CN110854886A - 基于储能装置分相平衡的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于储能装置分相平衡的控制系统及方法，该系统包括控制装置以及三个储能模块，三个储能模块的一端相连，三个储能模块的另一端分别通过单相桥式变换器与三相母线对应连接，控制装置的输入端与用于采集每相电流的电流采集装置连接，控制装置的输出端与各单相桥式变换器的控制端连接，所述控制装置用于通过采集每相电流并对其数据进行分析处理后控制单相桥式变换器，实现每相功率差异性的输入或输出。本发明利用储能装置功率的双向流动性以及单相桥式电路实现分相的控制，从而尽可能的减少由于三相不平衡产生的负序电流对发电机的冲击。

Description

基于储能装置分相平衡的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统中负荷三相平衡的控制领域，特别是一种基于储能装置分相平衡的控制系统及方法。

背景技术

电网中三相系统最佳的运行方式为三相对称运行，该种情况下的三相系统较为稳定，电气量的统计与计算、外部的控制也更为方便。但在实际工程中，由于每相所接负荷的差异性以及工况的转换往往导致三相线路存在一定时间的不对称运行，根据对称分量法可知，任何不对称的三相电气量均可以换算成对称的正负零序分量，而负序及零序分量的存在将会对变压器及发电机的正常运行产生较大的影响，具体表现为：

对于变压器而言，三相电流的不平衡会使得变压器每相绕组的发热量不同，为了保证变压器设备的安全，绕组的温升将直接限制了其接入系统的可用容量。

对于发电机而言，三相不平衡产生的负序电流会形成与转子旋转方向相反的旋转磁场，从而使得转子的附加损耗快速增加，转子的发热量也急剧增加，不利于发电机的安全稳定运行。此外，对于一些凸极式结构的发电机，负序产生的旋转磁场因为定转子之间的气隙距离的不同导致之间的作用力发生快速变化，从而导致发电机的震动，产生较大的噪音，长时间的振动直接影响了发电机的使用寿命。过大的负序电流也会导致发电机的负序保护动作，目前市场主流发电机正常运行的要求为I₂/I_e≤8％(I₂为不对称运行情况下的负序电流，I_e为发电机的额定电流)，因此控制三相不平衡度在合理范围内是保证发电机正常工作的重要组成部分。

为了降低三相不平衡对电力系统稳定运行的影响，目前在配网中常用的做法为采用无功补偿装置，但该种方法只适用于长期的非突变性的三相不平衡情况；为了应对工业中快速且持续时间较短的三相不平衡，现有的方法包括在三相中接入水电阻，但该种方式在实施时大量浪费电能，因此针对该种工况下需要一个能快速即时的三相负荷平衡控制方法。

发明内容

本发明针对工业电网由于负荷的波动导致的快速且持续时间较短的三相不平衡问题提出了一种基于储能装置分相平衡的控制系统及方法，该方法利用储能装置功率的双向流动性以及单相桥式电路实现分相的控制，从而尽可能的减少由于三相不平衡产生的负序电流对发电机的冲击。

本发明是这样实现的：本发明公开了一种基于储能装置分相平衡的控制系统，包括控制装置以及三个储能模块，三个储能模块的一端相连，三个储能模块的另一端分别通过单相桥式变换器与三相母线对应连接，控制装置的输入端与用于采集每相电流的电流采集装置连接，控制装置的输出端与各单相桥式变换器的控制端连接，所述控制装置用于通过采集每相电流并对其数据进行分析处理后控制单相桥式变换器，实现每相功率差异性的输入或输出。

进一步地，所述单相桥式变换器包括串联在储能模块与相线之间的偶数个桥臂，桥臂由晶闸管和二极管并联构成，桥臂的晶闸管的阳极与二极管的阴极连接，桥臂的晶闸管的阴极与二极管的阳极连接，各晶闸管的控制极分别与控制装置连接。桥臂成对出现。

进一步地，所述单相桥式变换器还包括串联在储能模块与相线之间的两个电容，设置电容是起稳压的作用，两个电容之间连接零线N，相当于作为零点，因此就会出现电压的正负电平，等同于交流电。

进一步地，当桥臂的数量为四个时，所述单相桥式变换器还包括第一续流二极管和第二续流二极管，四个桥臂中，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂依次串联，第一续流二极管的负极连接在第一桥臂与第二桥臂之间，第一续流二极管的正极与零线N连接，第二续流二极管的正极连接在第三桥臂与第四桥臂之间，第二续流二极管的负极与零线N连接。

进一步地，本系统还包括三相可变负载L_A、L_B、L_C，三相可变负载L_A、L_B、L_C的一端相连，三相可变负载L_A、L_B、L_C的另一端分别与三相母线对应连接。

这三相负载在工作时会出现不平衡的情况，正是因为他们的不平衡会产生负序电流，所以对其不平衡进行补偿。

本发明公开了一种基于储能装置分相平衡的控制方法，包括如下步骤：

S1)控制装置实时监测三相电压、电流信息，计算负序电流，并将负序电流与设定值进行比较；

S2)当负序电流超过设定值，则判断三相负荷发生突变，若至少有一相负荷发生突变，则分相控制对应相的储能装置的投入进行三相平衡，返回执行步骤S1)；

S3)当负序电流消失或低于设定值，则判定三相系统达到平衡，返回执行步骤S1)。

进一步地，单相负载突升导致的三相不平衡的控制方法如下：假设A相负载突升且当SOC_A＞SOC_A-min，通过控制装置控制该相输出功率P_A跟其他两相保持一致，即使得P_A＝P_B＝P_C，所差功率△P由A相的储能模块进行提供，所差功率△P＝P_LA-P_A,P_LA为A相负载总功率；

假设A相负载突升且当SOC_B<SOC_B-max、SOC_C<SOC_C-max时，在电机提供功率允许的范围内时，通过将B相及C相的储能模块当做负载投入以使三相达到平衡；

其中SOC_X表示X相储能模块的荷容比状态，X取值A或B或C；SOC_X-max及SOC_X-min分别为储能模块的荷容比所能达到的上限值及下限值；

单相负载突降导致的三相不平衡的控制方法如下：假设A相负载突降，通过控制装置控制对应的单相桥式变换器在A相将储能模块以负载投入进行三相平衡。

进一步地，两相负载突升导致的三相不平衡的控制方法如下：假设A、B两相负载突升，当SOC_A>SOC_A-min、SOC_B>SOC_B-min，通过控制装置控制A、B两相的输出功率P_A＝P_B＝P_C，所差功率△P_A、△P_B分别由A、B相的储能模块提供，△P_A＝P_LA-P_A，P_B＝P_LB-P_B，P_LA、P_LB分别为A、B相的负载总功率；

假设A、B两相负载突升，当SOC_C<SOC_C-max时，在电机提供功率允许的范围内时，通过将C相的储能模块当做负载投入以使三相达到平衡；

其中SOC_X表示X相储能模块的荷容比状态，X取值A或B或C；SOC_X-max及SOC_X-min分别为储能模块的荷容比所能达到的上限值及下限值；

若两相负载突降导致的三相不平衡，假设A、B两相负载突降，通过在A、B相将储能模块以负载投入进行三相平衡。

进一步地，三相负载突降导致的三相不平衡的控制方法如下：在该种工况下，三相储能模块最优先的功能是作为负载协助发电机维持工业电网的稳定，在电网达到稳定状态后，再通过控制装置根据三相不平衡情况进行分相控制以达到新的三相平衡状态，减少不平衡产生的负序电流对发电机的影响。

进一步地，若三相负载突升导致的三相不平衡的控制方法如下：在该种工况下，三相储能模块最优先的功能是作为电源协助发电机维持工业电网的稳定，在电网达到稳定状态后，再通过控制装置根据三相不平衡度进行分相控制以达到新的三相平衡状态，减少不平衡产生的负序电流对发电机的影响。

进一步地，当采集到三相电流值I_A、I_B、I_C后，根据三相系统中的三相关系计算得到系统中负序电流的大小，从而根据负序电流的大小进行判别控制，负序电流计算具体步骤如下：

三相系统中三相电流的矢量和为0，构成一个矢量三角形，以A相为参考相，当采集到三相电流I_A、I_B、I_C的有效值后则可按照以下内容进行计算：

采用下面四行公式计算B、C两相相对于A相的相角：

th1＝π+alph1；

th2＝π-alph2；

采用下面三行公式将三相电流的有效值转化为矢量表示：

i_a＝I_A；

i_b＝I_Be^j·th1；

i_c＝I_Ce^j·th2；

计算对称分量法的计算因子：

采用下面公式计算负序电流，

I₂为负序电流的矢量表示，则根据其向量可得负序电流的大小r₂及相角z₂。

本发明的有益效果为：由于本发明的基于储能装置分相平衡的控制系统的三个储能模块的一端相连，三个储能模块的另一端分别通过单相桥式变换器与三相母线对应连接，控制装置的输入端与用于采集每相电流的电流采集装置连接，控制装置的输出端与各单相桥式变换器的控制端连接，所述控制装置用于通过采集每相电流并对其数据进行分析处理后控制单相桥式变换器，实现每相功率差异性的输入或输出。所述的储能装置能够实现功率的双向流动，根据工况可以在负载及电源两种状态之间转换，及时补偿或吸收不平衡相的功率。

本发明将工业中出现三相不平衡工况分为6种，即单相负荷突升或突降导致的不平衡、两相负荷突升或突降导致的不平衡及三相负荷突升或突降导致的不平衡，根据不同的工况及储能装置所处状态对其选择不同的控制方式，针对其每相负荷突升或突降的不同导致的三相不平衡，该种控制方法能够更好调节储能装置的输出或输入，基本能够实现对其差异性的三相平衡，尽可能的降低不平衡产生的负序电流对发电机的损害。

本发明提出的控制方法利用了储能装置功率的双向流动性，即在三相线路中存在某相或多相负载突升时，储能装置可以补偿该相所差功率缺额；在三相线路中存在某相或多相负载突降时，储能装置可以作为负载投入该相中。分相的控制则保证该功能的实施。该种分相平衡的方式避免了通过事先投入水电阻来平衡三相导致的资源浪费；同时也解决了水电阻无法应对负荷突升时提供功率的问题。该种控制方式更为灵活有效。

附图说明

图1为本发明含储能装置的分相平衡控制接线路图；

图2为本发明的控制逻辑流程图；

图3为本发明的单相桥式变换器的一个实施例的原理图；

图4为本发明的单相桥式变换器的另一个实施例的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图4，本实施例公开了一种基于储能装置分相平衡的控制系统，包括控制装置以及三个储能模块，三个储能模块的一端相连，三个储能模块的另一端分别通过单相桥式变换器与三相母线对应连接，控制装置的输入端与用于采集每相电流的电流采集装置连接，控制装置的输出端与各单相桥式变换器的控制端连接，所述控制装置用于通过采集每相电流并对其数据进行分析处理后控制单相桥式变换器，实现每相功率差异性的输入或输出。

进一步地，所述单相桥式变换器包括串联在储能模块与相线之间的偶数个桥臂，桥臂由晶闸管和二极管并联构成，桥臂的晶闸管的阳极与二极管的阴极连接，桥臂的晶闸管的阴极与二极管的阳极连接，各晶闸管的控制极分别与控制装置连接，控制装置控制晶闸管导通或断开。桥臂成对出现。以a相为例，Ua表示a相的电压；Udc指直流侧输入电压。实际应用时采用多对桥臂。

进一步地，所述单相桥式变换器还包括串联在储能模块与相线之间的两个电容，设置电容是起稳压的作用，两个电容之间连接零线N，相当于作为零点，因此就会出现电压的正负电平，等同于交流电。

进一步地，当桥臂的数量为四个时，所述单相桥式变换器还包括第一续流二极管和第二续流二极管，四个桥臂中，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂依次串联，第一续流二极管的负极连接在第一桥臂与第二桥臂之间，第一续流二极管的正极与零线N连接，第二续流二极管的正极连接在第三桥臂与第四桥臂之间，第二续流二极管的负极与零线N连接。

进一步地，本系统还包括三相可变负载L_A、L_B、L_C，三相可变负载L_A、L_B、L_C的一端相连，三相可变负载L_A、L_B、L_C的另一端分别与三相母线对应连接。

本发明公开了一种基于储能装置分相平衡的控制方法，包括如下步骤：

控制装置实时监测三相电压、电流信息，判断三相负荷是否发生突变；

若至少有一相负荷发生突变，则控制装置根据三相电压、电流信息计算不平衡度并输出控制量，单相桥式变换器根据控制量对储能装置进行控制，补偿该相的功率差额；当负序电流消失或低于设定值，则判定三相系统达到新的平衡。

三相系统平衡的时候是没有负序电流的，后面计算出来的负序电流越大表示越不平衡。出现不平衡的时候就要根据不同的假设情况进行控制，控制对应相储能装置的投入。

本发明按照三相系统可能出现的工况导致的三相不平衡将其分为6中情况。其中SOC_X(X取值A或B或C)表示X相储能模块的荷容比状态。SOC_X-max及SOC_X-min分别为储能模块的荷容比所能达到的上限值及下限值，SOC_X-max及SOC_X-min的取值根据所用的储能模块种类及三相系统的实际工况进行设定。

(1)单相负载突升导致的三相不平衡

在该种情况下，为了保证系统三相的平衡，可以通过两种方式进行调节。以A相作为负载突升相进行说明。

a)当SOC_A＞SOC_A-min针对A相中的负载突升，可通过控制装置控制该相输出功率P_A跟其他两相保持一致，即使得P_A＝P_B＝P_C，所差功率△P(△P＝P_LA-P_A,P_LA为A相负载总功率)由A相的储能模块进行提供。

b)当SOC_B<SOC_B-max、SOC_C<SOC_C-max时，针对A相的负载突升，在电机提供功率允许的范围内时，可通过将B相及C相的储能模块当做负载投入以使三相达到平衡。

(2)单相负载突降导致的三相不平衡

以A相为例，在该种情况下，由于工程中必须保证B、C相线路的正常运行，根据实际情况考虑将不会采用在B、C相降负荷的方式来平衡三相系统，故通过在A相将储能模块以负载投入进行三相平衡。

(3)两相负载突升导致的三相不平衡

以A、B两相为例，在该种情况下，可以通过两种方式进行调节。

a)当SOC_A>SOC_A-min、SOC_B>SOC_B-min，可通过控制装置控制A、B两相的输出功率P_A＝P_B＝P_C，所差功率△P_A、△P_B(△P_A＝P_LA-P_A，P_B＝P_LB-P_B，P_LA、P_LB分别为A、B相的负载总功率)分别由A、B相的储能模块提供。

b)当SOC_C<SOC_C-max时，针对A、B相的负载突升，在电机提供功率允许的范围内时，可通过将C相的储能模块当做负载投入以使三相达到平衡。

(4)两相负载突降导致的三相不平衡

以A、B两相为例，该种情况下，由于工程中必须保证C相线路的正常运行，根据实际情况考虑将不会采用在C相降负荷的方式来平衡三相系统，故通过在A、B相将储能模块以负载投入进行三相平衡。

(5)三相负载突降导致的三相不平衡

在该种工况下，三相储能模块最优先的功能是作为负载协助发电机维持工业电网的稳定。在电网达到稳定状态后，再通过控制系统根据三相不平衡情况进行分相控制以达到新的三相平衡状态，尽量减少不平衡产生的负序电流对发电机的影响。

(6)三相负载突升导致的三相不平衡

在该种工况下，三相储能模块最优先的功能是作为电源协助发电机维持工业电网的稳定。在电网达到稳定状态后，再通过控制系统根据三相不平衡度进行分相控制以达到新的三相平衡状态，尽量减少不平衡产生的负序电流对发电机的影响。

本发明通过对含储能装置的三相线路进行单独控制来实现电网中的三相平衡，该种方式相比较于对三相的统一控制更为灵活准确，其能够根据每相实际功率的差额进行补充，在避免了传统预防三相不平衡时提前投入水电阻导致资源浪费问题的同时，该种方式能够快速有效的解决短时负荷突变导致的不平衡问题，从而减少负序电流对发电机的冲击。

进一步地，当采集到三相电流值IA、IB、IC后，根据三相系统中的三相关系通过下列程序的计算可以得到系统中正序及负序电流的大小，从而根据负序电流的大小进行判别控制，具体步骤如下：

三相系统中三相电流的矢量和为0，构成一个矢量三角形，以A相为参考相，当采集到三相电流IA、IB、IC的有效值后则可按照以下内容进行计算：

采用下面四行公式计算B、C两相相对于A相的初始相角：

th1＝π+alph1；

th2＝π-alph2；

采用下面三行公式将三相电流的有效值转化为矢量表示：

i_a＝I_A；

i_b＝I_Be^j·th1；

i_c＝I_Ce^j·th2；

计算对称分量法的计算因子：

j为虚数单位；

采用下面公式计算负序电流，

I₂为负序电流的矢量表示，则根据其向量可得负序电流的大小r₂及相角z₂。

本发明的分相平衡控制方法为在三相中分别接入储能装置，通过单相桥式电路进行电能的交换，控制系统通过采集每相中电气参数并对其数据处理后输出控制量给桥式电路从而实现每相功率差异性的输入或输出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于储能装置分相平衡的控制系统，其特征在于：包括控制装置以及三个储能模块，三个储能模块的一端相连，三个储能模块的另一端分别通过单相桥式变换器与三相母线对应连接，控制装置的输入端与用于采集每相电流的电流采集装置连接，控制装置的输出端与各单相桥式变换器的控制端连接，所述控制装置用于通过采集每相电流并对其数据进行分析处理后控制单相桥式变换器，实现每相功率差异性的输入或输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述单相桥式变换器包括串联在储能模块与相线之间的偶数个桥臂，桥臂由晶闸管和二极管并联构成，桥臂的晶闸管的阳极与二极管的阴极连接，桥臂的晶闸管的阴极与二极管的阳极连接，各晶闸管的控制极分别与控制装置连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述单相桥式变换器还包括串联在储能模块与相线之间的两个电容，两个电容之间连接零线N。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：当桥臂的数量为四个时，所述单相桥式变换器还包括第一续流二极管和第二续流二极管，四个桥臂中，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂依次串联，第一续流二极管的负极连接在第一桥臂与第二桥臂之间，第一续流二极管的正极与零线N连接，第二续流二极管的正极连接在第三桥臂与第四桥臂之间，第二续流二极管的负极与零线N连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括三相可变负载L_A、L_B、L_C，三相可变负载L_A、L_B、L_C的一端相连，三相可变负载L_A、L_B、L_C的另一端分别与三相母线对应连接。

6.一种基于储能装置分相平衡的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)控制装置实时监测三相电压、电流信息，计算负序电流，并将负序电流与设定值进行比较；

S2)当负序电流超过设定值，则判断三相负荷发生突变，若至少有一相负荷发生突变，则分相控制对应相的储能装置的投入进行三相平衡，返回执行步骤S1)；

S3)当负序电流消失或低于设定值，则判定三相系统达到平衡，返回执行步骤S1)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：单相负载突升导致的三相不平衡的控制方法如下：假设A相负载突升且当SOC_A＞SOC_A-min，通过控制装置控制该相输出功率P_A跟其他两相保持一致，即使得P_A＝P_B＝P_C，所差功率△P由A相的储能模块进行提供，所差功率△P＝P_LA-P_A,P_LA为A相负载总功率；

假设A相负载突升且当SOC_B<SOC_B-max、SOC_C<SOC_C-max时，在电机提供功率允许的范围内时，通过将B相及C相的储能模块当做负载投入以使三相达到平衡；

其中SOC_X表示X相储能模块的荷容比状态，X取值A或B或C；SOC_X-max及SOC_X-min分别为储能模块的荷容比所能达到的上限值及下限值；

单相负载突降导致的三相不平衡的控制方法如下：假设A相负载突降，通过控制装置控制对应的单相桥式变换器在A相将储能模块以负载投入进行三相平衡。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：两相负载突升导致的三相不平衡的控制方法如下：假设A、B两相负载突升，当SOC_A>SOC_A-min、SOC_B>SOC_B-min，通过控制装置控制A、B两相的输出功率P_A＝P_B＝P_C，所差功率△P_A、△P_B分别由A、B相的储能模块提供，△P_A＝P_LA-P_A，P_B＝P_LB-P_B，P_LA、P_LB分别为A、B相的负载总功率；

假设A、B两相负载突升，当SOC_C<SOC_C-max时，在电机提供功率允许的范围内时，通过将C相的储能模块当做负载投入以使三相达到平衡；

其中SOC_X表示X相储能模块的荷容比状态，X取值A或B或C；SOC_X-max及SOC_X-min分别为储能模块的荷容比所能达到的上限值及下限值；

若两相负载突降导致的三相不平衡，假设A、B两相负载突降，通过在A、B相将储能模块以负载投入进行三相平衡。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：三相负载突降导致的三相不平衡的控制方法如下：在该种工况下，三相储能模块最优先的功能是作为负载协助发电机维持工业电网的稳定，在电网达到稳定状态后，再通过控制装置根据三相不平衡情况进行分相控制以达到新的三相平衡状态，减少不平衡产生的负序电流对发电机的影响；

若三相负载突升导致的三相不平衡的控制方法如下：在该种工况下，三相储能模块最优先的功能是作为电源协助发电机维持工业电网的稳定，在电网达到稳定状态后，再通过控制装置根据三相不平衡度进行分相控制以达到新的三相平衡状态，减少不平衡产生的负序电流对发电机的影响。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

当采集到三相电流值I_A、I_B、I_C后，根据三相系统中的三相关系计算得到系统中负序电流的大小，从而根据负序电流的大小进行判别控制，负序电流计算具体步骤如下：

三相系统中三相电流的矢量和为0，构成一个矢量三角形，以A相为参考相，当采集到三相电流I_A、I_B、I_C的有效值后则可按照以下内容进行计算：

采用下面四行公式计算B、C两相相对于A相的相角：

th1＝π+alph1；

th2＝π-alph2；

采用下面三行公式将三相电流的有效值转化为矢量表示：

i_a＝I_A；

i_b＝I_Be^j·th1；

i_c＝I_Ce^j·th2；

计算对称分量法的计算因子：

采用下面公式计算负序电流，

I₂为负序电流的矢量表示，则根据其向量可得负序电流的大小r₂及相角z₂。

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