CN103715715B - 一种抑制大功率能量转换系统启动时冲击电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制大功率能量转换系统启动时冲击电流的方法，包括初始调制度计算步骤，该步骤通过初始调制度计算模块实现，初始调制度计算模块在大功率PCS每次启动之前动态计算需要的扰动或前馈，精确控制启动时刻逆变器的输出电压，从而抑制启动冲击电流。使用本发明的方法启动大功率PCS，在启动瞬间无论是IGBT电流还是并网电抗器电流均没有冲击电流出现。

Description

一种抑制大功率能量转换系统启动时冲击电流的方法

技术领域：

本发明属于电力领域，涉及一种抑制大功率能量转换系统启动时冲击电流的方法，尤其是一种储能电站用大功率能量转换系统(PCS)启动时冲击电流抑制方法。

背景技术：

大功率PCS正常工作时交流电流很大，为了保证额定功率时并网电抗器上的压降不超过电网电压10％，一般并网电抗器的基波阻抗非常小，并网电抗器上非常小的压降就会造成很大的冲击电流，由于启动时刻PCS控制器输出没有达到稳态，这种冲击电流更为严重，冲击电流的存在不但对功率器件的安全造成威胁，而且对电网安全运行造成不良影响。

传统的通过调制波上施加恒定扰动或前馈的方法来抑制启动瞬间电网侧并网电抗器上的冲击电流对于PMW整流器，静止无功补偿器SVG等并网变流器效果较好。然而对于PCS这种直流侧接储能电池的并网变流器，直流电压范围往往很宽，不同的直流电压需要使用不同的扰动或前馈，此外，随着电网负荷波动，实际电网电压往往有一定的波动范围，也要求对扰动或者前馈值进行调整。

现有文献中对PCS启动冲击电流的抑制措施描述较少，PCS本质上是一种并网变流器，在并网变流器的控制中，一般使用调制波上施加恒定扰动或前馈的方法来抑制启动瞬间电网侧并网电抗器上的冲击电流。如文献《应用于电动汽车充电站的PWM整流器控制方法》描述了一种通过施加恒定扰动来抑制启动瞬间电网侧并网电抗器上电流冲击的方法。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种抑制大功率能量转换系统启动时冲击电流的方法，采用在每次启动之前动态计算需要的扰动或前馈，通过精确控制启动时刻逆变器输出电压，达到抑制启动冲击电流的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种抑制大功率能量转换系统启动时冲击电流的方法，包括初始调制度计算步骤，该步骤通过初始调制度计算模块实现，初始调制度计算模块在大功率能量转换系统每次启动之前动态计算需要的扰动或前馈，精确控制启动时刻逆变器的输出电压，从而抑制启动冲击电流。

具体步骤如下：

首先，保证模拟量采样中包括采样三相交流电压和直流电压；

然后，PCS控制系统使用DSP来完成控制和运算，在软件算法中完成三相交流电压有效值和直流电压平均值的计算；

最后，DSP控制软件使用离散控制，载波频率与计算频率相同，比较器比较值在载波过零点更新，第n个周期的计算值要在第n+1个周期生效。在第n个周期判断到启动命令以后按照公式计算并更新初始调制度。

PCS储能系统组成如图1所示，主要由电网、PCS、储能电池构成。PCS包括并网电抗器和逆变器，是整个储能系统的核心，通过PCS可以实现电池储能系统储能电池与交流电网之间的双向能量传递。储能电池充电时，PCS工作在整流状态，能量从电网流入储能电池；储能电池放电时，PCS工作在有源逆变状态，能量从储能电池回馈到电网。

将电压源型逆变器和储能电池看作一个整体，并考虑电网电压，PCS的原理图简化为图2，主要有三部分组成：

1)电网

2)并网电抗器

3)电压源型逆变器

并网电抗器上的电流为：

其中E为电网电动势，V为逆变器输出电压，X_L为并网电抗器阻抗。

由可知，并网电抗器上电流受三个因素影响：

1)电网电动势E。一般为AC380V，变化不大，正常为正负20％。启动瞬间电网电动势可以认为是定值。

2)并网电抗器大小。一般要求变流器额定功率运行时电抗器上压降不超过电网电压10％，因此对于同一电压等级，功率越大，交流电流越大，为了保证电抗器上压降不超过电网电压10％，并网电抗器就要越小。

3)逆变器输出电压。逆变器输出电压与电网电动势相同时并网电抗上压降为0，电流也为0。

综上所述，PCS功率越大，启动时交流电流冲击越大，逆变器输出电压和电网电动势越接近，启动时交流电流冲击越小。

传统的PCS控制方式如图3所示，有功功率和无功功率采用解耦控制。有功功率控制过程如下：直流电压控制器和直流电流控制器的输出经过模式切换算法，给出有功电流给定有功电流给定减去实际有功电流i_d以后输入有功电流控制器，电网电压d轴分量V_d减去有功电流控制器输出得到调制电压的d轴分量V_dm，其中电网电压d轴分量V_d为电网电压前馈，电网电压恒定时为一常量。无功功率控制过程与有功功率控制过程类似，唯一的不同点是无功电流指令由用户直接设定，在此不在赘述。调制电压V_dm和V_qm经过SVPWM调制算法输出PWM脉冲驱动主电路IGBT保证变流器运行。

SVPWM调制技术保证逆变器可以获得最大的直流电压利用率；PLL为三相锁相环，输出θ为电网电压相位。这两项技术为PCS控制基础算法。

由图3可以看出，传统的PCS控制方法中电网电压前馈值V_d和V_q只反映了交流电网电压的波动，对于直流电压的影响没有考虑。PCS装置启动之前的直流电压是不确定的，因此无法精确控制逆变器输出电压，导致启动时刻并网电抗器上出现冲击电流。

本发明的有益效果在于：本发明已经用于我司500kW PCS样机中，若采用传统PCS启动控制技术，启动时刻交流测并网电抗器上冲击电流很大，采用本发明方法以后，PCS启动瞬间交流侧电网电流波形显示，启动时刻无论是IGBT电流还是并网电抗器电流均没有冲击电流出现。

附图说明：

图1为PCS储能系统结构示意图；

图2为PCS(Power Conversion System)原理图；

图3为传统的PCS控制框图；

图4为本发明的方法的控制框图。

其中：PCS为能量转换系统、E为电网电动势、V为逆变器输出电压、X_L为并网电抗器阻抗、V_abc为三相交流电网电压、i_abc为三相交流电网电流、θ为电网相位角、V_dc为直流电压、V_d为电网电压d轴分量、V_q为电网电压q轴分量、i_dc为直流电流、i_d为有功电流、i_q为无功电流、V_{ab_rms}为交流电网线电压有效值、V_{bc_rms}为交流电网线电压有效值、V_{ca_rms}为交流电网线电压有效值、m_init为初始调制度、V_{dm_init}为d轴初始调制度、V_{qm_init}为q轴初始调制度、为有功电流指令、为无功电流指令、为直流电流指令、为直流电压指令。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图4，本发明方法已经成功应用在我司500kW PCS项目中(属于保密项目)，该产品在启动过程中可以做到无冲击电流。同时，该方法可以推广应用到PWM整流器，静止无功补偿器等产品，做到在电网电压存在波动的情况下，最大可能地抑制启动过程中的冲击电流。注意：由于LCL滤波器电容的存在，启动前并网电抗器流过无功电流，IGBT无电流。启动后流过IGBT的电流包含了LCL滤波器的高次谐波。

以我司500kW PCS样机为例介绍本发明的实施过程：

首先，保证模拟量采样中包括采样三相交流电压和直流电压，一般PCS均满足该条件。

然后，PCS控制系统使用DSP来完成控制和运算，在软件算法中完成三相交流电压有效值和直流电压平均值的计算。

最后，DSP控制软件使用离散控制，载波频率与计算频率相同为3kHz，比较器比较值在载波过零点更新，第n个周期的计算值要在第n+1个周期生效。在第n个周期判断到启动命令以后按照公式计算并更新初始调制度。

本发明增加了一个初始调制度计算模块，如图4中虚线框部分，用来计算启动时刻的初始调制度。

对于一定的直流电压V_dc，逆变器能输出的电压为：

V_aclp＝mKV_dc

其中V_aclp为逆变器输出线电压峰值；K为直流电压利用率，和调制方法有关，使用SVPWM调制时为1；m为调制度。

使用SVPWM调制度，直流电压利用率K为1，由可得初始调制度为：

交流线电压的峰值使用三相电压有效值来计算：

由可得初始调制度为：

其中V_{ab_rms}、V_{bc_rms}、V_{ca_rms}为交流电网线电压有效值，V_dc为直流电压。

实际中需要对初始调制度m_init进行限幅，保证初始调制度不超过1，防止过调制。启动时刻有功电流控制器、无功电流控制器输出均为0，由于使用三相锁相环(PLL)电网电压进行准确跟踪，逆变器输出电压相位与电网电压相位几乎完全同相，标幺化处理以后电压d轴分量V_d为接近1的数值，电压q轴分量V_q为接近0的数值。因此可以令：

V_{dm_init}＝m_init-V_d

V_{qm_init}＝0-V_q；

PCS每次启动时按照该公式计算初始调制度，启动以后电流内环有功电流控制器和无功电流控制器开始进行计算，输出调制度，整个过程平滑切换，交流侧并网电抗器上无冲击电流出现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种抑制大功率能量转换系统启动时冲击电流的方法，其特征在于：

包括初始调制度计算步骤，该步骤通过初始调制度计算模块实现，初始调制度计算模块在大功率能量转换系统每次启动之前动态计算需要的扰动或前馈，精确控制启动时刻逆变器的输出电压，从而抑制启动冲击电流；

首先，保证模拟量采样中包括采样三相交流电压和直流电压；

然后，PCS控制系统使用DSP来完成控制和运算，在软件算法中完成三相交流电压有效值和直流电压平均值的计算；

最后，DSP控制软件使用离散控制，载波频率与计算频率相同，比较器比较值在载波过零点更新，第n个周期的计算值要在第n+1个周期生效；在第n个周期判断到启动命令以后按照公式计算并更新初始调制度；

通过初始调制度计算模块计算启动时刻的初始调制度；

对于直流电压V_dc，逆变器能输出的电压为：

V_aclp＝mKV_dc (1)；

其中V_aclp为逆变器输出线电压峰值；K为直流电压利用率、使用SVPWM调制时为1；m为调制度；使用SVPWM调制度，直流电压利用率K为1，由公式(1)得到初始调制度为：

$m_{init}=\frac{V_{aclp}}{{\mathrm{KV}}_{dc}}=\frac{V_{aclp}}{V_{dc}}---\left(2\right);$

交流线电压的峰值使用三相电压有效值来计算：

$V_{aclp}=\frac{\sqrt{2}(V_{ab\_rms}+V_{bc\_rms}+V_{ca\_rms})}{3}---\left(3\right);$

由公式(2)和公式(3)得到初始调制度为：

$m_{init}=\frac{\sqrt{2}(V_{ab\_rms}+V_{bc\_rms}+V_{ca\_rms})}{3}\frac{1}{V_{dc}}---\left(4\right);$

其中V_{ab_rms}、V_{bc_rms}、V_{ca_rms}为交流电网线电压有效值，V_dc为直流电压；

启动时刻有功电流控制器、无功电流控制器输出均为0，使用三相锁相环对电网电压进行准确跟踪，使逆变器输出电压相位与电网电压相位完全同相，标幺化处理以后电压d轴分量V_d为接近1的数值，电压q轴分量V_q为接近0的数值；

令：

$\begin{array}{c}{V}_{dm\_init}=m_{init}-V_d\\ V_{qm\_init}=0-V_q\end{array}---\left(5\right);$

PCS每次启动时计算初始调制度，启动以后交流电流内环有功电流控制器和无功电流控制器开始进行计算，输出调制度，整个过程平滑切换，使交流侧并网电抗器上无冲击电流出现；

其中：PCS为能量转换系统、V为逆变器输出电压、V_dc为直流电压、V_d为电网电压d轴分量、V_q为电网电压q轴分量、V_{ab_rms}为交流电网线电压有效值、V_{bc_rms}为交流电网线电压有效值、V_{ca_rms}为交流电网线电压有效值、m_init为初始调制度、V_{dm_init}为d轴初始调制度、V_{qm_init}为q轴初始调制度。