CN110011355A - 不对称三相星形级联多电平混合储能系统的分相控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不对称三相星形级联多电平混合储能系统的分相控制方法，分析单相电池链节输出电压、电流的稳定范围，确定三相星形系统的工作范围；对各相电池链节进行开环电压控制，使各电池链节输出指令电压，达到充放电平衡；根据电网电压和开环电压，计算电容链节有功电流和无功电流的相位；对各相电容链节进行有功电流控制、无功电流控制和电网电压前馈控制，使各电容链节输出指令电流，电容电压保持稳定。本发明在三相共同稳定工作范围内进行分相控制，提高了系统四象限运行的稳定性，并且能够防止链节单元过调制，抑制输出电流谐波，适用于不对称故障情况。

Description

不对称三相星形级联多电平混合储能系统的分相控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种不对称三相星形级联多电平混合储能系统的分相控制方法。

背景技术

基于级联多电平变换器的混合储能系统通过将不同类型的直流电压源结合，有效改善了系统性能，节约了维护成本。电池具有较高的能量密度，电容维护成本较低，将电池与电容共同作为H桥直流侧电压源，使得系统具有四象限运行能力的同时，还可以用较低成本获得较高的输出电压等级。当各相电池链节发生不对称故障时，需要切除故障电池模块，此时系统转化为不对称三相级联多电平混合储能系统。传统的解耦控制方法由于不能独立实现各相内部的功率分配，不能对不对称故障进行有效调控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不对称三相星形级联多电平混合储能系统的分相控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种不对称三相星形级联多电平混合储能系统的分相控制方法，包括如下步骤：

步骤1、分析单相电池链节输出电压、电流的稳定范围，确定三相星形系统的工作范围；

步骤2、对各相电池链节进行开环电压控制，使各电池链节输出指令电压，达到充放电平衡；

步骤3、根据电网电压和开环电压，计算电容链节有功电流和无功电流的相位；

步骤4、对各相电容链节进行有功电流控制、无功电流控制和电网电压前馈控制，使各电容链节输出指令电流，电容电压保持稳定。

步骤1中，确定三相星形系统共同的稳定工作范围的具体方法为：

步骤2.1、确定电池链节调制比和输出电压相位的稳定工作范围，具体公式为：

其中：

式中，M为各相电池链节数量，N为各相电容链节数量，v_bat为电池链节直流侧电压，v_cap为电容链节直流侧电压，v_s为电网电压，v_r1为电池链节总输出电压，v_r2为电容链节总输出电压，δ为v_r1与v_s夹角，K为电池链节总调制比，ω为电网电压基波频率，L为滤波电感；

步骤2.2、确定各相并网电流的稳定工作范围，具体公式为：

式中，α为电流工作相位；

步骤2.3、确定三相系统的电流工作范围，由范围最小的一相决定，若C相电流工作范围最小，则三相系统的电流工作范围具体为：

步骤2中，对各相电池链节进行开环电压控制的具体方法为：

步骤3.1、由锁相环(PLL)获得电网电压v_s相位；

步骤3.2、根据给定的功率指令，确定并网电流的参考幅值Is^*和工作相位α，具体为：

式中，P^*为有功功率参考值，Q^*为无功功率参考值为，V_s为电网电压幅值，δ₁为电容链节总输出电压的相位，由于电容链节电压和电流垂直，δ₁确定后即得电流工作相位α：

α＝δ₁-π/2(感性模式)，α＝δ₁+π/2(容性模式)

步骤3.3、在确定的稳定范围内，通过矢量分析确定一组电池链节总输出电压v_r1的幅值和相对于电网电压v_s的相位δ；

步骤3.4、将电池链节总调制波由充电均衡控制分配到各链节，使各电池链节输出规定的指令电压，达到充放电平衡。

步骤3中，计算电容链节有功电流相位和无功电流相位的具体方法为：

步骤3.1、根据电池链节开环电压v_r1的幅值和电网电压v_s，计算电容链节输出电压v_r2相对于电网电压v_s的相位δ₁的实际值，具体公式为：

式中，v_L为滤波电感电压，δ为电池链节总输出电压v_r1相对于v_s的相位；

步骤3.2、计算并网电流i_s相对于电容链节的有功电流分量i_{d_c}和无功电流分量i_{q_c}的相位，即α_{d_c}和α_{q_c}，具体公式为：

步骤4中，对各相电容链节进行有功电流控制、无功电流控制和电网电压前馈控制的具体方法为：

步骤4.1、确定电容链节有功电流i_{d_c}的参考电压幅值，由各相电容链节直流侧电压Nv_cap参考值与实际值的误差，经比例积分(PI)控制得到；

步骤4.2、确定电容链节无功电流i_{q_c}的参考电压幅值，取并网电流的参考幅值Is^*；

步骤4.3、i_s参考值与实际值误差，经比例谐振(PR)控制，得到滤波电感参考电压v_L，再经由电网电压前馈，得到电容链节总参考电压v_r2；

步骤4.4、将电容链节总调制波由电压均衡控制分配到每一个电容链节，使直流侧稳压并输出指令电流。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：在三相共同稳定工作范围内进行分相控制，提高了系统四象限运行的稳定性，并且能够防止链节单元过调制，抑制输出电流谐波，适用于不对称故障情况。

附图说明

图1为不对称三相星形级联多电平混合储能系统示意图。

图2为本发明单相电池链节输出电压稳定范围的示意图，其中(a)为δ的稳定工作范围，(b)为K的稳定工作范围。

图3为本发明单相输出电流稳定范围的示意图，其中(a)为的情况，(b)为的情况。

图4为本发明不对称三相系统稳定范围的示意图。

图5为本发明控制方式的示意图。

图6为本发明工作点选取的示意图

图7为本发明感性模式的仿真结果图。

图8为本发明容性模式的仿真结果图。

图中，M为各相电池链节数量，N为各相电容链节数量，v_bat为电池链节直流侧电压，v_cap为电容链节直流侧电压，v_s为电网电压，v_r1为电池链节总输出电压，v_r2为电容链节总输出电压，v_L为滤波电感电压。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

图1为不对称三相星形级联多电平混合储能系统示意图，由多电平变换器，滤波电感和电网组成，其中多电平变换器每相由M个电池链节和N个电容链节组成，每个链节均为H桥电路，发生三相不对称故障时，A、B、C相的电池和电容链节数量不同，但H桥总数相同，如下式所示。

M_A+N_A＝M_B+N_B＝M_C+N_C＝const

为使混合储能系统四象限工作，且在不对称故障状态下仍有一定的稳定工作范围，本发明提出一种不对称三相星形级联多电平混合储能分相控制方法，结合相内和相间的稳定范围分析，将电池链节作为开环电压源，将电容链节作为闭环电流源，实现功率分配与不对称故障情况下的稳定工作，其过程具体包括如下四个部分：

(1)稳定范围分析

为避免过调制，实现相内功率分配，稳定电容链节直流侧电压，对各单相和三相不对称情况的稳定工作范围进行分析。

图2为单相电池链节输出电压稳定范围示意图，i_s为并网电流，v_r1为电池链节总输出电压，v_r2为电容链节总输出电压，v_s为电网电压，C1，C2分别为电池链节和电容链节的有效调制范围，C3为滤波电感的电压作用范围，A为C1、C3重合区域，A2为C1、C2重合区域，A1为A中不属于A2的区域，在A内v_r1、v_r2与v_L能够合成电网电压v_s，由于C3的作用范围与电流的幅值成正相关，A1区域面积随电流幅值变化，因此系统在A2工作较A1更为稳定。

忽略链节工作中的功率损耗，电容链节只能输出无功功率，因此v_r2与i_s保持垂直，滤波电感电压v_L也与i_s保持垂直，δ为v_r1与v_s夹角，δ₁为v_r2与v_s夹角，K为电池链节总调制比。对图2构成的电压三角形用余弦定理，可得：

其中：

ω为电网电压基波频率，L为滤波电感。

图3为本发明单相输出电流稳定范围示意图，各电压变化时存在两种不同情况。S1、S2为C1、C2的交点，C1过v_s终点的切线与C1相切于T1、T2，α为电流工作相位，对图3中构成的电压三角形用余弦定理，可得：

其中：

图4为本发明不对称三相星形系统稳定范围示意图，当各相发生不对称故障时，三相电流的稳定工作范围各不相同，为满足三相功率平衡与星形连接三相电流之和为零的限制条件，三相系统的电流工作范围由范围最小的一相决定，图中所示为C相电流工作范围最小时的情况，此时三相系统工作范围如下式所示，其他情况分析方法相同。

(2)开环电压控制

图5为本发明控制方式示意图，将电池链节作为开环电压源进行控制，由锁相环(PLL)获得电网电压v_s相位，由给定的功率指令确定电流的参考幅值Is^*和工作相位α。有功功率参考值P^*，无功功率参考值为Q^*，电网电压幅值V_s，电流参考幅值I_s ^*与电容链节总输出电压相位δ₁的关系如下式所示：

由于电容链节电压和电流垂直，δ₁确定后即可确定电流工作相位α：

α＝δ₁-π/2(感性模式),α＝δ₁+π/2(容性模式)

此时v_s与δ₁已知，结合分析所得稳定工作范围，可通过矢量分析确定一组电池链节总输出电压v_r1的幅值和相对于v_s的相位δ，构成电压三角形。如图6所示，工作点选取在线段X1、X2上时的v_r1均可满足要求，其中X1、X2为V_L与A2的交点。电池链节总调制波由充电均衡控制分配到各链节，使各电池链节输出规定的指令电压，达到充放电平衡。

(3)相位计算

考虑电容链节开关损耗，i_s还需添加少量有功分量来维持电容电压平衡。得到电池链节开环电压v_r1的幅值后，将各相v_s与v_r1作为相位计算输入量，根据余弦定理得到v_r2相位δ₁的实际值，进而计算出i_s相对于电容链节的有功电流分量i_{d_c}和无功电流分量i_{q_c}的相位。

(4)分相电流控制

分相电流控制分为有功电流控制，无功电流控制和电网电压前馈控制三部分，为维持电容侧直流电压恒定，电容链节需吸收少量有功功率来弥补开关损耗，电容链节有功电流i_{d_c}参考幅值由各相电容链节直流侧电压Nv_cap参考值与实际值的误差经比例积分(PI)控制得到，电容链节无功电流i_{q_c}参考幅值取前述分析所得的i_s参考幅值I_s ^*，i_{d_c}与i_{q_c}参考值相加构成并网电流i_s参考值，由于i_{d_c}幅值远小于i_{q_c}，因此i_{q_c}与i_s基本相同。i_s参考值与实际值误差经由比例谐振(PR)控制得到滤波电感参考电压v_L，再经由电网电压前馈得到电容链节总参考电压v_r2，最后经电压均衡控制将指令分配到每一个电容链节，使直流侧稳压并输出指令电流。

本发明适用于电池和电容作为链节直流源的级联多电平混合储能系统，能够实现各相内部链节的有功和无功分配，并保证三相系统共同的稳定工作范围，可用于该系统的不对称故障容错控制。此外，本方法的应用场合不限于由电池和电容作为直流侧电压源的不对称三相级联多电平混合储能系统，理论上还适用于其他三相不对称级联多电平混合储能系统。

实施例

为了验证本发明的有效性，在Matlab/Simulink中搭建实验仿真模型，系统实际参数和等效参数如下：

表1系统实际参数表

参数	符号	数值
			链节额定电压	V<sub>bat</sub>	783V
直流侧电容	C	4.8mF
			各相链节数	M+N	45
开关频率	f<sub>s</sub>	400Hz
			电网相电压	v<sub>s</sub>	20.2kV
滤波电感	L<sub>s</sub>	60mH
			参考电流	i<sub>q_c</sub><sup>*</sup>	70.7A

表2等效参数表

参数	符号	A	B	C
					电池链节	M	15	10	5
额定电压	MV<sub>bat</sub>	11745V	7830V	3915V
					开关频率	f<sub>s1</sub>	6kHz	4kHz	2kHz
电容链节	N	30	35	40
					额定电压	NV<sub>cap</sub>	23490V	27405V	31320V
直流侧电容	C/N	160uF	137uF	120uF
					开关频率	f<sub>s2</sub>	12kHz	14kHz	16kHz

感性和容性模式下的仿真结果如图7-8所示，其中感性模式下A相电流参考相位为-85.94°，容性模式下A相电流参考相位为+94.06°。两种模式在稳定范围内电流均可跟踪指令，电容链节直流侧电压均在参考值附近保持稳定，且无过调制发生。通过稳定工作范围内和稳定工作范围外工作状态的对比，可以看出本发明稳定范围分析准确，且控制方式能够达到控制目标。

Claims (5)

1.一种不对称三相星形级联多电平混合储能系统的分相控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、分析单相电池链节输出电压、电流的稳定范围，确定三相星形系统的工作范围；

步骤2、对各相电池链节进行开环电压控制，使各电池链节输出指令电压，达到充放电平衡；

步骤3、根据电网电压和开环电压，计算电容链节有功电流和无功电流的相位；

步骤4、对各相电容链节进行有功电流控制、无功电流控制和电网电压前馈控制，使各电容链节输出指令电流，电容电压保持稳定。

2.根据权利要求1所述的分相控制方法，其特征在于，步骤1中，确定三相星形系统共同的稳定工作范围的具体方法为：

步骤2.1、确定电池链节调制比和输出电压相位的稳定工作范围，具体公式为：

其中：

式中，M为各相电池链节数量，N为各相电容链节数量，v_bat为电池链节直流侧电压，v_cap为电容链节直流侧电压，v_s为电网电压，v_r1为电池链节总输出电压，v_r2为电容链节总输出电压，δ为v_r1与v_s夹角，K为电池链节总调制比，ω为电网电压基波频率，L为滤波电感；

步骤2.2、确定各相并网电流的稳定工作范围，具体公式为：

式中，α为电流工作相位；

步骤2.3、确定三相系统的电流工作范围，由范围最小的一相决定，若C相电流工作范围最小，则三相系统的电流工作范围具体为：

3.根据权利要求1所述的分相控制方法，其特征在于，步骤2中，对各相电池链节进行开环电压控制的具体方法为：

步骤3.1、由锁相环获得电网电压v_s相位；

步骤3.2、根据给定的功率指令，确定并网电流的参考幅值Is^*和工作相位α，具体为：

式中，P^*为有功功率参考值，Q^*为无功功率参考值为，V_s为电网电压幅值，δ₁为电容链节总输出电压的相位，由于电容链节电压和电流垂直，δ₁确定后即得电流工作相位α：

α＝β₁-π/2(感性模式),α＝δ₁+π/2(容性模式)

步骤3.3、在确定的稳定范围内，通过矢量分析确定一组电池链节总输出电压v_r1的幅值和相对于电网电压v_s的相位δ；

步骤3.4、将电池链节总调制波由充电均衡控制分配到各链节，使各电池链节输出规定的指令电压，达到充放电平衡。

4.根据权利要求1所述的分相控制方法，其特征在于，步骤3中，计算电容链节有功电流相位和无功电流相位的具体方法为：

步骤3.1、根据电池链节开环电压v_r1的幅值和电网电压v_s，计算电容链节输出电压v_r2相对于电网电压v_s的相位δ₁的实际值，具体公式为：

式中，v_L为滤波电感电压，δ为电池链节总输出电压v_r1相对于v_s的相位；

步骤3.2、计算并网电流i_s相对于电容链节的有功电流分量i_{d_c}和无功电流分量i_{q_c}的相位，即α_{d_c}和α_{q_c}，具体公式为：

5.根据权利要求1所述的分相控制方法，其特征在于，步骤4中，对各相电容链节进行有功电流控制、无功电流控制和电网电压前馈控制的具体方法为：

步骤4.1、确定电容链节有功电流i_{d_c}的参考电压幅值，由各相电容链节直流侧电压Nv_cap参考值与实际值的误差，经比例积分控制得到；

步骤4.2、确定电容链节无功电流i_{q_c}的参考电压幅值，取并网电流的参考幅值Is^*；

步骤4.3、i_s参考值与实际值误差，经比例谐振控制，得到滤波电感参考电压v_L，再经由电网电压前馈，得到电容链节总参考电压v_r2；

步骤4.4、将电容链节总调制波由电压均衡控制分配到每一个电容链节，使直流侧稳压并输出指令电流。