CN105490303B - 一种无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置，属于发电、变电或配电技术领域。该装置设于非并网能源存储装置与电网之间，包括以下部分：并网控制器、充放电控制器、直流充放电单元、多电平功率转换单元、陷波器。该装置对储能系统进行充放电控制，因此输出电压更稳定，多电平功率转换设计，转换效率高，采取陷波器设计，滤除高次谐波，并网电能质量好，前馈型控制计算有效抑制谐振产生，取消了交直流传感器，成本更低。

Description

一种无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置

技术领域

本发明涉及一种无需交直流电流传感器的功率转换装置，属于发电、变电或配电技术领域。

背景技术

风能、太阳能是一种巨量的可再生能源，在国家政策的激励下，我国可再生能源发展迅速。可再生能源中，风电开发技术最成熟，开发成本最低，我国已规划建设数十个百万千瓦和九个千万千瓦风电基地。到2013年底我国风电装机容量在全球摇摇领先，达到9.14万千瓦。由于成本等原因，我国太阳能光伏发电起步较晚，随着光伏发电成本的答复降低，近几年发展迅速，2013年全年新增容量超过1000万，是2012年的近3倍，至2013年底，我国光伏发电装机容量已超过1700万千瓦。

然而风力发电、太阳能光伏发电是一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点，它们具有间歇性和波动性的特点，因而大规模风电、光伏发电的并网对电网的安全运行等诸多方面带来了新的挑战，同时风电的这些特性也将成为制约可再生大规模发展的严重障碍。

储能技术是将电能通过某种装置转换成其他便于存储的能量高效存储起来，在需要时，可以将所存储的能量方便地换成所需形式能量的一种技术。使用储能技术，可以充分发挥电能的许多优良特性，使得电网可以容纳包含可再生能源在内的多种不同类型发电。储能技术能够平抑风电、光伏发电等可再生能源发电的功率波动，可以在特定的时间提供所需的电能，而增加电网调度的自由度，在电力不足时为电网提供电能。

多电平功率转换其特点事开关频率很高，一般在18KHz左右，直流电逆变为交流电后，谐波频率主要为开关次频率，低次谐波很小，由于高频谐波的存在，并网后电网的稳定性将受到影响，危害严重。而LC或LCL滤波的方法虽然能在一定程度上降低高次谐波注入电网，但容易引起谐振，致使高频谐波注入电网，影响并网后电网的稳定性。此外，交直流传感器的精度与稳定性带来的测量问题，也一直影响着功率转换装置的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种能够很好抑制高次谐波注入电网中的无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置，该装置串接在非并网能源存储装置与电网之间，该装置包括：并网控制器、充放电控制器、直流充放电单元、多电平功率转换单元、陷波器；

所述直流充放电单元、所述多电平功率转换单元及所述陷波器依次串联；所述并网控制器的本地端与所述充放电控制器的通讯端相连，所述并网控制器的通讯端与所述充放电控制器的本地端相连；

所述并网控制器的控制端与所述多电平功率转换单元的受控端相连，所述充放电控制器的控制端与所述直流充放电单元的受控端相连；

所述陷波器的输出端连接有电压互感器，所述电压互感器输出端连接到所述并网控制器的电压输入端；

所述充放电控制器测量和汇总的所述直流充放电单元输出端的直流母线电压及所述存储装置的输出电压；

所述并网控制器用于测量所述陷波器的电网侧电压，并进行前馈控制计算，再将计算结果反馈给所述充放电控制器，所述充放电控制器根据收到的反馈结果及汇总的测量值调整所述直流充放电单元，以保证所述直流充放电单元传输给所述多电平功率转换单元的电平恒定。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：将陷波器与多电平功率转换单元串联，避免了两者谐振出现高频分量，同时陷波器用于抑制开关次谐波，使并网后的电网保持稳定。同时上述各组成构成一个以电压参数为基础的前馈式的反馈控制电路，仅需知道电路中指定点的电压值便可用于实现电流的前馈控制，用以保证多电平功率转换器的输入端是恒压，无需依赖电路中电流参数。将并网控制器中的交流功率波动与充放电控制器中的直流功率波动比较，保证一个随电网变动功率输出，以保证并网的稳定。

上述技术方案的改进是：所述前馈控制计算是无需交直流电流的基于所述陷波器的电网侧电压的前馈控制计算,该前馈控制计算包括第一加法器输出f₁计算、第二加法器输出f₂计算、第三加法器输出f₃计算、第四加法器输出f₄计算及第五加法器输出f₅计算，算式如下,

f₁＝i^*-i×H(s)

f₂＝f₁×G_i(s)

f₃＝(f₂-e^*)/Z_L

f₄＝i-f₃

f₅＝e^*-V_ac

e^*＝f₄×Z_C

i＝f₅/Z_LC

e^*为所述多电平功率转换单元输出电压的计算值；

V_ac为所述陷波器的网侧电压测量值；

i为所述陷波器电流估算值；

i^*为所述陷波器的网侧电流参考值；

H(s)为所述陷波器电流的反馈系数，0<||H(s)||<1；

G_i(s)为系统的传递函数，0<||G_i(s)||<1；

Z_L为所述陷波器的电感阻抗，Z_C为所述陷波器的电容阻抗，Z_LC为所述陷波器回路中电容与电感的并联阻。

上述技术方案的改进是：所述直流充放电单元输出端的直流母线上功率的实测值为P_dc，该功率的实测值与所述直流充放电单元输出端的直流母线电压值V_dc成正比；所述直流充放电单元输出端电压值V_dc与所述存储装置的输出电压V_b成正比，比例系数为所述直流充放电单元的转换系数。

本发明采用上述技术方案的改进后的进一步有益效果是：通过上述前馈控制计算，各反馈控制其对应的电路，根据实测情况中的陷波器的电网侧电压V_ac、直流充放电单元输出端的直流母线电压V_dc及所述存储装置的输出电压V_b等参数的值确定整个装置应该如何调整，其中直流充放电单元的输出功率为P_dc＝[V_ac×(V_ac-e^*)/Z_LC]/η，η为逆变器效率，等于0.98，以维持整个装置的整体输入和输出功率的稳定，除去并网能源的间歇性与不稳定性，并抑制多点平功率转换器的开关次频率及电网侧扰动对并网后稳定性的影响，以保证并网后电网稳定工作。

一般滤波电路，尤其是带通滤波电路主要采用并联方式连接，一般是采集多电流进行反馈控制；而本发明中采用陷波器代替滤波器，以单电压的检测的方法实现了电流反馈的应用，由于测量数据的减少，其测量的准确性相对提高，因此并网电压更为稳定，同时抑制了二次谐振。

上述技术方案的改进是：所述陷波器为一个并联谐振回路，且组成所述并联谐振回路的电感值L和电容值C与所述多电平功率转换单元的开关频率f_s满足

本发明采用上述技术方案的进一步有益效果是：通过设置特定的电感值L与电容值C，抑制对应的频率高频谐波f_s使得陷波器对高频谐波的抑制更有针对性。使得整个装置更为灵活，可依据实际情况测试出最优状况，以提高抑制高频谐波的效果。

上述技术方案的改进是：所述充放电控制器还监测所述存储装置的电压，对所述存储装置的充放电和所述直流充放电单元的输出功率进行控制；所述存储装置为电池或超级电容中的一种。

本发明采用上述技术方案的进一步有益效果是：通过设置直流储能装置，减小非并网能源的间歇性特不稳定特性对装置产生的扰动。

上述技术方案的改进是：所述多电平功率转换单元用于将从直流充放电单元接收到的恒压直流电转换成交流电输送给所述陷波器，所述多电平功率转换单元为三电平逆变电路。

本发明采用上述技术方案的改进后的进一步有益效果是：整个装置为多电平功率转换单元提供稳定恒压直流电以保证得到交流电频率稳定；同时三电平逆变电路在将直流转换成交流时产生的高次谐波相对二电平或其他电平来说更少，更容易抑制。因此本发明可以在并网时造成较小的谐波,不影响电网的正常运行,因此不需要再在电网中配套响应的滤波器组。同时通过限波器两端电压，计算出电流，取代了交流电流传感器；通过转换效率计算储能单元输出功率，取消了直流传感器，解决了交直流传感器带来的测量精度和稳定性问题。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置结构示意图。

图2是图1中的充放电单元的最小组成电路图。

图3是图1中的并网控制器的电路图。

图4是图1中的充放电控制器的电路图。

图5是本发明实施例的前馈控制计算的逻辑框图。

具体实施方式

实施例

本实施例的一种无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置，如图1所示，该装置串接在用于存储非并网能源的超级电容与电网之间，该装置包括：并网控制器1、充放电控制器2、直流充放电单元3、多电平功率转换单元4、陷波器5。

本实施例的多电平功率转换单元4为三电平逆变电路。

直流充放电单元3、三电平逆变电路及陷波器5依次串联；并网控制器1的本地端与充放电控制器2的通讯端相互连接，并网控制器1的通讯端与充放电控制器2的本地端相连。

并网控制器1的控制端与三电平逆变电路的受控端相连，充放电控制器2的控制端与直流充放电单元3的受控端相连。

陷波器5的输出端连接有电压互感器，电压互感器输出端连接到并网控制器1的电压输入端。

陷波器5为一个并联谐振回路，且组成并联谐振回路的电感值L和电容值C与三电平逆变电路的开关频率f_s满足：

并网控制器1用于测量陷波器5的电网侧电压V_ac，并无需交直流电流的基于陷波器5的电网侧电压V_ac的前馈控制计算,如图5所示，该前馈控制计算包括第一加法器输出f₁计算、第二加法器输出f₂计算、第三加法器输出f₃计算、第四加法器输出f₄计算及第五加法器输出f₅计算，算式如下,f₁＝i^*-i×H(s)

f₂＝f₁×G_i(s)

f₃＝(f₂-e^*)/Z_L

f₄＝i-f₃

f₅＝e^*-V_ac

e^*＝f₄×Z_C

i＝f₅/Z_LC

e^*为多电平功率转换单元4输出电压的计算值；

V_ac为陷波器5的网侧电压测量值；

i为陷波器5电流估算值；

i^*为陷波器5的网侧电流参考值；

H(s)为陷波器5电流的反馈系数，0<||H(s)||<1；

G_i(s)为系统的传递函数，0<||G_i(s)||<1；

Z_L为陷波器5的电感阻抗，Z_C为陷波器5的电容阻抗，Z_LC为陷波器5回路中电容与电感的并联阻。

通过上述前馈控制计算，各反馈控制其对应的电路，根据实测情况中的陷波器的电网侧电压V_ac、直流充放电单元3输出端的直流母线电压V_dc及所述存储装置的输出电压V_b等参数的值确定整个装置应该如何调整，其中，直流充放电单元3输出端的直流母线上功率的实测值为P_dc，该功率的实测值所述直流充放电单元3输出端的直流母线电压值V_dc成正比；直流充放电单元3输出端电压值V_dc与存储装置的输出电压V_b成正比，比例系数为直流充放电单元3的转换系数，根据实测直流充放电单元3输出端的直流母线上功率值与计算直流充放电单元3输出端的直流母线上功率值比较来调整该比例系数以保证输送到三电平逆变电路的功率恒定；直流充放电单元的输出功率为：

P_dc＝[V_ac×(V_ac-e^*)/Z_LC]/η，η为逆变器效率，等于0.98，以维持整个装置的整体输入和输出功率的稳定，除去并网能源的间歇性与不稳定性，并抑制多点平功率转换器的开关次频率及电网侧扰动对并网后稳定性的影响，以保证并网后电网稳定工作。

充放电控制器2还监测超级电容的电压与电流，对超级电容的充放电进行控制，充放电控制器2控制直流充放电单元3为三电平逆变电路提供稳定恒压。三电平逆变电路将恒压直流电转换成定频交流电，并输送到陷波器中。

在本实施例中，如图3、4所示，并网控制器1包括DSP28335、交流电压电流采集电路和第一控制驱动电路，交流电压采集电路将电压互感器6上的交流电压输送到DSP28335的交流电压输入端，DPS28335将交流功率波动发送给充放电控制器2，并通过所述控制驱动电路控制三电平逆变单元根据功率的波动进行工作。

充放电控制器2包括DPS28335、直流电压电流采集电路和控制驱动电路，直流电压采集电路将超级电容上的直流电压输送到DSP的直流电压输入端，直流电流采集电路将超级电容上的直流电流输送到DSP28335的直流电流输入端，DPS28335通过控制驱动电路控制直流充放电单元3的输出功率。

本实施例的无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置优势在于：

1)既取消了交流电流传感器，又取消了直流电流传感器，成本大大降低，系统设计大大简化；

2)解决了电流传感器带来的误差问题；

3)对储能系统进行充放电控制；

4)多电平功率转换设计，转换效率高；

5)采取陷波器设计，滤除高次谐波，并网电能质量好；

6)前馈型控制方法有效抑制谐振。

本实施例还可以用超级电池来存储非并网能源(风光能源)。

本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置，该装置串接在非并网能源存储装置与电网之间，其特征在于包括：并网控制器、充放电控制器、直流充放电单元、多电平功率转换单元、陷波器；

所述直流充放电单元、所述多电平功率转换单元及所述陷波器依次串联；所述并网控制器的本地端与所述充放电控制器的通讯端相连，所述并网控制器的通讯端与所述充放电控制器的本地端相连；

所述并网控制器的控制端与所述多电平功率转换单元的受控端相连，所述充放电控制器的控制端与所述直流充放电单元的受控端相连；

所述陷波器的输出端连接有电压互感器，电压互感器输出端连接到所述并网控制器的电压输入端；

所述充放电控制器用于测量和汇总所述直流充放电单元输出端的直流母线电压及所述存储装置的输出电压；

所述并网控制器用于测量所述陷波器的电网侧电压，并进行前馈控制计算，再将计算结果反馈给所述充放电控制器，所述充放电控制器用于将收到的反馈与通过实测得到的所述直流充放电单元输出端的直流母线上功率比较，根据比较结果调整所述直流充放电单元的转换系数；

前馈控制计算是无需交直流电流的基于陷波器的电网侧电压的前馈控制计算，该前馈控制计算包括第一加法器输出f1计算、第二加法器输入f2计算、第三加法器输入f3计算、第三加法器输出f4计算及第四加法器输出f5计算，算式如下，

f₁＝i*-i×H(s)

f₂＝f₁×G_i(s)

f₃＝(f₂-e*)/Z_L

f₄＝i-f₃

f₅＝e*-V_ac

e^*＝f₄×Z_C

i＝f₅/Z_LC

e*为所述多电平功率转换单元的输出电压计算值；

V_ac为所述陷波器的网侧电压测量值；

i为所述陷波器电流的估算值；

i^*为所述陷波器的网侧电流参考值；

H(s)为所述陷波器电流的反馈系数，0<||H(s)||<1；

G_i(s)为系统的传递函数，0<||G_i(s)||<1；

Z_L为所述陷波器的电感阻抗，Z_C为所述陷波器的电容阻抗，Z_LC为所述陷波器回路中电容与电感的综合阻抗；

此外，所述直流充放电单元输出端的直流母线上功率的计算值为η为所述多电平功率转换单元的转换效率。

2.如权利要求1所述的无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置，其特征在于：所述直流充放电单元输出端的直流母线上功率的实测值为P_de,该功率的实测值与所述直流充放电单元输出端的直流母线电压值V_dc成正比；所述直流充放电单元输出端的直流母线电压值V_dc与所述存储装置的输出电压V_b成正比，比例系数为所述直流充放电单元的转换系数。

3.如权利要求2所述的无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置，其特征在于：所述陷波器为一个并联谐振回路，且组成所述并联谐振回路的电感值L和电容值C与所述多电平功率转换单元的开关频率f_s满足

4.如权利要求3所述的无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置，其特征在于：所述充放电控制器还监测所述存储装置的电压，对所述存储装置的充放电和所述直流充放电单元的输出功率进行控制；所述存储装置为电池或超级电容中的一种。

5.如权利要求4所述的无需交直流电流传感器的多电平储能功率转换控制装置，其特征在于：所述多电平功率转换单元用于将从直流充放电单元接收到的恒压直流电转换成交流电输送给所述陷波器，所述多电平功率转换单元为三电平逆变电路。