CN102355040A

CN102355040A - 与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法

Info

Publication number: CN102355040A
Application number: CN2011103194325A
Authority: CN
Inventors: 刘树; 刘志超; 操丰梅; 梅红明; 刘建政; 王皆庆; 何岩; 陈秋荣; 将丙魁; 刘红媛
Original assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd; Tsinghua University
Current assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd; Tsinghua University
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明公开与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法。变流器各功率模块并网运行时，采用电网电压定向矢量控制和电压空间矢量脉宽调制方法，通过交流侧有功功率、无功功率解耦，可实现各功率模块独立的定功率充放电控制。变流器运行时，设与变流器联接的电池组个数为N，当上级电网调度下发的功率指令与变流器额定功率偏差大于变流器额定功率的1/N时，以电池组荷电状态作为功率分配依据，采用“分时轮换，动态休眠”运行策略。本发明可彻底解决电池直接并联使用所出现的环流问题，可降低系统损耗，提高变流器装置的效率及电能质量，具有很好的通用性、实用性和应用前景。

Description

与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法

技术领域

本发明属于大容量储能电站变流器设计技术领域，适用于与大容量电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制。

背景技术

智能电网作为我国电网的未来发展方向，将对电网运行的各个环节进行技术改进。储能技术尤其是大规模电池储能技术作为智能电网不可或缺的关键内容，由于其自身的特性，将广泛应用于发电、输电、配电、用电四大环节。国家电网公司已于2007年提出了“能源转换关键技术研究---储能关键技术研究”框架，并进行了周密部署，“十一五”期间将以电力储能技术前期研究和共性问题研究为基础，以先进储能装置和电网接入系统关键技术的研究为主攻方向，以示范工程为成果展示平台，以前瞻性研究为储能技术可持续发展的驱动力，通过自主创新掌握电力储能系统的核心技术，并推动实际工程的应用。目前国家电网公司已在河北省张北县投资建设大型风光储互补发电系统，以进行大型储能电站的研究。

目前大规模储能电站主要采用电池储能的形式，通过对电池的定功率充放电控制以配合电网调度，实现对电网的削峰填谷等作用。对于在大容量储能应用场合的电池，电池组的成组方案及运行方式对电池的寿命、特性有极大的影响。在以往的电池的应用中，为达到系统要求常采用电池并联的方式运行，在这种运行方式下，要求并联的电池组一致性极高，而在使用过程中，由于电池制造过程中不可避免的差异及现场环境的复杂性，并联运行的电池组间会出现不均流及环流的现象，对电池的特性有极大的损害，从而造成储能系统性能的大幅下降。此外，目前的变流器设计一般采用大功率集中控制方案，在直流侧电池通过串联方式以一路输出的形式接至变流器的直流侧输入，在交流侧通过一个DCAC模块统一与电网进行功率交换。在变流器运行时，当功率指令与装置额定容量偏差较大时，装置的效率及电能质量将受到很大影响。因而针对电池的大容量应用场，变流器的模块化设计及独立控制可保持电池特性，提高装置性能。

发明内容

为了解决大容量储能应用场合中电池成组运行问题，实现变流器装置的优化运行，本发明提出了一种与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法，该方法支持不同类型、不同容量电池组的接入，通过对变流器功率模块的独立控制可实现对各电池组的独立充放电控制，可彻底解决电池并联使用所出现的环流问题。通过对变流器运行方式的优化，采用“分时轮换、动态休眠”运行策略，可提高装置效率及系统电能质量。

本发明的具体实现方案如下：

一种与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法，该方法通过对变流器功率模块的组合，实现与大容量电池成组应用相匹配，通过变流器各功率模块对相对应电池组实现独立的充放电控制；所述方法包括以下步骤：

1)变流器采用模块化设计，即变流器由多个标准等级的变流器功率模块组成，所述各变流器功率模块的输入端与相对应的电池组相连，所述各变流器功率模块的输出端接入外部交流母线，所述外部交流母线通过变压器连接至交流电网；

2)依据电池成组方式，通过对变流器功率模块的组合以满足电池运行要求，即当某一电池组的充放电功率小于单个变流器功率模块的额定功率时，采用变流器功率模块与电池组一对一的联接方式；当某一电池组充放电功率大于单个变流器功率模块的额定容量时，将两个或以上变流器功率模块并联后再接至该电池组；功率模块并联数量取决于电池组充放电功率与功率模块额定功率相除所得的整数；

3)各变流器功率模块对各电池组进行独立的定功率充放电控制；

4)变流器运行时，采用“分时轮换，动态休眠”的运行方式：当变流器联接的电池组个数为N，当上级电网调度下发的功率指令与变流器额定功率偏差大于变流器额定功率的1/N时，则变流器依据各电池组荷电状态SOC进行功率分配，即：变流器根据当前接收到的功率指令及功率模块的额定容量，确定所需参与充放电的功率模块的数量，并优先选取荷电状态SOC较低/高的电池组进行充/放电，以使各个电池组的荷电状态趋于平衡；当各电池组荷电状态SOC一致时，通过分时轮换的方式，让各变流器功率模块轮流处于休眠状态。

进一步，在所述步骤1)中，变流器设计容量为各标准等级变流器功率模块的额定容量之和。所述变流器功率模块为由绝缘栅双极型晶体管IGBT所构成的三桥臂功率单元、LCL滤波器和并联电容组成，其中LCL滤波器的一端接至三桥臂功率单元的输出，另一端连接所述外部交流母线，并联直流电容并联连接在三桥臂功率单元的输入侧。

进一步，在所述步骤3)中，变流器功率模块运行时，采用电网电压定向矢量控制在交流侧通过坐标变换方法实现有功无功解耦，通过闭环控制实现有功功率及无功功率的定值输出。各电池组充电时采用四段式充电方法，充电四阶段按先后顺序分别为：恒功率预充电、恒功率快充电、恒压均充电、恒压浮充电，其中，恒功率定值及恒压定值可依电池特性而整定。电池放电时采用恒功率并网放电方式。

本发明具有以下效果：

本发明通过对变流器的模块化设计及对各电池组独立的充放电控制，可解决电池组直接并联使用时所出现的环流、不均流现象；通过优化变流器运行方式，提高了变流器装置效率，改善了装置电能质量。本发明所提供的设计方法具有很大的通用性、实用性和灵活性，可满足大容量电池储能的应用要求。

附图说明

图1为变流器功率模块主电路图；

图2为本发明变流器主回路拓扑图；

图3为本发明变流器功率模块定功率控制原理图；

图4为本发明变流器功率模块定电压控制原理图；

图5为本发明变流器运行控制方法流程图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施案例对本发明的技术方案进一步详细表述。

图1所示为本发明中使用的变流器功率模块主电路图。

本发明变流器中的功率模块由绝缘栅双极型晶体管IGBT所构成的三桥臂功率单元及LCL滤波器组成，LCL滤波器的一端接至三桥臂功率单元的输出，LCL滤波器另一端接入外部交流母线，三桥臂直流侧并联滤波电容后与电池组相连接。

图1中所示，Cdc表示直流母线滤波电容；Udc表示直流母线电压，即电池组端口电压；La1、La2为A相滤波电感，Ca为A相滤波电容，La1、La2、Ca组成A相LCL滤波电路；Lb1、Lb2为B相滤波电感，Cb为B相滤波电容，Lb1、Lb2、Cb组成B相LCL滤波电路；Lc1、Lc2为C相滤波电感，Cc为C相滤波电容，Lc1、Lc2、Cc组成C相LCL滤波电路。

图2所示为与电池组成组相匹配的变流器拓扑图。

通过本申请的与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法可实现变流器功率模块的组合。当电池组的充放电功率小于单个功率模块的额定功率时，可采用功率模块与电池组一对一的联接方式；当电池组充放电功率大于单个功率模块的额定容量时，可将功率模块并联后再接至电池组，功率模块并联数量取决于电池组充放电功率与功率模块额定功率相除所得的整数。

图3所示为变流器功率模块定功率控制原理图。

本申请的与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法可实现变流器各功率模块的定功率充放电控制。变流器功率模块运行时，采用电网电压定向矢量控制，基于dq坐标系下的坐标变换实现电网侧有功功率、无功功率的解耦，如图3所示，i^* _d为功率模块有功电流期望，i^* _q为功率模块无功电流期望，i^* _d、i^* _q分别与对应的反馈值i_d、i_q相比较后的误差经PI调节器调节后输出，再与各自的解耦补偿项和电网电压扰动前馈补偿项相运算后得到变换器交流侧参考电压u^* _rd、u^* _rq，再经坐标变换后产生调制参考电压u^* _αr、u^* _βr进行SVPWM调制，产生驱动信号实现对变流器功率模块的控制，当功率模块需要定功率充放电控制时，可通过对i^* _d赋值以实现，从而实现各电池组的定功率充放电控制，避免了电池组直接并联运行所引起的环流问题；当功率模块需要输出无功功率时，可通过对i^* _q赋值以实现。

图4所示为变流器定电压充电控制原理图。

本申请的与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法可实现变流器各功率模块的定电压充电控制即恒压充电控制。变流器模块采用电网电压定向矢量控制，恒压充电控制时采用双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现直流母线电压控制；采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法控制其开关器件的通断。如图4，直流电压环给定电压即恒压充电期望值u_dc ^*和反馈电压u_dc相比较后的误差经PI调节器输出有功电流期望i^* _d，无功电流期望i^* _q由功率因素的性质决定。i^* _d、i^* _q分别与对应的反馈值i_d、i_q相比较后的误差经过PI调节器调节后输出，再与各自的解耦补偿项和电网电压扰动前馈补偿项相运算后得到变换器交流侧参考电压u^* _rd、u^* _rq，再经坐标变换后产生调制参考电压u^* _αr、u^* _βr进行SVPWM调制，产生驱动信号实现对电池组的恒压充电控制。

图5所示为本发明变流器“分时轮换、动态休眠”运行方式流程图。

图5中Pset为上级电网调度下发的功率指令，P_N为变流器额定功率，ΔP表示上级电网调度下发功率指令与变流器额定功率之差，P_M为功率模块额定功率，N为与变流器联接的电池组个数，Nwork参与充放电的功率模块数量；

本申请的与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法可实现变流器运行时，各功率模块执行“分时轮换，动态休眠”的运行策略。所述分时轮换、动态休眠的运行策略流程优选如图5所示，其步骤如下：

步骤1：变流器接收上级电网调度功率指令Pset；

步骤2：计算上级功率指令与变流器额定容量偏差ΔP，判断其是否大于P_N/N；

步骤3：若ΔP小于P_N/N，则所有电池组参与充放电，若ΔP大于P_N/N，则执行步骤4；

步骤4：依据上级功率指令Pset及功率模块额定功率，确定所需参与充放电的功率模块个数N，其中Nwork＝Pset/P_M，Nwork取整数；

步骤5：判断各电池组荷电状态(SOC)是否一致，若一致，则参与充放电的各功率模块进行分时轮换工作，若不一致，则执行步骤6；

步骤6：在电池组中选取荷电状态(SOC)较低/高的电池组进行充/放电，电池组充放电功率大小的设定与电池组荷电状态(SOC)值成反比；

步骤7：当步骤6中荷电状态(SOC)值较低/高的电池组通过充/放电过程而与其它电池组荷电状态(SOC)一致时，参与充放电的各功率模块进行分时轮换工作。

本申请中所述“分时轮换、动态休眠”的运行策略，可降低变流器装置开关损耗及电抗器的高频损耗。

综合上述，本发明技术方案采用模块化的设计将大规模的电池分组接入，通过对各变流器功率模块的独立控制，可彻底解决电池组在直接并联使用时出现的环流问题，在变流器运行时，采用“分时轮换、动态休眠”的运行策略，可提高装置效率及电能质量，实现电池的优化管理及装置的高效使用，提高了系统整体性能，具有很大的通用性、实用性和灵活性，能满足不同应用场合的需求，尤其适用于智能电网中大规模的储能电站。

本发明申请人结合说明书附图对本发明做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当处于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种与电池成组应用相匹配的变流器模块化设计与控制方法，该方法通过对变流器功率模块的组合，实现与大容量电池成组应用相匹配，通过各变流器模块对相对应电池组实现独立的充放电控制，所述方法包括以下步骤：

2)依据电池成组方式，通过对变流器功率模块的组合以满足电池运行要求，即当某一电池组的充放电功率小于单个变流器功率模块的额定功率时，采用变流器功率模块与电池组一对一的联接方式；当某一电池组充放电功率大于单个变流器功率模块的额定容量时，将两个或以上变流器功率模块并联后再接至该电池组；

4)变流器运行时，采用“分时轮换，动态休眠”的运行方式：当变流器联接的电池组个数为N，当上级电网调度下发的功率指令与变流器额定功率偏差大于变流器额定功率的1/N时，则变流器依据各电池组荷电状态SOC进行功率分配，即：变流器根据当前接收到的功率指令及功率模块的额定容量，确定所需参与充放电的功率模块的数量，并选取荷电状态SOC较平均荷电状态低的电池组进行充电，选取荷电状态SOC较平均荷电状态高的电池组进行放电，以使各个电池组的荷电状态趋于平衡；当各电池组荷电状态SOC一致时，通过分时轮换的方式，让各变流器功率模块轮流处于休眠状态。

2.根据权利要求1所述的设计与控制方法，其特征在于：

在所述步骤1)中，变流器设计容量为各标准等级变流器功率模块的额定容量之和。

3.根据权利要求2所述的设计与控制方法，其特征在于：

所述变流器功率模块为由绝缘栅双极型晶体管IGBT所构成的三桥臂功率单元、LCL滤波器和并联电容组成，其中LCL滤波器的一端接至三桥臂功率单元的输出，另一端连接所述外部交流母线，并联电容并联连接在三桥臂功率单元的输入侧。

4.根据权利要求1所述的设计与控制方法，其特征在于：

在所述步骤3)中，变流器功率模块运行时，采用电网电压定向矢量控制在交流侧通过坐标变换方法实现有功无功解耦，通过闭环控制实现有功功率及无功功率的定值输出。

5.根据权利要求1所述的设计与控制方法，其特征在于：

在所述步骤3)中，各电池组充电时采用四段式充电方法，充电四阶段按先后顺序分别为：恒功率预充电、恒功率快充电、恒压均充电、恒压浮充电，其中，恒功率定值及恒压定值可依电池特性而整定。

6.根据权利要求1所述的设计与控制方法，其特征在于：

在所述步骤3)中，电池放电时采用恒功率并网放电方式。