CN103337949B - 一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，包括硬件方面和软件方面的措施，其中：在硬件方面，在隔离双级链式变流器上每相增加一个额外的备用单元，用以替换隔离双级链式变流器中故障单元；在软件方面，通过提高双相隔离全桥变流器的直流侧电压，在链式变流器故障情况更糟时进一步提供冗余保护，而通过提高链式变流器H桥的调制比提供最后一层冗余保护。本发明所提出的冗余保护方法，能够通过硬件和软件分层次地对隔离双级链式变流器进行冗余保护，有效地保证了链式变流器在某些单元故障时仍然能够正常运行，提高变流器的可靠性，同时也为隔离双级链式变流器的在线维护提供充裕的时间。
Description
技术领域
本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法。
背景技术
电池储能系统在电力系统中的各个方面，尤其是在负荷平衡、用户侧电能质量、无功补偿以及容纳可再生能源等重要领域占据着日益重要的位置。而由于其特殊作用及昂贵的成本，使得电池储能系统的可靠性举足轻重。
链式结构广泛应用在高压电机的驱动变频器、高压无功补偿等领域，该拓扑也可作为储能变流器，直接接入高压电网。由于没有隔离变压器，因此每相中不同的电池模块都与电网侧有较大的共模电压，对电池模块提出了极高的要求。隔离双级链式变流器的出现能够将对电池的要求转移到对隔离变压器的要求上来，用成熟的变压器技术来实现电池模块与电网的绝缘，保证了电池模块的安全可靠。
然而，由于链式变流器的结构较为特殊，其每相均由较多单元串联而成，因此必须为链式变流器提供必要的冗余手段。在链式变流器某些单元故障时，需要通过软件或者硬件的方式，保证链式变流器仍然可用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，通过在硬件和软件方面采取的方法和控制，实现对链式变流器的三重保护，提高隔离双级链式储能系统的可靠性。
本发明提供一种隔离双级链式储能系统的冗余方法，该方法通过硬件及软件方面的措施及控制对隔离双级链式变流器提供最多三重的冗余保护，从而提高变流器的可靠性，其中：在硬件方面，在隔离双级链式变流器每一个单元的并网侧均有一个交流接触器，用以切除故障单元和并入备用单元；而在隔离双级链式变流器的每一相增加一个额外的备用单元，用作第一重冗余保护，替换变流器中的首个故障单元；在软件方面，通过提高双相隔离全桥变流器的直流侧电压，能够在链式变流器故障情况更糟时进一步提供冗余保护，而通过提高链式变流器H桥的调制比能够提供最后一层冗余保护。
优选地，双级链式储能系统是在传统链式变流器的中间直流侧电容与电池间增加一级双向隔离全桥变流器，通过控制中间直流侧电容的电压来为链式变流器的正常运行提供保证。
优选地，软件方面的措施分为双向隔离全桥变流器的控制以及链式变流器的控制，其中：
双向隔离全桥变流器的控制是当隔离双级链式变流器中继续有单元故障时，通过控制来提高双向隔离全桥变流器的直流侧电压，从而保证链式变流器的正常运行，用作第二重冗余保护；
链式变流器的控制是当隔离双级链式变流器中仍然继续有单元故障时，提高链式变流器侧H桥的调制比，从而保证链式变流器的正常运行，用作第三重冗余保护。
本发明的一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法根据链式变流器中单元的故障个数，依次使用硬件方法、双向隔离全桥变流器和链式变流器的控制来进行冗余保护；在冗余保护的同时，确保双向隔离全桥变流器和链式变流器不出现过压过流的情况。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，能够在不同的故障情况下提供最多三重的冗余保护，保证了电池的安全可靠的同时，尽可能地提高系统的效率和减小系统接入电网的谐波；同时，由于高频隔离变压器的存在，电池侧与电网侧完全隔离，冗余保护方法能够给在线维护提供充裕的时间，从而保证储能系统最大的可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的隔离双级链式储能系统电路拓扑；
图2本发明的冗余保护的流程图；
图3本发明的冗余保护的硬件方法；
图4本发明的双向隔离全桥变流器的冗余控制；
图5本发明的链式变流器的冗余控制。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本实施例提供一种隔离双级链式储能系统的冗余方法，该方法通过硬件及软件方面的措施及控制对隔离双级链式变流器提供最多三重的冗余保护，从而提高变流器的可靠性，其中：在硬件方面，在隔离双级链式变流器每一个单元的并网侧均有一个交流接触器，用以切除故障单元和并入备用单元；而在隔离双级链式变流器的每一相增加一个额外的备用单元，用作第一重冗余保护，替换变流器中的首个故障单元；在软件方面，通过提高双相隔离全桥变流器的直流侧电压，能够在链式变流器故障情况更糟时进一步提供冗余保护，而通过提高链式变流器H桥的调制比能够提供最后一层冗余保护。
如图1所示，为本实施例的隔离双级链式储能系统电路拓扑，包括电池储能系统中的电池模块E、单元以及并网电抗器Ls。该拓扑的每一相由N个单元串联而成，三相接成星形，通过电抗器Ls直接接入高压电网；而单元由电池模块（E）、电池侧电容（C1）、H桥模块（H1、H2和H3）、高频隔离变压器（T）和中间直流侧电容（C2）组成，其中H桥模块H1、H2和高频隔离变压器T组成双向隔离全桥变流器；H桥模块H3则与单元所在相的其他单元的H桥模块一起构成链式变流器。
如图2所示，为本实施例中冗余保护的流程图，主控制器在每个控制周期都会检测隔离双级链式变流器是否发生故障，若发生故障，需要找出故障单元的个数，并根据故障单元的个数来实施不同的冗余保护方法：若仅有一个单元故障，则仅使用硬件保护的方法；若故障个数为2－3个，除了硬件保护方法外，双向隔离全桥变流器的软件冗余控制启动，其框图如图4所示；若故障个数为n（n>3）个，同时启用所有的冗余保护方法，保证链式变流器的正常运行。
如图3所示，为本实施例冗余保护的硬件方法，即在每相中额外增加一个完全一样的单元作为备用单元，备用单元在储能系统正常时不工作，同时在每个单元接入电网侧增加一个并联的交流接触器，用以切掉故障单元和接入备用单元：隔离双级链式储能系统正常工作时，B1至Bn处于常开，而Bb则处于常闭的状态；当故障发生时，由主控制器控制接触器动作，备用单元的接触器Bb断开，故障单元处的接触器闭合，从而完成第一重冗余保护。
如图4所示，为本实施例中双向隔离全桥变流器侧的冗余控制方法：正常情况下，双向隔离全桥变流器使用正常值uc2 *作为参考值；而在故障情况下，由主控制器通过图中公式（1<n<4）计算后，下发一个值作为参考值，即通过计算能够保证每一相上所有工作单元的直流侧电压之和仍为原来的值，由于单元数变少，因此提高了剩余每个单元中间直流侧的电压。
如图5所示，为本实施例中链式变流器的冗余控制方法，链式变流器每个H桥的调制波均由上位机下发，除以中间直流侧电容电压后与载波进行比较，最后生成控制信号给H桥模块H1：正常情况下，中间直流侧电容电压直接来自本单元的测量值：而在链式变流器冗余控制时，首先双向隔离全桥变流器的中间电容电压参考值为之后中间直流侧电容电压值由图中公式计算得来，即每一相所有正常单元的直流侧电压的平均值，n为故障模块个数，N为级联模块总数，uc2 *为中间直流侧电压参考值。
综上所述，本实施例提供了一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，通过硬件保护以及软件控制等三重冗余保护，使链式变流器在多单元故障时仍然能够正常运行，保证了隔离双级链式变流器的可靠性；本实施例的隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，在保证了电池的安全可靠的同时，提高系统的效率和减小系统接入电网的谐波；同时由于高频隔离变压器的存在，电池侧与电网侧完全隔离，冗余保护方法能够给在线维护提供充裕的时间，从而保证储能系统最大的可靠性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，其特征在于，该方法通过硬件及软件方面的措施及控制对隔离双级链式变流器提供最多三重的冗余保护，从而提高变流器的可靠性，其中：
所述硬件方面，在隔离双级链式变流器每一个单元的并网侧均有一个交流接触器，用以切除故障单元和并入备用单元，而在隔离双级链式变流器的每一相增加一个额外的备用单元，用作第一重冗余保护，替换变流器中的首个故障单元；
所述软件方面的措施分为双向隔离全桥变流器的控制以及链式变流器的控制，其中双向隔离全桥变流器的控制是当隔离双级链式变流器中继续有单元故障时，通过控制来提高双向隔离全桥变流器的直流侧电压，从而保证链式变流器的正常运行，用作第二重冗余保护；而链式变流器的控制是当隔离双级链式变流器中仍然继续有单元故障时，提高链式变流器侧H桥的调制比，从而保证链式变流器的正常运行，用作第三重冗余保护；
所述方法采用主控制器在每个控制周期检测隔离双级链式变流器是否发生故障，若发生故障，找出故障单元的个数，并根据故障单元的个数来实施不同的冗余保护方法：若仅有一个单元故障，则仅使用硬件保护的方法；若故障个数为2－3个，除了硬件保护方法外，双向隔离全桥变流器的软件冗余控制启动；若故障个数为n，n>3个，同时启用所有的冗余保护方法，保证链式变流器的正常运行。
2.根据权利要求1所述的一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，其特征在于，所述方法硬件方面在每相中额外增加一个完全一样的单元作为备用单元，备用单元在储能系统正常时不工作，同时在每个单元接入电网侧增加一个并联的交流接触器，用以切掉故障单元和接入备用单元：隔离双级链式储能系统正常工作时，正常单元的接触器B1至Bn处于常开，而备用单元的接触器Bb则处于常闭的状态；当故障发生时，由主控制器控制接触器动作，备用单元的接触器Bb断开，故障单元处的接触器闭合，从而完成第一重冗余保护。
3.根据权利要求1或2所述的一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，其特征在于，所述双级链式储能系统是在传统链式变流器的中间直流侧电容与电池间增加一级双向隔离全桥变流器，通过控制中间直流侧电容的电压来为链式变流器的正常运行提供保证。
4.根据权利要求3所述的一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，其特征在于，正常情况下，双向隔离全桥变流器使用正常值uc2 *作为参考值；而在故障情况下，由主控制器通过公式1<n<4，计算后，将该计算结果作为参考值，即通过计算能够保证每一相上所有工作单元的直流侧电压之和仍为原来的值，由于单元数变少，因此提高了剩余每个单元中间直流侧的电压，n为故障模块个数，N为级联模块总数，uc2 *为中间直流侧电压参考值。
5.根据权利要求3所述的一种隔离双级链式储能系统的冗余保护方法，其特征在于，所述链式变流器每个H桥的调制波均由上位机下发，除以中间直流侧电容电压后与载波进行比较，最后生成控制信号给H桥模块H3：正常情况下，中间直流侧电容电压直接来自本单元的测量值：而在链式变流器冗余控制时，首先双向隔离全桥变流器的中间电容电压参考值为之后中间直流侧电容电压值由公式计算得来，其中：n为故障模块个数，N为级联模块总数，uc2 *为中间直流侧电压参考值，uc2是指单个模块中间直流侧电压。
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