CN102969730A - 一种双级链式储能变流器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双级链式储能变流器控制方法，该方法通过控制双级链式变流器中间直流电容C的电压纹波来缓冲储能***与电网交换的100Hz波动功率，同时维持电容C电压平均值恒定；前级双向DC/DC变流器通过控制直流电容C的电压，来平滑电池电流的二次脉动，从而平滑电池的充放电功率；而链式储能变流器用做储能电池组与电网的接口，实现高压直接并网，并完成功率调度。本发明所述的控制方法针对所述的双级链式储能变流器拓扑结构简单，控制目标明确，能够明显改善电池的充放电功率，增加电池的寿命，提高链式储能***的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种双级链式储能变流器控制方法。
背景技术
电池储能动态响应快，可以平滑功率波动，增强***可调度性，改善电网静、动态特性。此外，由于储能***还能够运行在STATCOM模式，可以在必要时给电网提供无功功率支持。
链式拓扑作为储能变流器，可以直接接入高压电网。链式储能变流器作为储能变流器有多种具体拓扑：储能蓄电池组直接接入链式变流器各H桥直流侧，其拓扑如图1所示，这种拓扑使得储能蓄电池需要直接承受链式储能变流器各相与电网交换的100Hz波动功率，即电池的充放电电流为100Hz脉动电流；如图2所示，从而对储能蓄电池的寿命造成负面影响。而若想要平滑电池所承受的波动功率，则需要增大直流侧电容C，且效果并不理想。
一种双级链式电池储能变流器，其拓扑如图3所示，其主要特征即在储能电池组及H桥模块中间加入了一个双向DC/DC变流器。在普通的控制策略下，将通过调整占空比来控制直流侧电容C的电压为恒定值，其功能仅将电池的低压转换为恒定的高压，此时电池侧的充放电电流依然为100Hz的脉动电流，则此时双级链式电池储能变流器并不能改善电池的充放电特性。
经检索发现，金一丁等人在《电力自动化设备》2011年3月底31卷第3期发表的文章“大容量链式电池储能***及其充放电均衡控制”一文中，为实现高母线电压、大容量的城网储能.结合链式DC/AC变流器拓扑及多重化双向DC/DC变流技术，提出一种适合于大容量、多储能模块的电池储能***结构，该储能***可以不通过升压变压器直接接入10kV以上电压等级母线，并可在较低开关频率下达到良好的输出谐波特性；***中每个串联单元的直流电压可在电池组端电压的基础上进一步提高，并允许多组电池并联接入，针对三角接链式***提出了三级电池充放电均衡策略。该文章中用此拓扑的目的，一是减小电池侧的电压，一是可以并联多组电池，从而提高整体的容量。其控制策略为上面所述的普通控制策略，并不能改善电池的充放电特性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双级链式储能变流器控制方法，该方法通过控制双级链式储能变流器中间直流电容C的电压纹波来缓冲储能***与电网交换的波动功率，达到缓冲电池储能***充放电功率的目的。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种双级链式储能变流器控制方法，所述双级链式储能变流器电路拓扑包括储能电池组、双向DC/DC变流器、中间直流电容C、链式变流器和联网滤波电抗器Ls。其中储能电池组经双向DC/DC变流器接入链式变流器各H桥的中间直流电容C，链式变流器经联网滤波电抗器Ls接入高压电网；所述双级链式储能变流器控制方法通过所述双向DC/DC变流器控制中间直流电容C的电压纹波来缓冲储能***与电网交换的波动功率，在不影响链式变流器正常工作的前提下，允许直流电容C在设定范围内按给定指令进行波动，从而避免储能电池功率的波动，同时维持中间直流电容C电压平均值恒定。
优选地，所述DC/DC变流器采用双环控制，采用电感电流反馈内环控制和中间直流电压反馈外环控制，在储能***充电、放电时控制中间电容电压平均值恒定；链式变流器根据电网调度命令采用电流解耦控制，按调度命令向吸收、发出相应的有功功率、无功功率。
优选地，所述双级链式储能变流器控制方法中，允许中间直流电容C的电压有100Hz波动。
优选地，所述中间直流电容C的电压由所述双向DC/DC变流器来直接控制，通过控制所述中间直流电容C的电压，使所述中间直流电容C电压产生100Hz的波动，从而使得所述双向DC/DC变流器所连接的电池承受的波动功率变小，同时维持所述中间直流电容C的电压平均值恒定。
优选地，所述DC/DC变流器采用双环控制，采用电感电流反馈内环控制和中间直流电压反馈外环控制，在储能***充电、放电时控制所述中间直流电容C电压平均值恒定；链式变流器根据电网调度命令采用电流解耦控制，按调度命令向吸收、发出相应的有功功率、无功功率。
更优选地，所述双级链式储能变流器中的前级DC/DC变流器外环电压反馈采用低通滤波器得到中间电容电压的平均值，外环电压控制器给出的内环电流给定为100Hz纹波，所述DC/DC变流器将控制电感电流无100Hz纹波，即电池电流无100Hz纹波，此时所述链式变流器与电网交换的功率为二次脉动的，即所述中间直流电容C所储存的能量有100Hz波动，反映为所述中间直流电容C电压的100Hz波动。
更优选地，所述双级链式储能变流器的前级DC/DC变流器外环电压反馈采用直接反馈，设计外环电压控制器的截止频率小于100Hz，即不对中间直流电容C电压的100Hz电压纹波进行控制，外环电压控制器给出的内环电流给定为100Hz纹波，则所述DC/DC变流器将控制电感电流无100Hz纹波，即电池电流无100Hz纹波，由于所述链式变流器与电网交换的功率为二次脉动的，即所述中间直流电容C所储存的能量有100Hz波动，反映为所述中间直流电容C的电压的100Hz波动。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提出的一种双级链式储能变流器控制方法，能够在不影响链式变流器正常工作的前提下，允许直流电容C在一定范围内按给定指令进行波动，从而避免储能电池功率的波动，达到缓冲电池储能***充放电功率的目的。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有的链式储能变流器电路拓扑；
图2为稳态时各H桥逆变器的工作波形；
图3为双级链式储能变流器电路拓扑；
图4为带双向buck/boost的双级链式变流器；
图5为第一种控制方法框图；
图6为第二种控制方法框图；
图7为稳态时双向buck/boost变流器的工作波形。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图3，一种双级链式储能变流器电路拓扑，该电路拓扑包括储能电池组、双向DC/DC变流器、中间直流电容C、链式变流器和联网滤波电抗器Ls。其中：所述储能电池组经所述双向DC/DC变流器接入所述链式变流器各H桥的所述中间直流电容C，所述链式变流器经所述联网滤波电抗器Ls接入高压电网（3.3kV，6.6kV，10kV）。
所述双向DC/DC变流器采用双环控制，采用电感电流反馈内环控制和中间直流电压反馈外环控制，在储能***充电、放电时控制中间电容电压平均值恒定；链式变流器根据电网调度命令采用电流解耦控制，按调度命令向吸收、发出相应的有功功率、无功功率。
所述双级链式储能变流器控制方法通过控制中间直流电容C的电压纹波来缓冲链式变流器与电网交换的100Hz波动功率，避免储能电池功率的波动，同时维持中间直流电容C电压平均值恒定。
所述双级链式储能变流器控制方法的具体实现有两种方法，如图4以双向buck/boost电路和链式变流器组成的双级式链式变流器的控制为例进行说明。
如图5所示是第一种控制方法：双级链式储能变流器中的前级DC/DC变流器外环电压反馈uc经过低通滤波器得到中间电容电压的平均值
直流电压参考值与
之差经过外环电压控制器，给出的内环电流参考值。此后电流参考值与电池电流ibat再经过电流环产生点空比。由于电流参考值已无100Hz纹波，因此DC/DC变流器将控制电感电流恒定，即电池电流无100Hz纹波。此时由于链式变流器与电网交换的功率为二次脉动的，即中间直流电容所储存的能量有100Hz波动，反映为中间电容电压的100Hz波动。
如图6所示是第二种控制方法：双级链式储能变流器的前级DC/DC变流器外环电压反馈采用直接反馈，直流电压参考值与uc之差经过外环电压控制器，给出的内环电流参考值。此时设计外环电压控制器的截止频率小于100Hz，即不对中间电容电压的100Hz电压纹波进行控制，外环电压控制器给出的内环电流参考无100Hz纹波。此后电流参考值与电池电流ibat再经过电流环产生点空比。由于电流参考值已无100Hz纹波，因此DC/DC变流器将控制电感电流无100Hz纹波，即电池电流无100Hz纹波。此时由于链式变流器与电网交换的功率为二次脉动，即中间直流电容C所储存的能量有100Hz波动，反映为中间电容电压的100Hz波动。
参照图7，电池放电时双向DC/DC变流器的工作波形，流过电池的电流ibat为恒定值，双向DC/DC变流器输出电容电压v2有100Hz的电压纹波，从H桥的中间直流电容C流向电网电流的低频分量idc为100Hz的正弦平方的形式。
本发明与传统链式变流器的控制策略以及图3所示拓扑的普通控制策略相比，能够在不影响链式变流器正常工作的前提下，允许直流电容C在一定范围内按给定指令进行波动，从而达到缓冲电池储能***充放电功率的目的。如上述实施例允许中间直流侧电容的电压有100Hz波动，从而避免储能电池功率的波动。链式储能变流器用做储能电池组与电网的接口，实现高压直接并网，并完成功率调度。
本发明所述的双级链式储能变流器控制方法针对所述的双级链式储能变流器拓扑，结构简单，控制目标明确，能够明显改善电池的充放电功率，增加电池的寿命，提高链式储能***的可靠性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种双级链式储能变流器控制方法，所述双级链式储能变流器电路拓扑包括:储能电池组、双向DC/DC变流器、中间直流电容（C）、链式变流器和联网滤波电抗器（Ls），其中所述储能电池组经所述双向DC/DC变流器接入链式变流器各H桥的所述中间直流电容（C），所述链式变流器经所述联网滤波电抗器（Ls）接入高压电网；其特征在于，通过所述双向DC/DC变流器控制中间直流电容（C）的电压纹波来缓冲储能***与电网交换的波动功率，在不影响链式变流器正常工作的前提下，允许直流电容（C）在设定范围内按给定指令进行波动，从而避免储能电池功率的波动，同时维持中间直流电容（C）电压平均值恒定。
2.根据权利要求1所述的双级链式储能变流器控制方法，其特征在于，所述方法中允许中间直流电容（C）的电压有100Hz波动。
3.根据权利要求2所述的双级链式储能变流器控制方法，其特征在于，所述中间直流电容（C）的电压由所述双向DC/DC变流器来直接控制，通过控制所述中间直流电容（C）的电压，使所述中间直流电容（C）电压产生100Hz的波动，从而使得所述双向DC/DC变流器所连接的电池承受的波动功率变小，同时维持所述中间直流电容（C）的电压平均值恒定。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双级链式储能变流器控制方法，其特征在于，所述DC/DC变流器采用双环控制，采用电感电流反馈内环控制或中间直流电压反馈外环控制，在储能***充电、放电时控制所述中间直流电容（C）电压平均值恒定；链式变流器根据电网调度命令采用电流解耦控制，按调度命令向吸收、发出相应的有功功率、无功功率。
5.根据权利要求4所述的双级链式储能变流器控制方法，其特征在于，所述双级链式储能变流器中的前级DC/DC变流器外环电压反馈采用低通滤波器得到中间电容电压的平均值，外环电压控制器给出的内环电流给定为100Hz纹波，所述DC/DC变流器将控制电感电流无100Hz纹波，即电池电流无100Hz纹波，此时所述链式变流器与电网交换的功率为二次脉动的，即所述中间直流电容（C）所储存的能量有100Hz波动，反映为所述中间直流电容（C）电压的100Hz波动。
6.根据权利要求4所述的双级链式储能变流器控制方法，其特征在于，所述双级链式储能变流器的前级DC/DC变流器外环电压反馈采用直接反馈，设计外环电压控制器的截止频率小于100Hz，即不对中间直流电容（C）电压的100Hz电压纹波进行控制，外环电压控制器给出的内环电流给定为100Hz纹波，则所述DC/DC变流器将控制电感电流无100Hz纹波，即电池电流无100Hz纹波，由于所述链式变流器与电网交换的功率为二次脉动的，即所述中间直流电容（C）所储存的能量有100Hz波动，反映为所述中间直流电容（C）的电压的100Hz波动。
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Application publication date: 20130313 Assignee: Shanghai Zhonglv New Energy Technology Co.,Ltd. Assignor: SHANGHAI JIAO TONG University Contract record no.: X2024980003752 Denomination of invention: A control method for a two-stage chain energy storage inverter Granted publication date: 20151209 License type: Common License Record date: 20240401 |