本发明公开了一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法，步骤如下：步骤S1，构造开关状态Si；S2，获取输出电压Uj与开关状态Si的表达式；S3，构造功率二次预测模型；S4，计算直流侧分离电容电压差值的预测值；S5，构造价值函数g；S6，初始化；S7，采集电网电压和输出电流；S8，计算当前开关状态下输出电压Uj；S9，计算第一次功率预测值；S10，计算第二次功率预测值；S11，计算价值函数g；S12，比较价值函数g与比较变量m的大小，并将最小值赋值给比较变量m；S13，判断并输出。本发明通过对输出功率进行两步预测，超前计算出最优电压矢量，对算法延时进行有效补偿，减小延时对系统性能产生的影响。加入延时补偿后，当采样频率较高时，本发明能够显著减小功率波动和降低并网电流谐波畸变。
1.一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法，其特征在于，步骤如下：
步骤S1，构造双向交直流储能变换器故障模型的开关状态Si；
其中，i为交流电网的相，且i∈(a,b,c)；i相故障，有Si＝1/2；
S2，获取αβ两相静止坐标下双向交直流储能变换器的输出电压Uj与开关状态Si的表达式；
其中，uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；uan为双向交直流储能变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流储能变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流储能变换器的c相输出电压；Udc为直流侧的电容电压，Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值，且Sa、Sb和Sc中有且仅有一个为1/2；
S3，构造双向交直流储能变换器与输出电压矢量Uj有关的功率二次预测模型；
式中，P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；iα(k+1)为tk+1时刻双向交直流储能变换器输出电流的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻双向交直流储能变换器输出电流的β分量；uα(k+1)为tk+1时刻双向交直流储能变换器输出电压的α分量；uβ(k+1)为tk+1时刻双向交直流储能变换器输出电压的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；Ts为采样频率；L为电感；R为电阻；
S4，计算直流侧分离电容电压差值的预测值；具体为：
其中，ΔV(k+2)为tk+2时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；ΔV(k)为tk时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；C表示电容容量；Ts为采样频率；ia(k)为tk时刻双向交直流储能变换器的a相输出电流；ia(k+1)为双向交直流储能变换器的a相输出电流tk+1时刻预测值；ib(k)为tk时刻双向交直流储能变换器的b相输出电流；ib(k+1)为双向交直流储能变换器的b相输出电流tk+1时刻预测值；ic(k)为tk时刻双向交直流储能变换器的c相输出电流；ic(k+1)为双向交直流储能变换器的c相输出电流tk+1时刻预测值；
g＝|pref-P(k+2)|+|qref-Q(k+2)|+λΔV(k+2) (16)；
其中，pref为有功功率参考值，qref为无功功率参考值，λ为权重系数；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；ΔV(k+2)为tk+2时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；
S6，初始化，给定价值函数g的比较变量m，并给比较变量m和开关状态Si赋初值；
S7，采集电网电压ea、eb、ec，进行Clark变换得到电网电压的α分量eα和β分量eβ；采集双向交直流储能变换器的输出电流ia、ib、ic并进行Clark变换得到双向AC/DC变换器输出电流的α分量iα和β分量iβ；
S8，结合步骤S2和S7计算当前开关状态下的双向交直流储能变换器的输出电压Uj；
S9，结合步骤S3和步骤S8计算双向交直流储能变换器的第一次功率预测值；
S10，结合步骤S3、步骤S8和步骤S9计算双向交直流储能变换器的第二次功率预测值；
S12，比较价值函数g与比较变量m的大小，并将最小值赋值给比较变量m；
S13，判断循环次数是否达到设定值，当循环次数小于设定值时，改变开关状态值，重复步骤S7-S12；当循环次数等于设定值时，输出最小价值函数g所对应的输出电压矢量Uj；输出电压矢量Uj所对应的开关状态应用于下一时刻，实现直接功率控制。
2.根据权利要求1所述的一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法，其特征在于：在步骤S2中，具体步骤如下，S2.1，在abc三相静止坐标系下，获取双向交直流储能变换器的输出电压与开关状态Si的计算公式，具体如下：其中，Udc为直流母线电压，uan为双向交直流储能变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流储能变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流储能变换器的c相输出电压；Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值；且Sa、Sb和Sc中有且仅有一个为1/2；
S2.2，对步骤S2.1中的公式2进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下双向交直流储能变换器输出电压Uj与开关状态Si的表达式，具体如下：其中，uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；uan为双向交直流储能变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流储能变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流储能变换器的c相输出电压；Udc为直流侧的电容电压，Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值，且Sa、Sb和Sc中有且仅有一个为1/2。
3.根据权利要求1所述的一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法，其特征在于：在步骤S3中，具体步骤如下，S3.1，根据基尔霍夫定律，得到双向交直流储能变换器在abc三相静止坐标系下的状态方程；
其中，uan为双向交直流储能变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流储能变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流储能变换器的c相输出电压；ia为双向交直流储能变换器的a相输出电流；ib为双向交直流储能变换器的b相输出电流；ic为双向交直流储能变换器的c相输出电流；ea为电网a相电压；eb为电网b相电压；ec为电网c相电压；L为电感；R为电阻；
S3.2，对步骤S3.1中的公式4进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下的状态方程：式中，L为电感；R为电阻；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为双向交直流储能变换器的输出电流的α分量；iβ为双向交直流储能变换器的输出电流的β分量；uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；
S3.3，对步骤S3.2中的公式5进行离散化，得到双向交直流储能变换器在tk+1时刻预测电流：式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k)为tk时刻输出电流的α分量；iβ(k)为tk时刻输出电流的β分量；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；
S3.4，根据电网侧复功率S，得到双向交直流储能变换器的功率计算公式；
式中：“*”表示共轭，eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为输出电流的α分量；iβ为输出电流的β分量；p为有功功率，q为无功功率；
其中，P(k)为tk时刻有功功率预测值；Q(k)为tk时刻无功功率预测值；iα(k)为tk时刻输出电流的α分量；iβ(k)为tk时刻输出电流的β分量；
S3.5，对于三相平衡电网，当采样频率Ts较高时令：
eα(k+1)为tk+1时刻电网电压的α分量；eβ(k+1)为tk+1时刻电网电压的β分量；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；
S3.6，将步骤S3.3中的公式6和步骤S3.5中的公式9代入步骤S3.4的公式8中，得到tk+1时刻双向交直流储能变换器的功率预测模型：式中，P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k)为tk时刻有功功率预测值；Q(k)为tk时刻无功功率预测值；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；iα(k)为tk时刻输出电流的α分量；iβ(k)为tk时刻输出电流的β分量；
S3.7，根据步骤S3.6中的公式10得到tk+2时刻双向交直流储能变换器与输出电压Uj有关的功率预测模型；具体为：其中，uα(k+1)为tk+1时刻输出电压的α分量；uβ(k+1)为tk+1时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量。
4.根据权利要求1所述的一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法，其特征在于：在步骤S4中，具体步骤为，S4.1，根据基尔霍夫定律，得到双向交直流储能变换器直流侧的KCL方程；
其中，C表示电容容量；Vdc2表示C2电压；Vdc1表示C1电压；Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值；
S4.2，根据步骤S4.1得到直流侧电容电压差为：
S4.3，令ΔV＝Vdc2-Vdc1，对公式14进行离散化后得：
其中，ΔV(k+2)为tk+2时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；ΔV(k)为tk时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；C表示电容容量；Ts为采样频率；ia(k+1)为a相tk+1时刻输出电流预测值；ib(k+1)为b相tk+1时刻输出电流预测值；ic(k+1)为c相tk+1时刻输出电流预测值；
ia(k)为a相tk时刻输出电流预测值；ib(k)为b相tk时刻输出电流预测值；ic(k)为c相tk时刻输出电流预测值。
一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于智能电网技术领域，具体涉及一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法。
背景技术
[0002] 高可靠性电能转换系统的故障容错运行能力是电力电子装置投运首要基础问题，也是构建坚强智能电网的前提基础。在储能系统中，双向交直流储能变换器控制着储能电源和交流电网之间的电能双向流动，是连接“网-源”的纽带和关键设备，对储能系统的可靠运行发挥着重要作用。
[0003] 作为储能系统双向电能转换的核心部件，双向变换器的正常工作是整个系统安全稳定运行的基础，一旦出现故障将会造成电源与电网的解列，对电网造成的冲击，威胁局部电网安全稳定运行和重要用户的可靠用电。然而，大功率全控型开关器件应用在高电压、大容量、高功率密度、高频开关状态时，浪涌、尖峰等瞬态过程会影响器件的可靠运行，使得变流器容易出现故障。因此，从提高可靠性角度对双向变换器故障容错机制及控制方法研究具有重要意义。
[0004] 为提高系统故障容错能力，故障后重新配置变换器结构并结合相应的控制策略，以维持系统容错连续运行。文献“容错三相四开关逆变器控制策略，中国电机工程学报，2010”提出基于补偿电压矢量的四开关逆变器SVPWM过调制方法，以提高直流电源电压利用率。文献“变频器故障诊断及容错控制研究综述.电工技术学报，2015”揭示了四开关逆变器SVPWM控制的本质，即以两路相位相差60°的正弦波为隐含调制函数的SPWM控制。文献“三相四开关并联有源电力滤波器的控制方法。电工技术学报，2014”分析了指令电压矢量不能正常合成的原因，并根据不连续脉宽调制控制思想提出了一种不改变整流器拓扑结构的容错控制算法。以上对变换器的故障容错研究是基于SVPWM控制方法，需要进行坐标变换和扇区选择，计算量偏大，算法复杂。
[0005] 对双向交直流储能变换器的故障容错方法研究较少，且已有研究均未分析直流侧电压均衡控制的原理和方法。
发明内容
[0006] 现有变换器故障容错控制是基于SVPWM控制方法，本发明要解决其需要进行坐标变换和扇区选择，计算量偏大，算法复杂且双向交直流储能变换器的故障容错方法研究较少等技术问题，从而提供一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
[0008] 一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法，步骤如下：
[0009] 步骤S1，构造双向交直流储能变换器故障模型的开关状态Si；
[0010]
[0011] 其中，i为交流电网的相，且i∈(a,b,c)；i相故障，有Si＝1/2；
[0012] S2，获取αβ两相静止坐标下双向交直流储能变换器的输出电压Uj与开关状态Si的表达式；
[0013] S2.1，在abc三相静止坐标系下，获取双向交直流储能变换器的输出电压与开关状态Si的计算公式，具体如下：
[0014]
[0015] 其中，Udc为直流母线电压，uan为双向交直流储能变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流储能变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流储能变换器的c相输出电压；Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值；且Sa、Sb和Sc中有且仅有一个为1/2。
[0016] S2.2，对步骤S2.1中的公式2进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下双向交直流储能变换器输出电压Uj与开关状态Si的表达式，具体如下：
[0017]
[0018] 其中，uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；Udc1为直流侧的一个分离电容电压，Udc2为直流侧的另一个分离电容电压，Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值，且Sa、Sb和Sc中有且仅有一个为1/2。
[0019] S3，构造双向交直流储能变换器与输出电压矢量Uj有关的功率二次预测模型；
[0020] S3.1，根据基尔霍夫定律，得到双向交直流储能变换器在abc三相静止坐标系下的状态方程；
[0021]
[0022] 其中，uan为双向交直流储能变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流储能变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流储能变换器的c相输出电压；ia为双向交直流储能变换器的a相输出电流；ib为双向交直流储能变换器的b相输出电流；ic为双向交直流储能变换器的c相输出电流；ea为电网a相电压；eb为电网b相电压；ec为电网c相电压；L为电感；R为电阻。
[0023] S3.2，对步骤S3.1中的公式4进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下的状态方程：
[0024]
[0025] 式中，L为电感；R为电阻；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为双向交直流储能变换器的输出电流的α分量；iβ为双向交直流储能变换器的输出电流的β分量；uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量。
[0026] S3.3，对步骤S3.2中的公式5进行离散化，得到双向交直流储能变换器在tk+1时刻预测电流：
[0027]
[0028] 式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k)为tk时刻输出电流的α分量；iβ(k)为tk时刻输出电流的β分量；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率。
[0029] S3.4，根据电网侧复功率S，得到双向交直流储能变换器的功率计算公式；
[0030] 电网侧复功率S计算公式如下：
[0031]
[0032] 式中：“*”表示共轭，eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为输出电流的α分量；iβ为输出电流的β分量；p为有功功率，q为无功功率。
[0033] 由公式7得到功率计算公式，具体为，
[0034]
[0035] 其中，P(k)为tk时刻有功功率预测值；Q(k)为tk时刻无功功率预测值；
[0036] S3.5，对于三相平衡电网，当采样频率Ts较高时令：
[0037]
[0038] S3.6，将步骤S3.3中的公式6和步骤S3.5中的公式9代入步骤S3.4的公式8中，得到tk+1时刻双向交直流储能变换器的功率预测模型：
[0039]
[0040] 式中，P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k)为tk时刻有功功率预测值；Q(k)为tk时刻无功功率预测值；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率。
[0041] S3.7，根据步骤S3.5中的公式10得到tk+2时刻双向交直流储能变换器与输出电压Uj有关的功率预测模型；具体为：
[0042]
[0043] 其中，uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；
[0044] S4，计算直流侧分离电容电压差值的预测值；
[0045] S4.1，根据基尔霍夫定律，得到双向交直流储能变换器直流侧的KCL方程；
[0046]
[0047] 其中，C表示为电容容量；Vdc2表示C2电压；Vdc1表示C1电压；Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值，且Sa、Sb和Sc中有且仅有一个为1/2。
[0048] S4.2，根据步骤S4.1得到直流侧电容电压差为：
[0049]
[0050] S4.3，令ΔV＝Vdc2-Vdc1，对公式14进行离散化后得：
[0051]
[0052] 其中，ΔV(k+2)为tk+2时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；ΔV(k)为tk时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；C为电容容量；Ts为采样频率；
[0053] S5，构造价值函数g；
[0054] g＝|pref-P(k+2)|+|qref-Q(k+2)|+λΔV(k+2) (16)；
[0055] 其中，pref为有功功率参考值，qref为无功功率参考值，λ为权重系数；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；ΔV(k+2)为tk+2时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；
[0056] S6，初始化，给定价值函数g的比较变量m，并给比较变量m和开关状态Si赋初值；
[0057] S7，采集电网电压ea、eb、ec，进行Clark变换得到电网电压的α分量eα和β分量eβ；采集双向交直流储能变换器的输出电流ia、ib、ic并进行Clark变换得到双向AC/DC变换器输出电流的α分量iα和β分量iβ；
[0058] S8，结合步骤S2和S7计算当前开关状态下的双向交直流储能变换器的输出电压Uj；
[0059] S9，结合步骤S3和步骤S8计算双向交直流储能变换器的第一次功率预测值；
[0060] S10，结合步骤S3、步骤S8和步骤S9计算双向交直流储能变换器的第二次功率预测值；
[0061] S11，结合步骤S5和步骤S10计算价值函数g；
[0062] S12，比较价值函数g与比较变量m的大小，并将最小值赋值给比较变量m；
[0063] S13，判断循环次数是否达到设定值，当循环次数小于设定值时，改变开关状态值，重复步骤S7-S12；当循环次数等于设定值时，输出最小价值函数g所对应的输出电压矢量Uj；输出电压矢量Uj所对应的开关状态应用于下一时刻，实现直接功率控制。
[0064] 本发明通过对输出功率进行两步预测，超前计算出最优电压矢量，对算法延时进行有效补偿，减小延时对系统性能产生的影响。加入延时补偿后，当采样频率较高时，本发明控制策略能够显著减小功率波动和降低并网电流谐波畸变。
[0065] 且本发明具有良好的自适应性和鲁棒性，且不需要内环电流控制和PWM调制，控制方案容易实现，且输出功率波形平稳，能够容错连续运行。本发明采用模型预测直接功率控制方法，通过改变给定有功功率的数值即可实现双向AC/DC变换器在逆变和整流模式之间柔性“无缝”切换，同时使用该控制方法能够直接输出控制信号，无须对PWM进行调制，易于实现。
附图说明
[0066] 图1为本发明双向AC/DC变换器故障容错结构示意图。
[0067] 图2为图1中a相故障对应的双向AC/DC变换器三相四开关容错结构示意图。
[0068] 图3为本发明模型预测直接功率控制结构系统示意图。
[0069] 图4为理想状态下不存在延时，算法执行过程。
[0070] 图5为存在延时，但不进行延时补偿的算法执行过程.
[0071] 图6为系统进行延时补偿后的算法计算过程。
具体实施方式
[0072] 如图3所示，一种双向交直流储能变换器故障容错均压控制方法，步骤如下：
[0073] 步骤S1，构造双向交直流储能变换器故障模型的开关状态Si；
[0074]
[0075] 其中，i为交流电网的相，且i∈(a,b,c)；i相故障，有Si＝1/2；
[0076] S2，获取αβ两相静止坐标下双向交直流储能变换器的输出电压Uj与开关状态Si的表达式；
[0077] S2.1，在abc三相静止坐标系下，获取双向交直流储能变换器的输出电压与开关状态Si的计算公式，具体如下：
[0078]
[0079] 其中，Udc为直流母线电压，uan为双向交直流储能变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流储能变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流储能变换器的c相输出电压；Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值；且Sa、Sb和Sc中有且仅有一个为1/2。
[0080] S2.2，对步骤S2.1中的公式2进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下双向交直流储能变换器输出电压Uj与开关状态Si的表达式，具体如下：
[0081]
[0082] 其中，uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；Udc1为直流侧的一个分离电容电压，Udc2为直流侧的另一个分离电容电压，Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值，且Sa、Sb和Sc中有且仅有一个为1/2。
[0083] S3，构造双向交直流储能变换器与输出电压矢量Uj有关的功率二次预测模型；
[0084] S3.1，根据基尔霍夫定律，得到双向交直流储能变换器在abc三相静止坐标系下的状态方程；
[0085]
[0086] 其中，uan为双向交直流储能变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流储能变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流储能变换器的c相输出电压；ia为双向交直流储能变换器的a相输出电流；ib为双向交直流储能变换器的b相输出电流；ic为双向交直流储能变换器的c相输出电流；ea为电网a相电压；eb为电网b相电压；ec为电网c相电压；L为电感；R为电阻。
[0087] S3.2，对步骤S3.1中的公式4进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下的状态方程：
[0088]
[0089] 式中，L为电感；R为电阻；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为双向交直流储能变换器的输出电流的α分量；iβ为双向交直流储能变换器的输出电流的β分量；uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量。
[0090] S3.3，对步骤S3.2中的公式5进行离散化，得到双向交直流储能变换器在tk+1时刻预测电流：
[0091]
[0092] 式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k)为tk时刻输出电流的α分量；iβ(k)为tk时刻输出电流的β分量；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率。
[0093] S3.4，根据电网侧复功率S，得到双向交直流储能变换器的功率计算公式；
[0094] 电网侧复功率S计算公式如下：
[0095]
[0096] 式中：“*”表示共轭，eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为输出电流的α分量；iβ为输出电流的β分量；p为有功功率，q为无功功率。
[0097] 由公式7得到功率计算公式，具体为，
[0098]
[0099] 其中，P(k)为tk时刻有功功率预测值；Q(k)为tk时刻无功功率预测值；
[0100] S3.5，对于三相平衡电网，当采样频率Ts较高时令：
[0101]
[0102] S3.6，将步骤S3.3中的公式6和步骤S3.5中的公式9代入步骤S3.4的公式8中，得到tk+1时刻双向交直流储能变换器的功率预测模型：
[0103]
[0104] 式中，P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k)为tk时刻有功功率预测值；Q(k)为tk时刻无功功率预测值；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率。
[0105] S3.7，根据步骤S3.5中的公式10得到tk+2时刻双向交直流储能变换器与输出电压Uj有关的功率预测模型；具体为：
[0106]
[0107] 其中，uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；
[0108] S4，计算直流侧分离电容电压差值的预测值；
[0109] S4.1，根据基尔霍夫定律，得到双向交直流储能变换器直流侧的KCL方程；
[0110]
[0111] 其中，C表示电容电压；Vdc2表示C2电压；Vdc1表示C1电压；Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值，且Sa、Sb和Sc中有且仅有一个为1/2。
[0112] S4.2，根据步骤S4.1得到直流侧电容电压差为：
[0113]
[0114] S4.3，令ΔV＝Vdc2-Vdc1，对公式14进行离散化后得：
[0115]
[0116] 其中，ΔV(k+2)为tk+2时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；ΔV(k)为tk时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；C为电容容量；Ts为采样频率；
[0117] S5，构造价值函数g；
[0118] g＝|pref-P(k+2)|+|qref-Q(k+2)|+λΔV(k+2) (16)；
[0119] 其中，pref为有功功率参考值，qref为无功功率参考值，λ为权重系数；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；ΔV(k+2)为tk+2时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；
[0120] S6，初始化，给定价值函数g的比较变量m，并给比较变量m和开关状态Si赋初值；
[0121] S7，采集电网电压ea、eb、ec，进行Clark变换得到电网电压的α分量eα和β分量eβ；采集双向交直流储能变换器的输出电流ia、ib、ic并进行Clark变换得到双向交直流储能变换器输出电流的α分量iα和β分量iβ；
[0122] S8，结合步骤S2和S7计算当前开关状态下的双向交直流储能变换器的输出电压Uj；
[0123] S9，结合步骤S3和步骤S8计算双向交直流储能变换器的第一次功率预测值；
[0124] S10，结合步骤S3、步骤S8和步骤S9计算双向交直流储能变换器的第二次功率预测值；
[0125] S11，结合步骤S5和步骤S10计算价值函数g；
[0126] S12，比较价值函数g与比较变量m的大小，并将最小值赋值给比较变量m；
[0127] S13，判断循环次数是否达到设定值，当循环次数小于设定值时，改变开关状态值，重复步骤S7-S12；当循环次数等于设定值时，输出最小价值函数g所对应的输出电压矢量Uj；输出电压矢量Uj所对应的开关状态应用于下一时刻，实现直接功率控制。
[0128] 下面以一个事例具体说明。
[0129] 双向交直流储能变换器容错结构如图1所示，通过使用3支双向晶闸管作为连接开关，使三相与串联电容中点相连。正常工作时，双向晶闸管处于断开状态。当某一桥臂，如a相桥臂，发生短路或开路故障时，断开与该桥臂相连的快速熔断器(F1，F2)，并触发相应的双向晶闸管TRa导通，实现容错连续工作。重构后的三相四开关变换器如图2。
[0130] 定义三相四开关双向交直流储能变换器的开关状态Si(i＝b,c)如下：
[0131]
[0132] 则输出电压与开关状态的关系为：
[0133]
[0134] 式中：Udc1，Udc2分别为直流侧分离电容电压。
[0135] 定义电压空间矢量U为：
[0136]
[0137] 式中：a＝ej2π/3。
[0138] Uα、Uβ两相静止坐标下变换器输出电压与开关状态可以经过clark变换得到[0139]
[0140] 根据坐标变换得到两相静止坐标系的电压分量Uα和Uβ，与开关状态的关系如表1。表1
[0141]
[0142] 图2为a相桥臂故障后重新构建的双向储能变换器结构，通过滤波电感L、线路电阻R与电网相连，直流侧由一对电容值相等的电容器C1和C2组成。
[0143] 储能变换器电能转换包含整流模式和逆变模式，以逆变模式为例，
[0144] 根据基尔霍夫定律，得到双向交直流储能变换器在abc三相静止坐标系下的状态方程；
[0145]
[0146] 其中，uan为双向交直流储能变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流储能变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流储能变换器的c相输出电压；ia为双向交直流储能变换器的a相输出电流；ib为双向交直流储能变换器的b相输出电流；ic为双向交直流储能变换器的c相输出电流；ea为电网a相电压；eb为电网b相电压；ec为电网c相电压；L为电感；R为电阻。
[0147] 对公式4进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下的状态方程：
[0148]
[0149] 式中，L为电感；R为电阻；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为双向交直流储能变换器的输出电流的α分量；iβ为双向交直流储能变换器的输出电流的β分量；uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量。
[0150] 对公式5进行离散化，得到双向交直流储能变换器在tk+1时刻预测电流：
[0151]
[0152] 式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k)为tk时刻输出电流的α分量；iβ(k)为tk时刻输出电流的β分量；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率。
[0153] 根据电网侧复功率S，得到双向交直流储能变换器的功率计算公式；
[0154] 电网侧复功率S计算公式如下：
[0155]
[0156] 式中：“*”表示共轭，eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为输出电流的α分量；iβ为输出电流的β分量；p为有功功率，q为无功功率。
[0157] 由公式7得到功率计算公式，具体为，
[0158]
[0159] 其中，P(k)为tk时刻有功功率预测值；Q(k)为tk时刻无功功率预测值；
[0160] 对于三相平衡电网，当采样频率Ts较高时令：
[0161]
[0162] 将公式6和公式9代入公式8中，得到tk+1时刻双向交直流储能变换器的功率预测模型：
[0163]
[0164] 式中，P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k)为tk时刻有功功率预测值；Q(k)为tk时刻无功功率预测值；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率。
[0165] 根据公式10得到tk+2时刻双向交直流储能变换器与输出电压Uj有关的功率预测模型；具体为：
[0166]
[0167] 其中，uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；
[0168] a相桥臂发生故障时，Sb、Sc分别为B、C两桥臂开关状态，对图2中直流侧列写KCL方程；
[0169]
[0170] 其中，C表示电容容量；Vdc2表示C2电压；Vdc1表示C1电压；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值。
[0171] 进而得到直流侧电容电压差为：
[0172]
[0173] 令ΔV＝Vdc2-Vdc1，对公式14进行离散化后得：
[0174]
[0175] 其中，ΔV(k+2)为tk+2时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；ΔV(k)为tk时刻直流侧分离电容电压差值的预测值；C为电容容量；Ts为采样频率；
[0176] 故障容错均压控制系统结构如图3。采集电网电压、电流ea、eb、ec、ia、ib、ic、Udc1、Udc2，经过Clark变换得到eα、eβ、iα、iβ，T为隔离变压器。功率预测模型输出功率预测值P(k+2)和Q(k+2)。通过构造的价值函数g评估电压矢量，选择使价值函数最小的开关状态Sb、Sc，应用于tk+1时刻，实现容错均压控制。通过改变功率给定值，切换双向变换器工作在逆变或整流模式。
[0177] 所构造的价值函数g为；
[0178] g＝|pref-P(k+2)|+|qref-Q(k+2)|+λΔV(k+2) (16)；
[0179] 其中，pref为有功功率参考值，qref为无功功率参考值，λ为权重系数；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；ΔV(k+2)为tk+2时刻直流侧分离电容电压差值的预测值。
[0180] 在本发明中，为改善控制系统性能，使用两步预测法对延时进行补偿。图4为理想状态下不存在延时，算法的计算过程。在tk时刻采样后，tk+1时刻计算出的最佳开关状态正好被应用。
[0181] 实际系统中执行算法会产生延时，图5为存在延时，但不进行延时补偿的算法计算过程。在tk时刻采样后，将在t1时间段内继续应用tk时刻的开关状态，直到计算出最佳开关状态后，才会更新PWM控制信号。因此，出现t1时间段延时后，会影响下一时刻的开关状态选择。图6为系统进行延时补偿后的算法计算过程。tk时刻采样并应用当前时刻开关状态，tk+1时刻功率值使用公式10进行估算得到。然后，作为所有开关状态预测的开始，对tk+2时刻的功率进行预测，选出使价值函数最小的开关状态，待下一时刻应用。其中增加了tk+1时刻的功率估算，但每次采样后可以即刻应用开关状态，相较于无延时补偿先采样计算，后运用开关状态的策略，具有更好的控制时效性，较少了应用开关状态的延时。
