級聯多電平儲能系統及其併網控制方法與流程
2024-04-14 10:26:05 1
1.本技術涉及儲能技術領域，尤其涉及一種級聯多電平儲能系統及其併網控制方法。
背景技術：
2.隨著大功率電力電子技術的日益成熟，高電壓、大容量儲能系統應用需求日益迫切。級聯h橋型多電平變流器，因主電路拓撲簡單、開關頻率有倍頻效果，具有良好的容錯能力及對器件耐壓要求低等特點，成為大容量儲能系統的首選方案，在高壓大功率場合中得到了廣泛應用。
3.儲能系統併網充電過程一般採用恆流或恆功率充電模式，但由於各功率單元間存在一定差異，如儲能系統初始電壓差異等，會導致充電過程中支撐電容電壓和儲能單元電壓的不均衡，如果不做處理，電壓偏差會不斷加大，各功率單元間的充電功率差異也同時會加大，進而導致支撐電容電壓出現過壓或者欠壓故障。因此，確保儲能系統在不同條件下，三相間及每相各功率單元間支撐電容電壓及儲能單元電壓的均衡性，及三相間充電功率的一致性，是亟需解決問題。
技術實現要素：
4.本技術旨在提供一種級聯多電平儲能系統及其併網控制方法，以解決現有級聯多電平儲能系統在併網運行時，難以同時滿足支撐電容電壓和儲能單元電壓的均衡控制的問題。
5.本技術一方面提供一種級聯多電平儲能系統的併網控制方法，所述級聯多電平儲能系統包括儲能變流器，所述儲能變流器包括三相橋臂，每相橋臂包括級聯的由n個功率模組，每個功率模組包括h橋單元、支撐電容、dc-dc變換器和儲能單元；所述控制方法包括：
6.對三相發波目標電壓原始值進行支撐電容電壓相間均衡控制以生成三相發波目標電壓最終值，並根據所述三相發波目標電壓最終值以及各相瞬時功率的方向，按照每相橋臂的n個功率模組以支撐電容電壓值的大小進行排序的結果，依次分配h橋單元的驅動信號；
7.控制各功率模組中的dc-dc變換器從支撐電容獲取能量以對儲能單元進行恆流充電，並將儲能單元的電壓穩定在儲能單元目標電壓設定值。
8.本技術另一方面提供一種級聯多電平儲能系統，所述級聯多電平儲能系統包括儲能變流器和控制器；
9.所述儲能變流器包括三相橋臂，每相橋臂包括級聯的由n個功率模組，每個功率模組包括h橋單元、支撐電容、dc-dc變換器和儲能單元；
10.所述控制器被配置為對三相發波目標電壓原始值進行支撐電容電壓相間均衡控制以生成三相發波目標電壓最終值，並根據所述三相發波目標電壓最終值以及各相瞬時功率的方向，按照每相橋臂的n個功率模組以支撐電容電壓值的大小進行排序的結果，依次分
配h橋單元的驅動信號；控制各功率模組中的dc-dc變換器從支撐電容獲取能量以對儲能單元進行恆流充電，並將儲能單元的電壓穩定在儲能單元目標電壓設定值。
11.本技術提供的級聯多電平儲能系統及其併網控制方法，能夠實現併網充電過程支撐電容電壓的均衡控制，以及三相間儲能單元總充電功率和每相各儲能單元間充電功率的一致性，可有效兼顧支撐電容電壓和儲能單元電壓的均衡控制。
附圖說明
12.圖1是本技術實施例提供的級聯多電平儲能系統示意圖；
13.圖2是本技術實施例提供的級聯多電平儲能變流器中的功率模組示意圖；
14.圖3是本技術實施例提供的級聯多電平儲能系統的併網充電過程控制框圖；
15.圖4是本技術實施例提供的級聯h橋拓撲併網整流控制框圖；
16.圖5是本技術實施例提供的支撐電容電壓相間均衡控制框圖；
17.圖6是本技術實施例提供的dc-dc變換器控制框圖；
18.圖7是本技術實施例提供的相充電電流處理框圖；
19.圖8是本技術實施例提供的單元充電電流處理框圖；
20.圖9是本技術實施例提供的級聯多電平儲能系統的併網控制方法示意圖。
21.本技術目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施方式
22.為了使本技術所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚、明白，以下結合附圖和實施例，對本技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本技術，並不用於限定本技術。
23.在本技術的描述中，需要理解的是，術語中「中心」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本技術和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本技術的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
24.本技術實施例涉及到的變量及其定義：
25.ia、ib、ic：電網a、b、c三相電流
[0026]vga
、v
gb
、v
gc
：電網a、b、c三相電壓
[0027]
pll：phase locked loop，鎖相環
[0028]
θ：電網電壓鎖相角度，由鎖相環(pll)生成
[0029]
ω：電網電壓角頻率，由鎖相環(pll)生成
[0030]vgd
、v
gq
：電網電壓d、q軸分量
[0031]
pi：比例積分調節器(pi調節器)
[0032]
變流器有功、無功電流設定值
[0033]
id、iq：變流器有功、無功電流反饋值
[0034]
支撐電容電壓設定值
[0035]udc_abc
：支撐電容a、b、c三相電壓總平均值，
[0036]udc_a
、u
dc_b
、u
dc_c
：支撐電容電壓a、b、c各相平均值
[0037]
ls：併網pfc電感感值
[0038]vd
、vq：變流器發波目標電壓d、q軸分量
[0039]va
、vb、vc：變流器a、b、c三相發波目標電壓原始值
[0040]
變流器a、b、c三相發波目標電壓最終值
[0041]ustor_abc
：儲能單元a、b、c三相總電壓平均值
[0042]ustor_a
、u
stor_b
、u
stor_c
：儲能單元a、b、c各相電壓平均值
[0043]
ka、kb、kc：儲能單元a、b、c各相充電電流縮放係數
[0044]ka1
、k
a2
、
…
、k
an
：a相n個功率模組儲能單元充電電流縮放係數
[0045]
儲能單元充電電流(dc-dc變換器)統一設定值
[0046]
a、b、c相儲能單元充電電流(dc-dc變換器)設定值
[0047]
a相第1至n級儲能單元充電電流(dc-dc變換器)設定值
[0048]uref
：儲能單元目標電壓設定值
[0049]ufb
：儲能單元電壓反饋值
[0050]udc
：功率單元支撐電容電壓
[0051]il_ref
：儲能單元充電電流設定值
[0052]il
：儲能單元充電電流反饋值
[0053]upwm
：dc-dc變換器調製信號
[0054]
圖1是本技術實施例提供的級聯多電平儲能系統示意圖。
[0055]
如圖1所示，級聯多電平儲能系統包括級聯多電平儲能變流器，儲能變流器包括三相橋臂(圖中的cella1～cellan、cellb1～cellbn、cellc1～cellcn所示)，每相橋臂由n個級聯的功率模組構成。級聯多電平儲能系統還包括併網開關k1、預充電電阻r、預充電旁路開關k2、併網變壓器t。預充電電阻r和預充電旁路開關k2並聯連接，併網開關k1連接在電網與預充電電阻r的一端之間，併網變壓器t連接在預充電電阻r的另一端與儲能變流器之間。
[0056]
系統併網運行時，功率模組中的h橋單元工作在整流狀態，通過三相橋臂從電網吸收能量對每個功率模組中的儲能單元充電；系統離網運行時，功率模組中的h橋單元工作在
逆變狀態，功率模組中的儲能單元給負載(例如電機)供電。
[0057]
圖2是本技術實施例提供的功率模組示意圖。
[0058]
如圖2所示，級聯多電平儲能變流器中的功率模組包括h橋單元t1、支撐電容c、dc-dc變換器t2和儲能單元bat。
[0059]
其中，h橋單元t1包括二個並聯連接的橋臂，每一個橋臂串聯連接的兩個開關管。在系統併網運行時，h橋單元t1工作在整流狀態，用於為支撐電容c提供能量；在系統離網運行時，h橋單元t1輸出目標電壓拖動電機運行。
[0060]
支撐電容c包括但不限於薄膜電容，可以是一個薄膜電容或者多個串並聯連接的薄膜電容。支撐電容c用於濾除系統運行時開關次紋波，並提供穩定的直流母線電壓。
[0061]
dc-dc變換器t2包括濾波電感l、以及串聯連接的兩個開關管。濾波電感l的一端連接在兩個開關管之間，另一端與儲能單元bat連接。在系統併網運行時，dc-dc變換器t2為儲能單元bat充電；在系統離網運行時，儲能單元bat的電能為支撐電容c提供能量。
[0062]
在系統併網運行時，對儲能單元bat進行儲能；在系統離網運行時，儲能單元bat對電機輸出功率或吸收電機制動過程饋能。
[0063]
在圖2中，開關管包括但不限於igbt、igct、mos管等等，優選的採用igbt。
[0064]
圖3是本技術實施例提供的級聯多電平儲能系統的併網充電過程控制框圖。
[0065]
如圖3所示，級聯多電平儲能系統的併網充電過程的控制，包括級聯h橋拓撲併網整流控制環節和dc-dc變換器控制環節。
[0066]
級聯h橋拓撲併網整流控制環節，用於穩定三相各功率模組的支撐電容電壓並從電網吸收能量用於各功率模組的儲能單元充電。
[0067]
dc-dc變換器控制環節，用於從支撐電容獲取能量對儲能單元進行恆流充電及充電完成後的穩壓控制。
[0068]
圖4是本技術實施例提供的級聯h橋拓撲併網整流控制框圖。
[0069]
如圖4所示，級聯h橋拓撲併網整流控制環節，採用電壓電流雙閉環矢量控制策略，結合支撐電容電壓相間均衡控制及最近電平逼近輪換發波策略，實現功率模組的支撐電容電壓的相間與同相級間均衡的控制。
[0070]
在電壓電流雙閉環矢量控制中，外環為電壓環，支撐電容電壓設定值與三相支撐電容電壓平均值u
dc_abc
作差後，通過pi調節器生成變流器有功電流設定值變流器無功電流設定值一般為0，實現單位功率因數控制。內環為電流環，包括d軸電流環和q軸電流環。d/q軸電流環的pi調節器的輸出(變流器有功電流設定值與變流器有功反饋值id結合後經過pi調節器的輸出，變流器無功電流設定值與變流器無功反饋值iq結合後經過pi調節器的輸出)，結合前饋量v
gd
、v
gq
(電網電壓dq軸分量)及交叉解耦量ωlsiq、ωlsid，生成發波目標電壓d/q軸分量vd、vq，經dq/abc變換生成三相發波目標電壓原始值va、vb、vc，三相發波目標電壓原始值再經過支撐電容電壓相間均衡控制單元修正處理生成三相發波目標電壓最終值其中，變流器有功、無功反饋值id、iq，是根據電網電流(ia、ib、
ic)、鎖相環生成的角度θ，經過abc/dq變換生成；前饋量v
gd
、v
gq
，是根據電網電壓(v
ga
、v
gb
、v
gc
)、鎖相環生成的角度θ，經過abc/dq變換生成。
[0071]
如圖5所示的支撐電容電壓相間均衡控制框圖。支撐電容電壓相間均衡控制單元，先將支撐電容電壓設定值與支撐電容電壓a、b、c各相平均值u
dc_a
、u
dc_b
、u
dc_c
的差值經過pi調節器調節；然後將pi調節器的輸出分別乘以三相電壓餘弦值cosθ、cos(θ-2π/3)、cos(θ+2π/3)得到均衡調節量；最後將三相發波目標電壓原始值va、vb、vc減去對應相的均衡調節量，得到三相發波目標電壓最終值上述支撐電容電壓相間均衡控制單元，可有效實現支撐電容電壓的相間均衡控制效果。
[0072]
最近電平發波運算模塊，根據三相發波目標電壓最終值生成三相橋臂中每相橋臂的n組h橋單元的驅動信號，並將每相橋臂的n個功率模組按照支撐電容電壓值從大到小進行排序，再根據各相瞬時功率pi＝v
i*
*ii(i＝a、b、c)的方向(正負)，按照上述排序結果依次分配h橋單元的驅動信號pwm_abc。當瞬時功率為正時(功率流入儲能變流器的橋臂)，優先從支撐電容電壓值低的功率模組中，選取所需數量的功率模組，使選取的功率模組的h橋單元t1輸出有效電平(正電平或負電平)，其餘功率模組的h橋單元t1輸出零電平；當瞬時功率為負時(功率流出儲能變流器的橋臂)，優先從支撐電容電壓值高的功率模組中，選取所需數量的功率模組，使選取的功率模組的h橋單元t1輸出有效電平(正電平或負電平)，其餘功率模組的h橋單元t1輸出零電平。實現變流器併網調製運行，並通過上述排序處理實現每相各級功率模組的支撐電容電壓的級間均衡控制。
[0073]
圖6是本技術實施例提供的dc-dc變換器控制框圖。
[0074]
如圖6所示，dc-dc變換器控制環節由相充電電流處理環節、單元充電電流處理環節、恆流與穩電壓模式切換環節、電壓控制環、電流控制環、發波控制環節構成。
[0075]
儲能變流器併網充電過程，各功率模組的dc-dc變換器的工作分為儲能單元恆流充電運行和儲能單元穩壓運行兩個階段。
[0076]
當支撐電容電壓低於設定門限時，dc-dc變換器工作在恆流充電階段。該階段切除電壓控制環僅電流控制環起工作，每個功率模組的dc-dc變換器的電流指令來自於經過a、b、c三相充電電流處理環節及各功率模組的單元充電電流處理環節後生成的充電電流給定。
[0077]
當支撐電容電壓高於設定門限時，dc-dc變換器工作在儲能單元穩壓階段。該階段電壓控制環和電流控制環共同作用，將儲能單元電壓穩定在儲能單元目標電壓設定值u
ref
。具體地，各功率模組的儲能單元目標電壓設定值u
ref
與儲能單元電壓反饋值u
fb
的差值，通過電壓環pi調節器、恆流與穩電壓模式切換環節後，生成儲能單元充電電流設定值i
l_ref
；然後i
l_ref
與儲能單元充電電流反饋值i
l
的差值，通過電流環pi調節器處理，並將電流環pi調節器的輸出與儲能單元電壓反饋值u
fb
相加，生成dc-dc變換器調製信號u
pwm
；最後經驅動生成模塊，生成dc-dc變換器所需的pwm驅動信號。
[0078]
a、b、c三相充電電流處理環節可參考圖7所示，首先，充電電流縮放係數計算單元根據三相所有儲能單元電壓總平均值u
stor_abc
和各相儲能單元電壓的平均值u
stor_a
、u
stor_b
、ustor_c
，分別生成三相充電電流的縮放係數ka、kb、kc；然後縮放係數與儲能單元充電電流統一設定值相乘，得到三相充電電流設定值該處理用於實現三相間儲能單元總充電功率的一致性，且當三相間儲能單元電壓平均值存在差異時可以很快達到均衡，同時也有利於三相支撐電容電壓的相間均衡控制。
[0079]
各功率模組的單元充電電流處理環節可參考圖8所示，以圖1中的a相橋臂為例，充電電流縮放係數計算單元，根據a相所有儲能單元電壓總平均值u
stor_a
和n個儲能單元電壓採樣值u
stor_a1
、u
stor_a2
、
…
、u
stor_an
，分別生成各儲能單元充電電流的縮放係數k
a1
、k
a2
、
…
、k
an
；然後，a相各儲能單元充電電流的縮放係數與a相儲能單元充電電流設定值相乘，得到a相充各儲能單元充電電流設定值b、c兩相也做同樣處理在次不再贅述。該處理用於實現每相各儲能單元間充電功率的一致性，且當每相各儲能單元電壓間存在差異時也可以很快達到均衡，同時也有利於每相各級模組支撐電容電壓的級間均衡控制。
[0080]
圖9是本技術實施例提供的級聯多電平儲能系統的併網控制方法示意圖。
[0081]
如圖9所示，所述方法包括步驟：
[0082]
s11、對三相發波目標電壓原始值進行支撐電容電壓相間均衡控制以生成三相發波目標電壓最終值，並根據所述三相發波目標電壓最終值以及各相瞬時功率的方向，按照每相橋臂的n個功率模組以支撐電容電壓值的大小進行排序的結果，依次分配h橋單元的驅動信號；
[0083]
s12、控制各功率模組中的dc-dc變換器從支撐電容獲取能量以對儲能單元進行恆流充電，並將儲能單元的電壓穩定在儲能單元目標電壓設定值。
[0084]
在一示例中，根據電網電流、電網電壓以及支撐電容電壓設定值，採用電壓電流雙閉環矢量控制，生成三相發波目標電壓原始值。
[0085]
在一示例中，所述支撐電容電壓相間均衡控制，包括：
[0086]
先將支撐電容電壓設定值與支撐電容電壓各相平均值的差值，經過pi調節器調節；然後將所述pi調節器的輸出乘以對應相的三相電壓餘弦值得到均衡調節量；最後將所述三相發波目標電壓原始值減去對應相的均衡調節量，得到所述三相發波目標電壓最終值。
[0087]
在一示例中，所述根據所述三相發波目標電壓最終值以及各相瞬時功率的方向，按照每相橋臂的n個功率模組以支撐電容電壓值的大小進行排序的結果，依次分配h橋單元的驅動信號，包括：
[0088]
當瞬時功率為正時，從支撐電容電壓值低的功率模組中，選取所需數量的功率模組，使選取的功率模組的h橋單元輸出有效電平，其餘功率模組的h橋單元輸出零電平；
[0089]
當瞬時功率為負時，從支撐電容電壓值高的功率模組中，選取所需數量的功率模組，使選取的功率模組的h橋單元輸出有效電平，其餘功率模組的h橋單元輸出零電平。
[0090]
在一示例中，所述控制各功率模組中的dc-dc變換器從支撐電容獲取能量以對儲能單元進行恆流充電，並將儲能單元的電壓穩定在儲能單元目標電壓設定值，包括：
[0091]
當支撐電容電壓低於設定門限時，控制各功率模組中的dc-dc變換器從支撐電容
獲取能量以對儲能單元進行恆流充電；
[0092]
當支撐電容電壓高於設定門限時，將儲能單元的電壓穩定在儲能單元目標電壓設定值。
[0093]
在一示例中，當支撐電容電壓低於設定門限時，各功率模組中的dc-dc變換器的電流指令來自於依次經過相充電電流處理環節以及單元充電電流處理環節後生成的充電電流設定值。
[0094]
在一示例中，所述相充電電流處理環節包括：
[0095]
根據三相所有儲能單元電壓總平均值和各相儲能單元電壓的平均值，生成三相充電電流的縮放係數；然後將三相充電電流的縮放係數與儲能單元充電電流統一設定值相乘，得到三相充電電流設定值。
[0096]
在一示例中，所述單元充電電流處理環節，包括：
[0097]
根據某一相所有儲能單元電壓總平均值和n個儲能單元電壓採樣值，分別生成各儲能單元充電電流的縮放係數；然後將該相各儲能單元充電電流的縮放係數與該相儲能單元充電電流設定值相乘，得到該相充各儲能單元充電電流設定值。
[0098]
在一示例中，當支撐電容電壓高於設定門限時，各功率模組的儲能單元目標電壓設定值與儲能單元電壓反饋值的差值，通過電壓環pi調節器、恆流與穩電壓模式切換環節後，生成儲能單元充電電流設定值；然後，將所述儲能單元充電電流設定值與儲能單元充電電流反饋值的差值，通過電流環pi調節器處理，並將電流環pi調節器的輸出與儲能單元電壓反饋值相加，生成dc-dc變換器調製信號；最後，經驅動生成模塊生成dc-dc變換器所需的驅動信號。
[0099]
進一步地，本技術實施例還提供一種級聯多電平儲能系統，所述級聯多電平儲能系統包括儲能變流器和控制器；
[0100]
所述儲能變流器包括三相橋臂，每相橋臂包括級聯的由n個功率模組，每個功率模組包括h橋單元、支撐電容、dc-dc變換器和儲能單元；
[0101]
所述控制器被配置為對三相發波目標電壓原始值進行支撐電容電壓相間均衡控制以生成三相發波目標電壓最終值，並根據所述三相發波目標電壓最終值以及各相瞬時功率的方向，按照每相橋臂的n個功率模組以支撐電容電壓值的大小進行排序的結果，依次分配h橋單元的驅動信號；控制各功率模組中的dc-dc變換器從支撐電容獲取能量以對儲能單元進行恆流充電，並將儲能單元的電壓穩定在儲能單元目標電壓設定值。
[0102]
進一步地，本技術實施例還提供一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質中存儲有至少一條程度代碼，所述至少一條程序代碼由處理器加載並執行，以實現上述所述的級聯多電平儲能系統的併網控制方法。
[0103]
以上參照附圖說明了本技術的優選實施例，並非因此局限本技術的權利範圍。本領域技術人員不脫離本技術的範圍和實質內所作的任何修改、等同替換和改進，均應在本技術的權利範圍之內。