CN110137989A - 一种电池储能系统的多机并联自治控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种电池储能系统的多机并联自治控制装置及方法，包括：与多机并联储能系统连接的变流器主电路，以及与变流器主电路相互连接的上位机和数字信号处理器；上位机通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下发出的微电网电压和输出功率，对多机并联储能系统发布控制指令。通过实时检测多机并联储能系统在两次调频控制下的微电网电压；当微电网发生电压越限时，执行励磁电压控制；使得各台电池储能系统快速并入微电网，满足即插即用的要求。当多机并联储能系统之间功率输出存在差异时，添加虚拟阻抗，以实现功率均分。
Description
技术领域
本发明涉及电池储能系统控制领域，具体涉及一种电池储能系统的多机并联自治控制装置及方法。
背景技术
目前制约电池储能系统产业发展主要有两个方面：一是电池本身，二是功率换流器。随着电池技术的发展，大功率换流器系统成为当前研究热点。采用大功率电池储能系统，可以提高电网削峰填谷的能力，接纳风电光伏的功率，符合智能电网的发展要求。
现有技术中，大功率储能系统功率换流器由于元器件性能限制，在扩容时，往往采用模块化并联方式。在微电网中电池储能系统多机并联时，运行过程中由于电源不足导致投入电池储能系统会出现大幅功率和频率波动，无法实现电池储能系统即插即用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种电池储能系统的多机并联自治控制装置及方法，能够实现各台电池储能系统快速并入微电网，满足即插即用的要求；同时，线路阻抗参数不一致时，引入虚拟阻抗，以改善多机并联的均流，实现平均分配负载功率。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种电池储能系统的多机并联自治控制装置，包括：与多机并联储能系统连接的变流器主电路，以及与所述变流器主电路相互连接的上位机和数字信号处理器；其中，
所述变流器主电路与PEBB驱动电路连接，所述PEBB驱动电路的正负极两端并联有功率管，通过所述功率管控制变流器主电路的导通和关断；
所述数字信号处理器内置至少两个AD转换通道，每个AD转换通道分别与电池储能系统一一连接，用于采集变流器主电路的电流/电压信号；
所述上位机，用于实时设置电池储能系统的工作状态和工作参数；通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下所发出的微电网电压和输出功率，对多机并联储能系统发布控制指令。
优选的，所述数字信号处理器还包括与所述AD转换通道相互连接的DSP数字处理芯片、虚拟阻抗补偿模块和励磁电压控制模块；
所述DSP数字处理芯片，用于当微电网运行中发生负载扰动时，通过比较储能系统输出的有功功率与额定功率做差，获得一次调频控制量，基于一次调频控制量进行一次调频；若一次调频无法使频率控制在额定频率内，则对微电网进行二次调频；
所述励磁电压控制模块，用于当微电网发生电压越限时，执行励磁电压控制；
所述虚拟阻抗补偿模块，用于当多机并联储能系统出现功率输出差异时，将并联储能系统的线路阻抗差值用虚拟阻抗补偿，使得多机并联储能系统线路阻抗相等。
进一步地，所述励磁电压控制模块包括DC/AC功率换流器和AC/DC变流器；
所述AC/DC变流器与DSP数字处理芯片连接，用于接收DSP数字处理芯片输出的控制信号；
所述DC/AC功率换流器，用于对AC/DC变流器进行变流控制。
进一步地，所述AC/DC变流器为单相桥式IGBT；所述AC/DC变流器用于转换单相交流电和直流电；
所述DC/AC功率换流器为三相桥式IGBT。
进一步地，所述DC/AC功率换流器和AC/DC变流器串联连接，所述DC/AC功率换流器的输出端通过PEBB驱动电路与变流器主电路相连，所述PEBB驱动电路的正负极两端作为直流线路的串联电压输出。
进一步地，所述AC/DC变流器，包括第一控制回路以及调制电路；
第一控制回路包括与所述变流器主电路连接的电压/电流检测电路，以及用于连接调制电路与变流器主电路的第一脉宽调制发生器。
进一步地，所述调制电路包括依次串联的减法器、比例积分控制器；
其中，减法器的同相输入端接入电压给定值，减法器的反相输入端与电流/电压检测电路连接，减法器的输出端与比例积分控制器的输入端连接；所述比例积分控制器的输出端与事件管理器的输入端连接，所述事件管理器的输出端与第一脉宽调制发生器的输入端连接。
进一步地，所述DC/AC功率换流器包括低通滤波器以及第二控制回路；
所述第二控制回路包括与LC滤波器并联的电流/电压检测电路，以及用于连接PEBB驱动电路与变流器主电路的第二脉冲调制发生器。
一种电池储能系统的多机并联自治控制方法，包括：
上位机通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下所发出的微电网电压和输出功率，对电池储能系统发布控制指令；其中，所述控制指令包括：当微电网发生电压越限时，执行励磁电压控制；当所述多机并联的储能系统之间功率输出存在差异时，添加虚拟阻抗，以实现功率均分。
优选的，所述调频控制包括：当微电网运行中发生负载扰动时，通过比较储能系统输出的有功功率与额定功率做差，获得一次调频控制量，基于所述一次调频控制量进行一次调频；
若一次调频无法使频率控制在额定频率内，则对微电网进行二次调频。
优选的，所述励磁电压控制包括：检测储能系统输出的无功功率Q，将所述无功功率Q进行低通滤波后与储能系统的设定无功功率Q0做差，获得无功功率偏差值dQ，通过比例调节得到调制波信号，并由脉冲调制发生器产生脉宽可变的脉冲波形，控制脉冲波形驱动电路连接的功率管开通或关断，形成脉冲电压波形，脉冲电压波形经过低通滤波器滤波后，形成储能系统的公共点电压幅度参考值的电压波形，通过调节脉冲波形的宽度调整储能系统电压幅值，使得所述电压幅值在允许范围内。
进一步地，所述储能系统电压幅值通过下式确定：
UL*＝dQ×(-kq)+UL0*
其中，U*为储能系统电压幅值，UL0*为预先设定的储能系统公共点电压幅值，-kq为下垂曲线斜率；UL*为储能系统的公共点电压幅度参考值；Z为传输线阻抗；I为储能系统的输出电流，θ为功率因数角。
进一步地，所述添加虚拟阻抗包括：比较多个并联储能系统的阻抗，将获得的阻抗差值用虚拟阻抗进行补偿，直至多机并联的储能系统阻抗相等。
与最接近的现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种电池储能系统的多机并联自治控制装置，与多机并联储能系统连接的变流器主电路，以及变流器主电路相互连接的上位机和数字信号处理器；上位机通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下所发出的微电网电压和输出功率，对多机并联储能系统发布控制指令。由于单台储能系统输出功率有限，因此当微电网功率不足时，必须采取多机并联的方法实现功率扩容。微电网中各储能系统之间无互联通信线，能够实现即插即用，可同时启动也能进行热插拔，具有快速实现负载功率均流的能力。该装置包括：与多机并联储能系统连接的变流器主电路，以及与变流器主电路相互连接的上位机和数字信号处理器；其中，变流器主电路与PEBB驱动电路连接，PEBB驱动电路的正负极两端并联有功率管，通过功率管控制变流器主电路的导通和关断；数字信号处理器内置至少两个AD转换通道，每个AD转换通道分别与电池储能系统一一连接，用于采集变流器主电路的电流/电压信号；上位机，用于实时设置电池储能系统的工作状态和工作参数；通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下所发出的微电网电压和输出功率，对储能系统发布控制指令。本发明模拟同步电机的外特性实现一次调频，自治二次调频、励磁电压控制以及虚拟阻抗补。使得多机并联储能系统线路阻抗相等；无需引入额外的硬件设备，实施方式灵活方便。
本发明还提出一种电池储能系统的多机并联自治控制方法，包括上位机通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下所发出的微电网电压和输出功率，对储能系统发布控制指令；其中，所述控制指令包括：当微电网发生电压越限时，执行励磁电压控制；当所述多机并联的储能系统之间功率输出存在差异时，添加虚拟阻抗，以实现功率均分，从而降低成本及损耗，灵活方便并且实现无功功率的均分。且避免其中某台系统过流运行，最大化扩容且提高多机储能系统安全稳定运行年限。该控制方法直接编写到电池储能系统控制硬件电路的数字信号处理器中，而不需要改变传统的储能系统控制电路，就能实现控制功能。各电池储能系统之间不需要互联通信线，来交换电力信号，减小控制复杂度，其中任何一台储能系统出现故障都不会影响微电网正常运行，大大提高微电网用电的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的电池储能系统整体电路拓扑图；
图2为本发明实施例中提供的多机并联自治控制装置结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的多机并联自治控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图2所示，一种电池储能系统的多机并联自治控制装置，电池储能系统的拓扑结构如图1所示。
本控制装置的电路拓扑基于传统的三相桥式电路，自治快速均流控制方法采样各自电池储能系统自身输出的电压和电流，共需要6路采样支路。采样信号经过互感器和调理电路给DSP数字处理芯片计算，DSP数字处理芯片根据本发明提出的控制方法得出调制信号，然后经过驱动电路驱动三相桥式电路的IGBT(DC/AC功率换流器)从而控制微电网电压。
多机并联自治控制装置具体包括：与多机并联发储能系统连接的变流器主电路，以及与所述变流器主电路相互连接的上位机和数字信号处理器；其中，
所述变流器主电路与PEBB驱动电路连接，所述PEBB驱动电路的正负极两端并联有功率管，通过所述功率管控制变流器主电路的导通和关断；
数字信号处理器内置至少两个AD转换通道，每个AD转换通道分别与电池储能系统一一连接，用于采集变流器主电路的电流/电压信号；
上位机，用于实时设置电池储能系统的工作状态和工作参数；通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下所发出的微电网电压和输出功率，对多机并联储能系统发布控制指令。
数字信号处理器还包括与所述AD转换通道相互连接的DSP数字处理芯片、虚拟阻抗补偿模块和励磁电压控制模块；
DSP数字处理芯片，用于当微电网运行中发生负载扰动时，通过比较储能系统输出的有功功率与额定功率做差，获得一次调频控制量，基于一次调频控制量进行一次调频；若一次调频无法使频率控制在额定频率内，则对微电网进行二次调频；
励磁电压控制模块，用于当微电网发生电压越限时，执行励磁电压控制；
虚拟阻抗补偿模块，用于当多机并联储能系统出现功率输出差异时，将多机并联储能系统的线路阻抗差值用虚拟阻抗补偿，使得多机并联储能系统线路阻抗相等。
其中，励磁电压控制模块包括DC/AC功率换流器和AC/DC变流器；
AC/DC变流器与DSP数字处理芯片连接，用于接收DSP数字处理芯片输出的控制信号；
DC/AC功率换流器，用于对AC/DC变流器进行变流控制。
AC/DC变流器为单相桥式IGBT；所述AC/DC变流器用于转换单相交流电和直流电；
DC/AC功率换流器为三相桥式IGBT。
DC/AC功率换流器和AC/DC变流器串联连接，所述DC/AC功率换流器的输出端通过PEBB驱动电路与变流器主电路相连，PEBB驱动电路的正负极两端作为直流线路的串联电压输出。
AC/DC变流器，包括第一控制回路以及调制电路；
第一控制回路包括与所述变流器主电路连接的电压/电流检测电路，以及用于连接调制电路与变流器主电路的第一脉宽调制发生器。
调制电路包括依次串联的减法器、比例积分控制器；
其中，减法器的同相输入端接入电压给定值，减法器的反相输入端与电流/电压检测电路连接，减法器的输出端与比例积分控制器的输入端连接；所述比例积分控制器的输出端与事件管理器的输入端连接，所述事件管理器的输出端与第一脉宽调制发生器的输入端连接。
DC/AC功率换流器包括低通滤波器以及第二控制回路；
第二控制回路包括与LC滤波器并联的电流/电压检测电路，以及用于连接PEBB驱动电路与变流器主电路的第二脉冲调制发生器。
变流器系统的控制电路如图2所示，主控制器为TI公司的TMS320F2812DSP，实现系统电压电流输出控制；FPGA为Altera公司的cylon系列的EP1C6Q240I7，主要实现DC/DC模块PWM波形移相、保护信号处理、状态信号采集、外部IO控制等功能。
本实施例中变流器系统的控制电路的数字信号处理器为TI公司的TMS320F2812DSP，实现系统电压电流输出控制；DC/AC功率换流器为Altera公司的cylon系列的EP1C6Q240I7，主要实现DC/AC功率换流器的PWM波形移相、保护信号处理、状态信号采集、外部IO控制等功能。
本实施例中，数字信号处理器内置共16个AD转换通道，满足对变流器主电路的电压电流信号进行采样的要求。多机并联自治快速均流控制通过采样得到的电压电流信号计算得出电压幅值和频率值，与微电网输出电压的反馈值相比较，通过电压电流双环，接着PI(比例积分器)运算的结果送至事件管理器生成PWM有源整流控制信号，改变PWM输出占空比，DC/AC功率换流器的PWM驱动信号经FPGA消抖和去毛刺后直接输给PEBB驱动电路，控制功率管的开断动作。
如图3所示，本发明还提出一种电池储能系统的多机并联自治控制方法，包括：
上位机通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下所发出的微电网电压和输出功率，对电池储能系统发布控制指令；控制指令包括：
S1当微电网发生电压越限时，执行励磁电压控制；
S2当多机并联的储能系统之间功率输出存在差异时，添加虚拟阻抗，以实现功率均分。
调频控制包括：当微电网运行中发生负载扰动时，通过比较储能系统输出的有功功率与额定功率做差，获得一次调频控制量，基于所述一次调频控制量进行一次调频；若一次调频无法使频率控制在额定频率内，则对微电网进行二次调频。
步骤S1中，励磁电压控制包括：检测储能系统输出的无功功率Q，将所述无功功率Q进行低通滤波后与储能系统的设定无功功率Q0做差，获得无功功率偏差值dQ，通过比例调节得到调制波信号，并由脉冲调制发生器产生脉宽可变的脉冲波形，控制脉冲波形驱动电路连接的功率管开通或关断，形成脉冲电压波形，脉冲电压波形经过低通滤波器滤波后，形成储能系统的公共点电压幅度参考值的电压波形，通过调节脉冲波形的宽度调整储能系统电压幅值，使得所述电压幅值在允许范围内。
其中，储能系统电压幅值通过下式确定：
UL*＝dQ×(-kq)+UL0*
其中，U*为储能系统电压幅值，UL0*为预先设定的储能系统公共点电压幅值，-kq为下垂曲线斜率；UL*为储能系统的公共点电压幅度参考值；Z为传输线阻抗；I为储能系统的输出电流，θ为功率因数角。
步骤S2中，添加虚拟阻抗包括：比较多个并联储能系统的阻抗，将获得的阻抗差值用虚拟阻抗进行补偿，直至多机并联的储能系统阻抗相等。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以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，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。
Claims (13)
1.一种电池储能系统的多机并联自治控制装置，其特征在于，包括：与多机并联储能系统连接的变流器主电路，以及与所述变流器主电路相互连接的上位机和数字信号处理器；其中，
所述变流器主电路与PEBB驱动电路连接，所述PEBB驱动电路的正负极两端并联有功率管，通过所述功率管控制变流器主电路的导通和关断；
所述数字信号处理器内置至少两个AD转换通道，每个AD转换通道分别与电池储能系统一一连接，用于采集变流器主电路的电流/电压信号；
所述上位机，用于实时设置电池储能系统的工作状态和工作参数；通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下所发出的微电网电压和输出功率，对多机并联储能系统发布控制指令。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字信号处理器还包括与所述AD转换通道相互连接的DSP数字处理芯片、虚拟阻抗补偿模块和励磁电压控制模块；
所述DSP数字处理芯片，用于当微电网运行中发生负载扰动时，通过比较储能系统输出的有功功率与额定功率做差，获得一次调频控制量，基于一次调频控制量进行一次调频；若一次调频无法使频率控制在额定频率内，则对微电网进行二次调频；
所述励磁电压控制模块，用于当微电网发生电压越限时，执行励磁电压控制；
所述虚拟阻抗补偿模块，用于当多机并联储能系统出现功率输出差异时，将并联储能系统的线路阻抗差值用虚拟阻抗补偿，使得多机并联储能系统线路阻抗相等。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述励磁电压控制模块包括DC/AC功率换流器和AC/DC变流器；
所述AC/DC变流器与DSP数字处理芯片连接，用于接收DSP数字处理芯片输出的控制信号；
所述DC/AC功率换流器，用于对AC/DC变流器进行变流控制。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述AC/DC变流器为单相桥式IGBT；所述AC/DC变流器用于转换单相交流电和直流电；
所述DC/AC功率换流器为三相桥式IGBT。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述DC/AC功率换流器和AC/DC变流器串联连接，所述DC/AC功率换流器的输出端通过PEBB驱动电路与变流器主电路相连，所述PEBB 驱动电路的正负极两端作为直流线路的串联电压输出。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述AC/DC变流器，包括第一控制回路以及调制电路；
第一控制回路包括与所述变流器主电路连接的电压/电流检测电路，以及用于连接调制电路与变流器主电路的第一脉宽调制发生器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述调制电路包括依次串联的减法器、比例积分控制器；
其中，减法器的同相输入端接入电压给定值，减法器的反相输入端与电流/电压检测电路连接，减法器的输出端与比例积分控制器的输入端连接；所述比例积分控制器的输出端与事件管理器的输入端连接，所述事件管理器的输出端与第一脉宽调制发生器的输入端连接。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述DC/AC功率换流器包括低通滤波器以及第二控制回路；
所述第二控制回路包括与LC滤波器并联的电流/电压检测电路，以及用于连接PEBB驱动电路与变流器主电路的第二脉冲调制发生器。
9.一种电池储能系统的多机并联自治控制方法，其特征在于，包括：
上位机通过RS232与数字信号处理器连接，根据接收到的多机并联储能系统在调频控制下所发出的微电网电压和输出功率，对电池储能系统发布控制指令；其中，所述控制指令包括：当微电网发生电压越限时，执行励磁电压控制；当所述多机并联储能系统之间功率输出存在差异时，添加虚拟阻抗，以实现功率均分。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调频控制包括：当微电网运行中发生负载扰动时，通过比较储能系统输出的有功功率与额定功率做差，获得一次调频控制量，基于所述一次调频控制量进行一次调频；
若一次调频无法使频率控制在额定频率内，则对微电网进行二次调频。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述励磁电压控制包括：检测储能系统输出的无功功率Q，将所述无功功率Q进行低通滤波后与储能系统的设定无功功率Q0做差，获得无功功率偏差值dQ，通过比例调节得到调制波信号，并由脉冲调制发生器产生脉宽可变的脉冲波形，控制脉冲波形驱动电路连接的功率管开通或关断，形成脉冲电压波形，脉冲电压波形经过低通滤波器滤波后，形成储能系统的公共点电压幅度参考值的电压波形，通过调节脉冲波形的宽度调整储能系统电压幅值，使得所述电压幅值在允许范围内。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述储能系统电压幅值通过下式确定：
UL*＝dQ×(-kq)+UL0*
其中，U*为储能系统电压幅值，UL0*为预先设定的储能系统公共点电压幅值，-kq为下垂曲线斜率；UL*为储能系统的公共点电压幅度参考值；Z为传输线阻抗；I为储能系统的输出电流，θ为功率因数角。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述添加虚拟阻抗包括：比较多个并联储能系统的阻抗，将获得的阻抗差值用虚拟阻抗进行补偿，直至多机并联的储能系统阻抗相等。
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| CN201810107472.5A CN110137989A (zh) | 2018-02-02 | 2018-02-02 | 一种电池储能系统的多机并联自治控制装置及方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112865153A (zh) * | 2021-03-02 | 2021-05-28 | 阳光电源股份有限公司 | 一种储能系统及其扩容方法、控制方法 |
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