CN103916041A

CN103916041A - 级联储能变流器多链节冗余控制方法

Info

Publication number: CN103916041A
Application number: CN201410100345.4A
Authority: CN
Inventors: 凌志斌; 李勇琦; 陈满; 郭海峰; 张百华; 曹阳
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Peak and Frequency Regulation Power Generation Co of China Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Peak and Frequency Regulation Power Generation Co of China Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2034-03-18
Also published as: CN103916041B

Abstract

本发明提供了一种级联储能变流器多链节冗余控制方法，步骤包括：（1）采集各电池模块工作状态和交流侧电压状态，判断当前系统的链节冗余情况；（2）故障发生时，系统识别故障H桥功率单元；（3）判断是否满足冗余条件，或者旁路故障功率单元并提高故障相输出电压的调制比以保持交流侧输入线电压平衡保证系统继续运行，或者使系统安全退出，停机。本发明以H桥级联多链节储能变流器为对象，采集各电池模块和交流侧电压，在链节冗余满足时，通过改变故障相H桥输出电压的调制比，实现故障时保持交流侧输入线电压稳定与平衡，保证在一个开关器件发生短路或开路故障时变流器仍然能够正常运行一段时间的目的。

Description

级联储能变流器多链节冗余控制方法

技术领域

本发明涉及电池储能领域，具体地，涉及一种级联储能变流器多链节冗余控制方法。

背景技术

电池储能系统主要实现能量的存储和释放，其主要组成部分包括储能电池和储能变流器PCS（Power Conversion System）。PCS主要实现充放电控制、功率调节等功能。基于H桥级联结构的电池储能变流器系统由于引入了多电平技术，减小了电力电子器件上的电压应力；并且因为结构上的优势，每相、每个H桥功率模块可以相对独立的控制，并且若系统链节数目存在一定的冗余，从而可以实现故障时保持交流侧输入线电压平衡。

级联H桥多链节变流器应用大量的功率开关器件，一个开关器件发生故障可能会引起系统的不正常运行，因此可靠性对于级联H桥变流器是至关重要的。一个性能优良的储能变流器可以通过故障冗余控制保证在一个开关器件发生短路或开路故障时仍然能够正常运行一段时间。

若链节冗余满足一定要求，则可以通过故障冗余控制，使系统仍然能够正常运行一段时间。当发生故障时，通过调节故障相H桥单元输出电压的调制比提高故障相中非故障的H桥单元PWM信号的调制比，维持交流侧输入线电压稳定与平衡，保证正常运行一段时间。

经检索，中国专利公开号为102075097A，申请号为201010562693.5，该专利提供了本发明公开了“一种级联型变流器n+1故障冗余控制方法,它包括以下步骤:步骤一,首先基于UPF四象限H桥整流器的直流电压电容进行均衡控制;步骤二,对n+1故障冗余进行控制;步骤三,旁路故障后对CPS-SPWM开关的调整,因此,对剩余n个非故障单元的CPS-SPWM开关调制作出相应的调整,即按照n级联单元数生成触发脉冲。本发明能够有效地提高各功率单元的直流侧电压利用率,降低功率器件的开关损耗、duldt以及故障率。”本发明基于储能变流器的控制，需要考虑到储能的特殊情况，如电池在工作过程中，电池电压（变流器的直流侧电压）的不断变化的等。上述技术中采用n+1冗余，对于储能而言，使用不够灵活，未实现冗余控制动态的分析判断，不能充分利用直流侧的冗余。

综上所述，级联H桥变流器的冗余控制指的是在每相中提供一定冗余的H桥单元，当某一相中的H桥发生故障时，将故障的H桥旁路，同时采用简单提高调制比的方法使储能变流器可以继续运行。这种故障时级联变流器多链节冗余控制方法未见文献公开报道。

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级联储能变流器多链节冗余控制方法，当某一相中的H桥发生故障时，将故障的H桥旁路后，若满足一定的冗余条件，则可以保证储能变流器继续运行一段时间。

为实现以上目的，本发明提供一种级联储能变流器多链节冗余控制方法，该方法在满足冗余条件的情况下，调节故障相中非故障的H桥功率单元PWM信号的调制比，维持交流侧输入线电压稳定与平衡，使储能变流器能够继续运行；具体步骤包括：

（1）采集各电池模块工作状态和交流侧电压状态，判断当前系统的链节冗余情况；

（2）故障发生，识别故障H桥功率单元：

设储能变流器为3xN链节的三相级联结构，某一相存在m个H桥出现故障；故障发生后，故障情况被上传至控制器；

（3）控制器判断系统是否满足冗余条件，或者旁路故障的功率单元并保持交流侧输入线电压平衡以保证系统继续运行，或者使系统安全退出，停机；具体的：

A：满足冗余条件

系统冗余度大于冗余条件，则控制电路发出控制信号触发旁路故障的功率单元并改变故障相H桥输出电压的调制比，提高每个故障相中的非故障H桥功率单元的输出电压调制比为原来值的N/（N-m）倍，以实现故障时保持交流侧输入线电压平衡。

B：不满足冗余条件

系统冗余度小于冗余条件，则系统不能保持交流侧输入线电压平衡，要求系统安全退出，停机。

优选地，步骤（1）中，所述各电池模块工作状态和交流侧电压状态分别通过电池管理系统和电网的电压测量模块采集。

优选地，步骤（1）中，所述链节冗余情况的判断根据电池模块和交流侧工作状态，由电池正常工作时模块电压区间、模块级联数量、并网电感电压降、网侧交流电压情况和PCS的电压适应范围共同决定；链节冗余数目n可由下面式子确定：

n \leq N - \frac{\sqrt{2} (1 + α) \times U_{s} \times (1 + β)}{\sqrt{3} \times u_{\min} \times p}

其中，N为级联H桥的链节数目，p为电池簇中电池模块的数目，u_min为电池正常工作时模块电压的最小值，U_s为网侧的额定电压，α为电压适应范围和网侧国标要求的较大者。双向变流器与网侧通过并网电感L相连，而β表示因并网电感L而产生的βpu的压降。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明以H桥级联多链节储能变流器为对象，采集各电池模块状态，通过改变故障相H桥输出电压的调制比保证在一个开关器件发生短路或开路故障时变流器仍然能够正常运行一段时间的目的。此外，本发明控制简单，提高系统稳定性及使用寿命，具有经济效益。发明的实现不仅所需开销少，并且对已有设备，不需硬件结构上的改变，便可实现该功能，也易于改造，有很大推广价值。

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为本发明一实施例单个H桥功率模块电路拓扑；

图2为本发明一实施例三相3N个功率模块级联电池储能系统电路拓扑；

图3为本发明一实施例级联储能变流器多链节冗余控制原理图；

图4为本发明一实施例调节调制比稳压原理图。

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。

以下在发明内容提供的技术方案基础上，给出本发明实施例的详细描述：本发明采用利用冗余控制，采用载波移相调制，首先采集各电池模块工作状态和交流侧电压状态，即分别通过电池管理系统和电网的电压测量模块，采集各相储能电池的电压信息和网侧的实际工作电压，判断当前系统的链节冗余情况。当开关器件发生短路或开路故障时，若链节冗余满足一定要求，则通过调节故障相H桥单元输出电压的调制比，仍可以维持交流侧输入线电压稳定与平衡，使系统仍然能够正常运行一段时间；若链节冗余不满足要求，则考虑实现系统的安全退出。

如图1所示，本实施例提供一种级联储能变流器多链节冗余控制方法，该方法在满足冗余条件的情况下，调节故障相中非故障的H桥功率单元PWM信号的调制比，维持交流侧输入线电压稳定与平衡，使储能变流器能够继续运行；具体步骤包括：

（2）故障发生，识别故障H桥功率单元：故障情况被上传至控制器；

（3）控制器判断系统是否满足冗余条件，或者旁路故障的功率单元并保持交流侧输入线电压平衡保证系统继续运行，或者使系统安全退出，停机：

A：满足冗余条件

系统冗余度大于冗余条件，则旁路故障的功率单元并改变故障相H桥输出电压的调制比，提高每个故障相中的非故障H桥功率单元的输出电压调制比为原来值的N/N-1倍，实现故障时保持交流侧输入线电压平衡。

B：不满足冗余条件

系统冗余度小于冗余条件，则不能系统保持交流侧输入线电压平衡，则系统安全退出，停机。

本实施例以一个三相每相20链节级联储能变流器拓扑为例，如图1所示为单个H桥功率模块电路拓扑，由储能电池、电容以及一个全桥逆变器组成；如图2所示为三相3N个功率模块级联电池储能系统电路拓扑。

整个系统参数如表1所示：

表1系统电路及元器件参数

系统参数器件名称	规定符号	参数
			电网线电压/kV	U_s	10
交流侧视在功率/MVA	S	2
			每一相功率模块个数	N	20
桥臂连接电感/mH	L	8（5%）

变流器的电压适应范围	/	-10%～+15%
			直流侧电池簇模块数	p	14
载波三角波频率/Hz	F_c	1000
			电池模块工作电压范围/V	u	40～57

如图3所示，本实施例级联储能变流器多链节冗余控制原理是：通过判断系统的冗余度，当发生故障时，若满足冗余条件，则旁路故障的功率单元并改变故障相H桥输出电压的调制比，实现故障时保持交流侧输入线电压平衡；若不若满足冗余条件，则系统安全退出。具体地说，首先，判断当前系统的链节冗余情况：

\begin{matrix} n \leq N - \frac{\sqrt{2} (1 + α) \times U_{s} \times (1 + β)}{\sqrt{3} \times u_{\min} \times p} = 20 - \frac{\sqrt{2} (1 + 0.15) \times 10 \times 1000 \times (1 + 0.05)}{\sqrt{3} \times 40 \times 14} \\ = 2.39 \end{matrix}

可知，链节冗余数目n为2；

当出现故障时，控制电路根据接收到的故障反馈信号。

若故障相1个链节出现故障，满足冗余条件，如图4所示，则旁路该故障功率单元并将该相的每个H桥输出电压的调制比必须提高到原来得N/(N-1)倍，以保证电压的稳定。

若故障相有3个链节出现故障，则不满足冗余条件，需要使系统安全退出，停机。

本发明以H桥级联多链节储能变流器为对象，采集各电池模块状态，通过改变故障相H桥输出电压的调制比保证在一个开关器件发生短路或开路故障时变流器仍然能够正常运行一段时间的目的。

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

1.一种级联储能变流器多链节冗余控制方法，其特征在于，该方法在满足冗余条件的情况下，调节故障相中非故障的H桥功率单元PWM信号的调制比，维持交流侧输入线电压稳定与平衡，使储能变流器能够继续运行；具体步骤包括：

（2）故障发生时，系统识别故障H桥功率单元：

（3）控制器判断系统是否满足冗余条件，或者旁路该故障功率单元并保持交流侧输入线电压平衡以保证系统继续运行，或者使系统安全退出；即：

A：满足冗余条件

系统冗余度大于冗余条件，则控制电路发出控制信号触发相应H桥输出交流侧的晶闸管导通实现旁路该故障功率单元并改变故障相H桥输出电压的调制比，提高每个故障相中的非故障H桥功率单元的输出电压调制比为原来值的N/（N-m）倍，实现故障时保持交流侧输入线电压平衡；

B：不满足冗余条件

系统冗余度小于冗余条件，则系统要求安全退出，停机。

2.根据权利要求1所述的一种级联储能变流器多链节冗余控制方法，其特征在于，步骤（1）中，所述各电池模块工作状态和交流侧电压状态分别通过电池管理系统和电网的电压测量模块采集。

3.根据权利要求1或2所述的一种级联储能变流器多链节冗余控制方法，其特征在于，步骤（1）中，所述链节冗余情况的判断根据电池模块和交流侧工作状态，由电池正常工作时模块电压区间、模块级联数量、并网电感电压降、网侧交流电压情况和储能变流器的电压适应范围共同决定；链节冗余数目n由下面式子确定：

n \leq N - \frac{\sqrt{2} (1 + α) \times U_{s} \times (1 + β)}{\sqrt{3} \times u_{\min} \times p}

其中，N为级联H桥的链节数目，p为电池簇中电池模块的数目，u_min为电池正常工作时模块电压的最小值，U_s为网侧的额定电压，α为电压适应范围和网侧国标要求的较大者，β为并网电感上βpu的压降。