CN103956738A - 一种兼具apf与svg功能的电池储能系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种兼具APF与SVG功能的电池储能系统控制方法，方法包括：获取所述系统的PCC点电压和负载电流；当所述负载电流出现谐波时，所述电池储能系统以APF工作模式工作；当所述PCC点电压下降时，所述电池储能系统以SVG工作模式工作；当所述负载电流出现谐波且所述PCC点电压下降时，所述电池储能系统在APF与SVG共用硬件通道的工作模式下工作。该方法采用PR控制器对输入信号进行跟踪，最终达到共用硬件通道、实现无功补偿装置和有源滤波器合二为一的控制目的。

Description

一种兼具APF与SVG功能的电池储能系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种电池储能领域的控制方法，具体涉及一种兼具APF与SVG功能的电池储能系统控制方法。
背景技术
电池储能系统能快速、独立的调节有功无功，在负荷平定、电能质量治理等方面具有很高的应用价值。目前，随着分布式发电技术的迅速发展，各种分布式能源接进电网，这其中包括了风电和光伏发电等，它们在产生有功功率的同时也会产生无功功率，这就需要大量的无功补偿设备；同时分布式发电设备中还存在大量的电力电子装置，这会向电网注入大量的谐波电流。现在，国内外通常用SVG和有源电力滤波器来实现无功补偿功能和消除特定次谐波，虽然从SVG和有源滤波器的拓扑结构看，两者毫无区别，但目前解决上述两种不同问题仍需采用两种不同的装置来实现。
用同一套设备解决无功补偿和谐波消除问题，关键是要控制多个量经由同一硬件通道，并使信号之间互不影响。按照传统的时域分析方法，如果将无功补偿电流和某次谐波电流检测出来，然后通过各自的坐标变换，通过加和后，送入同一硬件通道，在通道的终端再进行坐标变换，但由于两者都是直流量，而且无法确定量的大小，因此不可能使两种信号分离，最终导致控制混乱，即传统时域分析中的直流量会独立占用通道。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种兼具APF与SVG功能的电池储能系统控制方法，该方法采用PR控制器对输入信号进行跟踪，最终达到共用硬件通道、实现无功补偿装置和有源滤波器合二为一的控制目的。
实现上述目的所采用的解决方案为：
一种兼具APF与SVG功能的电池储能系统控制方法，其改进之处在于：所述方法包括：获取所述系统的PCC点电压和负载电流；当所述负载电流出现谐波时，所述电池储能系统以APF工作模式工作；当所述PCC点电压下降时，所述电池储能系统以SVG工作模式工作；当所述负载电流出现谐波且所述PCC点电压下降时，所述电池储能系统在APF与SVG共用硬件通道的工作模式下工作。
进一步的，所述APF工作模式为：采样负载三相电流iLa、iLb、iLc，经过坐标变换，确定同步旋转坐标系中的有功电流和无功电流iLp、iLq；
经过低通滤波器分离出有功电流和无功电流的基波分量经过坐标反变换确定三相静止坐标系下三相电流的基波分量iLaf、iLbf、iLcf；
从所述负载三相电流中减去所述基波分量获得谐波电流分量iaref、ibref、icref，所述谐波电流分量作为有源滤波器的补偿电流给定值。
进一步的，所述SVG工作模式为：获取所述PCC点电压Upcc，将所述PCC点电压Upcc与给定电压U* pcc做差，经PI控制获得无功电流的给定值有功电流的给定值设为0；
将分别与SVG产生的三相电流ia、ib、ic经坐标变换获得的dq轴电流分量id、iq做差，经PI控制和解耦控制后，通过SVPWM调制获得变流器的开关信号。
进一步的，所述APF与SVG共用硬件通道的工作模式下，运用基于频域的共用通道分析法实现无静差控制。
进一步的，所述基于频域的共用通道分析法包括以下步骤：运用两种滤波器将两种不同频率的信号进行分离，滤波器一采用3阶切比雪夫低通滤波器，滤波器二采用由一个高通滤波器和一个低通滤波器级联组成的带通滤波器；从而使两种不同频率的信号在同一硬件通道，实现对每一种信号进行分别控制。
进一步的，所述APF与SVG共用硬件通道的工作模式为所述APF与SVG共用同一硬件通道的工作模式，所述工作模式为：
将含有混合量的负载电流和逆变电路侧电流分别经低通滤波器和带通滤波器分离出每相不同频率的电流；
运用瞬时功率理论分别将负载基波电流和逆变电路侧基波电流的无功电流和有功电流分离；
负载侧每一相的无功电流和谐波电流作为系统的指令电流，分别与逆变电路侧每一相的无功电流和谐波电流进行比较，构成闭环控制系统。
进一步的，所述逆变电路侧每一相的电流为输入滤波电路的电流；所述负载侧每一相的电流为滤波电路输入负载的电流。
进一步的，所述APF与SVG共用硬件通道的工作模式的控制方法包括以下步骤：
获取负载三相电流iLa、iLb、iLc，经过低通滤波器和带通滤波器获得无功电流和谐波电流，其中，iLa_w与iLa_H、iLb_w与iLb_H、iLc_w与iLc_H分别为a、b、c三相的无功电流和谐波电流；
获取所述逆变电路侧的电流ia、ib、ic，经过低通滤波器和带通滤波器获得a、b、c三相的无功电流ia_w、ib_w、ic_w和谐波电流ia_H、ib_H、ic_H；
将所述a、b、c三相负载的无功电流和谐波电流分别与逆变电路侧的无功电流和谐波电流进行做差，经PR控制器实现闭环控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的方法对PCC点电压和负载电流进行监测，当负载电流出现大量谐波时，储能系统工作在APF模式；当PCC点电压大幅度下降时，储能系统工作在SVG模式；当负载电流谐波谐波和电压下降问题同时存在时，储能系统工作在APF与SVG合二为一共用同一硬件通道的工作模式。
2、本发明提供的方法在APF和SVG合二为一的工作模式下，由于基波无功补偿电流和某次谐波电流均为特定次频率的正弦信号，本发明提出了一种基于频域的共用通道分析法；为了实现无静差控制，控制器采用比例谐振(PR)控制，同时本发明提供的拓扑结构还可以实现三相独立控制的目的。
3、本发明提供的方法选取电池储能作为SVG和APF的直流侧电源，利用电池储能具有的快速、独立调节有功无功的特性，能更好的向电网注入无功补偿电流和谐波电流。同时对电池SOC进行监测，当其越限时停止设备工作，保证电池在安全工况下运行。
附图说明
图1为电池储能系统拓扑结构示意图；
图2为共用硬件通道信号分离系统结构图；
图3为电池储能系统负荷控制装置工作模式切换流程图；
图4为APF工作模式控制框图；
图5为SVG工作模式控制框图；
图6为SVG与APF功能合二为一的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供了一种电池储能系统拓扑结构，如图1所示，图1为电池储能系统拓扑结构示意图。该电池储能系统拓扑结构包括电池系统、三桥臂电路、滤波电路和电网负载电路。
所述电池系统包括串联的两个电池。
所述三桥臂电路包括并联的三个桥臂，每一桥臂包括串联的两个功率开关管。
所述滤波电路包括滤波电感及其寄生电阻。
所述电网负载电路包括三相电网电压源和三相负载。
每一桥臂的功率开关管之间通过滤波电路与电网负载电路连接。
所述滤波电路和所述电网负载电路的连接点为PCC点(公共连接点)。
如图3所示，图3为电池储能系统工作模式切换流程图；本发明提供了一种兼具APF与SVG功能的电池储能系统控制方法，该方法包括：
获取所述储能系统的PCC点电压和负载电流；
当所述负载电流出现谐波时，所述电池储能系统以APF工作模式工作；
当所述PCC点电压下降时，所述电池储能系统以SVG工作模式工作；
当所述负载电流出现谐波且所述PCC点电压的下降时，所述电池储能系统在APF与SVG合二为一共用同一硬件通道的工作模式下工作。
APF工作模式为：采样负载三相电流iLa、iLb、iLc，经过坐标变换，确定同步旋转坐标系中的有功电流和无功电流iLp、iLq；
经过低通滤波器分离出有功电流和无功电流的基波分量经过坐标反变换确定三相静止坐标系下三相电流的基波电流分量iLaf、iLbf、iLcf；
从所述负载三相电流中减去所述基波分量获得谐波电流分量iaref、ibref、icref，所述谐波电流分量作为有源滤波器的补偿电流给定值。
SVG工作模式为：获取所述PCC点电压Upcc，将所述PCC点电压Upcc与给定电压做差，经PI控制获得无功电流的给定值有功电流的给定值设为0；
将分别与静止无功发生器产生的三相电流ia、ib、ic经坐标变换获得的有功电流id、iq做差，经PI控制和解耦控制后，通过SVPWM调制获得变流器的开关信号。
APF与SVG合二为一共用同一硬件通道的工作模式为：
将含有混合量的负载电流和逆变电路侧电流分别经低通滤波器和带通滤波器分离出每相不同频率的电流；
运用瞬时功率理论分别将负载基波电流和逆变电路侧基波电流的无功电流和有功电流分离；
负载每一相的无功电流和谐波电流作为系统的指令电流，分别与逆变电路侧每一相的无功电流和谐波电流进行比较，构成闭环控制系统。
如图2所示，图2为共用硬件通道信号分离系统结构图；其中信号一和信号二的的表达式分别为A1sin(ω1t)、A2sin(ω2t)，其中参数设为A1＝A2、ω1＝314(rad/s)，为基波角频率、ω2＝nω1为特定次谐波角频率。其中，硬件通道的传递函数为1/(Ls+R)。滤波器一设计为3阶切比雪夫低通滤波器，滤波器二设计为是由一个高通滤波器和一个低通滤波器级联组成的带通滤波器。通过滤波器一和滤波器二实现对分离出每相不同频率的电流。
APF与SVG合二为一共用同一硬件通道的工作模式的控制方法包括以下步骤：
获取负载三相电流iLa、iLb、iLc，经过低通滤波器和带通滤波器获得无功电流和谐波电流，其中，iLa_w与iLa_H、iLb_w与iLb_H、iLc_w与iLc_H分别为a、b、c三相的无功电流和谐波电流；
获取所述逆变电路侧的电流ia、ib、ic，经过低通滤波器和带通滤波器获得a、b、c三相的无功电流ia_w、ib_w、ic_w和谐波电流ia_H、ib_H、ic_H；
将所述a、b、c三相负载的无功电流和谐波电流分别与逆变电路侧的无功电流和谐波电流进行做差，经PR控制器实现闭环控制。
如图4所示，图4为APF工作模式控制框图；采样负载电流iLa、iLb、iLc通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流分量iLp、iLq，经过低通滤波器得到基波电流分量再通过坐标反变换得到基波电流在三相交流坐标系下的值iLaf、iLbf、iLcf，将此值与负载电流iLa、iLb、iLc做差可以得到三相交流坐标系下的谐波电流，通过三相坐标变换得到谐波电流在dq坐标系下的给定值与逆变电路侧的电流ia、ib、ic经坐标变换得到的id、iq做差，经PI控制和解耦控制，通过SVPWM调制得到变流器的开关信号。同时对电池SOC进行监测，判断SOC是否越限，SOC未越限，则DSP输出逻辑1，如SOC越限，则DSP输出逻辑0，来保证电池工作在安全工况下。
如图5所示，图5为SVG工作模式控制框图；采样PCC点电压Upcc与给定电压U* pcc做差，经PI控制得到无功电流的给定值有功电流的给定值设为0。将分别与逆变电路侧的三相电流ia、ib、ic经坐标变换得到的id、iq做差，经PI控制和解耦控制，通过SVPWM调制得到变流器的开关信号。同时对电池SOC进行监测，判断SOC是否越限，SOC未越限，则DSP输出逻辑1，如SOC越限，则DSP输出逻辑0，来保证电池工作在安全工况下。
如图6所示，图6为SVG与APF功能合二为一的控制框图；采样负载电流iLa、iLb、iLc，经过低通滤波器和带通滤波器得到无功电流和谐波电流，其中iLa_w、iLa_F为a相的无功电流和谐波电流，iLb_w、iLb_F和iLc_w、iLc_F分别是b相和c相的无功电流和谐波电流。采样逆变电路侧的电流ia、ib、ic，同样经过低通滤波器和带通滤波器得到a、b、c相的无功电流ia_w、ib_w、ic_w和a、b、c相的谐波电流ia_F、ib_F、ic_F。将各相负载的无功电流和谐波电流分别与逆变电路侧的无功电流和谐波电流进行做差，后经PR控制器实现闭环控制。在每一相电流信号中，实际上是由无功电流(即电流基波分量的一部分)和谐波电流(另一种频率电流)构成的。它们是两种频率信号公用了硬件通道，最后又彼此解耦，互不影响。同时对电池SOC进行监测，判断SOC是否越限，SOC未越限，则DSP输出逻辑1，如SOC越限，则DSP输出逻辑0，来保证电池工作在安全工况下。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种兼具APF与SVG功能的电池储能系统控制方法，其特征在于：所述方法包括：获取所述系统的PCC点电压和负载电流；当所述负载电流出现谐波时，所述电池储能系统以APF工作模式工作；当所述PCC点电压下降时，所述电池储能系统以SVG工作模式工作；当所述负载电流出现谐波且所述PCC点电压下降时，所述电池储能系统在APF与SVG共用硬件通道的工作模式下工作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述APF工作模式为：采样负载三相电流iLa、iLb、iLc，经过坐标变换，确定同步旋转坐标系中的有功电流和无功电流iLp、iLq；
经过低通滤波器分离出有功电流和无功电流的基波分量经过坐标反变换确定三相静止坐标系下三相电流的基波分量iLaf、iLbf、iLcf；
从所述负载三相电流中减去所述基波分量获得谐波电流分量iaref、ibref、icref，所述谐波电流分量作为有源滤波器的补偿电流给定值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述SVG工作模式为：获取所述PCC点电压Upcc，将所述PCC点电压Upcc与给定电压U* pcc做差，经PI控制获得无功电流的给定值有功电流的给定值设为0；
将分别与SVG产生的三相电流ia、ib、ic经坐标变换获得的dq轴电流分量id、iq做差，经PI控制和解耦控制后，通过SVPWM调制获得变流器的开关信号。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述APF与SVG共用硬件通道的工作模式下，运用基于频域的共用通道分析法实现无静差控制。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述基于频域的共用通道分析法包括以下步骤：运用两种滤波器将两种不同频率的信号进行分离，滤波器一采用3阶切比雪夫低通滤波器，滤波器二采用由一个高通滤波器和一个低通滤波器级联组成的带通滤波器；从而使两种不同频率的信号在同一硬件通道，实现对每一种信号进行分别控制。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述APF与SVG共用硬件通道的工作模式为所述APF与SVG公用同一硬件通道的工作模式，所述工作模式为：
将含有混合量的负载电流和逆变电路侧电流分别经低通滤波器和带通滤波器分离出每相不同频率的电流；
运用瞬时功率理论分别将负载基波电流和逆变电路侧基波电流的无功电流和有功电流分离；
负载侧每一相的无功电流和谐波电流作为系统的指令电流，分别与逆变电路侧每一相的无功电流和谐波电流进行比较，构成闭环控制系统。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述逆变电路侧每一相的电流为输入滤波电路的电流；所述负载侧每一相的电流为滤波电路输入负载的电流。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述APF与SVG共用硬件通道的工作模式的控制方法包括以下步骤：
获取负载三相电流iLa、iLb、iLc，经过低通滤波器和带通滤波器获得无功电流和谐波电流，其中，iLa_w与iLa_H、iLb_w与iLb_H、iLc_w与iLc_H分别为a、b、c三相的无功电流和谐波电流；
获取所述逆变电路侧的电流ia、ib、ic，经过低通滤波器和带通滤波器获得a、b、c三相的无功电流ia_w、ib_w、ic_w和谐波电流ia_H、ib_H、ic_H；
将所述a、b、c三相负载的无功电流和谐波电流分别与逆变电路侧的无功电流和谐波电流进行做差，经PR控制器实现闭环控制。
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