CN102611173B - 一种两级充放电系统 - Google Patents

Abstract

一种两级充放电系统，属于双向功率变换系统，解决现有两级充放电系统容量小、功率支撑时间短和运行模式简单的问题。本发明包括双向交直流变流器、控制器和N台双向直流变流器，双向交直流变流器通过直流母线和N台双向直流变流器输入端并联，N台双向直流变流器输出端分别用于连接N组电池，控制器包括模式判断模块、孤岛运行模块、并网放电模块、并网充电模块、分段恒流充电模块和恒流恒压充电模块，控制器生成驱动信号分别送至双向交直流变流器和N台双向直流变流器。本发明系统容量大、工作模式丰富、可靠性高，可实现孤岛运行、并网放电、并网充电、分段恒流充电和恒流恒压充电五种工作模式，适用于兆瓦级功率储能系统应用。

Description

一种两级充放电系统

技术领域

本发明属于双向功率变换系统，具体涉及一种两级充放电系统，适用于兆瓦级功率储能系统应用。

背景技术

大规模电池储能电站具有工况转换快、运行灵活、高效、安全环保、运行维护费低、建设周期短、可扩展性强等特点，可用于支撑电网末端电压，改善电网电能质量，对关键负荷实现不间断供电，在其规模达到一定程度后还可以实现负荷搬运。大规模电池储能电站建设的关键在于大规模充放电技术，大规模充放电技术包含了储能载体(动力电池、储能电池)，也包括适用于大规模电池储能的大功率双向交直流变流器和双向直流变流器(BDC)以及由此构成的能量变换系统。从系统的层面出发，又包括对大规模电池储能系统构架的研究，以及系统与电网之间电能质量的调节与能量调度的分析，同时还必须分析电网故障时系统的独立孤岛运行特性。

现有的电池储能系统往往被用于平抑光伏、风力等新能源并网后引入的功率波动，提高系统稳定性和电能质量，增强变流器低电压穿越能力。常见的储能系统有单级系统和两级系统。单级系统结构比两级系统简单，但其充放电深度受电池端电压的影响，电池工作范围较小，华中科技大学的曾杰在其博士论文“可再生能源发电与微网中储能系统的构建与控制研究，2009”中，提出一种用于平抑风力发电有功输出的储能系统，包括双向交直流变流器和相应的控制单元，用于850千瓦的风力发电系统，文中进行了电力系统级别的仿真，虽然该储能系统容量可超过0.5兆瓦，但其特点是采用单级结构，系统容量只占整个风力发电系统容量的较小部分，储能系统运行于并网充放电模式，以提供短时间的功率支撑，减小风电输出功率的波动对电网的影响。

两级系统通过双向直流变流器连接电池组可以有效避免单级系统充放电深度受电池端电压的影响，电池工作范围较小这一缺点。清华大学的金一丁等人在其论文“电池储能系统的非线性控制器，2009”中，提出一种用于钠硫电池储能系统的两级储能系统，包括双向交直流变流器、双向直流变流器和相应的控制单元，双向直流变流器由三组斩波电路构成，仅工作于并网充放电工况，其容量为75kVA，功率支撑时间较短。

发明内容

本发明提供一种两级充放电系统，解决现有两级充放电系统存在的容量小、功率支撑时间短和运行模式简单的问题，实现多模式和高可靠运行。

本发明的一种两级充放电系统，包括双向交直流变流器、控制器和N台双向直流变流器，双向交直流变流器通过直流母线和N台双向直流变流器输入端并联，控制器生成第一～第六路驱动信号送至双向交直流变流器，控制器生成第七～第(6+2N)路驱动信号送至N台双向直流变流器，N台双向直流变流器输出端分别用于连接N组电池，N＝1～10，其特征在于：

A.所述控制器包括模式判断模块、孤岛运行模块、并网放电模块、并网充电模块、分段恒流充电模块和恒流恒压充电模块；

(1)模式判断模块进行下述操作：

(1.1)置工作模式变量n＝0，第i组电池充电次数计数值j_i＝0，i＝1～N；

(1.2)周期性判断模式输入变量m是否等于当前工作模式变量n，是则转步骤(1.4)；否则转步骤(1.3)；

(1.3)将模式输入变量m的值赋给工作模式变量n；

(1.4)判别工作模式变量n：

n＝1，转孤岛运行模块；

n＝2，转并网放电模块；

n＝3，转并网充电模块；

n＝4，转分段恒流充电模块；

n＝5，转恒流恒压充电模块；

(2)孤岛运行模块进行下述操作：

(2.1)对交流母线的初始三相交流电压u_sa，b，c、初始三相交流电流i_sa，b，c以及初始直流母线电压u_sdc、第i台初始电池电压u_sbati和第i台初始电池电流i_sbati进行滤波，得到三相交流电压u_a，b，c、三相交流电流i_a，b，c、直流母线电压u_dc、第i组电池电压u_bati、第i台输出电池电流i_bati，i＝1～N；

(2.2)利用计数器获得相角

x为当前时刻计数值，X＝mod(10⁶/2^T)，mod表示对括号内的值取整，T为0～7的整数；计数器每20×2^Tns加1；

(2.3)利用相角

进行坐标系转换，将三相静止坐标系下三相交流电压u_a，b，c、三相交流电流i_a，b，c变换为同步旋转坐标系下交流有功电压u_d、交流无功电压u_q、交流有功电流i_d、交流无功电流i_q；

(2.4)计算有功电压误差e_vd：e_vd＝311V-u_d；

(2.5)计算有功电流参考值i_d ^*：i_d ^*＝K_vpde_vd+K_vid∫e_vddt；其中，0.72≤有功电压比例系数K_vpd≤0.87，1789≤有功电压积分系数K_vid≤1973；

(2.6)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d ^*-i_d；

(2.7)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_iddt；其中，15.75≤有功电流比例系数K_ipd≤19.06，1.92×10⁵≤有功电流积分系数K_iid≤2.13×10⁵；

(2.8)计算无功电压误差e_vq：e_vq＝0-u_q；

(2.9)计算无功电流参考值i_q ^*：i_q ^*＝K_vpqe_vq+K_viq∫e_vqdt；其中，无功电压比例系数K_vpq＝K_vpd；无功电压积分系数K_viq＝K_vid；

(2.10)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q ^*-i_q；

(2.11)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；其中，无功电流比例系数K_ipq＝K_ipd；无功电流积分系数K_iiq＝K_iid；

(2.12)将同步旋转坐标系下的u_rd和u_rq变换为三相静止坐标系下的a相调制电压u_ra、b相调制电压u_rb、c相调制电压u_rc；

(2.13)生成等效的a相空间矢量调制信号u′_ra、b相空间矢量调制信号u′_rb、c相空间矢量调制信号u′_rc：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}}^{\′}\\ u_{\mathrm{rb}}^{\′}\\ u_{\mathrm{rc}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}}\\ u_{\mathrm{rb}}\\ u_{\mathrm{rc}}\end{array}\right]+u_z\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right];$

其中，零序分量u_z＝-[max(u_ra，u_rb，u_rc)+min(u_ra，u_rb，u_rc)]/2；max和min分别为求最大值和求最小值的运算函数；

(2.14)生成驱动信号：

将u′_ra、u′_rb、u′_rc分别与频率为3kHz，幅值为1的三角载波信号相比较，当u′_ra大于三角载波信号瞬时值时，输出第一路驱动信号，当u′_ra低于三角载波信号瞬时值时，输出第二路驱动信号；当u′_rb大于三角载波信号瞬时值时，输出第三路驱动信号，当u′_rb低于三角载波信号瞬时值时，输出第四路驱动信号；当u′_rc大于三角载波信号瞬时值时，输出第五路驱动信号，当u′_rc低于三角载波信号瞬时值时，输出第六路驱动信号；

将生成的第一～第六路驱动信号送至双向交直流变流器；

(2.15)计算直流母线电压误差e_vdc：e_vdc＝700V-u_dc-K_batii_bati；

其中，荷电状态比例系数K_bati＝SOC_i/50000；SOC_i为第i组电池荷电状态，由各组电池在充放电时给出；

(2.16)计算第i台双向直流变流器的输出电池电流参考值i_bati ^*：

i_bati ^*＝K_vpdce_vdc+K_vidc∫e_vdcdt；其中，0.067≤母线电压比例系数K_vpdc≤0.081；18.23≤母线电压积分系数K_vidc≤22.06；

(2.17)计算第i台双向直流变流器的电池电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati ^*-i_bati；

(2.18)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；其中，0.042≤电池电流比例系数K_ipbat≤0.051，5.28≤电池电流积分系数K_iibat≤6.39；

(2.19)生成双向直流变流器驱动信号：

将u_rdci与频率为10kHz，幅值为1的锯齿波信号相比较，当u_rdci大于锯齿波信号瞬时值时，输出第(5+2i)路驱动信号，当u_rdci低于锯齿波信号瞬时值时，输出第(6+2i)路驱动信号；

将生成的第(5+2i)、第(6+2i)路驱动信号送至第i个双向直流变流器；

(3)并网放电模块进行下述操作：

(3.1)与步骤(2.1)相同；

(3.2)对三相交流电压u_a，b，c进行锁相，得到相位信号θ，送至第一信号发生模块；

(3.3)与步骤(2.3)相同；

(3.4)计算有功电流参考值i_d ^*：i_d ^*＝P^*/u_d；

其中，电网调度的有功功率给定值P^*为0～250kW；

(3.5)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d ^*-i_d；

(3.6)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_iddt；

(3.7)计算无功电流参考值i_q ^*：i_q ^*＝-Q^*/u_d；

其中，电网调度的无功功率给定值Q^*为0～250kVar；

(3.8)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q ^*-i_q；

(3.9)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；

(3.10)与步骤(2.12)～步骤(2.19)相同；

(4)并网充电模块进行下述操作：

(4.1)与步骤(3.1)～步骤(3.9)相同；但步骤(3.4)和步骤(3.7)中P^*、Q^*改为负值；

(4.2)与步骤(2.12)～步骤(2.19)相同；

(5)分段恒流充电模块进行下述操作：

(5.1)与步骤(3.1)～步骤(3.3)相同；

(5.2)计算直流母线电压误差e_vdc：e_vdc＝700V-u_dc；

(5.3)计算有功电流参考值i_d ^*：i_d ^*＝K_vpdce_vdc+K_vidc∫e_vdcdt；

(5.4)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d ^*-i_d；

(5.5)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_id dt；

(5.6)计算无功电流参考值i_q ^*：i_q ^*＝-Q^*/u_d；

(5.7)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q ^*-i_q；

(5.8)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；

(5.9)与步骤(2.12)～步骤(2.14)相同；

(5.10)判断第i组电池电压u_bati是否到达其设定的充电截止电压u_bati ^*，是则置j_i＝j_i+1；否则j_i值不变；u_bati ^*由电池手册给出；

(5.11)判断是否j＝5，是则充电完成，结束；否则转步骤(5.12)；

(5.12)计算第i组电池充电电流参考值i_bati ^*：

若j_i＝0，则i_bati ^*＝i_batini ^*，i_batini ^*为电池充电电流，由电池手册给出；

若j_i＝1，则i_bati ^*＝0.7i_batini ^*；

若j_i＝2，则i_bati ^*＝0.5i_batini ^*；

若j_i＝3，则i_bati ^*＝0.3i_batini ^*；

若j_i＝4，则i_bati ^*＝0.1i_batini ^*；

(5.13)计算第i组电池充电电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati ^*-i_bati；

(5.14)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；

(5.15)与步骤(2.19)相同；

(6)恒流恒压充电模块进行下述操作：

(6.1)与步骤(3.1)～步骤(3.3)相同；

(6.2)与步骤(5.2)～步骤(5.9)相同；

(6.3)判断第i组电池电压u_bati是否小于其充电截止电压u_bati ^*，是则进行步骤(6.4)，否则进行步骤(6.6)，u_bati ^*＝500～650V；

(6.4)计算第i组电池充电电流误差e_ibati：e_ibati＝i_batini ^*-i_bati；

(6.5)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；

转步骤(6.10)；

(6.6)计算第i组电池电压误差e_vbati：e_vbati＝u_bati ^*-u_bati；

(6.7)计算第i组电池电流参考值i_bati ^*：i_bati ^*＝K_vpbate_vbati+K_vibat∫e_vbatidt；其中，5.62×10^-3≤电池电压比例系数K_vpbat≤6.79×10^-3；0.19≤电池电压积分系数K_vibat≤0.23：

(6.8)计算第i组电池电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati ^*-i_bati；

(6.9)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；

(6.10)与步骤(2.19)相同；

B.所述双向交直流变流器采用三相半桥电压型变流器或者三相全桥电压型变流器，当所述双向交直流变流器为三相半桥电压型变流器时，所述生成的第一～第六路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第一～第六路驱动信号接口；当所述双向交直流变流器为三相全桥电压型变流器时，所述第一路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第一、第四路驱动信号接口，第二路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第二、第三路驱动信号接口，第三路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第五、第八路驱动信号接口，第四路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第六、第七路驱动信号接口，第五路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第九、第十二路驱动信号接口，第六路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第十、第十一路驱动信号接口；

C.所述N台双向直流变流器结构相同，每台双向直流变流器采用双向Buck/Boost变流器。

所述的两级充放电系统，其特征在于：

(1).所述有功电压比例系数K_vpd和有功电压积分系数K_vid确定过程为：

(1.1)将K_vpd初始值取为0.72，K_vid初始值取为0；

(1.2)先调试K_vpd，查看此时三相交流电压u_a，b，c波形是否振荡，是则增大K_vpd直至波形振荡消除，转过程(1.3)；否则直接转过程(1.3)；

(1.3)固定K_vpd值，将K_vid取为1789，调试K_vid，查看此时三相交流电压u_a，b，c波形是否波动，是则加大K_vid直至波动消除；

(2).所述有功电流比例系数K_ipd和有功电流积分系数K_iid确定过程为：

(2.1)将K_ipd初始值取为17.32，K_iid初始值取为0；

(2.2)先调试K_ipd，查看此时三相交流电流i_a，b，c波形是否振荡，是则增大K_ipd直至波形振荡消除，转过程(2.3)；否则直接转过程(2.3)；

(2.3)固定K_ipd值，将K_iid取为2.02×10⁵，调试K_iid，查看此时三相交流电流i_a，b，c波形是否波动，是则加大K_iid直至波动消除；

(3).所述母线电压比例系数K_vpdc和母线电压积分系数K_vidc确定过程为：

(3.1)将K_vpdc初始值取为0.067，K_vidc初始值取为0；

(3.2)先调试K_vpdc，查看此时直流母线电压u_dc波形是否振荡，是则增大K_vpdc直至波形振荡消除，转过程(3.3)；否则直接转过程(3.3)；

(3.3)固定K_vpdc值，将K_vidc取为18.23，调试K_vidc，查看此时直流母线电压u_dc波形是否波动，是则加大K_vidc直至波动消除；

(4).所述电池电流比例系数K_ipbat和电池电流积分系数K_iibat确定过程为：

(4.1)将K_ipbat初始值取为0.042，K_iibat初始值取为0；

(4.2)先调试K_ipbat，查看此时第i组电池电流i_bati波形是否振荡，是则增大K_ipbat直至波形振荡消除，转过程(4.3)；否则直接转过程(4.3)；

(4.3)固定K_ipbat值，将K_iibat取为5.28，调试K_iibat，查看此时第i组电池电流i_bati波形是否波动，是则加大K_iibat直至波动消除；

(5).所述电池电压比例系数K_vpbat和电池电压积分系数K_vibat确定过程为：

(5.1)将K_vpbat初始值取为5.62×10^-3，K_vibat初始值取为0；

(5.2)先调试K_vpbat，查看此时第i组电池电压u_bati波形是否振荡，是则增大K_vpbat直至波形振荡消除，转过程(5.3)；否则直接转过程(5.3)；

(5.3)固定K_vpbat值，将K_vibat取为0.21，调试K_vibat，查看此时第i组电池电压u_bati波形是否波动，是则加大K_vibat直至波动消除。

本发明采用三相静止坐标系处理三相交流电压和三相交流电流，三相静止坐标系中A、B、C三相互差120°；本发明采用同步旋转坐标系处理各控制量，同步旋转坐标系由互差90°的D轴和Q轴组成，D轴和Q轴相对于三相静止坐标系以角速度旋转。

本发明通过对连接双向交直流变流器和N台双向直流变换器的直流母线电压的控制实现二者的解耦；电池充电时母线电压由双向交直流变流器控制，电池放电时母线电压由N台双向直流变流器控制。本发明开关频率较低、功率容量大、功率支撑时间较长、工作模式丰富、可靠性高，具有孤岛运行、并网放电、并网充电、分段恒流充电和恒流恒压充电五种工作模式，既可与电网相连进行能量交换，实现“削峰填谷”改善电能质量，又可孤岛运行为本地负载提供能量，适用于兆瓦级功率储能系统应用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明控制器的组成示意图；

图3为本发明双向交直流变流器电路图；

图4为本发明双向直流变流器电路图；

图5为模式判断模块的流程示意图；

图6为孤岛运行模块的控制框图；

图7为并网放电模块、并网充电模块的控制框图；

图8为分段恒流充电模块的控制框图；

图9为恒流恒压充电模块的控制框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的实施例，包括双向交直流变流器、控制器和N台双向直流变流器，双向交直流变流器通过直流母线和N台双向直流变流器输入端并联，控制器生成第一～第六路驱动信号送至双向交直流变流器，控制器生成第七～第(6+2N)路驱动信号送至N台双向直流变流器，N台双向直流变流器输出端分别用于连接N组电池，对双向交直流变流器和N台双向直流变流器进行协调控制。交流母线根据需要可通过并网开关K_g连接至电网或者通过本地开关K_L连接至本地负载。

如图2所示，控制器包括模式判断模块、孤岛运行模块、并网放电模块、并网充电模块、分段恒流充电模块和恒流恒压充电模块。

如图3所示，本实施例中的双向交直流变流器为三相半桥电压型变流器，其交流滤波电感L1～L3，各电感值均为0.2mH；交流滤波电容C1～C3，各电容值均为150uF；直流滤波电容Cdc为8000uF；开关管S1～S6为1200V/1400A的绝缘门极双极性晶闸管(IGBT)。

如图4所示，为本实施例中的双向直流变流器采用双向Buck/Boost变流器，直流滤波电感Ldc，电感值为4mH；低压侧电容C_L，电容值为3000uF；高压侧电容C_H，电容值为600uF；开关管Q1、Q2为1200V/450A的绝缘门极双极性晶闸管(IGBT)。

(1)如图5所示，模式判断模块进行下述操作：

(1.1)置工作模式变量n＝0，第i组电池充电次数计数值j_i＝0，i＝1～N；

(1.2)周期性判断模式输入变量m是否等于当前工作模式变量n，是则转步骤(1.4)；否则转步骤(1.3)；

(1.3)将模式输入变量m的值赋给工作模式变量n；

(1.4)判别工作模式变量n：

n＝1，转孤岛运行模块；

n＝2，转并网放电模块；

n＝3，转并网充电模块；

n＝4，转分段恒流充电模块；

n＝5，转恒流恒压充电模块。

(2)如图6所示，孤岛运行模块进行下述操作：

(2.1)对交流母线的初始三相交流电压u_sa，b，c、初始三相交流电流i_sa，b，c以及初始直流母线电压u_sdc、第i台初始电池电压u_sbati和第i台初始电池电流i_sbati进行滤波，得到三相交流电压u_a，b，c、三相交流电流i_a，b，c、直流母线电压u_dc、第i组电池电压u_bati、第i台输出电池电流i_bati，i＝1～N；

(2.2)利用计数器获得相角

x为当前时刻计数值，X＝mod(10⁶/2⁷)，mod表示对括号内的值取整，计数器每20×2⁷ns加1；

(2.3)利用相角进行坐标系转换，将三相静止坐标系下三相交流电压u_a，b，c、三相交流电流i_a，b，c变换为同步旋转坐标系下交流有功电压u_d、交流无功电压u_q、交流有功电流i_d、交流无功电流i_q；

(2.4)计算有功电压误差e_vd：e_vd＝311V-u_d；

(2.5)计算有功电流参考值i_d ^*：i_d ^*＝K_vpde_vd+K_vid∫e_vddt；其中，有功电压比例系数K_vpd＝0.79；有功电压积分系数K_vid＝1879；

(2.6)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d ^*-i_d；

(2.7)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_iddt；其中，有功电流比例系数K_ipd＝17.32；有功电流积分系数K_iid＝2.02×10⁵；

(2.8)计算无功电压误差e_vq：e_vq＝0-u_q；

(2.9)计算无功电流参考值i_q ^*：i_q ^*＝K_vpqe_vq+K_viq∫e_vqdt；其中，无功电压比例系数K_vpq＝K_vpd＝0.79；无功电压积分系数Kviq＝K_vid＝1879；

(2.10)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q ^*-i_q；

(2.11)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；其中，无功电流比例系数K_ipq＝K_ipd＝17.32；无功电流积分系数K_iiq＝K_iid＝2.02×10⁵；

(2.12)将同步旋转坐标系下的u_rd和u_rq变换为三相静止坐标系下的a相调制电压u_ra、b相调制电压u_rb、c相调制电压u_rc；

(2.13)生成等效的a相空间矢量调制信号u′_ra、b相空间矢量调制信号u′_rb、c相空间矢量调制信号u′_rc：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}}^{\′}\\ u_{\mathrm{rb}}^{\′}\\ u_{\mathrm{rc}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}}\\ u_{\mathrm{rb}}\\ u_{\mathrm{rc}}\end{array}\right]+u_z\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right];$

其中，零序分量u_z＝-[max(u_ra，u_rb，u_rc)+min(u_ra，u_rb，u_rc)]/2；max和min分别为求最大值和求最小值的运算函数；

(2.14)生成驱动信号：

将u′_ra、u′_rb、u′_rc分别与频率为3kHz，幅值为1的三角载波信号相比较，当u′_ra大于三角载波信号瞬时值时，输出第一路驱动信号，当u′_ra低于三角载波信号瞬时值时，输出第二路驱动信号；当u′_rb大于三角载波信号瞬时值时，输出第三路驱动信号，当u′_rb低于三角载波信号瞬时值时，输出第四路驱动信号；当u′_rc大于三角载波信号瞬时值时，输出第五路驱动信号，当u′_rc低于三角载波信号瞬时值时，输出第六路驱动信号；

将生成的第一～第六路驱动信号送至双向交直流变流器；

(2.15)计算直流母线电压误差e_vdc：e_vdc＝700V-u_dc-K_batii_bati；

其中，荷电状态比例系数K_bati＝SOC_i/50000；SOC_i为第i组电池荷电状态，由各组电池在充放电时给出；

(2.16)计算第i台双向直流变流器的输出电池电流参考值i_bati ^*：

i_bati ^*＝K_vpdce_vdc+K_vidc∫e_vdcdt；其中，母线电压比例系数K_vpdc＝0.074；母线电压积分系数K_vidc＝20.05；

(2.17)计算第i台双向直流变流器的电池电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati ^*-i_bati；

(2.18)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；其中，电池电流比例系数K_ipbat＝0.046；电池电流积分系数K_iibat＝5.81；

(2.19)生成双向直流变流器驱动信号：

将u_rdci与频率为10kHz，幅值为1的锯齿波信号相比较，当u_rdc大于锯齿波信号瞬时值时，输出第(5+2i)路驱动信号，当u_rdc低于锯齿波信号瞬时值时，输出第(6+2i)路驱动信号；

将生成的第(5+2i)、第(6+2i)路驱动信号送至第i个双向直流变流器。

(3)如图7所示，并网放电模块进行下述操作：

(3.1)与步骤(2.1)相同；

(3.2)对三相交流电压u_a，b，c进行锁相，得到相位信号θ，送至第一信号发生模块；

(3.3)与步骤(2.3)相同；

(3.4)计算有功电流参考值i_d ^*：i_d ^*＝P^*/u_d；

其中，电网调度的有功功率给定值P^*为250kW；

(3.5)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d ^*-i_d；

(3.6)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_iddt；

(3.7)计算无功电流参考值i_q ^*：i_q ^*＝-Q^*/u_d；

其中，电网调度的无功功率给定值Q^*为250kVar；

(3.8)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q ^*-i_q；

(3.9)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；

(3.10)与步骤(2.12)～步骤(2.19)相同。

(4)如图7所示，并网充电模块进行下述操作：

(4.1)与步骤(3.1)～步骤(3.9)相同；但步骤(3.4)和步骤(3.7)中P^*、Q^*改为负值；

(4.2)与步骤(2.12)～步骤(2.19)相同。

(5)如图8所示，分段恒流充电模块进行下述操作：

(5.1)与步骤(3.1)～步骤(3.3)相同；

(5.2)计算直流母线电压误差e_vdc：e_vdc＝700V-u_dc；

(5.3)计算有功电流参考值i_d ^*：i_d ^*＝K_vpdce_vdc+K_vidc∫e_vdcdt；

(5.4)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d ^*-i_d；

(5.5)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_id dt；

(5.6)计算无功电流参考值i_q ^*：i_q ^*＝-Q^*/u_d；

(5.7)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q ^*-i_q；

(5.8)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；

(5.9)与步骤(2.12)～步骤(2.14)相同；

(5.10)判断第i组电池电压u_bati是否到达其设定的充电截止电压u_bati ^*，是则置j_i＝j_i+1；否则j_i值不变；u_bati ^*由电池手册给出；

(5.11)判断是否j＝5，是则充电完成，结束；否则转步骤(5.12)；

(5.12)计算第i组电池充电电流参考值i_bati ^*：

若j_i＝0，则i_bati ^*＝i_batini ^*，i_batini ^*为电池充电电流，由电池手册给出；

若j_i＝1，则i_bati ^*＝0.7i_batini ^*；

若j_i＝2，则i_bati ^*＝0.5i_batini ^*；

若j_i＝3，则i_bati ^*＝0.3i_batini ^*；

若j_i＝4，则i_bati ^*＝0.1i_batini ^*；

(5.13)计算第i组电池充电电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati ^*-i_bati；

(5.14)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；

(5.15)与步骤(2.19)相同。

(6)如图9所示，恒流恒压充电模块进行下述操作：

(6.1)与步骤(3.1)～步骤(3.3)相同；

(6.2)与步骤(5.2)～步骤(5.9)相同；

(6.3)判断第i组电池电压u_bati是否小于其充电截止电压u_bati ^*，是则进行步骤(6.4)，否则进行步骤(6.6)，u_bati ^*＝500～650V；

(6.4)计算第i组电池充电电流误差e_ibati：e_ibati＝i_batini ^*-i_bati；

(6.5)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；

转步骤(6.10)；

(6.6)计算第i组电池电压误差e_vbati：e_vbati＝u_bati ^*-u_bati；

(6.7)计算第i组电池电流参考值i_bati ^*：i_bati ^*＝K_vpbate_vbati+K_vibat∫e_vbatidt；其中，电池电压比例系数K_vpbat＝6.18×10^-3；电池电压积分系数K_vibat＝0.21；

(6.8)计算第i组电池电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati ^*-i_bati；

(6.9)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；

(6.10)与步骤(2.19)相同。

Claims (2)

1.一种两级充放电系统，包括双向交直流变流器、控制器和N台双向直流变流器，双向交直流变流器通过直流母线和N台双向直流变流器输入端并联，控制器生成第一～第六路驱动信号送至双向交直流变流器，控制器生成第七～第(6+2N)路驱动信号送至N台双向直流变流器，N台双向直流变流器输出端分别用于连接N组电池，N＝1～10，其特征在于：

A.所述控制器包括模式判断模块、孤岛运行模块、并网放电模块、并网充电模块、分段恒流充电模块和恒流恒压充电模块；

(1)模式判断模块进行下述操作：

(1.1)置工作模式变量n＝0，第i组电池充电次数计数值j_i＝0，i＝1～N；

(1.2)周期性判断模式输入变量m是否等于当前工作模式变量n，是则转步骤(1.4)；否则转步骤(1.3)；

(1.3)将模式输入变量m的值赋给工作模式变量n；

(1.4)判别工作模式变量n：

n＝1，转孤岛运行模块；

n＝2，转并网放电模块；

n＝3，转并网充电模块；

n＝4，转分段恒流充电模块；

n＝5，转恒流恒压充电模块；

(2)孤岛运行模块进行下述操作：

(2.1)对交流母线的初始三相交流电压u_sa，b，c、初始三相交流电流i_sa，b，c以及初始直流母线电压u_sdc、第i台初始电池电压u_sbati和第i台初始电池电流i_sbati进行滤波，得到三相交流电压u_a，b，c、三相交流电流i_a，b，c、直流母线电压u_dc、第i组电池电压u_bati、第i台输出电池电流i_bati，i＝1～N；

(2.2)利用计数器获得相角

x为当前时刻计数值，X＝mod(10⁶/2^T)，mod表示对括号内的值取整，T为0～7的整数；计数器每20×2^Tns加1；

(2.3)利用相角

进行坐标系转换，将三相静止坐标系下三相交流电压u_a，b，c、三相交流电流i_a，b，c变换为同步旋转坐标系下交流有功电压u_d、交流无功电压u_q、交流有功电流i_d、交流无功电流i_q；

(2.4)计算有功电压误差e_vd：e_vd＝311V-u_d；

(2.5)计算有功电流参考值i_d ^*：i_d ^*＝K_vpde_vd+K_vid∫e_vddt；其中，0.72≤有功电压比例系数K_vpd≤0.87，1789≤有功电压积分系数K_vid≤1973；

(2.6)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d ^*-i_d；

(2.7)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_iddt；其中，15.75≤有功电流比例系数K_ipd≤19.06，1.92×10⁵≤有功电流积分系数K_iid≤2.13×10⁵；

(2.8)计算无功电压误差e_vq：e_vq＝0-u_q；

(2.9)计算无功电流参考值i_q ^*：i_q ^*＝K_vpqe_vq+K_viq∫e_vqdt；其中，无功电压比例系数K_vpq＝K_vpd；无功电压积分系数K_viq＝K_vid；

(2.10)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q ^*-i_q；

(2.11)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；其中，无功电流比例系数K_ipq＝K_ipd；无功电流积分系数K_iiq＝K_iid；

(2.12)将同步旋转坐标系下的u_rd和u_rq变换为三相静止坐标系下的a相调制电压u_ra、b相调制电压u_rb、c相调制电压u_rc；

(2.13)生成等效的a相空间矢量调制信号u′_ra、b相空间矢量调制信号u′_rb、c相空间矢量调制信号u′_rc：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}}^{\′}\\ u_{\mathrm{rb}}^{\′}\\ u_{\mathrm{rc}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}}\\ u_{\mathrm{rb}}\\ u_{\mathrm{rc}}\end{array}\right]+u_z\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right];$

其中，零序分量u_z＝-[max(u_ra，u_rb，u_rc)+min(u_ra，u_rb，u_rc)]/2；max和min分别为求最大值和求最小值的运算函数；

(2.14)生成驱动信号：

将u′_ra、u′_rb、u′_rc分别与频率为3kHz，幅值为1的三角载波信号相比较，当u′_ra大于三角载波信号瞬时值时，输出第一路驱动信号，当u′_ra低于三角载波信号瞬时值时，输出第二路驱动信号；当u′_rb大于三角载波信号瞬时值时，输出第三路驱动信号，当u′_rb低于三角载波信号瞬时值时，输出第四路驱动信号；当u′_rc大于三角载波信号瞬时值时，输出第五路驱动信号，当u′_rc低于三角载波信号瞬时值时，输出第六路驱动信号；

将生成的第一～第六路驱动信号送至双向交直流变流器；

(2.15)计算直流母线电压误差e_vdc：e_vdc＝700V-u_dc-K_batii_bati；

其中，荷电状态比例系数K_bati＝SOC_i/50000；SOC_i为第i组电池荷电状态，由各组电池在充放电时给出；

(2.16)计算第i台双向直流变流器的输出电池电流参考值i_bati ^*：

i_bati ^*＝K_vpdce_vdc+K_vidc∫e_vdcdt；其中，0.067≤母线电压比例系数K_vpdc≤0.081；18.23≤母线电压积分系数K_vidc≤22.06；

(2.17)计算第i台双向直流变流器的电池电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati ^*-i_bati；

(2.18)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；其中，0.042≤电池电流比例系数K_ipbat≤0.051，5.28≤电池电流积分系数K_iibat≤6.39；

(2.19)生成双向直流变流器驱动信号：

将u_rdci与频率为10kHz，幅值为1的锯齿波信号相比较，当u_rdci大于锯齿波信号瞬时值时，输出第(5+2i)路驱动信号，当u_rdci低于锯齿波信号瞬时值时，输出第(6+2i)路驱动信号；

将生成的第(5+2i)、第(6+2i)路驱动信号送至第i个双向直流变流器；

(3)并网放电模块进行下述操作：

(3.1)与步骤(2.1)相同；

(3.2)对三相交流电压u_a，b，c进行锁相，得到相位信号θ，送至第一信号发生模块；

(3.3)与步骤(2.3)相同；

(3.4)计算有功电流参考值i_d ^*：i_d ^*＝P^*/u_d；

其中，电网调度的有功功率给定值P^*为0～250kW；

(3.5)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d ^*-i_d；

(3.6)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_iddt；

(3.7)计算无功电流参考值i_q ^*：i_q ^*＝-Q^*/u_d；

其中，电网调度的无功功率给定值Q^*为0～250kVar；

(3.8)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q ^*-i_q；

(3.9)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；

(3.10)与步骤(2.12)～步骤(2.19)相同；

(4)并网充电模块进行下述操作：

(4.1)与步骤(3.1)～步骤(3.9)相同；但步骤(3.4)和步骤(3.7)中P^*、Q^*改为负值；

(4.2)与步骤(2.12)～步骤(2.19)相同；

(5)分段恒流充电模块进行下述操作：

(5.1)与步骤(3.1)～步骤(3.3)相同；

(5.2)计算直流母线电压误差e_vdc：e_vdc＝700V-u_dc；

(5.3)计算有功电流参考值i_d ^*：i_d ^*＝K_vpdce_vdc+K_vidc∫e_vdcdt；

(5.4)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d ^*-i_d；

(5.5)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_id dt；

(5.6)计算无功电流参考值i_q ^*：i_q ^*＝-Q^*/u_d；

(5.7)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q ^*-i_q；

(5.8)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；

(5.9)与步骤(2.12)～步骤(2.14)相同；

(5.10)判断第i组电池电压u_bati是否到达其设定的充电截止电压u_bati ^*，是则置j_i＝j_i+1；否则j_i值不变；u_bati ^*由电池手册给出；

(5.11)判断是否j＝5，是则充电完成，结束；否则转步骤(5.12)；

(5.12)计算第i组电池充电电流参考值i_bati ^*：

若j_i＝0，则i_bati ^*＝i_batini ^*，i_batini ^*为电池充电电流，由电池手册给出；

若j_i＝1，则i_bati ^*＝0.7i_batini ^*；

若j_i＝2，则i_bati ^*＝0.5i_batini ^*；

若j_i＝3，则i_bati ^*＝0.3i_batini ^*；

若j_i＝4，则i_bati ^*＝0.1i_batini ^*；

(5.13)计算第i组电池充电电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati ^*-i_bati；

(5.14)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；

(5.15)与步骤(2.19)相同；

(6)恒流恒压充电模块进行下述操作：

(6.1)与步骤(3.1)～步骤(3.3)相同；

(6.2)与步骤(5.2)～步骤(5.9)相同；

(6.3)判断第i组电池电压u_bati是否小于其充电截止电压u_bati ^*，是则进行步骤(6.4)，否则进行步骤(6.6)，u_bati ^*＝500～650V；

(6.4)计算第i组电池充电电流误差e_ibati：e_ibati＝i_batini ^*-i_bati；

(6.5)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；

转步骤(6.10)；

(6.6)计算第i组电池电压误差e_vbati：e_vbati＝u_bati ^*-u_bati；

(6.7)计算第i组电池电流参考值i_bati ^*：i_bati ^*＝K_vpbate_vbati+K_vibat∫e_vbatidt；其中，5.62×10^-3≤电池电压比例系数K_vpbat≤6.79×10^-3；0.19≤电池电压积分系数K_vibat≤0.23；

(6.8)计算第i组电池电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati ^*-i_bati；

(6.9)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：

u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；

(6.10)与步骤(2.19)相同；

B.所述双向交直流变流器采用三相半桥电压型变流器或者三相全桥电压型变流器，当所述双向交直流变流器为三相半桥电压型变流器时，所述生成的第一～第六路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第一～第六路驱动信号接口；当所述双向交直流变流器为三相全桥电压型变流器时，所述第一路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第一、第四路驱动信号接口，第二路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第二、第三路驱动信号接口，第三路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第五、第八路驱动信号接口，第四路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第六、第七路驱动信号接口，第五路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第九、第十二路驱动信号接口，第六路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第十、第十一路驱动信号接口；

C.所述N台双向直流变流器结构相同，每台双向直流变流器采用双向Buck/Boost变流器。

2.如权利要求1所述的两级充放电系统，其特征在于：

(1).所述有功电压比例系数K_vpd和有功电压积分系数K_vid确定过程为：

(1.1)将K_vpd初始值取为0.72，K_vid初始值取为0；

(1.2)先调试K_vpd，查看此时三相交流电压u_a，b，c波形是否振荡，是则增大K_vpd直至波形振荡消除，转过程(1.3)；否则直接转过程(1.3)；

(1.3)固定K_vpd值，将K_vid取为1789，调试K_vid，查看此时三相交流电压u_a，b，c波形是否波动，是则加大K_vid直至波动消除；

(2).所述有功电流比例系数K_ipd和有功电流积分系数K_iid确定过程为：

(2.1)将K_ipd初始值取为17.32，K_iid初始值取为0；

(2.2)先调试K_ipd，查看此时三相交流电流i_a，b，c波形是否振荡，是则增大K_ipd直至波形振荡消除，转过程(2.3)；否则直接转过程(2.3)；

(2.3)固定K_ipd值，将K_iid取为2.02×10⁵，调试K_iid，查看此时三相交流电流i_a，b，c波形是否波动，是则加大K_iid直至波动消除；

(3).所述母线电压比例系数K_vpdc和母线电压积分系数K_vidc确定过程为：

(3.1)将K_vpdc初始值取为0.067，K_vidc初始值取为0；

(3.2)先调试K_vpdc，查看此时直流母线电压u_dc波形是否振荡，是则增大K_vpdc直至波形振荡消除，转过程(3.3)；否则直接转过程(3.3)；

(3.3)固定K_vpdc值，将K_vidc取为18.23，调试K_vidc，查看此时直流母线电压u_dc波形是否波动，是则加大K_vidc直至波动消除；

(4).所述电池电流比例系数K_ipbat和电池电流积分系数K_iibat确定过程为：

(4.1)将K_ipbat初始值取为0.042，K_iibat初始值取为0；

(4.2)先调试K_ipbat，查看此时第i组电池电流i_bati波形是否振荡，是则增大K_ipbat直至波形振荡消除，转过程(4.3)；否则直接转过程(4.3)；

(4.3)固定K_ipbat值，将K_iibat取为5.28，调试K_iibat，查看此时第i组电池电流i_bati波形是否波动，是则加大K_iibat直至波动消除；

(5).所述电池电压比例系数K_vpbat和电池电压积分系数K_vibat确定过程为：

(5.1)将K_vpbat初始值取为5.62×10^-3，K_vibat初始值取为0；

(5.2)先调试K_vpbat，查看此时第i组电池电压u_bati波形是否振荡，是则增大K_vpbat直至波形振荡消除，转过程(5.3)；否则直接转过程(5.3)；

(5.3)固定K_vpbat值，将K_vibat取为0.21，调试K_vibat，查看此时第i组电池电压u_bati波形是否波动，是则加大K_vibat直至波动消除。

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