CN102570488A

CN102570488A - 基于锂电池储能的功率转换系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102570488A
Application number: CN2012100224516A
Authority: CN
Inventors: 李建林; 李蓓; 马会萌; 谢志佳; 惠东
Original assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: CN102570488B

Abstract

一种基于锂电池储能的功率转换系统及其控制方法，所述的锂电池系统连接到变流器的直流端，锂电池系统由锂电池单体串并联组成，串并联后形成的锂电池系统的电压不小于电网系统电压等级的1.633倍。本发明采用由3组串联电感组和3个电容组成的LCL滤波器，电感两两串联为一电感组，三组电感组的一端分别接变流器三相交流输出端，三个电感组的另一端分别连接电网；3个电容的一端相互连接形成公共端，3个电容的另一端分别连接三组串联电感的公共端。本发明对所述的锂电池系统进行电池荷电状态SOC监测，并采用电流反馈型补偿法对死区进行补偿，采用SVPWM技术控制变流器，本发明变流器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM变流器输出电压高15％。

Description

基于锂电池储能的功率转换系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于锂电池储能的功率转换系统及其控制方法。

背景技术

针对大部分可再生能源发电装置所产生的电能存在不可预测性和间歇性问题，国内外陆续开始尝试采用网架改造、风电预测技术、备用容量和大规模储能等手段来解决瓶颈问题。其中大规模储能系统以其具有动态响应特性好、寿命长、可靠性高等特点，在提高电网风电接纳能力领域为国内外所关注。同时，近年来大容量电池储能技术得到了快速发展和应用，相应的技术路线逐渐清晰，一些典型的储能电池技术已经初步具备应用于电力系统调频、调峰等诸多方面。其中锂电池因其比能量大、循环寿命长、安全性能好、可快速充放电、自放电少和无记忆效应等优点，在间歇性能源并网发电方面有很好的应用前景。

锂电池系统的广泛应用，需要一些核心技术支撑。功率转换系统(PCS)是其中重要的一项。传统功率转换系统由DC/DC、DC/AC和L滤波器组成，变流器控制采用SVPWM调制方法。电池组出力经DC/DC提升电压后，再经过DC/AC转换为三相交流输出，通过L滤波器与电网相连。现有的功率转换系统由于硬件结构和控制方法的原因，存在器件复杂、转换率低、开关损耗较大、波形失真、缺乏对电池系统保护等问题。

中国专利201110193855.7，名称为“基于锂电池和超级电容的储能并网电路及其控制方法”，提出储能并网电路及其控制思路，但没有考虑电池组SOC(荷电状态)状态，不利于对电池进行保护。其使用DC/DC设备，增加设备数量且功率很难做大，并使双向能量转换环节效率降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有功率转换系统在设备复杂、双向功率转换效率低、忽略储能电池系统保护、并网谐波滤波效果不好、缺少死区补偿等缺点，提出一种具有新的硬件结构的功率转换系统及其控制方法。

本发明功率转换系统采用的硬件结构包括锂电池系统、变流器电路、LCL滤波器、并网电路和DSP芯片，所述的锂电池系统、变流器电路、LCL滤波器顺序连接，DSP芯片连接到变流器的开关器件，用以输出控制电压。

本发明的锂电池系统采用锂电池单体串联或并联组成。根据锂电池系统的电压特性，可省去现有技术的DC/DC直流升压部分，减少设备的同时提高电能利用率。本发明采用LCL滤波器，与传统L滤波器相比，引入电容电流内环控制，增强系统稳定性，提高滤波效果，同时节约总的电感磁芯材料。本发明还加入锂电池系统SOC(电池荷电状态)检测控制策略，避免锂电池系统出现过度充电或者过度放电状态，延长储能电池组工作寿命，减少综合使用成本。采用电流反馈型补偿法对死区进行补偿，减少反馈二极管的续流产生的谐波，改善波形失真。采用SVPWM技术，每次开关切换只涉及一个器件，开关损耗小；利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单；变流器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM变流器输出电压高15％。

本发明功率转换系统的结构组成如下：

所述的锂电池系统由锂电池单体串联或并联组成。具体串联或并联方法以满足系统电压实际需求为标准。设定电网系统电压等级为u，串并联后形成的锂电池系统电压为U，U应不小于1.633倍的u。由于锂电池单体经过串并联形成的锂电池系统能够满足电网系统电压等级需求，并且具有输出电压稳定的特点，因此可以省去DC/DC升压稳压电路。锂电池系统直接连接到变流器的直流端。

所述的LCL滤波器由3组串联电感组和3个电容组成。电感两两串联为一电感组，三组电感组的一端分别接变流器三相交流输出端，三个电感组的另一端分别连接电网。3个电容的一端相互连接形成公共端，3个电容的另一端分别连接三组串联电感的公共端。在低频段，LCL滤波器的频率特性与单L滤波器是一致的，滤波电容仅影响电流的高频谐波成分，对低频尤其是基波基本没有影响；在高频段，LCL滤波器的幅值衰减速度远高于L滤波器，LCL滤波器有利于消除高次谐波。

锂电池系统的直流输出通过变流器转换为三相交流输出，变流器输出通过LCL滤波器滤波后连接到电网，采用SVPWM技术通过DSP芯片控制变流器。

本发明功率转换系统的控制方法如下：

DSP芯片检测变流器电网侧三相电流i、电网侧三相电压v和LCL滤波器电容的三相电流i_c。电网侧三相电压v经过PLL锁相环，得到相角n，所述的相角n用于参与Park变换和Park反变换。电网侧三相电流i、电网侧三相电压v、电容三相电流i_c分别经过Clarke变换，得到定子静止坐标系分量i_αβ、v_αβ和i_cαβ；i_αβ、v_αβ和i_cαβ再经过Park变换，得到dq轴分量i_q、i_d、v_q、v_d、i_cq、i_cd。其中i_q、i_d、v_q、v_d经过功率计算，得到实际输送到电网的有功功率P和无功功率Q。有功功率P与给定有功功率P^*做差后，经过一个PI环节，得到给定有功电流i_q ^*；无功功率Q与给定无功功率Q^*做差后，经过一个PI环节，得到给定无功电流i_d ^*。i_q ^*与i_q做差后，经过一个PI环节，得到控制电压dq轴初步给定分量v_q’；i_d*与i_d做差后，经过一个PI环节，得到控制电压dq轴初步给定分量v_d’。v_q与直流轴电压补偿分量i_dωL做差后，再与v_q’做差，得到变流器给定电压v_q ^*；v_d与交流轴电压补偿分量i_qωL做差后，再与v_d’做差，得到变流器给定电压v_d ^*。v_q ^*与i_cq经过一个Kd环节后的值做差后，再经过Clarke反变换，得到控制电压定子静止坐标系分量v_α ^*；v_d ^*与i_cd经过一个Kd环节后的值做差后，再经过Clarke反变换，得到控制电压定子静止坐标系分量v_β ^*。v_α ^*、v_β ^*经过Park反变换后得到控制电压v_C ^*。

根据开关器件的开通和关断时间计算死区时间Tc。定义电流极性由变流器流向电网为正。对变流器三项输出端a相电流i_a进行极性检测，检测后经过补偿电压计算公式计算得到补偿电压U_com。将补偿电压U_com与v_C ^*相加，得到死区补偿后的控制电压v_C。补偿电压计算公式为U_com＝Tc/Ts×U_dcsgn(i)。式中Tc为死区时间，Ts为一个PWM波周期，sgn()为符号函数。

从锂电池系统检测SOC和锂电池系统充放电电流i_B，将锂电池系统SOC与锂电池系统充放电电流i_B比较后，经过SOC越限判断环节，判断锂电池系统是否过度充电或过度放电，根据电池荷电状态情况，输出逻辑值1或0。SOC未越限输出逻辑1，SOC越限则输出逻辑0，输出的逻辑值与所述的v_C相与后，作为变流器SVPWM的控制电压。

采用SVPWM方法控制变流器。SVPWM利用变流器三相桥输出的8个电压矢量来合成指令电压矢量。8个电压矢量是间断的，而参考电压矢量是连续的，但是如果开关频率足够高，则可以以一个开关周期的平均值为标准来进行等效。三相电压型桥式变流电路，采用180°导通方式，共有8种工作状态，即K6、K1、K2通，K1、K2、K3通，K2、K3、K4通，K3、K4、K5通，K4、K5、K6通，K5、K6、K1通，以及K1、K3、K5通和K2、K4、K6通，用“1”表示每相上桥臂开关导通，用“0”表示下桥臂开关导通，则上述8种工作状态可依次表示为100、110、010、011、001、101以及111和000。

前6种状态有输出电压，属有效工作状态，而后两种全部是上管通或下管通，没有输出电压，称之为零工作状态。在每个工作周期中，6种有效工作状态各出现一次，每一种状态持续60°，在一个周期中6个电压矢量共转过360°，形成一个封闭的正六边形，对于111和000这两个“零工作状态”，在这里表现为位于原点的零矢量，坐落在正六边形的中心点。

所要的电压矢量，用基本矢量线形组合来实现，基本矢量的作用时间一般小于开关周期To的60°，不足的时间可用“零矢量”补齐。

附图说明

图1本发明实施例锂电池系统用功率转换系统拓扑结构；

图2锂电池系统拓扑结构图；

图3LCL滤波器拓扑结构图；

图4SOC监测系统控制框图；

图5死区补偿控制框图；

图6本发明实施例锂电池系统用功率转换系统控制流程图；

图7SVPWM系统拓扑结构图。

具体实施方式

以下结合图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为锂电池系统用功率转换系统拓扑结构图。本发明采用的结构是：锂电池系统、变流器电路、LCL滤波及并网电路顺序连接；DSP芯片连接到变流器，用以输出控制电压。

图2为锂电池系统拓扑结构图。锂电池系统由若干电池单体经过串并联组成，具体串并联方法由实际需求决定。设定系统电压等级为u，串并联后形成的锂电池系统电压为U，U应不小于1.633倍的u。

图3为LCL变流器拓扑结构图。LCL变流器由3组串联电感和3个电容组成。电感L₁与电感L₂串联为一组，电感L₃与电感L₄串联为一组，电感L₅与电感L₆串联为一组，电感L₁、L₃、L₅的另一端分别接变流器三相交流输出端，电感L₂、L₄、L₆的另一端分别连接电网。电容C₁、C₂、C₃的一端相互连接形成公共端，电容C₁、C₂、C₃的另一端分别连接电感L₅、L₆的公共端，电感L₃、L₄的公共端和电感L₁、L₂的公共端。

图4是SOC监测系统控制框图。监测锂电池系统SOC和锂电池系统充放电电流i_B的方向，以判断锂电池系统充电还是放电，并判断SOC是否越限，SOC未越限，则DSP输出逻辑1，如SOC越限，则DSP输出逻辑0，输出的逻辑值与控制电压相与后，作为SVPWM的控制电压。具体判定SOC的方法为：当锂电池系统SOC≥0.8时，DSP输出逻辑值0，停止锂电池系统充电，电网侧需要功率补偿时，DSP输出逻辑值1，锂电池系统提供功率补偿；当电池系统SOC≤0.3时，DSP输出逻辑值0，停止锂电池组放电，电网侧需要功率吸收时，DSP输出逻辑值1，锂电池系统提供功率吸收；当0.3＜SOC＜0.8时，DSP输出逻辑值恒定为1，根据电网侧需求，锂电池系统补偿或吸收功率。

图5是死区补偿控制框图。变流器输出通过LCL滤波后与电网相连，根据开关器件的开通和关断时间计算死区时间T_c。定义电流极性由变流器流向电网为正。对变流器三项输出端a相电流i_a进行极性检测，根据检测结果i_a和死区时间T_c计算出补偿电压U_com。将补偿电压U_com与控制电压v_C ^*相加，形成最终控制电压通过SVPWM控制变流器输出。

图6是锂电池系统用功率转换系统控制流程图。锂电池系统通过变流器转换为三相交流输出，变流器输出的三相交流通过LCL滤波器滤波后连接到电网，变流器采用SVPWM技术控制。

检测网侧三相电流i、网侧三相电压v和电容三相电流i_c。v经过PLL，得到相角n，用于参与Park变换和Park反变换。i、v、i_c分别经过Clarke变换，得到i_αβ、v_αβ和i_cαβ；再经过Park变换，得到i_q、i_d、v_q、v_d、i_cq、i_cd。i_q、i_d、v_q、v_d经过瞬时功率计算，得到实际输送到电网的有功功率P和无功功率Q。有功功率P与给定有功功率P^*做差后，经过一个PI环节，得到给定有功电流i_q ^*；无功功率Q与给定无功功率Q^*做差后，经过一个PI环节，得到给定无功电流i_d ^*。i_q ^*与i_q做差后，经过一个PI环节，得到v_q’；i_d*与i_d做差后，经过一个PI环节，得到v_d’。v_q与直流轴电压补偿分量i_dωL加后，再与v_q’做差，得到变流器给定电压v_q ^*；v_d与交流轴电压补偿分量i_qωL减后，再与v_d’做差，得到变流器给定电压v_d ^*。v_q ^*与i_cq经过一个Kd环节后的值做差后，再经过Clarke反变换，得到v_α ^*；v_d ^*与i_cd经过一个Kd环节后的值做差后，再经过Clarke反变换，得到v_β ^*。v_α ^*、v_β ^*经过Park反变换后得到控制电压v_C ^*。

根据开关器件的开通和关断时间计算死区时间T_c。定义电流极性由变流器流向电网为正。对变流器三项输出端a相电流i_a进行极性检测，检测后经过补偿电压计算公式，得到补偿电压U_com。将补偿电压U_com与v_C ^*相加，得到死区补偿后的控制电压v_C。

从锂电池系统检测SOC和锂电池系统充放电电流i_B，SOC与i_B比较后，经过SOC越限判断环节，由DSP输出逻辑值1或0。SOC未越限输出逻辑1，SOC越限则输出逻辑0，输出的逻辑值与v_C相与后，作为SVPWM的控制电压。

图7为SVPWM系统拓扑结构图。电压型三相全桥电压型变流器的直流母线D和直流母线C之间跨接锂电池系统，其中锂电池系统的正极接直流母线D，锂电池系统的负极接直流母线C。电压型三相全桥变流器的输出分为a、b、c三相，每相均由两个开关管串联组成：a相由开关管K1和K2串联组成，开关管K1的阳极连接到直流母线D，开关管K1的阴极连接K2的阳极，开关管K2的阳极连接变流器的a相输出和开关管K1的阴极，开关管K2的阴极连接直流母线C；b相由开关管K3和K4串联组成，开关管K3的阳极连接到直流母线D，开关管K3的阴极连接K4的阳极，开关管K4的阳极连接变流器的a相输出和开关管K3的阴极，开关管K4的阴极连接直流母线C；c相由开关管K5和K6串联组成，开关管K5的阳极连接到直流母线D，开关管K5的阴极连接K6的阳极，开关管K6的阳极连接变流器的a相输出和开关管K5的阴极，开关管K6的阴极连接直流母线C；对数字信号处理芯片DSP进行编程配置，产生控制信号P1～P6，由于P1～P6的电压等级不够且相互之间电压没有隔离，不能够直接控制开关管K1～K6，要经隔离驱动电路进行隔离和电压放大，再用来控制开关管K1～K6，P1～P6经隔离驱动电路后分别对应于P1’～P6’，P1’～P6’分别连接到每个开关管的驱动门极上，P1’控制开关管K1的开通和关断状态；P2’控制开关管K2的开通和关断状态；P3’控制开关管K3的开通和关断状态；P4’控制开关管K4的开通和关断状态；P5’控制开关管K5的开通和关断状态；P6’控制开关管K6的开通和关断状态，从而实现逆变。

Claims

1.一种基于锂电池储能的功率转换系统，包括锂电池系统、变流器电路、滤波器、并网电路和DSP芯片；所述的锂电池系统、变流器电路、滤波器依次顺序连接，DSP芯片连接到变流器的开关器件，用以输出控制电压，其特征在于所述的锂电池系统连接到变流器的直流端，锂电池系统由锂电池单体串并联组成，串并联后形成的锂电池系统的电压不小于电网系统电压等级的1.633倍；所述的滤波器为LCL滤波器；所述的LCL滤波器由3组串联电感组和3个电容组成，电感两两串联为一电感组，三组电感组的一端分别接变流器三相交流输出端，三个电感组的另一端分别连接电网；3个电容的一端相互连接形成公共端，3个电容的另一端分别连接三组串联电感的公共端；对所述的锂电池系统进行电池荷电状态SOC监测。

2.根据权利要求1所述的基于锂电池储能的功率转换系统，其特征在于监测所述的锂电池系统的荷电状态SOC和充放电电流i_B的方向，判断SOC是否越限：当锂锂电池系统SOC≥0.8时，停止锂电池系统充电，电网侧需要功率补偿时，锂电池系统提供功率补偿；当锂电池系统SOC≤0.3时，停止锂电池系统放电，电网侧需要功率吸收时，锂电池系统提供功率吸收；当0.3＜SOC＜0.8时，根据电网侧需求，锂电池系统补偿或吸收功率。

3.对权利要求1所述的基于锂电池储能的功率转换系统的控制方法，其特征在于所述的变流器采用SVPWM技术控制，步骤如下：

检测变流器电网侧三相电流i、电网侧三相电压v和LCL滤波器电容的三相电流i_c；电网侧三相电压v经过PLL锁相环，得到相角n，用于参与Park变换和Park反变换；电网侧三相电流i、电网侧三相电压v、电容三相电流i_c分别经过Clarke变换，得到定子静止坐标系分量i_αβ、v_αβ和i_cαβ；i_αβ、v_αβ和i_cαβ再经过Park变换，得到dq轴分量i_q、i_d、v_q、v_d、i_cq、i_cd；其中i_q、i_d、v_q、v_q经过瞬时功率计算，得到实际输送到电网的有功功率P和无功功率Q；有功功率P与给定有功功率P^*做差后，经过一个PI环节，得到给定有功电流i_q ^*；无功功率Q与给定无功功率Q^*做差后，经过一个PI环节，得到给定无功电流i_d ^*；i_q ^*与i_q做差后，经过一个PI环节，得到控制电压dq轴初步给定分量v_q’；i_d ^*与i_d做差后，经过一个PI环节，得到控制电压dq轴初步给定分量v_d’；v_q与直流轴电压补偿分量i_dωL相加后，再与v_q’做差，得到变流器给定电压v_q ^*；v_d与交流轴电压补偿分量i_qωL相减后，再与v_d’做差，得到变流器给定电压v_d ^*；v_q ^*与i_cq经过一个Kd环节后的值做差后，再经过Clarke反变换，得到控制电压定子静止坐标系分量v_α ^*；v_d ^*与i_cd经过一个Kd环节后的值做差后，再经过Clarke反变换，得到控制电压定子静止坐标系分量v_β ^*。v_α ^*、v_β ^*经过Park反变换后得到控制电压v_C ^*；

根据开关器件的开通和关断时间计算死区时间Tc；定义电流极性由变流器流向电网为正；对变流器三项输出端a相电流i_a进行极性检测，检测后经过补偿电压计算公式U_com＝Tc/Ts×U_dcsgn(i)计算得到补偿电压U_com，式中Tc为死区时间，Ts为一个PWM波周期，sgn()为符号函数；将补偿电压U_com与控制电压v_C ^*相加，得到死区补偿后的控制电压v_C；

检测锂电池系统荷电状态SOC和锂电池系统充放电电流i_B的方向，判断锂电池系统荷电状态SOC是否越限：如锂电池系统荷电状态SOC，由DSP输出逻辑值1，如锂电池系统荷电状态SOC越限，则输出逻辑值0，所述的的逻辑值；与所述的死区补偿后的控制电压v_C相与后，作为变流器SVPWM的控制电压；

采用SVPWM方法控制变流器，SVPWM利用变流器三相桥输出的8个电压矢量来合成指令电压矢量，用“1”表示每相上桥臂开关导通，用“0”表示下桥臂开关导通，则上述8种工作状态依次表示为100、110、010、011、001、101以及111和000，前6种状态有输出电压，属有效工作状态，后两种状态全部是上管通或下管通，没有输出电压，称之为零工作状态，所要的电压矢量用基本矢量线形组合实现，基本矢量的作用时间一般小于开关周期To的60°，不足的时间用“零矢量”补齐。