[发明专利]基于模型预测控制的储能系统二次调节策略

说明书

本发明公开了一种基于模型预测控制的储能系统二次调节策略。现有的频率、电压二次调节方案通常采用PI控制，在负荷波动时，频率无法稳定在基准频率值，且频率和电压的瞬态响应较慢。本发明采用的技术方案为：首先，推导储能系统的逆变器及其控制环节的状态空间模型，其次，建立角频率和电压的预测模型；然后经滚动优化和反馈校正，获得角频率和电压的控制变量，最后将角频率和电压的控制变量分别添加到有功功率/角频率，和无功功率/电压下垂控制上，实现频率恢复至基准值，和无功功率的精确比例分配。本发明具有较快的频率、电压瞬态响应，控制精度高，实用性强。

技术领域

本发明属于分布式发电与微电网技术领域，具体地说是一种基于模型预测控制的储能系统二次调压、调频策略。

背景技术

微电网由储能系统、柴油发电机等分布式电源(distributed generator，DG)、功率变换器、负载等设备构成，通过与大电网的交互补充可缓解接入电网时造成的冲击。微电网处于孤岛模式时，通常由多台DG并联运行为负荷提供功率，具有“即插即用”特性的下垂控制是最常用的控制方式。传统的P-f下垂特性在负荷变化时无法将频率稳定在额定值，且低压微电网中的线路阻抗通常呈阻性或阻感性，使传统的Q-V下垂控制无法实现无功功率按比例分配，且各输出电压均偏离电压基准值。

为提高无功功率的分配精度，某些学者提出在逆变器输出端引入虚拟阻抗，改变输出阻抗特性，提高逆变器的功率分配精度，但虚拟阻抗不能解决输出线路不同对系统均流的影响，因此也有学者采用二次调节策略，在频率和电压的参考值上分别添加二次调节优化量，实现频率恢复至额定值，和无功功率按额定容量比例分配；但传统的二次调节策略均采用PI控制，影响了频率和电压在负荷波动时的瞬态特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于模型预测控制的储能系统二次调节策略，以实现对储能系统电压和频率的优化控制。

为此，本发明采用如下的技术方案：基于模型预测控制的储能系统二次调节策略，其包括：

推导逆变器及其控制环节的状态空间模型，建立角频率和电压的预测模型；

根据期望值分别得到角频率和电压的优化目标函数，通过对优化目标函数滚动优化，获得使该函数取极小值时的多个控制增量，结合上一采样时刻的初始预测值求得输出预测值，与实际测量值反馈校正后获得修正后的输出预测值，作为下一时刻的初始预测值；同时取即时控制增量构成控制变量，作为调节角频率和电压的二次调节量。

由于PI控制器仅能利用过去和当前的测量值，采用基于PI控制的二次调节策略，对接入微电网中作为分布式电源的储能装置进行频率和电压调节时，瞬态特性易受影响。研究分析发现，模型预测控制(MPC)在考虑受控对象相关约束的条件下，不仅利用当前和过去的测量值，还利用预测模型对未来信息进行预测，通过滚动优化调整控制变量，并对预测输出进行反馈校正，将输出维持在期望值。

本发明利用模型预测控制(MPC)对未来过程信息能够预测，和对期望值进行准确跟踪的特性，通过推导储能系统的逆变器及其控制环节的状态空间模型，建立角频率和电压的预测模型，经滚动优化和反馈校正，获得角频率和电压的控制变量，作为有功功率/角频率，和无功功率/电压下垂特性的二次调节优化量，实现频率恢复至基准值，和无功功率的精确比例分配。通过与PI控制的二次调节策略对比发现，本发明基于MPC的二次调节策略在负荷波动时，具有更快的频率和电压瞬态响应特性，在负荷波动时，始终将频率维持在频率基准值，并大大减小各输出电压与基准电压的偏差，同时实现无功功率按额定容量比例精确分配。

作为上述技术方案的补充，所述角频率和电压的预测模型的构建步骤，包括：