CN110943469A - 一种单级式储能变流器及其控制方法 - Google Patents

一种单级式储能变流器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带隔离变压器的单级式储能变流器，包括：三相支路，每一相支路的交流端与交流电网连接，直流端与蓄电池连接；每一相支路的结构包括：自交流电网端到直流蓄电池端，依次串联连接隔离变压器、交流滤波器、交流软启动回路、滤波电路、桥式逆变电路、直流母线电容、直流滤波器和直流软启动回路；三相支路直流母线电容输出端的正极通过直流接触器进行连接；三相支路直流母线电容输出端的负极通过直流接触器进行连接。本发明有益效果：能够提高储能变流器的电网适用性，实现电网不平衡时储能变流器稳定可靠工作。

Description

一种单级式储能变流器及其控制方法
技术领域
本发明涉及储能变流器技术领域，尤其涉及一种单级式储能变流器及其控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着微电网储能的发展，储能变流器的应用场合以及电网适用性，越来越受到人们的关注。现有的储能变流器大多采用三相半桥式结构，在功率开关管耐压满足要求的情况下，三相半桥式结构仅采用六个功率开关管，每个桥臂仅两个开关管，任意两相之间存在耦合，导致三相电网不平衡时，其控制性能将恶化，甚至发生故障。
三相半桥式结构决定了单级式储能变流器只能有一个直流输出端，不能满足不同电压等级电池在同一台储能变流器上的连接工作，不能实现电池的梯次利用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种单级式储能变流器及其控制方法，采用三相全桥式结构，解决电网不平衡时的工作问题，同时更改硬件结构，增加功能控制，实现直流输出端可以连接不同电压等级的电池，减少为适用不同电池对储能变流器的投入成本。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种带隔离变压器的单级式储能变流器，包括：三相支路，每一相支路的交流端与交流电网连接，直流端与蓄电池连接；每一相支路的结构包括：自交流电网端到直流蓄电池端，依次串联连接隔离变压器、交流滤波器、交流软启动回路、滤波电路、桥式逆变电路、直流母线电容、直流滤波器和直流软启动回路；
所述三相支路直流母线电容输出端的正极通过直流接触器进行连接；所述三相支路直流母线电容输出端的负极通过直流接触器进行连接。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种无隔离变压器的单级式储能变流器，包括：三相支路，每一相支路的交流端与交流电网连接，直流端与蓄电池连接；每一相支路的结构包括：自交流电网端到直流蓄电池端，依次串联连接交流滤波器、交流软启动回路、滤波电路、桥式逆变电路、直流母线电容、直流滤波器和直流软启动回路；
所述三相支路直流母线电容输出端的正极通过直流接触器进行连接；所述三相支路直流母线电容输出端的负极通过直流接触器进行连接。
通过控制直流接触器的通断，实现单级式储能变流器连接不同电压等级的电池能够正常工作，减小为适用不同电池对储能变流器的投入成本。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种单级式储能变流器的控制方法，包括：
三相支路的直流端连接不同型号及电压等级的蓄电池时，断开三相支路直流母线电容输出端之间的连接；
软启动阶段完成后，对于每一相支路，分别采集交流电压、电感电流、直流母线电压和直流电流的值；设定直流电压给定值和电流给定值；
根据采集到的值，经过运算后得到驱动该相支路桥式逆变电路开关管通断的驱动信号；
控制桥式逆变电路输出的交流正弦波形与电网电压间的幅值差和相位角，得到与电网电压同相位的电流波形，实现对蓄电池的充电。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种单级式储能变流器的控制方法，包括：
三相支路的直流端连接相同型号及电压等级的蓄电池时，将三相支路直流母线电容输出端相连；设定三相支路的直流电压给定值和充电电流给定值分别相同；
软启动阶段完成后，对于每一相支路，分别采集交流电压、电感电流、直流母线电压和直流电流的值；
根据采集到的值和设定的值，经过运算后得到驱动该相支路桥式逆变电路开关管通断的驱动信号；
控制桥式逆变电路输出的交流正弦波形与电网电压间的相位角，得到与电网电压同相位的电流波形，实现对蓄电池的充电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
提出了基于双二阶广义积分和虚拟滞后处理技术的储能变流器控制方法，研制了相应的储能变流器，解决了单相数字坐标变换及锁相问题，解决了储能变流器的在供电适应性问题，提高了不同供电方式和电网电压不平衡状态下储能变流器的可靠性。
提出了双向交直流转换控制方法，构建了三相分立运行电路拓扑架构，解决了同一台储能变流器对不同电压等级电池的充放电问题，提高了储能变流器的应用范围。将三相支路直流母线电容输出端的正极和负极分别通过直流接触器进行连接，通过控制直流接触器的通断，实现单级式储能变流器连接不同电压等级的电池能够正常工作，减小为适用不同电池对储能变流器的投入成本。
通过简单的改变单级式储能变流器的接线方式，即可实现三相四线制到三相三线制供电方式的转变，同一台机器可以适用不同的电网供电方式。
附图说明
图1为本发明实施例一中带隔离变压器单级式储能变流器的电路结构拓扑图；
图2为本发明实施例一中无隔离变压器单级式储能变流器的电路结构拓扑图；
图3为本发明实施例一中单级式储能变流器的控制框图；
图4为本发明实施例一中单级式储能变流器的锁相环框图；
图5为本发明实施例一中单级式储能变流器的坐标变换框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施例中，公开了一种带隔离变压器单级式储能变流器，如图1所示，单级式储能变流器每相单独连接变压器隔离，将交流电直接变换为直流电为电池充电，同时实现电池放电并网，单级式储能变流器能够实现直流输出电压的调节以及电流的调节功能。单级式储能变流器交流端与交流电网A、B、C、N连接，直流端有三组连接端子，每组端子可以实现与电池连接；交流端连接有交流防雷器，对单级式储能变流器起到防雷保护作用。
以A相电路结构为例，变压器T1起到隔离及变压作用；交流滤波器滤除交流EMC干扰；交流软启动回路由主交流接触器、辅助交流接触器及软启动电阻组成，实现上电时对后级直流母线电容的缓慢充电作用，避免上电瞬间产生大电流对单级式储能变流器及电网的冲击；LC滤波回路由交流滤波电感及滤波电容组成，将桥式逆变电路产生的SPWM波的高频成份滤除，得到光滑的交流波形；桥式逆变电路由IGBT组成，IGBT连接直流母线电容，同时IGBT桥式逆变电路的每个桥臂都接有吸收电容，吸收电容对IGBT桥式逆变电路动作时产生的高频尖峰进行吸收，起到保护IGBT的作用，直流母线电容起到直流电压的支撑及滤波作用，IGBT桥式逆变电路将直流电压波形逆变为高频SPWM电压波形；直流滤波器滤除直流EMC干扰；直流软启动回路由主直流接触器、辅助直流接触器及软启动电阻组成，避免上电瞬间产生大电流对单级式储能变流器及电池的冲击。
B、C两相的电路结构及器件参数与A相完全相同，不再重复叙述。
A、B、C三相的直流母线电容输出端通过直流接触器进行连接，正极与负极分别单独进行连接，通过控制直流接触器的通断可以实现三相直流母线电容输出端连接在一起或者完全分开，当直流接触器闭合后，三相直流母线电容的正极连接在一起，直流母线电容的负极连接在一起，这时三相的DC+及DC-端只能连接同一种电压等级的电池，当直流接触器断开后，三相直流相互独立，这时三相的DC+及DC-端可以分别连接不同电压等级的电池，实现同一台储能变流器对不同电压等级电池的适用性。
在另一些实施方式中，在图1所示的连接方式上，更改电网与变压器的连接关系，可以方便的实现三相三线式供电，将图1所示的单级式储能变流器变压器原边首尾依次连接，即将变压器原边连接成三角形连接关系，能够实现三相三线式供电，简单的改变单级式储能变流器的接线方式，即可实现三相四线制到三相三线制供电方式的转变，同一台机器可以适用不同的电网供电方式。
其它电路连接关系和图1所述连接关系相同，这里不再重复叙述。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种无隔离变压器单级式储能变流器，参照图2所示，将单级式储能变流器每一相交流滤波器的一端同时连接到N，每一相交流滤波器的另一端分别连接到电网A、B、C，即可实现无变压器隔离的单级式储能变流器，其它电路连接关系和实施例一中所述的连接关系相同，这里不再重复叙述。
在另一些实施方式中，在图2所示的连接方式上，更改电网与交流滤波器的连接关系，可以方便的实现三相三线式供电，将图2所示的单级式储能变流器交流滤波器首尾依次连接，即将滤波器连接成三角形连接关系，即可实现三相三线式供电，其它电路连接关系和图2所述连接关系相同，这里不再重复叙述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种单级式储能变流器的控制方法，参照图3，包括：
以A相控制过程为例，储能变流器通过交流滤波器及变压器T1与电网连接，直流侧DC1+及DC1-接电池的正负极，同时DC2+及DC2-，DC3+及DC3-连接的电池型号及电压等级与DC1+及DC1-连接的电池型号及电压等级不同。
因三相直流输出端连接不同型号及电压等级的电池，储能变流器上电时，首先保证Kdc1及Kdc2断开，保证直流母线分别独立，三相单独对电池的充放电电压及电流进行控制；
然后进入软启动阶段，辅助交流接触器K2闭合，软启动电阻R1进行限流，通过桥式逆变电路Q1、Q2、Q3、Q4的反并联二极管整流后对直流母线电容C4进行充电，同时直流软启动回路的辅助直流接触器K4闭合，软启动电阻R2进行限流，对直流母线电容C4进行充电；
按照储能变流器功能及性能参数，要求电池电压大于三相不控整流得到的直流电压；在辅助接触器闭合充电5s后，软启动完成，交流主接触器K1闭合，直流主接触器K3闭合，同时交流辅助接触器K2及直流辅助接触器K4断开。
控制回路对A相交流电压采样得到Ua，对电感电流L1进行采样得到iL，对直流母线电压采样得到Udc，对直流电流进行采样得到Idc；采样得到的电网电压Ua经过图5所示的dq坐标变换后得到Ud、Uq，采样得到的电感电流iL经过图5所示的dq坐标变换后得到Id、Iq；Ua经过图4所示的PLL锁相环，得到电网电压相位θ，所有坐标变换均在电网相位θ下进行运算。
电池充电过程中，设定直流电压给定值Udcref的数值，设定充电电流给定值Idcref的数值，Udcref与直流电压采样值Udc进行负反馈运算，得到误差值UdcErr，UdcErr送入直流电压环PI控制器进行PI运算，得到PI运算结果UdcPI；Idcref与直流电流采样值Idc进行负反馈运算，得到误差值IdcErr，IdcErr送入直流电流环PI控制器进行PI运算，得到PI运算结果IdcPI；
UdcPI与IdcPI经过最小值运算后得到d轴电流环电流给定值Idref，Iqref在充电时设定为零，Idref与id进行负反馈运算得到IdErr，IdErr送入d轴电流环PI控制器进行PI运算得到IdPI；
Iqref与iq进行负反馈运算得到IqErr，IqErr送入q轴电流环PI控制器进行PI运算得到IqPI，Ud与Uq分别减去IdPI与IqPI后，分别除以母线电压采样值Udc进行归一化，将归一化后的值送入SPWM驱动波形产生电路，产生的四路SPWM驱动信号分别驱动Q1、Q2、Q3、Q4的开通与关断，Q1、Q2、Q3、Q4的开通与关断过程中在电路杂散电感中产生的尖峰电压，通过吸收电容C2、C3进行吸收，避免IGBT过压损坏，电容C4的直流电压通过Q1、Q2、Q3、Q4的开通与关断，在Q1与Q2连接端及Q3与Q4连接端产生高频SPWM电压波形，高频SPWM电压波形经过L1、L2与C1组成的滤波回路滤波后得到平滑的交流正弦波形，控制SPWM产生的正弦波形与电网电压间的幅值差和相位角，从而得到与电网电压同相位的电流波形iL，储能变流器从电网吸收能量，实现对电池的充电。
其中上述所有PI控制器均带有限幅功能，d轴电流环PI控制器与q轴电流环PI控制器具有相同的控制参数。
电池放电时需要设置母线电压给定值Udcref的数值小于电池额定电压，给定值Udcref与反馈值Udc永远无法达到平衡即输出误差UdcErr始终不能等于零，这样直流电压环PI控制器的输出值始终为限幅的上限数值，经过取最小值运算模块后，放电电流的大小将由放电电流给定值Idcref决定；Idcref仅需要设置为负值即可实现电池的放电功能；电池放电时Iqref设定为零；其它控制过程与上述充电过程相同，这里不再重复叙述。
上述充放电过程中，三相直流输出端DC1+及DC1-、DC2+及DC2-、DC3+及DC3-分别连接不同型号及电压等级的电池，A、B、C三相直流电压给定值Udcref及电流给定值Idcref需要根据电池参数设置不同的值，B相C相其它控制过程与上述过程相同，这里不再重复叙述。
在另外一些实施方式中，当三相直流输出端DC1+及DC1-、DC2+及DC2-、DC3+及DC3-连接相同型号及电压等级的电池时，储能变流器上电后，首先保证Kdc1及Kdc2闭合，保证直流母线互相连接，A、B、C三相的直流电压给定值Udcref及电流给定值Idcref应设置相同的数值，其它充放电控制过程与上述控制过程相同，这里不再重复叙述。
其它与电网连接关系的控制过程与上述控制过程相同，这里不再重复叙述。
图4所示为本发明单级式储能变流器的锁相环框图，输入信号u经过双二阶广义积分器后得到u′和qu′，对应的传递函数公式如下
Figure BDA0002323789730000061
Figure BDA0002323789730000062
输入信号u经过双二阶广义积分器运算后得到与u同相位的u′以及滞后u信号90°的qu′，将上述两个信号分别送入αβ/dq变换得到u_q信号，通过对u_q信号进行PI运算后，加上前馈信号ωf，再经过一个积分器后，将得到的积分结果对2π进行取余运算，取余后得到角度θ，同时再把θ送入αβ/dq变换中形成负反馈，当αβ/dq变换得到的u_q信号为零后，θ的数值即为锁相后的信号u的角度，其中αβ/dq变换公式如下
Figure BDA0002323789730000063
图5所示为本发明实施例单级式储能变流器的坐标变换框图，本坐标变换实现单相信号的dq坐标变换，使用双二阶广义积分器产生两路正交的信号，然后根据αβ/dq变换公式，实现dq轴变量的输出，其实现过程与图4类似，这里不再重复叙述。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种带隔离变压器的单级式储能变流器，包括：三相支路，每一相支路的交流端与交流电网连接，直流端与蓄电池连接；其特征在于，每一相支路的结构包括：自交流电网端到直流蓄电池端，依次串联连接隔离变压器、交流滤波器、交流软启动回路、滤波电路、桥式逆变电路、直流母线电容、直流滤波器和直流软启动回路；
所述三相支路直流母线电容输出端的正极通过直流接触器进行连接；所述三相支路直流母线电容输出端的负极通过直流接触器进行连接。
2.如权利要求1所述的一种带隔离变压器的单级式储能变流器，其特征在于，将三相支路的隔离变压器的原边首尾相连，将变压器原边连接成三角形连接关系，能够实现三相三线式供电。
3.如权利要求1所述的一种带隔离变压器的单级式储能变流器，其特征在于，所述交流软启动回路包括：主交流接触器，与主交流接触器并联连接的、由辅助交流接触器和软启动电阻组成的串联支路。
4.如权利要求1所述的一种带隔离变压器的单级式储能变流器，其特征在于，所述直流软启动回路包括：主直流接触器，与主直流接触器并联连接的、由辅助直流接触器和软启动电阻组成的串联支路。
5.一种无隔离变压器的单级式储能变流器，包括：三相支路，每一相支路的交流端与交流电网连接，直流端与蓄电池连接；其特征在于，每一相支路的结构包括：自交流电网端到直流蓄电池端，依次串联连接交流滤波器、交流软启动回路、滤波电路、桥式逆变电路、直流母线电容、直流滤波器和直流软启动回路；
所述三相支路直流母线电容输出端的正极通过直流接触器进行连接；所述三相支路直流母线电容输出端的负极通过直流接触器进行连接。
6.如权利要求5所述的一种无隔离变压器的单级式储能变流器，其特征在于，将三相支路的交流滤波器首尾相连，将滤波器连接成三角形连接关系，能够实现三相三线式供电。
7.如权利要求5所述的一种无隔离变压器的单级式储能变流器，其特征在于，所述交流软启动回路包括：主交流接触器，与主交流接触器并联连接的、由辅助交流接触器和软启动电阻组成的串联支路；
或者，
所述直流软启动回路包括：主直流接触器，与主直流接触器并联连接的、由辅助直流接触器和软启动电阻组成的串联支路。
8.一种单级式储能变流器的控制方法，其特征在于，包括：
三相支路的直流端连接不同型号及电压等级的蓄电池时，断开三相支路直流母线电容输出端之间的连接；
软启动阶段完成后，对于每一相支路，分别采集交流电压、电感电流、直流母线电压和直流电流的值；设定直流电压给定值和电流给定值；
根据采集到的值，经过运算后得到驱动该相支路桥式逆变电路开关管通断的驱动信号；
控制桥式逆变电路输出的交流正弦波形与电网电压间的幅值差和相位角，得到与电网电压同相位的电流波形，实现对蓄电池的充电。
9.一种单级式储能变流器的控制方法，其特征在于，包括：
三相支路的直流端连接相同型号及电压等级的蓄电池时，将三相支路直流母线电容输出端相连；设定三相支路的直流电压给定值和充电电流给定值分别相同；
软启动阶段完成后，对于每一相支路，分别采集交流电压、电感电流、直流母线电压和直流电流的值；
根据采集到的值和设定的值，经过运算后得到驱动该相支路桥式逆变电路开关管通断的驱动信号；
控制桥式逆变电路输出的交流正弦波形与电网电压间的相位角，得到与电网电压同相位的电流波形，实现对蓄电池的充电。
10.如权利要求8或9所述的一种单级式储能变流器的控制方法，其特征在于，蓄电池放电时，设置直流电压给定值的数值小于电池额定电压，放电电流的大小将由电流给定值决定；将电流给定值设置为负值，实现电池的放电功能。
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