CN102118030B - 一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的谐波抑制方法，涉及电力行业中的电力并网技术领域，本发明通过采集三相电网电压和电流的信号，经过Clark和Park变换成两相固定轴变量作为反馈量，并且同时计算充电的功率，此反馈功率和参考功率比较，经过PI调节，两者跟反馈的两相电流的值比较并经过PI调节之后，得到参考电压，经过Clark和Park反变换之后得到所需要的三相变流器固定坐标系电压，这个电压经由高通滤波器得到谐波电流，变化到两相旋转坐标系中，再经过比例谐振控制器PR就得到了谐波补偿电压值。本发明可以有针对性的抑制变流器产生的电流谐波，比传统的比例谐振控制算法能省掉一半的比例谐振控制器。

Description

一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的谐波抑制方法

技术领域：

本发明涉及电力行业中的电力并网技术，具体涉及一种为了电网的稳定性而设计的电池储能并网三相电压源变换器系统的控制以及低次电流谐波抑制方法。

背景技术：

随着全球新能源技术的不断发展，尤其是风能和太阳能越来越多的开发和利用，上述电能并入电网后，导致电网的能量流动出现了波动，对电网的稳定性提出了很大的挑战，为了使电网更稳定和坚强，急需有一个装置起到对电网能量削峰填谷的作用，现在欧美发达国家已经开始了电网储能系统的研究，我国随着这几年风能资源的巨大开发，也逐步开始了储能系统的研究，而电池储能系统是未来最有前途的储能方式之一，电池储能的核心是能量可双向流动的电压源变换器技术。之前对电压源变换器的研究大多集中在风能、太阳能的并网装置以及在工业领域中的PWM整流器以及有源前端（AFE）领域，而电池储能系统三相电压源变换器的谐波电流抑制鲜有涉及，尤其是在电池储能并网时如何抑制整个并网系统的谐波电流的方法就更少。

在现有技术中，大多数研究在三相电压型变换器对电池系统的充放电方面，仍然使用传统的无源LCL滤波方法，这样使得系统成本提高，而且使得系统的传递函数变得复杂，整定难度加大。如专利文件CN1219798公开了《带有功率因数校正和谐波抑制电路的三相整流电路》，CN1384579公开了《40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器及其用途》，CN1449083公开了《主动式谐波抑制装置及控制方法》，CN2569414公开了《一种谐波综合抑制装置》。

上述文献和专利所提及的方法要么是利用硬件无源LC滤波器以及变压器漏感作为电流滤波装置，要么是利用比较原始的方法来滤除得到电流谐波信号再经过放大后得到补偿电压信号来抑制谐波，上述方法都未考虑成本或滤波效果，使得应用范围有限，而现代电网对电能质量的追求越来越高，且现在电网上用电单位对电网的污染也越来越严重，作为能量调节的蓄电池并网装置必须有很好的电流谐波抑制能力，不光要抑制自身作为电力电子器件所产生的电流谐波，而且还有义务检测电网上的相邻用户或者发电单元（太阳能，风能）的电流谐波，并进行有效的抑制。另外，现代并网储能装置不仅需要对蓄电池系统有充放电能功能、能量双向流动功能，而且需要提供无功功率调节，同时要有很好的电流谐波抑制功能，具备这样功能的三相电压源并网变换器才是未来蓄电池储能系统并网变换器发展的方向。

综上所述，亟需探索一种蓄电池储能并网装置，不仅能对蓄电池进行充放电管理，能够提供电网无功电流，而且需要有很好很强的电网谐波抑制功能的变换器作为未来新一代的变换器。

发明内容

为解决现有技术中蓄电池储能系统三相电压源变换器的谐波电流抑制效果差，影响并网电流的问题，本发明提供一种蓄电池储能系统并网三相电压源变换器的电流谐波抑制方法，具体方案如下：一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的谐波抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、利用单相霍尔传感器采集直流母线电容两端的直流母线电容U_DC；利用单相霍尔传感器采集蓄电池充电电流I_Batt；利用三相电压霍尔传感器采集电网三相电压信号u_a、u_b、u_c；利用三相电流霍尔传感器6采集流过感抗5的电网三相电流信号i_a、i_b、i_c；

步骤2、利用锁相环检测三相电网电压u_a、u_b、u_c的角频率ω_s和相位角θ_s；

步骤3、把采集得到的电网三相电压u_a、u_b、u_c和电流信号i_a、i_b、i_c经过Clark变换器变换，变成两相固定坐标系中的量：u_α、u_β，i_α、i_β；

步骤4、利用锁相环得到的电网电压相位角θ_s，把两相固定坐标系中的量u_α、u_β，i_α、i_β经过Park变换器，变成两相旋转坐标系中的量u_d、u_q,i_d、i_q，使i_d、i_q经过乘法器得到交直轴磁通影响量并分别作用于u_d、u_q，得到反馈量

步骤5、利用检测到的在旋转坐标下的直轴电流i_d和直轴电压u_d乘积的1.5倍来近似得到蓄电池系统充电功率P_Batt，跟设定充放电功率比较得到的数值经过PI调节器得到蓄电池充放电有功电流参考值

旋转坐标系下交轴电流

为系统无功电流的参考量，控制回路和整定方法和直轴量的有功电流

一致；同时将设定的变换器并网系统的

跟电网反馈值i_d和i_q值进行比较并经过PI调节器得到在两相旋转坐标系下的电压参考量

和

用电压参考量

和减去反馈量

和

得到变换器在未考虑电流谐波抑制时的输出电压参考量，在此基础上再叠加考虑电流谐波抑制时的电压输出参考量

和

就得到输出电压参考量

和经过Park反变换器得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量

和

再经过Clark反变换器得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量

和

利用

和

经过SVPWM变换器输出变换器IGBT的开通和关断信号。

本发明的另一优选方案：所述步骤5中，谐波电流抑制的电压输出参考量和

的计算方法如下：

步骤51、三相固定坐标系下的变换器输出电流i_a、i_b、i_c经过clark变换器得到旋转坐标系下的量i_d,i_q，再经过高通滤波器得到在旋转坐标系dq轴下的谐波量

和

步骤52、分别把旋转坐标系下的谐波量

和

接入比例谐振控制器，分别得到6次谐波和12次谐波的电压补偿量

步骤53、分别把d轴和q轴下的谐波电压补偿量相加就得到在d轴和q轴下的全部电流谐波电压补偿量

和

本发明的另一优选方案：所述谐波量

和

通过的基波频率值为

本发明的另一优选方案：所述步骤5中，旋转坐标系下交轴电流

为系统无功电流的参考量，控制回路和整定方法和直轴量的有功电流

一致。

本发明使三相电压源变换器接入电网时，在对蓄电池储能系统进行充放电的同时能检测电网谐波电流并能很好的实现抑制，同时还能提供电网无功功率，最终输出完美电流正弦波，把电流THD限制在很小的量。本方案对蓄电池储能系统变换器的滤波方法进行了简化，无需通过无源器件进行谐波抑制，也和传统的利用高通滤波器检测电流谐波信号进行简单的放大得到补偿电压的方法不一样，本方法通过对比例谐振PR的控制，进而有选择的对电流谐波进行抑制，通过把谐波值转换到旋转dq轴上进行处理，使得比例谐振PR控制器的数量减少一半，本方案过程简单并大大减少了系统的硬件成本。本发明可以有针对性的抑制变流器产生的电流谐波，尤其适合去除5,7,11,13等低次电流谐波，是一种谐波选择消去法，而且比传统的比例谐振控制器（PR）能省掉一半的比例谐振控制器，仿真结果显示对电流谐波的抑制效果良好。

本发明方法适用于可再生能源系统中的电池储能用三相电力电子并网装置系统，包括对光伏并网装置的控制，直驱型风力发电系统的电网侧变换器的电流谐波抑制以及需要用到并网型三相电压源变换器的场合中，对变换器的谐波抑制方法都有借鉴意义。

附图说明

图1是本发明蓄电池储能系统三相并网型电压源变换器控制系统原理图。

图2是比例谐振PR控制器的原理图。

图3是本发明中IGBT开关管电路示意图。

图4是本发明方法的仿真效果图。

具体实施方式

本发明公开的蓄电池储能并网三相电压源变换器的谐波抑制方法，通过采集三相电网电压和电流的信号，经过Clark变换和Park变换成两相固定轴变量作为反馈量，并且同时计算充电的功率，此反馈功率和参考功率比较，经过PI调节，输出值即为有功电流的参考值，同时设定无功电流参考值为零，两者跟反馈的电网三相电流经过变换成旋转轴两相电流的值比较并经过PI调节之后，得到参考电压，经过Clark反变换和Park反变换之后得到所需要的三相变流器输出端的固定坐标系电压，其中的参考电压包含了为抑制高次谐波而加入的高次谐波抑制电压

和

这个高次谐波抑制电压经由采集得到的变流器三相电流信号经过高通滤波器得到谐波电流，变化到两相旋转坐标系中，再经过比例谐振控制器PR就得到了谐波补偿电压值。

实施例一：

如图1、2、3所示，本发明的方法电路中包括高通滤波器26，感抗5，IGBT开关管14，直流侧母线电容4以及蓄电池1和电缆感抗21组成，如图2所示，系统中除了蓄电池储能系统通过变换器并到电网上外，还有一个100Kw的不控整流装置31作为负载并产生电流谐波。

本方案将充电参考功率设定为0，直流母线电容400uF，电池SOC状态50%，环境温度25℃，电池内阻0.3418Ω，电池开路电压720V，电缆电阻0.001Ω，电缆电抗10e‐6H，开关频率15KHz，电流PI调节器Kp_i=2.4Ki_i=28.5，功率PI调节器Kp_p=0.00136,Ki_p=20.4，比例谐振PR控制器参数Kp=2,Kr=1187.5；

蓄电池储能并网三相电压源变换器的电流谐波抑制方法利用下述步骤得到谐波电压补偿量：

i.利用单相霍尔传感器3采集直流母线电容4两端的直流母线电容U_DC；利用单相霍尔传感器22采集电池充电电流I_Batt；利用三相电压霍尔传感器23采集电网三相电压信号u_a、u_b、u_c；利用三相电流霍尔传感器6采集流过感抗5的电网三相电流信号i_a、i_b、i_c；

ii.利用锁相环20检测三相电网电压u_a、u_b、u_c的角频率ω_s和相位角θ_s；

iii.把采集得到的电网三相电压和电流信号经过Clark变换器8、9，变成两相固定坐标系中的量，u_α、u_β,i_α、i_β，具体公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

iv.利用锁相环20得到的电网电压同步旋转角θ_s（ωt），把两相固定坐标系中的量u_α、u_β,i_α、i_β经过Park变换器11和10，变成两相旋转坐标系中的量u_d、u_q,i_d、i_q，使i_d、i_q经过乘法器12、13得到交直轴磁通影响量并分别作用于u_d、u_q，得到反馈量

具体公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ \cos \mathrm{\ωt}& \sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ \cos \mathrm{\ωt}& \sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

$u_d^{-}=u_d+\mathrm{\ωL}\·i_q$

$u_q^{-}=u_q-\mathrm{\ωL}\·i_d$

v.利用检测到的在旋转坐标下的直轴电流i_d和直轴电压u_d乘积的1.5倍来近似得到蓄电池1充电功率P_Batt，再跟设定充放电功率

比较得到的数值经过PI调节器15得到蓄电池充放电有功电流参考值

同时设定变换器并网系统的无功电流

跟电网反馈值i_d和i_q值进行比较并经过PI调节器16、17得到在两相旋转坐标系下的电压参考量

和

然后减去反馈值

和

这时已经考虑到了d轴和q轴之间的相互影响因子，得到变换器在未考虑电流谐波抑制的输出电压参考量，再叠加上考虑电流谐波抑制的电压输出参考量

和

就得到输出电压参考量

和经过Park反变换18得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量

和

再经过Clark反变换19得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量

和

具体公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Lp}+R& -\mathrm{\ωL}\\ \mathrm{\ωL}& \mathrm{Lp}+R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{GRd}}^{*}\\ u_{\mathrm{GRq}}^{*}\end{array}\right]$

$u_{\mathrm{GRd}}^{*}=-(K_{\mathrm{pi}}+\frac{K_{\mathrm{ii}}}{p})(i_d^{*}-i_d)+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q+u_d+u_{\mathrm{dh}}^{*}$

$u_{\mathrm{GRq}}^{*}=-(K_{\mathrm{pi}}+\frac{K_{\mathrm{ii}}}{p})(i_q^{*}-i_q)-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d+u_q+u_{\mathrm{qh}}^{*}$

vi.利用和

经过SVPWM变换器7实现变换器IGBT的开通和关断信号24，其中旋转坐标系下交轴电流

为系统无功电流的参考量，控制回路和整定方法和直轴量一致。

上述的电流谐波抑制的电压补偿量

和

的计算方法如下：

1、通过检测变换器接入电网电流值i_a，i_b，i_c，使用Clark变换和Park变换器把它们变化到两相旋转坐标上的值i_d和i_q；

2、使i_d和i_q值分别通过一个高通滤波器26，得到在两相旋转坐标下的电流谐波值i_dNh和i_qNh；

3、让电流谐波值i_dNh和i_qNh通过6倍基波频率值6ω_s比例谐振PR控制器27、28，得到在6倍基波频率值附近的奇次谐波电压补偿量和

同样的方法通过PR控制器29、30得到

和

等等，因为这几个量都是在旋转坐标系dq轴下，所以他们分别对应的是针对电流5,7,11,13次谐波的谐波补偿量，每个比例谐振PR控制器的传递函数如下：

$G_{\mathrm{PR}}=K_p+\frac{K_r\·2\·p}{p^2+{(h\·{\mathrm{\ω}}_N)}^2}$

除此之外，还可以增加谐振次数为18ω_s,24ω_s等等的量来滤除更多的电流谐波，随着次数的增加，电流谐波的幅值急剧衰减，建议到24ω_s就足够了。

4、分别把d轴和q轴下的谐波电压补偿量相加就得到在d轴和q轴下的全部电流谐波电压补偿量和

参照图4可以看出，仿真时间设定为0.04秒，在0.02秒之前三相并网变换器没有采用谐波抑制技术，电网电流谐波THD=15.26%，0.02秒之后变换器采用比例谐振PR电流谐波抑制技术，THD=3.87%。可以看出采用此发明的电流谐波抑制方法，电流谐波能被有效的抑制。

Claims (2)

1.一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的谐波抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、利用单相电压霍尔传感器（3）采集直流母线电容（4）两端的直流母线电容U_DC；利用单相电流霍尔传感器（22）采集蓄电池充电电流I_Batt；利用三相电压霍尔传感器（23）采集电网三相电压信号u_a、u_b、u_c；利用三相电流霍尔传感器（6）采集流过感抗（5）的电网三相电流信号i_a、i_b、i_c；

步骤2、利用锁相环（20）检测三相电网电压u_a、u_b、u_c的角频率ω_s和相位角θ_s；

步骤3、把采集得到的电网三相电压u_a、u_b、u_c和电流信号i_a、i_b、i_c分别经过Clark变换器Ⅰ（8）和Clark变换器Ⅱ（9）变换，变成两相固定坐标系中的量：u_α、u_β、i_α、i_β;

步骤4、利用锁相环（20）得到的电网电压相位角θ_s，把两相固定坐标系中的量u_α、u_β、i_α、i_β经过Park变换器（10、11），变成两相旋转坐标系中的量u_d、u_q、i_d、i_q，使i_d、i_q经过乘法器（12、13）得到交直轴磁通影响量并分别作用于u_d、u_q，得到反馈量

步骤5、利用检测到的在旋转坐标下的直轴电流i_d和直轴电压u_d乘积的1.5倍来近似得到蓄电池系统（1）充电功率P_Batt，跟设定充放电功率

比较得到的数值经过PI调节器Ⅰ（15）得到蓄电池充放电有功电流参考值

旋转坐标系下交轴电流

为系统无功电流的参考量；同时将设定的变换器并网系统的

分别跟电网反馈值i_d和i_q值进行比较，并经过PI调节器Ⅱ（16）和PI调节器Ⅲ（17）得到在两相旋转坐标系下的电压参考量

和

用电压参考量

和

分别减去反馈量

和

得到变换器在未考虑电流谐波抑制时的输出电压参考量，在此基础上再分别考虑电流谐波抑制时的电压输出参考量

和

就得到输出电压参考量

和

经过Park反变换器（18）得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量和

再经过Clark反变换器（19）得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量

和

利用

和

经过SVPWM变换器（7）输出变换器IGBT（2）的开通和关断信号（24），

其中，谐波电流抑制的电压输出参考量

和

的计算方法如下：

步骤51、三相固定坐标系下的变换器输出电流i_a、i_b、i_c经过Clark变换器Ⅲ（25）得到旋转坐标系下的量i_d,i_q，再经过高通滤波器（26）得到在旋转坐标系dq轴下的谐波量

和

步骤52、分别把旋转坐标系下的谐波量和

接入比例谐振控制器（27、28、29、30），分别得到6次谐波和12次谐波的电压补偿量

步骤53、分别把d轴和q轴下的谐波电压补偿量相加就得到在d轴和q轴下的全部电流谐波电压补偿量

和

2.如权利要求1所述的谐波抑制方法，其特征在于，所述谐波量

和通过的基波频率值为6ω_s、12ω_s、18ω_s、24ω_s。

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