CN109327036A - 一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统及方法，包括：分布式储能单元、低压模组和高压模组；所述低压模组包括若干级联的H桥电路，所述低压模组通过滤波器接入低压交流母线；所述高压模组包括若干级联的H桥电路，所述高压模组通过滤波器并联在低压母线和高压母线之间；每一个分布式储能单元均通过其中一个H桥电路接入低压模组或者高压模组，每一个分布式储能单元通过H桥电路接入相应的模组构成三相独立结构。通过级联H桥串联结构使得储能系统能够无需隔离变压器直接接入中压甚至高压电网，而CHB的直流侧接入储能系统的电压不用很高，提高了储能系统运行的灵活性和可靠性。

Description

一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统及控制方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统及控制方法。

背景技术

随着分布式能源如新能源和储能高渗透率接入现代电力系统，采用并网逆变器或分布式能源变换器进行电能质量治理，由于其灵活性和低成本吸引了广泛关注。为了实现上述功能，谐波提取和宽带宽电流控制器并集成到了并网逆变器中。分布式电源多功能变换器主要关注本地负载谐波电流补偿，类似于传统的有源电力滤波器。然而，上述研究主要集中于电网电流质量的提升，电网电压谐波很难通过并联分布式能源变换器抑制电网电流谐波的方式来补偿。当分布式能源接入谐波比较丰富的弱电网时，该问题尤为严重。采用统一潮流控制器(UPQC)同时补偿谐波电压和谐波电流无疑是有效的解决方案，但是UPQC采用并联变换器提高电流质量，采用串联变换器提高电压质量，相间干扰容易导致不稳定运行，谐波电压和电流的提取对于控制器的计算负担过重，串联变换器的谐波电压补偿功能很难集成到并联分布式能源变换器中，造成设备成本投入过大。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统及控制方法，采用级联型储能系统同时补偿谐波电压和谐波电流，每个分布式储能单元通过级联H桥(CHB)接入级联型储能系统组成独立三相结构，级联型储能系统包括低压模组和高压模组。低压模组通过LC滤波器接入低压交流母线，支撑低压交流电压并通过谐波电压控制提高本地的电压质量；高压模组通过LCL滤波器接入高压交流母线，通过谐波电流控制阻止本地负载的谐波电流和不平衡电流进入高压大电网，有效提升电网的电流质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在一个或多个实施方式中公开的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统，包括：分布式储能单元、低压模组和高压模组；所述低压模组包括若干级联的H桥电路，所述低压模组通过滤波器接入低压交流母线；所述高压模组包括若干级联的H桥电路，所述高压模组通过滤波器并联在低压母线和高压母线之间；每一个分布式储能单元均通过其中一个H桥电路接入低压模组或者高压模组，每一个分布式储能单元通过H桥电路接入相应的模组构成三相独立结构。

进一步地，所述低压模组通过LC滤波器接入低压交流母线，保证低压交流母线电压的稳定，并通过谐波电压控制补偿低压交流母线的电压畸变和不平衡，提高低压交流母线的电压质量；所述高压模组通过LCL滤波器接入高压交流母线，通过谐波电流控制补偿本地负载的电流畸变和不平衡，阻止谐波电流进入高压大电网造成污染，进而提升了电网的电流质量。

进一步地，还包括：中央控制器、低压模组控制器和高压模组控制器；所述中央控制器与每一个分布式储能单元分别通信，所述中央控制器与低压模组控制器和高压模组控制器分别通信。

进一步地，中央控制器采集每个分布式储能单元直流侧的信息，包括功率及荷电状态，同时给低压模组控制器发送额定电压幅值，给高压模组控制器发送输出参考功率。

在一个或多个实施方式中公开的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统的低压模组控制方法，包括：确定低压模组的参考电压，采用电压电流双闭环控制实现电压和电流的准确跟踪控制；

其中，外部电压闭环控制为：

内部电流控制为：

V_out1,αβ＝G₂(s)·(I_1,ref,αβ-I_1,αβ)＝k_p2·(I_1,ref,αβ-I_1,αβ)

式中，V_ref1,αβ为两相静止坐标系下的输出电压参考值；k_p1是电压控制器的比例系数；k_i1,h是电压谐振控制在谐波次数h上的增益；ω_c表示谐振控制器的截止频率；ω_o表示额定频率；

k_p2表示电流控制器的比例系数；I_1,αβ表示低压模组的输出电流；V_out1,αβ表示低压模组的参考输出电压；

I_1,ref,αβ为两相静止坐标系下的低压模组输出电流的参考值；V_c1,αβ表示两相静止坐标系下低压模组的输出电压；G₁(s)、G₂(s)都是传递函数。

进一步地，采用零序电压注入方法控制低压模组的三相间功率潮流：低压模组的PWM三相调制参考电压等于将低压模组的参考电压从两相静止坐标系下变换到三相同步旋转坐标系后，与低压模组的零序电压矢量之和。

进一步地，低压模组的参考电压具体为：

V_ref1,α＝E_Lower·cos(θ_pcc)

其中，V_ref1,α和V_ref1,β分别是αβ两项静止坐标系下V_ref1,αβ在α轴和β轴上的分量；E_Lower是给定低压模组参考电压幅值，θ_pcc是储能系统并网点的电压相角。

在一个或多个实施方式中公开的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统的高压模组控制方法，包括：确定高压模组的参考电流，采用电流双闭环控制实现电压和电流的准确跟踪控制；

其中，外环电流控制为

内环电流控制为

V_out2,αβ＝G₄(s)·(I_2,ref,αβ-I_2,αβ)＝k_p4·(I_2,ref,αβ-I_2,αβ)

其中，其中，I_3,ref,αβ表示两相静止坐标系下的外环电流参考；I_3,αβ表示高压模组的外环输出电流；k_p3表示外环电流控制器的比例系数；k_i2,h是电压谐振控制在谐波次数h上的增益；ω_c表示谐振控制器的截止频率；ω_o表示额定频率；k_p4表示内环电流控制器的比例系数；I_2,αβ表示高压模组的内环输出电流；V_out2,αβ表示高压模组的内环参考输出电压；I_2,ref,αβ表示两相静止坐标系下的内环电流参考I_2,αβ为两相静止坐标系下的内环输出电流、I_3,αβ表示两相静止坐标系下的外环输出电流。

进一步地，还包括：采用零序电压注入方法控制高压模组的三相间功率潮流：高压模组的PWM三相调制参考电压等于将高压模组的参考电压从两相静止坐标系下变换到三相同步旋转坐标系后，与高压模组的零序电压矢量之和。

进一步地，高压模组的参考电流具体为：

其中，I_3,ref,α和I_3,ref,β分别是两相静止坐标系下I_3,ref,αβ在α轴和β轴上的分量；θ_pcc是储能系统并网点的电压相角；E_pcc为储能系统并网点的电网额定电压幅值；P_ref和Q_ref分别为中央控制器给定的向电网传输的有功功率和无功功率值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本方案公开了一种同时补偿谐波电压和谐波电流的级联型储能系统拓扑结构，低压模组通过LC滤波器接入低压交流母线，支撑低压交流电压并通过谐波电压补偿提高本地的电压质量；高压模组通过LCL滤波器接入高压交流母线，通过谐波电流补偿保证接入高压电网的电流质量。通过级联H桥串联结构使得储能系统能够无需隔离变压器直接接入中压甚至高压电网，而CHB的直流侧接入储能系统的电压不用很高，提高了储能系统运行的灵活性和可靠性。

(2)本方案公开了一种采用级联型储能系统控制方法，能够同时补偿谐波电压和谐波电流，而且相对于传统的UPQC，采用CHB变换器并联结构和零序电压注入方法，避免了相间干扰导致的不稳定运行；无需谐波电压和电流的提取，减少了控制器的计算负担过重；串联变换器的谐波电压补偿功能集成到级联分布式能源变换器中，降低了设备成本投入成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为一种级联型储能系统结构示意图；

图2为一种级联型储能系统控制示意图；

图3为治理前包含谐波和不平衡的电网电压波形图；

图4为治理前包含谐波和不平衡的本地负载电流波形图；

图5为治理后高压交流母线电流波形图；

图6为治理后低压交流母线电压波形图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在一个或多个实施例中公开了一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统，可以同时补偿谐波电压和谐波电流，如图1所示，包括分布式储能单元、低压模组和高压模组，每个分布式储能单元通过级联H桥(CHB)接入模组构成三相独立结构，每个CHB可以串联扩展用于提高电压等级。低压模组只需要接负载，不需要并网，所以低压模组通过LC滤波器并联接入低压交流母线，支撑低压交流电压并通过谐波电压控制提高本地的电压质量；高压模组需要并网，所以高压模组通过LCL滤波器并联于低压交流母线和高压交流母线之间，通过谐波电流控制阻止本地负载的谐波电流和不平衡电流进入高压大电网，有效提升电网的电流质量。

高压模组和低压模组都需要接入储能单元，只是高压模组接入电压高，需要储能单元串联的数量较多，低压模组接入电压低，储能单元串联的数量较少。

级联型储能系统还包括：中央控制器、低压模组控制器和高压模组控制器；中央控制器采集每个分布式储能单元直流侧的信息，包括功率及荷电状态(SOC)，同时给低压模组控制器发送额定电压幅值E_Lower，给高压模组控制器发送输出参考功率P_ref和Q_ref。

在一个或多个实施例中公开了一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统的控制方法，如图2所示，包括低压模组控制方法和高压模组控制方法，具体内容如下：

(1)低压模组控制方法，包括电压参考生成、电压电流双闭环控制和相间潮流控制三部分。

1)电压参考生成：低压模组的参考电压为

V_ref1,α＝E_Lower·cos(θ_pcc)

其中，V_ref1,α和V_ref1,β是两相静止坐标系下的电压参考值；E_Lower是给定的低压模组参考电压幅值。

2)电压电流双闭环控制：当参考电压和电流确定以后，采用电压电流闭环控制实现电压和电流的准确跟踪控制。对于低压模组，其外部电压闭环控制为

其中，V_ref1,αβ为两相静止坐标系下的电压参考值；k_p1是电压控制器的比例系数；k_i1,h是电压谐振控制在谐波次数h上的增益；ω_c表示谐振控制器的截止频率；ω_o表示额定频率。

低压模组的内部电流控制为

V_out1,αβ＝G₂(s)·(I_1,ref,αβ-I_1,αβ)＝k_p2·(I_1,ref,αβ-I_1,αβ)

其中，k_p2表示电流控制器的比例系数；I_1,αβ表示低压模组的输出电流；V_out1,αβ表示低压模组的参考输出电压。

3)相间潮流控制：电网电压或本地负载的不平衡会导致低压模组或者高压模组的三相间功率潮流，然而电网电压和电流需要三相平衡，因此，采用零序电压注入方法控制相间潮流而不会影响电网电压和电流。对于低压模组，参考电压V_out1,αβ从两相静止坐标系下变换到三相同步旋转坐标系并引入零序电压矢量：

其中，V_out1,a,V_out1,b,V_out1,c是低压模组的PWM调制参考电压；V_0,lower表示低压模组的零序电压矢量。

(2)高压模组控制方法，包括电流参考生成、电流双闭环控制和相间潮流控制三部分。

1)电流参考生成：级联型储能系统的中央控制器采集每个分布式储能单元直流侧的信息，包括额定功率及荷电状态(SOC)。因此，高压模组的参考电流为

其中，I_3,ref,α和I_3,ref,β是两相静止坐标系下的电流参考值；θ_pcc是储能系统并网点(PCC)的电压相角；E_pcc为PCC点的电网额定电压幅值；P_ref和Q_ref由中央控制器给定的向电网传输的有功功率和无功功率值。

2)电流双闭环控制：对于高压模组，其两相静止坐标系下的电流外部控制方法为

其中，I_3,ref,αβ表示两相静止坐标系下的电流参考；I_3,αβ表示高压模组的输出电流；k_p3表示电流控制器的比例系数；k_i2,h是电压谐振控制在谐波次数h上的增益。

高压模组的内部电流控制为

V_out2,αβ＝G₄(s)·(I_2,ref,αβ-I_2,αβ)＝k_p4·(I_2,ref,αβ-I_2,αβ)

其中，k_p4表示电流控制器的比例系数；I_2,αβ表示高压模组的输出电流；V_out2,αβ表示高压模组的参考输出电压。

3)相间潮流控制：对于高压模组，参考电压V_out2,αβ从两相静止坐标系下变换到三相同步旋转坐标系并引入零序电压矢量：

其中，V_out2,a,V_out2,b,V_out2,c是高压模组的PWM调制参考电压；V_0,upper表示高压模组的零序电压矢量。

这样，高压模组的谐波电流补偿和低压模组的谐波电压补偿虽然通过线电压调节，但是与零序电压注入是解耦的，也就是说本专利电能质量调节方法不会影响高低压模组的功率调节。

通过试验验证，采用本实施方式公开的方法治理前，包含谐波和不平衡的电网电压波形如图3所示，采用本实施方式公开的方法治理后，高压交流母线并网电流波形如图5所示，通过对比可以发现，电压的谐波和不平衡得到了有效治理改善。

采用本实施方式公开的方法治理前，包含谐波和不平衡的本地负载电流波形如图4所示，采用本实施方式公开的方法治理后，低压交流母线电压波形如图6所示。通过对比可以发现，电流的谐波和不平衡得到了有效治理改善。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统，其特征在于，包括：分布式储能单元、低压模组和高压模组；所述低压模组通过谐波电压补偿提高本地的电压质量，所述高压模组通过谐波电流补偿保证接入高压电网的电流质量。

2.如权利要求1所述的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统，其特征在于，所述低压模组包括若干级联的H桥电路，所述低压模组通过滤波器接入低压交流母线；所述高压模组包括若干级联的H桥电路，所述高压模组通过滤波器并联在低压母线和高压母线之间；每一个分布式储能单元均通过其中一个H桥电路接入低压模组或者高压模组，每一个分布式储能单元通过H桥电路接入相应的模组构成三相独立结构。

3.如权利要求1所述的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统，其特征在于，还包括：中央控制器、低压模组控制器和高压模组控制器；所述中央控制器与每一个分布式储能单元分别通信，所述中央控制器与低压模组控制器和高压模组控制器分别通信。

4.如权利要求3所述的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统，其特征在于，中央控制器采集每个分布式储能单元直流侧的信息，包括功率及荷电状态，同时给低压模组控制器发送额定电压幅值，给高压模组控制器发送输出参考功率。

5.一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统的低压模组控制方法，其特征在于，包括：确定低压模组的参考电压，采用电压电流双闭环控制实现电压和电流的准确跟踪控制；其中，外部为电压闭环控制，内部为电流闭环控制。

6.如权利要求5所述的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统的低压模组控制方法，其特征在于，采用零序电压注入方法控制低压模组的三相间功率潮流：低压模组的PWM三相调制参考电压等于将低压模组的参考电压从两相静止坐标系下变换到三相同步旋转坐标系后，与低压模组的零序电压矢量之和。

7.如权利要求5或6所述的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统的低压模组控制方法，其特征在于，低压模组的参考电压根据给定低压模组参考电压幅值以及储能系统并网点的电压相角得出。

8.一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统的高压模组控制方法，其特征在于，包括：确定高压模组的参考电流，采用电流双闭环控制实现电压和电流的准确跟踪控制；其中，外环为电流闭环控制，内环为电流闭环控制。

9.如权利要求8所述的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统的高压模组控制方法，其特征在于，还包括：采用零序电压注入方法控制高压模组的三相间功率潮流：高压模组的PWM三相调制参考电压等于将高压模组的参考电压从两相静止坐标系下变换到三相同步旋转坐标系后，与高压模组的零序电压矢量之和。

10.如权利要求8或者9所述的一种用于提高电网电能质量的级联型储能系统的高压模组控制方法，其特征在于，高压模组的参考电流与中央控制器给定的向电网传输的有功功率和无功功率值成正比，与储能系统并网点的电网额定电压幅值成反比。