CN103078337A - 一种减小储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡性的控制系统 - Google Patents

一种减小储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡性的控制系统 Download PDF

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鹿怀骥
王思耕
陈飞
陈剑
李志强
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Abstract

一种减小储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡性的控制系统，对于储能系统双向变流器长期运行可能出现的直流母线串联电容的电压不平衡问题，采用电压均衡补偿控制策略，以保障储能系统双向变流器的长期、安全、稳定运行。通过所述方法，可有效减小串联电容的电压不平衡，增强变流器的免维护性，提高变流器的不间断运行能力，具有显著的经济效益。

Description

一种减小储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡性的控制系统
技术领域
本发明属于储能系统技术领域，尤属储能系统双向变流器控制技术领域。
背景技术
当前储能系统双向变流器的直流母线广泛采用电解电容。储能系统主流的两电平双向变流器中采用的电解电容的耐压等级一般为450V，而380V交流电网三相全桥不控整流输出电压至少是540V，故双向变流器的直流母线一般是两组电解电容串联，并通过一定的高精度、高阻值均压电阻保持串联电解电容电压的平衡。
然而双向变流器在长期运行中，由于电解电容容量的差异及电解电容内部等效串联电阻的影响，仅通过并联均压电阻的方式，不可避免的会出现两组串联电解电容电压不平衡，进一步加剧两组串联电解电容容量不同程度的衰减，降低电解电容的使用寿命，并造成双向变流器的输出谐波增大，电压、电流控制性能下降，甚至减小双向变流器的使用年限。传统的储能系统双向变流器，如图3所示，包括直流母线电压控制模块、三相交流电流控制模块、PWM逆变器模块，只能实现并网三相电流幅值和相位的控制。且只在串联电容两端并联均压电阻，对串联电容电压的均衡缺乏有效的控制，电容电压均衡效果不佳，在变流器长期运行时会减小串联电容的寿命。
发明内容
储能系统双向变流器在长期运行中，仅依靠并联均压电阻的方式，并不能有效减小直流母线串联电容电压不均衡。直流母线串联电容电压不平衡问题日趋凸显，造成串联电容容量的不同程度的衰减，影响电容的寿命，降低变流器的控制性能，进而影响变流器的可靠性和免维护性。
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种减小储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡的控制系统。本发明考虑到储能系统两电平双向变流器的结构特点，将串联电容中点接地，增加两组串联电容电压的硬件电路和检测元件，通过检测上下两组电容两端的电压，进行相应的电压均衡补偿控制，现场应用效果良好。
本发明结合考虑储能系统两电平双向变流器的原有控制模块和本身硬件结构特点，具体采用以下技术方案：
一种减小储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡性的控制系统，
所述储能系统双向变流器包括三相半桥整流电路，第一组直流母线电容和第二组直流母线电容串联接入所述三相半桥整流电路的直流母线，所述第一组直流母线电容和第二组直流母线电容分别并联连接第一组直流母线电容均压电阻和第二组直流母线电容均压电阻，其特征在于：
在所述控制系统中增加一电压均衡控制模块，采集第一组直流母线电容和第二组直流母线电容两端的电压输入至所述电压均衡控制模块，所述电压均衡控制模块计算根据输入的第一组直流母线电容两端电压与第二组直流母线电容两端电压，得到电压均衡补偿电流Icomp，在控制系统的三相交流电流的指令中叠加该电压均衡补偿电流Icomp。
本发明优选以下技术方案：
所述储能系统双向变流器第一组直流母线电容与第二组直流母线电容连接点与地相连；
设置第一组直流母线电容电压检测电路、第二组直流母线电容电压检测电路，分别检测第一组直流母线电容、第二组直流母线电容两端电压；
三相半桥全控整流电路的直流母线电压设定值和直流母线电压的反馈值输入至所述直流母线电压控制模块，所述直流母线电压控制模块计算得到需要设定的三相半桥全控整流电路三相电流的瞬时指令并输入至三相交流电流控制模块；
所述第一组直流母线电容两端电压与第二组直流母线电容两端电压分别输入至所述电压均衡控制模块的输入端，所述电压均衡控制模块将检测输入的第一组直流母线电容两端电压与第二组直流母线电容两端电压相减，并乘以设定的正值系数得到电压均衡补偿电流Icomp，输出电压均衡补偿电流Icomp至三相交流电流控制模块的输入端；
所述三相交流电流控制模块将电压均衡补偿电流Icomp与所述三相电流的瞬时指令中每一相电流相加到修正后的各相电流的瞬时指令值，再与三相半桥全控整流电路反馈的三相电网电流瞬时值进行比较，输出三相逆变电路的功率器件的开关信号至PWM逆变器模块的输入，通过PWM逆变器模块实现并网三相电流的控制。
本发明的储能双向变流器直流母线串联电容电压均衡控制策略即通过上、下两组电容电压的相减，并乘以一定的正值系数，得到均衡补偿控制电流的幅值，叠加入储能双向变流器直流母线电压控制模块的输出（即三相交流电流瞬时设定值），从而在满足控制双向变流器直流母线电压的同时，兼顾控制上、下两组电容的的电压均衡，延长直流母线电容的使用寿命，提高储能双向变流器的可靠性和免维护性。
附图说明
图1为常规的储能系统双向变流器的结构示意图；
图2为本发明提出的具备串联电容均衡控制的储能系统双向变流器的结构示意图；
图3为不含有直流母线串联电容电压均衡控制模块的储能系统双向变流器电压均衡控制系统框图；-
图4为本发明提出的减少储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡性的控制系统框图。
具体实施方式
下面根据说明书附图，对本发明的技术方案进一步详细说明。
附图1所示的为常规变流器的结构，主体为三相半桥全控整流电路，直流侧接入两组串联的电容，分别为C1和C2，其中点一般不接地，串联的两组电容两端分别并联有高精度、高阻值均压电阻R1和R2，整流电路交流输出通过三相交流电感L1、L2和L3接入三相交流电网。
应用本发明的储能系统双向变流器的结构见附图2，除了常规的变流器模块外，增加了第一组电容的电压检测电路、第二组电容电压检测电路，并将串联电容C1和C2的中点接地，变流器正常运行时，C1两端电压U+恒为正值，C2两端电压U-恒为负值。其中设定从三相整流电路桥臂去往电网的电流方向为正方向。
如图3表示的是不含有直流母线串联电容电压均衡补偿控制模块的储能双向变流器控制系统框图，该控制系统包括直流母线电压控制模块，三相交流电流控制模块，PWM逆变器模块，控制变流器运行，进行并网三相电流的幅值和相位控制，但缺乏对串联电容电压的均衡控制。
如图4表示的本发明提出的减少储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡性的控制系统框图，包括直流母线电压控制模块、三相交流电流控制模块、PWM逆变器模块和电压均衡控制模块。直流母线电压控制模块、三相交流电流控制模块、PWM逆变器模块三个模块为已有的技术。其中，直流母线电压控制模块的输入端为设定的直流母线电压控制值与检测反馈电压值，计算得到三相电流的瞬时设定值，所述直流母线电压控制模块输出至三相交流电流控制模块的输入端，三相交流电流控制模块通过比较输入端的电流瞬时指令与反馈的三相电流瞬时值进行比较，输出三相逆变电路功率器件的开关信号至PWM逆变器模块的输入，通过PWM逆变器模块实现并网三相电流的控制。第一组直流母线电容电压与第二组直流母线电容电压分别输入至所述电压均衡控制模块的输入端，所述电压均衡控制模块将检测输入的第一组直流母线电容电压与第二组直流母线电容电压相减，并乘以设定的正值系数，输出电压均衡补偿电流Icomp。
电压均衡模块输出的电压均衡补偿电流Icomp，分别于与直流母线电压控制模块的输出，即三相交流电流的瞬时设定值相加，得到各相电流的瞬时指令值，再与三相半桥全控整流电路反馈的三相电网电流瞬时值进行比较，输出三相逆变电路的功率器件的开关信号至PWM逆变器模块的输入，通过PWM逆变器模块实现并网三相电流的控制。电压均衡模块输出的电压均衡补偿电流Icomp，相当于在三相交流电流的指令中叠加了直流偏移量，从而改进了已有技术对直流母线串联电容电压缺乏均衡控制的缺陷，在控制三相并网电流的同时，兼顾控制的直流母线串联电容电压的均衡。
其均衡补偿电流Icomp的给定可通过以下公式给定：
Icomp=p*(U+-U-)
其基本思路是若第一组直流母线电容C1电压U+（即上桥臂电容电压绝对值）大于第二组直流母线电容C2电压U-（即下桥臂电容电压绝对值），均衡补偿控制模块输出正值电流Icomp，控制三相桥上桥臂电容（相对于下桥臂电容）多向电网放电；若第一组电容C1电压U+（即上桥臂电容电压绝对值）小于第二组电容C2电压U-（即下桥臂电容电压绝对值），电压均衡控制模块输出负值电流Icomp，控制三相桥上桥臂电容（相对于下桥臂电容）少向电网放电。所述均衡补偿电流计算公式中的参数P为正值，其大小可以在储能双向变流器实际运行中调试得到。

Claims (2)

1.一种减小储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡性的控制系统，
所述储能系统双向变流器包括三相半桥整流电路，第一组直流母线电容和第二组直流母线电容串联接入所述三相半桥整流电路的直流母线，所述第一组直流母线电容和第二组直流母线电容分别并联连接第一组直流母线电容均压电阻和第二组直流母线电容均压电阻，其特征在于：
在所述控制系统中增加一电压均衡控制模块，采集第一组直流母线电容和第二组直流母线电容两端的电压输入至所述电压均衡控制模块，所述电压均衡控制模块计算根据输入的第一组直流母线电容两端电压与第二组直流母线电容两端电压，得到电压均衡补偿电流Icomp，在控制系统的三相交流电流的指令中叠加该电压均衡补偿电流Icomp。
2.根据权利要求1所述的一种减小储能系统双向变流器直流母线串联电容电压不平衡性的控制系统，其特征在于：
所述储能系统双向变流器第一组直流母线电容与第二组直流母线电容连接点与地相连；
设置第一组直流母线电容电压检测电路、第二组直流母线电容电压检测电路，分别检测第一组直流母线电容、第二组直流母线电容两端电压；
三相半桥全控整流电路的直流母线电压设定值和直流母线电压的反馈值输入至所述直流母线电压控制模块，所述直流母线电压控制模块计算得到需要设定的三相半桥全控整流电路三相电流的瞬时指令并输入至三相交流电流控制模块；
所述第一组直流母线电容两端电压与第二组直流母线电容两端电压分别输入至所述电压均衡控制模块的输入端，所述电压均衡控制模块将检测输入的第一组直流母线电容两端电压与第二组直流母线电容两端电压相减，并乘以设定的正值系数得到电压均衡补偿电流Icomp，输出电压均衡补偿电流Icomp至三相交流电流控制模块的输入端；
所述三相交流电流控制模块将电压均衡补偿电流Icomp与所述三相电流的瞬时指令中每一相电流相加到修正后的各相电流的瞬时指令值，再与三相半桥全控整流电路反馈的三相电网电流瞬时值进行比较，输出三相逆变电路的功率器件的开关信号至PWM逆变器模块的输入，通过PWM逆变器模块实现并网三相电流的控制。
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