CN103762628A - 一种双向变流器对蓄电池充放电的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种双向变流器对蓄电池充放电的控制方法，其双向变流器采用双环控制方法，内环为交流电流环控制，外环为直流环控制。该直流环控制可根据蓄电池充放电状态的不同，选择是直流电压外环控制或直流电流外环控制：当蓄电池处于恒流限压充电和恒流放电时，双向变流器的直流电流外环控制和交流电流内环控制同时工作；当蓄电池处于恒压限流充电和浮充恒压充电时，双向变流器的直流电压外环控制和交流电流内环控制同时工作；所述的直流电压外环控制和直流电流外环控制采用平滑切换方法；同时双向变流器对蓄电池采用四段式智能充电控制及恒流放电控制策略。

Description

一种双向变流器对蓄电池充放电的控制方法

技术领域

本发明涉及一种双向变流器对蓄电池充放电的控制方法。

背景技术

基于分布式发电的微网***是由各种微源、储能装置、负荷、保护和监控装置等组成的小型电网，微网的能源输入形式多种多样，由于太阳能、风能等一些可再生能源具有显著的间歇性和随机性的特点，且负荷也是随机变化的，分布式储能环节成为支持微网自主运行和作为可控单元联网运行不可缺少的重要组成部分，主要起到平抑***扰动、维持供需平衡及支撑孤岛运行时电压/频率稳定的作用。

双向变流器主要功能和作用是实现交流电网电能与储能电池电能之间的能量双向传递，可以适配多种直流储能单元，如超级电容器组、蓄电池组、飞轮电池等，其不仅可以快速有效地实现平抑分布式发电***随机电能或潮流的波动，提高电网对大规模可再生能源发电（风能、光伏）的接纳能力，且可以接受调度指令，吸纳或补充电网的峰谷电能，及提供无功功率，以提高电网的供电质量和经济效益。

目前，双向变流器大多采用全控器件以实现能量双向流动、功率因数可调、减少电流谐波的目的。然而，四象限运行的双向变流器配合蓄电池用于微电网时，有多种运行状态需要灵活平滑切换，例如：恒压充电、恒流充电、恒功率放电、无功支撑等。迫切需要一种统一的控制方法以实现上述功能。

CN 102055368 A《100KVA微网储能双向变流器》，给出了100KVA微网储能双向变流器作为产品整体的结构和特性，提出了并网四段式自动充电(预充、快充、均充、浮充)，但是没有给出详细的充放电各个状态间平滑切换的控制方法。CN 102694388 A《一种双向变流器控制装置》，采用直流电压外环、直流电流中间环以及交流电流内环的串行结构，实现整流、逆变双向变流统一控制，但是控制时三个环同时工作，增加了控制和调试难度，而且响应速度比较慢，不利于保证蓄电池充放电的稳压和稳流精度。CN 101621212 A《蓄电池充电控制方法》给出了一种蓄电池充电控制方法，采用输出电压和输出电流两个独立的闭环，交替控制充电装置的输出，虽然提高了输出电压和电流的精度，但是也没有具体给出恒压、恒流状态的平滑切换控制，同时未对蓄电池放电的控制进行相关介绍。

发明内容

本发明的目的是克服现有双向变流器对蓄电池充放电的控制时，各个状态间不能平滑切换，且控制策略复杂的缺点，提出一种适用于双向变流器对蓄电池充放电的双环控制方法。本发明根据蓄电池充、放电状态的不同，采用直流电压外环和直流电流外环的平滑切换方法，能够灵活切换充、放电状态，无冲击。

本发明的技术方案如下：

本发明双向变流器对蓄电池充放电的控制方法，采用一种双环控制方法，内环为交流电流环控制，外环为直流环控制。该直流环控制方法可根据蓄电池充放电状态的不同，双向变流器选择直流电压外环控制或直流电流外环控制。当蓄电池处于恒流充电状态和恒流放电状态时，双向变流器的直流电流外环控制和交流电流内环控制同时工作。当蓄电池处于恒压限流充电状态时，双向变流器的直流电压外环控制和交流电流内环控制同时工作。同时，本发明的双向变流器对蓄电池采用四段式智能充电控制，当蓄电池电压较低时，先用一个较小的电流值对蓄电池进行充电，即涓流充电控制；当蓄电池电压逐渐建立后，再转为恒流充电，同时限制蓄电池电压不超过恒压充电电压阈值，即恒流限压充电；当蓄电池电压达到恒压控制值时，转为恒压充电，同时限制恒压充电时直流电流值，即恒压限流控制；当直流电流低于浮充电流值时，转为浮充恒压充电控制；蓄电池放电时，双向变流器采用恒流放电控制策略。双向变流器通过采用直流电压外环和直流电流外环控制平滑切换的方法，能够灵活切换蓄电池的充、放电状态，无冲击，使蓄电池充、放电控制达到最优，延长了蓄电池的寿命。

本发明的具体控制方法如下：

当蓄电池处于恒流充电状态和恒流放电状态时，双向变流器的直流电流外环控制和交流电流内环控制同时工作。为了防止直流母线电流波动，将双向变流器的直流电流传感器采集到直流电流进行巴特沃斯低通滤波处理，保证电流环控制稳定，进而提高稳流精度。然后再进行电流闭环运算，将直流电流环的输出作为交流电流内环的给定。

当蓄电池处于恒压限流充电状态时，双向变流器的直流电压外环控制和交流电流内环控制同时工作。为了防止直流母线电压波动，将双向变流器直流电压传感器采集到直流电压进行滤波处理，保证电压环控制稳定，进而提高稳压精度。然后再进行电压闭环运算，将直流电压环的输出作为交流电流内环的给定。

所述的双向变流器对蓄电池的四段式智能充电控制，包括涓流充电控制、恒流充电控制、恒压充电控制和浮充恒压充电控制，蓄电池放电时双向变流器采用恒流放电控制策略。控制过程中包含了蓄电池的几种充、放电状态：涓流充电状态、恒流限压充电状态、恒压限流充电状态、浮充恒压充电状态、恒流放电状态、过放电状态。

当双向变流器给蓄电池充电时，自动根据直流母线电压和直流电流值，对当前蓄电池处于何种充电状态进行判定，待充电状态确定后，进行相应的电压或电流的给定。

首先判定蓄电池的当前电压是否满足涓流充电条件，即直流母线电压小于电池电压阈值一，电池电压阈值一由蓄电池本身特性决定，此时蓄电池端电压较低，如满足涓流充电条件，则双向变流器控制蓄电池进入涓流充电状态；如果蓄电池的当前电压不满足涓流充电条件，则双向变流器进入蓄电池恒流限压充电的判定。

当蓄电池的当前电压满足恒流限压充电条件时，即直流母线电压高于电池电压阈值一且低于电池电压阈值二，电池电压阈值二也由蓄电池本身特性决定，所述的电池电压阈值二高于电池电压阈值一，为蓄电池恒压充电的最优控制电压，所述的双向变流器控制蓄电池进入恒流限压充电状态，给定相应的电流给定或有功功率值，并进行恒压限幅。如果蓄电池的当前电压不满足恒流限压充电条件时，则双向变流器进入蓄电池恒压限流充电的判定。在恒流充电判定条件中，除了直流电压阈值判定外，还要结合当前蓄电池的状态，满足涓流充电或恒流放电时，才可以进入恒流充电阶状态，这样能避免因直流母线电压波动带来相邻状态间频繁切换，尤其是恒压充电向恒流充电的状态频繁切换问题。

当蓄电池的当前电压满足恒压限流充电条件时，即直流母线电压高于电池电压阈值二，则双向变流器控制蓄电池进入恒压限流充电状态，给定相应的电压给定值，并进行恒流限幅；如果蓄电池的当前电压不满足恒压限流充电条件，则双向变流器进入蓄电池浮充恒压充电的判定。在恒压充电判定条件中，除了直流电压阈值判定外，也要受直流电流的限制，保证直流电流同时满足大于蓄电池浮充电流值，避免因为直流电流波动频繁进入浮充恒压充电状态。

当蓄电池的当前电压满足浮充恒压充电条件时，即直流电流低于蓄电池浮充电流值，浮充电流值根据蓄电池电池特性确定，一般为蓄电池额定容量的0.005倍，则双向变流器控制蓄电池进入浮充恒压充电状态；充电一定时间后，充电过程结束，表明蓄电池已充满，等待下一控制指令。在恒压充电时限制直流侧电压输出电压，不能超过蓄电池的充电截止电压。

双向变流器给蓄电池放电时，采用恒流放电控制策略，给定相应的电流给定或有功功率给定值，进行恒流控制。

放电时，保证蓄电池电压不低于放电截止电压。双向变流器实时检测直流母线电压，当直流母线电压略高于放电截止电压时，放电截止电压由蓄电池本身特性决定，则双向变流器会先做告警处理，并将告警状态传给上层监控***，上层监控***是双向变流器的上层功率调度***，与双向变流器间可进行各种信息的交互，可向双向变流器下发控制指令，也可获得双向变流器的运行状态信息，表明放电基本完成，若一段时间后，上层监控发出停止放电指令，则变流器停止放电；若仍未得到上层监控***的停止放电指令，直流母线电压值等于放电截止电压时，双向变流器退出放电逆变状态，以免引起过放，有效保护蓄电池的寿命。

本发明所述的直流电压外环控制和直流电流外环控制的平滑切换方法主要分为两种情况：

一种是从直流电压环控制到直流电流环控制的切换：当蓄电池处于恒压充电状态或浮充恒压充电状态，需要过渡到恒流充电状态时，将双向变流器当前直流电压外环的输出，也即交流电流内环的给定，进行巴特沃斯低通滤波处理，再与电网d轴电压做乘积，根据功率守恒原理，将上述结果除以当前直流母线电压值，计算出直流电流外环的直流电流给定值，作为切换后直流电流外环的给定输入。这样，当切换至直流电流外环时，保证电流给定平滑切换。

另一种是从直流电流环控制到直流电压环控制的切换：当蓄电池处于恒流充电状态过渡到恒压充电状态时，将双向变流器当前的直流母线电压进行巴特沃斯低通滤波后，作为直流电压环的直流电压给定值，同时初始化电压外环的状态，即将直流电压的误差值初始化为交流内环有功d轴电流给定值。这样，当切换至直流电压外环时，保证电压给定平滑切换。

本发明所述的低通滤波器为巴特沃兹低通滤波器，截止频率的选择以可以滤除变流器的开关频率附近纹波为目标。

附图说明

图1本发明双环控制整体框图；

图2蓄电池充放电控制策略流程图；

图3蓄电池充放电状态双环控制切换示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明双环控制方法具体如下：

蓄电池电压和充、放电电流分别由双向变流器直流侧的电压传感器和电流传感器测得。所测得的蓄电池电压和充、放电电流分别经过直流电压低通滤波器101和直流电流低通滤波器102滤波处理。交流三相电压、三相电流采集的是变压器低压侧的电压、电流值，即双向变流器一侧的电压、电流值。三相低压侧电网电压经过三相静止到两相旋转坐标变换，得到dq轴电压u_d和u_q的值，并经过电网锁相处理，得到电网角度θ，用于参与SVPWM矢量控制。三相电流也经过三相静止到两相旋转坐标变换，得到dq轴电流i_d和i_q的值，作为充、放电有功电流和无功电流的反馈。

所述的双向变流器采用双环控制方式，内环控制为交流电流环控制，外环控制为直流环控制，该直流环控制可根据蓄电池充放电状态的不同，选择直流电流外环控制或者直流电压外环控制。这两种直流控制方式的切换由模式选择开关105实现。

当蓄电池处于恒压充电状态时，双向变流器的直流电压外环控制和交流电流内环控制同时工作。直流电压PI调节器的输入为直流电压给定值

与直流侧电压v_dc的差值，该差值用于交流侧电流的控制，计算得出交流电流内环d轴电流给定值

作为交流电流内环的给定。其中直流电压给定值

在进入外环PI调节器前，需要进行限幅和斜坡加载处理；直流电压采样值需要进行巴特沃斯一阶低通滤波处理，滤除直流电压中的高频纹波成分。

当蓄电池处于恒流充电或恒流放电状态时，双向变流器的直流电流外环控制和交流电流内环控制同时工作。直流电流PI调节器的输入为直流电流给定值与直流侧电流i_dc的差值，该差值用于交流侧电流的控制。计算得出交流电流内环d轴电流给定值

作为交流电流内环的给定。其中直流电流给定值

即充放电电流给定，在进入外环PI调节器前，需要进行限幅和斜坡加载处理；直流电流采样值i_dc，即充、放电实际电流值也需要进行一阶低通滤波处理，滤除直流电流中的高频纹波成分。

由上述得到的交流电流内环d轴电流给定值

结合交流电流内环q轴电流给定值

该值可以由上层监控***得到，经过有功、无功限幅后，才能作为电流内环的给定，再结合实际的dq轴电流值，经过交流电流内环PI调节器，得到dq轴电压值v_d′、v_q′，结合dq轴电压u_d、u_q，电流解耦控制运算，输出控制量v_d、v_q，经过两相旋转到三相静止坐标反变换，得到控制量u_ar、u_br、u_cr，然后经过SVPWM调制，得到双向变流器主电路IGBT开关的PWM控制信号，驱动其实现双向变流器对蓄电池进行充、放电控制。

当蓄电池充电状态向放电状态的过渡时，双向变流器需要进行直流电压环控制向直流电流环控制的平滑切换控制103；当蓄电池由恒流充电到恒压充电状态及放电状态向充电状态过渡时，双向变流器需要进行直流电流环控制向直流电压环控制的平滑切换控制104。

直流电压外环控制切换至直流电流外环控制103的详细逻辑为：将当前直流电压外环控制的输出，也即交流电流内环的给定，进行一阶低通滤波处理，滤除高频纹波成分，与电网d轴电压做乘积后，根据功率守恒原理，除以当前直流母线电压值，计算出直流电流外环所用的直流电流给定值，作为切换后直流电流环的给定输入。这样，当所述的双向变流器切换至直流电流环控制工作时，保证电流给定平滑切换。

直流电流外环控制切换至直流电压外环控制104的详细逻辑为：将当前的直流母线电压进行一阶滤波后，作为直流电压环所用的直流电压给定值，同时初始化电压外环的状态，即将直流电压的误差值初始化为交流内环有功d轴电流给定值。这样，当所述的双向变流器切换至直流电压环工作时，保证电压给定平滑切换。

详细的蓄电池充放电控制策略如图2所示。如图2所示，针对蓄电池智能四段式充电及恒流放电控制策略，控制过程中包含了蓄电池的几种充、放电状态：涓流充电状态、恒流限压充电状态、恒压限流充电状态、浮充恒压充电状态、恒流放电状态、过放电状态。

当双向变流器给蓄电池充电时，自动根据直流母线电压和直流电流值，对当前蓄电池处于何种充电状态进行判定，待充电状态确定后，进行相应的电压或电流的给定。

首先判定蓄电池的当前电压是否满足涓流充电条件，即直流母线电压小于电池电压阈值一，如满足蓄电池涓流充电条件，则双向变流器控制蓄电池进入涓流充电状态；如果蓄电池的当前电压不满足涓流充电阶段条件，则双向变流器进入蓄电池恒流限压充电的判定。

当蓄电池的当前电压满足恒流限压充电条件时，即直流母线电压高于电池电压阈值一且低于电池电压阈值二，所述的电池电压阈值二高于电池电压阈值一，则双向变流器控制蓄电池进入恒流限压充电状态，给定相应的电流给定或有功功率给定值，并进行恒压限幅；如果蓄电池的当前电压不满足恒流限压充电条件时，则双向变流器进入蓄电池恒压限流充电的判定。在恒流充电判定条件中，除了直流电压阈值判定外，还要结合当前蓄电池的状态，当蓄电池满足涓流充电或恒流放电时，才可以进入恒流充电状态，这样能避免因直流电压波动带来相邻状态间频繁切换，尤其是恒压充电向恒流充电的状态频繁切换问题。

当蓄电池的当前电压满足恒压限流充电条件时，即直流母线电压高于电池电压阈值二，则双向变流器控制蓄电池进入恒压限流充电状态，给定相应的电压给定值，并进行恒流限幅；如果蓄电池的当前电压不满足恒压限流充电条件，则双向变流器进入蓄电池浮充恒压充电的判定。在蓄电池恒压充电判定条件中，除了直流电压阈值判定外，也要受直流电流的限制，保证直流电流同时大于蓄电池浮充电流值，避免因为直流电流波动频繁进入浮充恒压充电状态。当蓄电池的当前电压满足浮充恒压充电条件时，即直流电流低于浮充电流值，浮充电流值根据蓄电池电池特性确定，一般为蓄电池额定容量的0.005倍，则双向变流器控制蓄电池进入浮充恒压充电状态；蓄电池充电一定时间后，充电过程结束，表明蓄电池已充满，等待下一控制指令。在蓄电池恒压充电时限制直流侧电压输出电压不能超过蓄电池的充电截止电压。

双向变流器给蓄电池放电时，采用恒流放电控制策略，给定相应的电流给定或有功功率给定值，进行恒流控制。

放电时，保证蓄电池电压不低于放电截止电压。双向变流器实时检测直流母线电压，当直流母线电压略高于放电截止电压时，该放电截止电压的阈值可灵活设定，则双向变流器会先做告警处理，并将告警状态传给上层监控***，表明放电基本完成。若一段时间后，上层监控发出停止放电指令，则变流器停止放电；若仍未得到上层监控***的停止放电指令，直流母线电压值等于放电截止电压时，双向变流器退出放电逆变状态，以免引起过放，有效保护蓄电池的寿命。

图3是蓄电池充放电状态双环控制切换示意图。

蓄电池充放电的几种状态间的过渡如图3所示，针对不同的充放电状态，双向变流器采用不同的双环控制方式。当直流电压环控制向直流电流环控制切换时，启用电压环切换电流环控制策略；当直流电流环控制向直流电流环控制切换时，启用电流环切换电压环控制策略，最后统一经过交流电流内环，整个过程实现了蓄电池的充放电控制。

直流电压环控制到直流电流环控制的切换控制具体方法是：当蓄电池处于恒压充电状态或浮充恒压充电状态，需要过渡到恒流充电状态时，将双向变流器当前直流电压外环的输出，也即交流电流内环的给定，进行巴特沃斯低通滤波处理，再与电网d轴电压做乘积，根据功率守恒原理，将上述结果除以当前直流母线电压值，计算出直流电流外环的直流电流给定值，作为切换后直流电流外环的给定输入。这样，当切换至直流电流外环控制时，保证电流给定平滑切换。

直流电流环控制到直流电压环控制切换的具体方法是：当蓄电池处于恒流充电状态过渡到恒压充电状态时，将双向变流器当前的直流母线电压进行巴特沃斯低通滤波后，作为直流电压环的直流电压给定值，同时初始化电压外环的状态，即将直流电压的误差值初始化为交流内环有功d轴电流给定值。这样，当切换至直流电压外环控制时，保证电压给定平滑切换。

Claims (5)

1.一种双向变流器对蓄电池充放电的控制方法，其特征是所述的对蓄电池充放电的控制方法为双向变流器采用双环控制方法，内环为交流电流环控制，外环为直流环控制；所述的直流环控制方法根据蓄电池充放电状态的不同，双向变流器选择直流电压外环控制或直流电流外环控制：当蓄电池处于恒流限压充电状态和恒流放电状态时，双向变流器的直流电流外环控制和交流电流内环控制同时工作；当蓄电池处于恒压限流充电状态时，双向变流器的直流电压外环控制和交流电流内环控制同时工作；所述的直流电压外环控制和直流电流外环控制采用平滑切换方法；同时双向变流器对蓄电池采用四段式智能充电控制及恒流放电控制策略。 

2.根据权利要求1所述的双向变流器对蓄电池充放电的控制方法，其特征是所述的双向变流器从直流电压外环控制切换到直流电流外环控制方法（103）的逻辑为：将当前直流电压外环的输出，也即交流电流内环的给定，进行滤波处理，与电网d轴电压做乘积后，根据功率守恒原理，再除以当前直流母线电压值，计算出直流电流外环所用的直流电流给定值，作为切换后直流电流环的给定输入，使得所述的双向变流器切换至直流电流环控制工作时，电流给定平滑切换；所述的双向变流器从直流电流外环控制切换到直流电压外环控制方法（104）的逻辑为：将当前的直流母线电压进行滤波后，作为直流电压环所用的直流电压给定值，同时初始化电压外环的状态，即将直流电压的误差值初始化为交流内环有功d轴电流给定值，使得当所述的双向变流器切换至直流电压环工作时，电压给定平滑切换。 

3.根据权利要求2所述的双向变流器对蓄电池充放电的控制方法，其特征是对直流电压外环输出的滤波及对直流母线电压的滤波使用巴特沃兹低通滤波器。 

4.根据权利要求1所述的双向变流器对蓄电池充放电的控制方法，其特征是所述的双向变流器对蓄电池采用四段式智能充电控制策略为涓流充电控制、恒流充电控制、恒压充电控制，以及浮充恒压充电控制： 

双向变流器给蓄电池充电时，根据直流母线电压和直流电流判定蓄电池所处的充电状态，待充电状态确定后，进行电压、电流或功率的给定； 

首先判定蓄电池的当前电压是否满足涓流充电条件，即直流母线电压低于蓄电池电压阈值一，如满足涓流充电条件，所述的双向变流器控制蓄电池进入涓流充电状态；如果不满足涓流充电条件，则所述的双向变流器进入蓄电池恒流限压充电的判定； 

当蓄电池的当前电压满足恒流限压充电条件时，即直流母线电压高于电池电压阈值一且 低于蓄电池电压阈值二，所述的电池电压阈值二高于电池电压阈值一，所述的双向变流器控制蓄电池进入恒流限压充电状态，给定相应的电流给定或有功功率值，并进行恒压限幅；如果蓄电池的当前电压不满足恒流限压充电条件，所述的双向变流器进入蓄电池恒压限流充电的判定；在恒流限压充电判定条件中，除了判定直流母线电压阈值外，还要结合当前蓄电池状态，即蓄电池处于涓流充电或恒流放电时，才能够进入恒流充电状态； 

当蓄电池的当前电压满足恒压限流充电条件时，即直流母线电压高于蓄电池电压阈值二，所述的双向变流器控制蓄电池进入恒压限流充电阶段，给定相应的电压给定值，并进行恒流限幅；如果蓄电池的当前电压不满足恒压限流充电条件，则所述的双向变流器进入蓄电池浮充恒压充电的判定；在蓄电池恒压充电判定条件中，除了判定直流母线电压阈值外，还要保证直流电流同时大于蓄电池浮充电流值； 

当蓄电池的当前电压满足浮充恒压充电条件时，即直流母线电压高于电池电压阈值二且直流电流低于浮充电流值，则所述的双向变流器控制蓄电池进入浮充恒压充电阶段；充电过程结束，表明蓄电池已充满，等待下一指令；在恒压充电阶段限制双向变流器直流侧电压输出电压不能超过蓄电池的充电截止电压。 

5.根据权利要求1所述的双向变流器对蓄电池充放电的控制方法，其特征是所述的双向变流器对蓄电池放电时，给定相应的电流给定或有功功率给定值，进行恒流放电控制： 

放电时实时检测蓄电池电压，当蓄电池电压略高于放电截止电压时，则双向变流器先做告警处理，并将告警状态传给上层监控***，表明放电基本完成，若一段时间后，上层监控发出停止放电指令，则双向变流器停止放电；若仍未得到上层监控***的停止放电指令，直流母线电压值等于放电截止电压时，双向变流器退出放电逆变状态。 

Images