型，对电网的输出功率进行动态预测，以此确定变换器在不同电网运行模式下的功率输出量，直接进行多接口变换器的高质量控制，提升电网运行的稳定性。构建电网功率灰色滚动预测模型由于电网出力表征具有随机性，为降低多端口变换器对电力系统的冲击性，需要及时对电网所需的运行功率进行预测，使用灰色滚动预测模型，完成电网功率预测环节。考虑到电网的复杂性，此次预测模型构建为复合模型的形式，具体结构如下所示：（，）（，）（）（）式中：表示滚动预测模型在 时刻时的预测值；表示灰色预测模型在 时刻时的预测值。使用灰色预测模型构建电网运行过程中的时间序列，将原始时间序列设定为：（）（）（），（）（），（）（）令（）（）（）（），则新时间序列为：（）（）（），（）（），（）（）（）根据式（）得到电网时间序列的指数增长规律（）（）变化趋势，并构建一阶方程对其进行求解，此时存在：（）（）（）将此公式转化为离散形式进行推导，则有：，（）（）（）（）（）（），（）（）（）（）（）（），（）（）（）（）（）（）（）则有：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）对上述公式进行整合，得到复合预测模型结构，则有：（）（）（）（）（）（），（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）使用最小二乘法，对上述公式进行求解，得到时间序列初始状态下的电网输出功率。由于此次使用的复合模型具有累加性，可以得到电网功率动态预测模型，则有：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）使用式（）对电网功率进行动态预测估算，并将此计算结果作为后续多接口变换器功率控制的基础。直接控制方法 构建多接口变换器单元电路模型在当前变换器功率控制方法的基础上，构建多 年第 期 工业仪表与自动化装置端口变换器单元拓扑模型，通过此模型对变换器电路的工作状态进行分析，此模型通过公式为：（）将此公式作为基础，计算变换器运行过程中，电路电流的变换量，具体计算公式为：（）（）（）（）（）式中：为稳态运行状态下电流量；为并网状态下电流变换量；为储能单元充放电状态下电流变换量；为线路长度；为虚拟阻抗计算系数；为变换器输入电压值；为变换器输出电压值。使用上述公式，对多接口变换器单元电路的功率变换情况进行分析，确定多接口变换器在电网运行模式转换状态下的功率变换情况。多接口变换器功率控制算法在完成电网功率灰色滚动预测后，使用式（）计算结果与式（）式（）的计算结果进行比对，如出现数据差，使用多接口变换器功率控制器对功率进行调节与补偿。此次研究中设计的控制器以 控制器作为基础，在确定控制器输入量的前提下，通过增加虚拟阻抗的形式，完成功率分配，使控制器输出功率贴近预测功率。根据以往电网运行数据，对电网的虚拟阻抗进行估算，则有：（）式中：为变换器输出端的谐波电压；为电网的谐波电压；为电网的谐波电流。使用式（），在电路中增加虚拟阻抗。如需要在电网中增加阻性输出阻抗，需要对上述公式进行优化与完善。为消除线路阻抗对功率控制的影响效果，根据式（）式（）的计算结果，对变换器的负载比例进行二次计算，此时，阻抗应满足下述条件：（）式中：为等效线性阻抗；为虚拟阻抗。根据多接口变换器的运行特征，为降低电压对功率控制效果的影响，将式（）转换成式（）形式：（）将此计算结果作为基础，构建功率补偿公式，则有：（）式中：为功率调节系数；、分别对应不用电网运行状态而应用式（）后的动态预测结果。将该部分计算内容导入控制器中，使用其控制多接口变换器功率输出。整理上文设计内容，至此，基于灰色滚动预测模型的多接口变换器功率直接控制方法设计完成。实验分析为验证电网正常运行条件下可使用文中提出的控制方法，在 软件搭建基础电网仿真模型，并在对象的实验平台中进行相应的实验，对该文方法的控制效果进行分析。微电网仿真模型此次实验将含有一个储能单元以及公共交流负载的微网仿真模型，具体模型参数如表 所示。表 微电网仿真模型参数项目参数值虚拟阻抗 线路阻抗 公共负载 有功下垂系数 无功下垂系数 基准电压 有功功率给定值 无功功率给定值 交流滤波电感 交流滤波电容 直流滤波电感 直流滤波电容 根据表 中参数绘制微电网仿真模型，具体结构如图 所示。基于图，使用该文方法对此模型中的多接口变换器进行控制，变换器的有功功率发生变化后，其无功功率也会出现等效变化，为降低实验操作难度，此次实验中仅对有功功率进行控制。工业仪表与自动化装置 年第 期图 微电网仿真模型 负载突变条件下变换器控制结果将电网的运行状态设定为离网运行，以此保证输出电压幅值与频率的稳定性。假设此次实验中，控制目标为线路 输出的有功功率为线路 输出有功功率的一半，且线路 输出的无功功率为线路 输出无功功率的一半。在实验前，规定给定目标功率值，并存在：，（）根据此要求，使用该文方法以及当前使用的基础方法（文献方法）对变换器进行控制，统计变换器输出功率并将其绘制如图 所示。图 负载突变条件变换器控制效果 对图 进行分析可以看出，基础方法应用后，变换器输出功率没有按照预定的比例进行分配，且模式切换时间较短，会产生瞬时电流，造成大功率冲击。该文方法使用后，电网模式切换时间较长，电流变化较为缓慢，不易对电网造成影响。与此同时，经过模式变换后的变换器输出功率与预设功率一致，该文方法可有效跟踪给定值。电网运行模式多次变换条件下变换器控制结果为确定该文方法可在较为复杂的环境中实现多端口控制器控制，将电网运行模式设定为稳态运行状态转化为充放电模式后，在此转化为稳态运行状态的运行模式转换过程。此模式转换过程中涉及 组给定功率，具体设定结果如下：（）稳态运行模式 ，（）（）并网处理模式 ，（）（）电网充电模式 ，（）按照上述给定值，使用该文方法以及基础方法对变换器进行控制。功率控制完成后的变换器输出功率如图 所示。图 电网运行模式多次变换条件下变换器控制实验 从图 可以看出，该文方法的功率控制效果优于当前应用的基础方法。该文方法可按照给定功率数值进行精准调控，避免电网出现功率激增造成的故障。与此同时，对控制时间进行分析可以看出，该文方法的控制过程较为舒缓，降低了电网电流电压 年第 期 工业仪表与自动化装置波动的概率，进一步保证了电网运行的稳定性。与该文方法相比，基础方法输出功率与给定功率值相差较大，可见此方法的控制性能较差。电网运行模式变化时间电流、电压稳定性分析为进一步确定该文方法与基础方法的应用差异，对电网模式切换时刻变换器输出电流与电压的波形进行对比，对比结果如图 所示。图 电网运行模式变化时间电流、电压波形 对图 进行分析可以看出，使用该文方法后，电网运行模式的切换并未对电流与电压造成影响，电网整体运行较为稳定。与该文方法相比，基础方法应用后，电压与电流的波形发生变化，电网的运行稳定性遭到威胁，且进一步提升了电网的故障发生概率。综合上述实验结果可以确定，该文方法的控制能力与应用效果优于基础方法。结语针对当前多接口变换器功率控制方法在日常应用中出现的问题，该文提出了基于灰色滚动预测模型的多接口变换器功率直接控制方法。该控制方法中增加了电网功率预测环节，以此降低电网状态变换对变换器功率控制效果的影响。该文仅对所提方法进行了小规模测定，需要进一步确定该方法的科学性与有效性，以实现推广应用。参考文献：杨向真，孔令浩，杜燕，等 基于动态矩阵控制的 变换器电流应力与回流功率优化方法 电力系统自动化，（）：王旭，孟润泉，韩肖清，等 基于改进 法 熵权法的交直流母线接口变换器综合性能评估 电网与清洁能源，（）：张国政，申君歌 基于多周期时间序列的灰色预测模型及其应用 统计与决策，（）：赵多，贾燕冰，任春光，等 基于双向接口变换器的混合微电网交直流母线电压统一控制策略 电网技术，（）：缪燕子，王志铭，李守军，等 基于背景值和结构相容性改进的多维灰色预测模型 自动化学报，（）：陈亚爱，赵军伟，周京华，等 基于柔性变电站的双向 变换器关键控制技术综述 电气传动，（）：翁志坚，邱晨杰，邱福祥，等 基于马尔科夫优化的灰色 （，）沉降预测模型及应用 科学技术与工程，（）：孟润泉，高晗，魏明，等 电流畸变时 双向功率变换器的控制策略 太阳能学报，（）：蔡钧 一种真双极交直流混合微网接口变换器 电力电子技术，（）：刘飞，沈煜，黄文慧，等 分频风电汇集系统的九边形变换器及三端口功率控制研究 中国电机工程学报，（）：何圣仲，代东雷 开关变换器数字双功率控制技术 电机与控制学报，（）：罗欢，许建平，何大印，等 临界连续导通模式 功率因数校正变换器的工频调节控制方法 电机与控制学报，（）：王上行，贾学翠，王立华，等 混合储能系统的功率变换器电流预测控制方法 电力建设，（）：王建华，查怡婷，王雪，等 基于核和灰度的灰色马尔可夫预测模型及应用 系统工程与电子技术，（）：杨国华，颜艳，杨慧中（，）灰色预测模型的改进与应用 南京理工大学学报，（）：工业仪表与自动化装置 年第 期