CN111313448A - 一种储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能系统及控制方法，包括：并联连接在直流母线和交流母线之间的若干储能变流器；储能变流器的直流侧通过直流母线连接蓄电池组，蓄电池组与电池管理系统连接，储能变流器的交流侧通过交流母线并联后，与并网或并联控制柜连接；并网或并联控制柜上分别设有与电网和负荷进行连接的端口。并网或并联控制柜通过外环控制得到电流内环的电流分量参考值，并将得到的电流分量参考值分别发送给并联的每一个储能变流器；各储能变流器根据接收到的电流分量参考值分别进行电流内环运算，得到驱动储能变流器开关管导通和关断的驱动信号。本发明有益效果：外环检测与控制由并联/并网控制柜完成，消除了分别采样及外环计算误差的不均衡。

Description

一种储能系统及方法
技术领域
本发明涉及储能变流器技术领域，尤其涉及一种储能系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前，新能源产业正在快速发展，为了平抑分布式新能源的波动，往往配备储能系统。在储能系统中，储能变流器(PCS)根据预设的管理策略，使分布式新能源微网系统输出可控，有效抑制并网功率快速波动，具有电网友好性。
随着新能源微电网的容量不断增大，需要配置更大容量的储能变流器，考虑到储能变流器的功率等级，需要多台储能变流器并联运行。
目前，储能变流器常常采用主从控制策略，主储能变流器发出调度指令，对从储能变流器的功率进行调度，但各储能变流器往往都是分别采集各自并网点的电压、电流等信息进行PQ控制或VF控制计算，由于检测系统、检测点、运算误差等方面往往存在微小差异，各储能变流器处理不易均衡，甚至可能会导致并联失败。
对于储能系统而言，在上述控制方式下，系统在并联的PCS数量发生变化时，需要重新设置PCS的数量，控制参量需要重新分配，需要人工重新设置，重新进行功率分配。特别是在某个PCS发生故障需要退出运行时，如果再进行人工干预，实时性比较差，可能会导致整套系统停运。
另外，由于每台PCS单独采样、单独控制，且采样和控制点均为每台PCS自身的输出点，尽管参考量是相同的，但输出仍然会存在微小的差异，可能会导致系统不稳定；同时，由于缺少总功率/电流、电压外环，控制目标是每台PCS自身的输出，因此并联后的总功率/电流、电压等可能会和并网/并联点的控制参量存在差异，并联系统总控制精度较低。
电池管理系统(BMS)作为储能系统的重要一环，担负着保证电池安全稳定运行的重任。常规的电池管理系统一般只检测电池电压、温度等参数，并通过单体电池电压变化及电池温度判断电池是否存在问题，如检测电池状态异常则根据报警级别进行充放电限流或主动切断电池系统主接触器。常规的电池管理系统仅对电池产生的单一气体或可燃气体总量进行检测，来判断电池故障级别，无法实现电池故障的早期预警；一旦电池在使用过程中因故障达到热失控状态而起火，电池管理系统缺乏有效的灭火手段。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种储能系统及方法，对于并联储能变流器的控制，由并联/并网控制柜进行外环PI运算后，把电流内环参考分配给各并联PCS，各并联PCS再分别进行电流内环运算，能够有效消除各储能变流器分别采样及外环计算误差的不均衡问题；储能系统与能量管理系统EMS进行通信，能够根据接收到的指令或者根据系统运行状态确定系统的运行模式，并生成相应的储能变流器控制参考量。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种储能系统，包括：并联连接在直流母线和交流母线之间的若干储能变流器；所述储能变流器的直流侧通过直流母线连接蓄电池组；所述蓄电池组与电池管理系统连接；所述储能变流器的交流侧通过交流母线并联后，与并网或并联控制柜连接；所述并网或并联控制柜上分别设有与电网和负荷进行连接的端口；
所述并网或并联控制柜通过外环控制得到电流内环的电流分量参考值，并将得到的电流分量参考值分别发送给并联的每一个储能变流器；各储能变流器根据接收到的电流分量参考值分别进行电流内环运算，得到驱动储能变流器开关管导通和关断的驱动信号。
进一步地，所述电池管理系统包括：主控制器以及与主控制器连接的气体浓度检测模块，所述气体浓度检测模块包括一个或多个内置于电池箱内的气体检测单元，每个气体检测单元包括气体传感器和数据处理子单元，所述数据处理子单元分别通过不同种类的气体传感器采集多种气体浓度数据，并将采集到的数据传送至主控制器，所述主控制器根据接收到的多种气体浓度数据及其在电池产气中的占比综合分析，判断电池故障级别。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种储能系统的控制方法，包括：
并网或并联控制柜工作在并网模式时，所述的并网或并联控制柜被配置为实现以下过程：
根据采集到的并网点电压、电流信息，通过坐标变换和PI运算，生成电流分量参考值；
将得到的电流分量参考值分别发送给并联的每一个储能变流器；
各储能变流器分别采集其各自的输出电流进行坐标变换，得到电流分量；
将电流分量和电流分量参考值进行PI运算得到脉宽调制系数分量；
根据脉宽调制系数分量生成驱动信号驱动相应的储能变流器开关管的导通和关断。
进一步地，对采集到的并网点电压、电流分别进行dq变换，得到电压的d轴分量和q轴分量以及电流的d轴分量和q轴分量；基于dq变换的瞬时功率计算方法计算并网点的实时有功功率和无功功率；将实时有功功率和无功功率分别与有功功率参考值和无功功率参考值进行PI运算，生成电流分量参考值。
进一步地，各储能变流器分别采集其各自的输出电流进行dq变换得到d轴分量和q轴分量；上述电流分量与接收到的电流d轴分量参考值和q轴分量参考值的差值，通过比例积分控制输出脉宽调制系数d轴分量和q轴分量；根据脉宽调制系数d轴分量和q轴分量以及PWM算法进行调制，生成驱动信号。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种储能系统的控制方法，包括：并网或并联控制柜工作在并联模式时，所述的并网或并联控制柜被配置为实现以下过程：
根据采集到的并联点电压、电流信息，通过电流电压幅值计算、锁相计算和PI运算，得到电流幅值参考值和参考电流频率；
将得到的电流幅值参考值和参考电流频率分别发送给并联的每一个储能变流器；
各储能变流器分别采集其各自的输出电流，进行电流幅值计算得到反馈电流幅值；
将反馈电流幅值与电流幅值参考值进行PI运算得到脉宽调制系数；
根据脉宽调制系数和参考电流频率生成驱动信号驱动相应的储能变流器开关管的导通和关断。
进一步地，根据采集到的并联点电压、电流信息，进行电压和电流幅值计算得到电压幅值和电流幅值，对电压进行锁相，得到并网点的频率；将到电压幅值与电压幅值参考值进行PI运算，得到总电流幅值参考，然后与检测得到的总电流进行PI运算，得到各并联变流器的电流参考；根据频率参考值和并网点的频率进行PI运算，得到参考电流频率。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并上述的储能系统的控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明储能系统可扩展性好，均流精度高，可集成EMS功能，能够简化系统的结构。在本发明控制方式下，由于控制参量全部是相同的，控制参量的生成取决于并网点电压、功率/电流，和PCS数量无关，数量发生变化时，可自动调整每台PCS的功率/电流。
(2)本发明提出了双向交直流转换控制方法，构建了三相分立运行电路拓扑架构，解决了单相数字坐标变换及锁相问题，提高了储能系统对电网和不同电池电压的适应性和灵活性。
(3)本发明提出了基于三环控制的储能变流器并网控制方法，解决了变流器测量和运算导致的不均衡问题，实现了储能变流器可靠稳定接入电网，提高了储能变流器并网负荷均衡精度。
(4)本发明提出了基于三环控制的储能变流器离网并联控制算法，解决了离网并联控制系统自动负荷分配的难题，实现了储能变流器有序并联，提高了系统的可扩展性。
离网并联时，并联控制柜增加总电流PI控制环节，总电流和各并联储能变流器电流均受控，提高了电流控制精度，更好的满足负荷需求。
(5)外环检测与控制由并联/并网控制柜完成，消除了储能变流器分别采样及外环计算误差的不均衡；并联/并网控制柜进行功率、电压外环控制及总电流PI控制，各并联储能变流器进行内环电流控制，无论是并网还是离网，各并联变流器均可视为电流源，提高电流均分精度；
(6)各并联储能变流器引入分流系数，可在人机界面进行单独设定，改变各并联变流器负荷分担比例；各储能变流器获取到的电流参量均相同，在并联变流器数量发生变化时，系统可自动调节均流，便于系统扩展；
(7)本发明提出了基于多种气体传感器融合的电池箱内电池故障早期预警技术，构建了电池SOC-温度-多气体浓度数学模型，解决单一气体传感器采样易受电池箱内密封材料挥发及环境影响所造成的误报、漏报问题，提高了电池箱内灭火响应速度及成功率；实现了电池故障的早期预警、早期处置，增强了储能电池系统的安全性。
电池管理系统采用电池电压、充放电电流、温度及故障产气浓度等多种参数综合判断电池当前状态，并对各参数的历史数据进行分析，通过建立的SOC-温度-气体浓度的数学模型，对电池故障进行预测，并通过滤波算法排除采样噪声干扰，有效解决了传统的阈值法监测方式的漏报、误报、预警滞后问题，实现早期可靠预警。
附图说明
图1为本发明实施例中储能系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中储能变流器并联运行拓扑图；
图3为本发明实施例中带隔离变压器储能变流器的电路结构拓扑图；
图4为本发明实施例中无隔离变压器储能变流器的电路结构拓扑图；
图5为本发明实施例中电池管理系统结构示意图；
图6为本发明实施例中储能变流器并网并联运行控制图；
图7为本发明实施例中储能变流器离网并联运行控制图；
图8为本发明实施例中储能变流器的控制框图；
图9为本发明实施例中储能变流器的锁相环框图；
图10为本发明实施例中储能变流器的坐标变换框图。
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，本发明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。
实施例一
在一个或多个实施例中，公开了一种储能系统，如图1和图2所示，包括：1套并联/并网控制柜和多套储能变流器(PCS)，储能变流器数量为N，N大于1。其中并联/并网控制柜有N+2个端口，N个端口并联连接储能变流器，1个并网端口，1个离网端口(负荷端口)；在一些实施方式中，也可以留有柴油发电机后备端口；如留有柴油发电机后备端口，并网/联控制柜内应配置旁路开关。
旁路开关设置在柴油发电机和负荷之间，当电网发生故障，负荷不能再从电网获取能量时，系统不能满足如何需求时，闭合旁路开关，柴油发电机投入运行，维持离网运行能量平衡。
并联/并网控制柜并网端口连接电网，负荷端口连接负荷。并联/网控制柜并网端口和负荷端口之间设置旁路开关，电网可直接给负荷供电。并联/网控制柜并网端口和电网之间除并网开关外，串联有晶闸管开关，以实现并离网的快速转换。
并联的各储能变流器分别设置分流系数，要求均分负载时分流系数均设置为1，或相等。
并联/并网控制柜接收用户或能量管理系统指令，选择工作模式。并联/并网控制柜采集电网、负荷电压、电流等信息，进行故障或异常判断，根据确定策略选择保护方式或告警。
储能变流器的直流侧通过直流母线连接蓄电池组；蓄电池组连接电池管理系统(BMS)；考虑到储能电池管理的需求，EMS在进行能量管理计算和运行方式判断的时候，储能电池的状态是一个主要的限制因素，一般需要对电池进行均衡，对电池均衡时，一般要对电池进行分组充电，这个时候就要对直流母线进行分段，每段母线接入一个或几个PCS，对应一套或几套储能电池。
在一些实施方式中，直流侧留有光伏、风电、电动汽车V2G等新能源直流接入端口，用于低压直流场所有光伏、风电、电动汽车V2G等分布式能源输入的工程场所。光伏、风电、电动汽车V2G等分布式发电一个最大的特点是能源供给的不稳定，往往存在较大的波动，因此在应用时经常要配套储能电池，这类新能源供应的直流电可以接到本系统输入直流母线上，公用储能系统，也可通过PCS并网或并机使用。常用于如高速公路光储充系统、海岛风光储系统等工程项目设计中。
在一些实施方式中，公开了一种储能变流器，其结构包括：三相支路，每一相支路包括：自并网/离网控制柜到直流蓄电池端，依次串联连接隔离变压器、交流滤波器、交流软启动回路、滤波电路、桥式逆变电路、直流母线电容、直流滤波器和直流软启动回路；所述三相支路直流母线电容输出端的正极通过直流接触器进行连接；所述三相支路直流母线电容输出端的负极通过直流接触器进行连接。
参照图3，储能变流器每相单独连接变压器隔离，将交流电直接变换为直流电为电池充电，同时实现电池放电并网，储能变流器能够实现直流输出电压的调节以及电流的调节功能。储能变流器直流端有三组连接端子，每组端子可以实现与电池连接。
以A相电路结构为例，变压器T1起到隔离及变压作用；交流滤波器滤除交流EMC干扰；交流软启动回路由主交流接触器、辅助交流接触器及软启动电阻组成，实现上电时对后级直流母线电容的缓慢充电作用，避免上电瞬间产生大电流对储能变流器及电网的冲击；LC滤波回路由交流滤波电感及滤波电容组成，将桥式逆变电路产生的SPWM波的高频成份滤除，得到光滑的交流波形；桥式逆变电路由IGBT组成，IGBT连接直流母线电容，同时IGBT桥式逆变电路的每个桥臂都接有吸收电容，吸收电容对IGBT桥式逆变电路动作时产生的高频尖峰进行吸收，起到保护IGBT的作用，直流母线电容起到直流电压的支撑及滤波作用，IGBT桥式逆变电路将直流电压波形逆变为高频SPWM电压波形；直流滤波器滤除直流EMC干扰；直流软启动回路由主直流接触器、辅助直流接触器及软启动电阻组成，避免上电瞬间产生大电流对储能变流器及电池的冲击。
B、C两相的电路结构及器件参数与A相完全相同，不再重复叙述。
A、B、C三相的直流母线电容输出端通过直流接触器进行连接，正极与负极分别单独进行连接，通过控制直流接触器的通断可以实现三相直流母线电容输出端连接在一起或者完全分开，当直流接触器闭合后，三相直流母线电容的正极连接在一起，直流母线电容的负极连接在一起，这时三相的DC+及DC-端只能连接同一种电压等级的电池，当直流接触器断开后，三相直流相互独立，这时三相的DC+及DC-端可以分别连接不同电压等级的电池，实现同一台储能变流器对不同电压等级电池的适用性。
将图3所示的储能变流器变压器原边首尾依次连接，即将变压器原边连接成三角形连接关系，能够实现三相三线式供电，简单的改变储能变流器的接线方式，即可实现三相四线制到三相三线制供电方式的转变，同一台机器可以适用不同的电网供电方式。
需要说明的是，并联的变流器应该采用相同的接线方式，变流器交流侧和电网间接入并网/并联控制柜，并网控制柜采用相同的接线方式。
在另一些实施方式中，公开了一种无隔离变压器储能变流器，参照图4所示，将储能变流器每一相交流滤波器的一端通过并网/离网控制柜连接到N，每一相交流滤波器的另一端通过并网/离网控制柜分别连接到电网A、B、C，即可实现无变压器隔离的储能变流器，其它电路连接关系和实施例一中所述的连接关系相同，这里不再重复叙述。
将图4所示的储能变流器交流滤波器首尾依次连接，即将滤波器连接成三角形连接关系，即可实现三相三线式供电。
需要说明的是，并联的变流器应该采用相同的接线方式，变流器交流侧和电网间接入并网/并联控制柜，并网控制柜采用相同的接线方式。
本实施例变流器结构通过简单的改变单级式储能变流器的接线方式，即可实现三相四线制到三相三线制供电方式的转变，同一台机器可以适用不同的电网供电方式。同时，本实施例变流器结构解决了同一台储能变流器对不同电压等级电池的充放电问题，提高了储能变流器的应用范围；将三相支路直流母线电容输出端的正极和负极分别通过直流接触器进行连接，通过控制直流接触器的通断，实现单级式储能变流器连接不同电压等级的电池能够正常工作，减小为适用不同电池对储能变流器的投入成本。
在另一些实施方式中，电池管理系统(BMS)的结构如图5所示，包括：主控制器MCU、电池电压检测模块、电池温度检测模块、气体浓度检测模块、灭火装置、热管理模块和通信模块。其中，MCU与电池电压检测模块、电池温度检测模块、气体浓度检测模块、灭火装置、热管理模块和通信模块分别相连。
气体浓度检测模块包括一个或多个内置于电池箱内的气体检测单元，该单元可通过485总线将数据传输给安装于电池箱外的BMS控制单元，BMS控制单元内部设置主控制器MCU、电池电压检测模块、电池温度检测模块、热管理模块和通信模块。
气体检测单元与BMS控制单元的分开布置有效解决了电池箱内空间有限，不利于安装控制模块的缺点，同时485总线通信方式可根据实际需求布置检测单元数量。
每个气体检测单元包括多个费加罗气体检测传感器和数据处理子单元，数据处理子单元通过多种检测气体传感器采集气体浓度数据，并通过485通信总线将数据传输给MCU；在一些实施例中，每个气体检测单元包括一个CO传感器、一个H2传感器、一个烷烃类传感器以及数据处理子单元，数据处理子单元采集气体浓度信息后通过485通信总线的方式发送给主控MCU。
传感器选择费加罗电化学气体传感器，该类传感器对气体的检测具有很高的灵敏度和良好的稳定性，预热时间小于30S；同时三种传感器对各自检测气体灵敏度高，对其他气体的敏感性低，可有效区分不同气体浓度。
主控MCU根据气体浓度值及其历史数据计算电池故障级别，并将其与电池电压值、温度值通过通信模块上传至后台系统，供后台系统及时对电池故障进行处理。
灭火装置的选择，通过对锂电池火情进行分析，其主要以可燃气体为主，另外考虑电池是带电装置，因此灭火剂首选气体灭火剂，考虑到气溶胶可常压储存、灭火效率高、灭火剂无毒环保、耐腐蚀，因此本实施例中灭火装置选用S型热气溶胶灭火剂，该灭火装置体积较小，重量较轻，安装于电池箱内部，相较于安装于电池箱外的灭火装置，可在电池热失控引起燃烧时及时扑灭明火。
检测多种可燃气体浓度，分别判断各种气体浓度数据、电池电压、电池温度数据是否超出设定阈值，上述参数均超出设定阈值时，启动灭火装置；或者，检测到明火或者燃烧现象时，启动灭火装置，提高探测准确性防止误报；并在启动灭火装置时同步断开主继电器、关闭风扇等多种措施提高灭火成功率并降低损失。
电池电压检测模块检测电池箱内单体电池电压，并将电压采样值传输给MCU；电池温度检测模块检测电池箱内单体电池温度，并将温度值传输给MCU；MCU根据电池温度值控制热管理模块对电池进行加热或散热处理；MCU根据气体浓度值及其历史数据计算电池故障级别，并将其与电池电压值、温度值通过通信模块上传至能量管理系统EMS，能量管理系统EMS及时对电池故障进行处理。
热管理模块主要用于对电池进行加热或散热处理，保证电池在容许的温度范围内使用。同时，在系统上电启动时，由MCU控制风扇启动三分钟，用于电池箱内换气，确保电池箱内不积存可燃气体，同时对气体传感器进行开机预热，保证传感器校准时箱内无可燃气体，提高气体检测准确性。
电池电压/温度采集模块包括凌特LTC6811电池管理芯片及多个布置于电池单体上的温度传感器，每个电池管理芯片可监测多达12节串联电压及5路温度信息，芯片可串联使用，可堆叠式架构能支持几百个电池的监测。在一些实施例中，采用一个LTC6811芯片采集电池箱内12节电池电压及5路温度，并通过芯片内置SPI接口将电池电压、温度信息传输给MCU，MCU可根据温度信息控制热管理模块输出。
MCU采集并存储电池单体电压、充放电电流、温度及上述三类气体浓度等参数信息，采用改进的安时积分法计算电池SOC，并根据多种采样数据综合判定当前电池运行状态，在采样参数数据异常时根据模型识别算法进行特征识别，输出电池故障类型及位置。
如充放电时电池极柱处温度过高，其他位置电池电压、温度正常，则应该是极柱端子连接松动导致阻抗过大，极柱处发热所致，此时如温度超过60℃，可输出极柱温度一级报警，开启风扇并将充放电倍率限定在0.5C，如温度进一步升高到70℃以上，则输出温度二级报警，开启风扇同时禁止充放电并延时切断接触器。
另外，通过三类气体历史数据拟合出每种气体的浓度变化曲线及其在产气总量中的占比情况，并根据电池SOC及温度变化情况，采用滤波算法排除干扰，通过已建立的电池SOC-温度-气体浓度的数学模型，输出电池故障级别并预测发展趋势，由此解决单一气体阈值法所造成的漏报、误报及预警滞后问题。
电池SOC-温度-气体浓度的数学模型的建立方法具体如下：
采用离线参数辨识法对某一类型的电池进行热失控产气测试，测试其在不同SOC及温度环境下产生多种气体的浓度数据和产气占比数据，分别得出SOC-多气体曲线和温度-多气体曲线，利用matlab仿真软件的多项式拟合功能将上述曲线拟合为多阶函数，得到电池SOC-温度-气体浓度的数学模型，并完成模型的参数辨识；
根据测试实际情况对模型参数对应故障程度进行标定，如故障初期、发展期、严重期及起火状态等。将拟合出的多阶函数以程序方式植入主控制器，在运行过程中将SOC、温度、气体浓度的采样值及气体占比数据代入拟合函数进行计算，计算值与模型标定值进行对比，确定故障等级。
MCU根据上述电池故障级别采取不同的应对措施，如遇到紧急情况，气体浓度变化剧烈，温度急剧升高，箱内出现燃烧现象，则立即关闭风扇，开启灭火装置，同时上送报警信息，通知后台系统紧急断开继电器，切除电池回路。此方案还可避免灭火装置释放灭火剂同时电池管理系统开启风扇散热，由此导致灭火效果降低的问题。
并网或并联控制柜与能量管理系统EMS通信；能量管理系统EMS与电池管理系统、监控平台和调度中心分别通信。
EMS接收监控平台和调度中心指令，通过电池管理系统(BMS)接收储能电池状态信息，考虑电池系统和PCS系统的状态制约，进行逻辑判断系统运行状态，生成并联储能变流器控制参考量，发送至并网/联控制柜。
如监控平台和调度中心未下达指令，EMS则根据系统状态进行能量计算，根据判断逻辑，自动选择运行方式，生产控制参考量，发送至并网/联控制柜。
并网控制柜根据EMS的运行控制命令，选择并网、离网、后备、充电、放电等运行方式，进行运行方式的转换。
并网控制柜根据EMS发送的控制参量，进行并网/联点外环功率/电压控制，并生成各PCS的内环瞬时电流控制参量，发送给储能变流器PCS1～n。
储能变流器PCS1～n独立进行内环瞬时电流控制，类似电流源，有效控制。
本实施方式中，EMS是能量管理核心，并网/联控制柜运行状态转换核心，同时也是功率/电压、电流外环控制核心，并联PCS则是核心执行部分，并进行瞬时电流控制。
在一些实施方式中，并网/联控制柜可以进行自主能量管理，取代能量管理系统职能，此时可取消能量管理系统(EMS)。
实施例二
在一个或多个实施例中，公开了一种储能系统的控制方法，参照图6，并网或并联控制柜工作在并网模式时，具体包括如下过程：
1)采集并网点三相电压和三相电流；
2)对并网点三相电压进行锁相，得到电网运行频率；
3)dq变换模块将采集的三相电压和三相电流进行αβ/dq变换，得到两相同步旋转坐标系下实际总反馈电压和反馈电流；
4)瞬时功率变换模块根据得到的两相同步旋转坐标系下实际总反馈电压和反馈电流按下式确定并网点的瞬时有功功率和瞬时无功功率；
Figure BDA0002324784580000101
其中，P和Q分别表示并网点总的瞬时有功功率和瞬时无功功率，ud表示并网点总的d轴实际反馈电压，uq表示并网点总的q轴实际反馈电压，id表示并网点总的d轴实际反馈电流，iq表示并网点总的q轴实际反馈电流。
5)并联/并网控制柜根据从用户或能量管理系统调度指令，得到并网点有功功率和无功功率参考值Pref、Qref，与瞬时有功功率P和无功功率Q比较后得到差值δP和δQ，对δP和δQ进行比例积分运算得到d轴分量参考值idref和q轴分量参考值iqref。一般的，通过dq分量限幅模块进对参考电流进行限幅控制。
6)并联/网控制柜通讯模块把d轴分量参考值idref和q轴分量参考值iqref广播发送给各储能变流器。
7)第x个储能变流器接收到参考电流idref、iqref，与采集自身出口电感电流iax、ibx、icx，进行dq变换得到的两相同步旋转坐标系下反馈电流idx、iqx比较后得到差值δidx、δiqx，对δidx、δiqx进行比例积分运算得到输出脉宽调制系数Pmdx、Pmqx。
8)第x个储能变流器根据脉宽调制系数Pmdx、Pmqx及PWM算法生成驱动信号，实现开关管导通和关断控制。
9)第x个储能变流器根据脉宽调制系数Pmdx、Pmqx及PWM算法生成驱动信号，实现开关管导通和关断控制。
10)并联的各储能变流器自动均分负载。当并联数量发生变化时，由于功率外环控制输出的电流参考id-ref、id-ref是由并网点电压和总电流进行瞬时功率与参考功率进行PI运算得到，因此系统可自动均分负载，当并联的储能变流器数量发生变化时，系统也可自动对功率进行重新分配。
实施例三
在一个或多个实施例中，公开了一种储能系统的控制方法，参照图7，并网或并联控制柜工作在并联模式时，具体包括如下过程：
1)采集并联点三相电压和三相电流；
2)对并网点三相电压进行锁相，得到并网点频率反馈f；
3)幅值计算模块根据采集的三相电压和三相电流，得到并网点电压和电流反馈幅值u、i；
4)取并联点反馈频率f、反馈电压u与参考频率fref＝50Hz参考电压幅值uref＝220或380V比较，得到频率误差δf和电压幅值误差δu，分别进行比例积分运算得到被调制信号的频率系数fo和并联点参考电流幅值iref；
需要说明的是，本实施例中提到的并联点指的是各个储能变流器并联连接的点，参照图2中①位置。
5)并联点参考电流幅值iref与并网点反馈电流幅值i进行比较，得到并网点电流误差δi，对δi进行比例积分运算，以并联点电流内环运算结果io-ref作为各并联储能变流器电流内环参考电流；
6)并联/网控制柜通讯模块把电流幅值参考io-ref和频率系数fo广播发送给各储能变流器；
7)第x个储能变流器接收到参考电流idref、iqref，与采集自身出口电感电流iax、ibx、icx，进行电流幅值计算得到的反馈电流幅值ix比较后得到差值δix，对δix进行比例积分运算得到输出脉宽调制系数Pmx；
8)第x个储能变流器根据脉宽调制系数Pmx和频率系数do及PWM算法生成驱动信号，实现开关管导通和关断控制；
9)并联的各储能变流器自动均分负载。每一台并联的储能变流器的电流幅值参考值均相等，都为并网点PI运算得到的电流参考值io-ref，由于参考电流io-ref是由总电流检测值i和总电流参考值iref经PI运算生成的，因此系统可自动均分负载，特别是当并联储能变流器数量发生变化时，系统可自动重新均分负载。当并联的储能变流器数量发生变化时，系统也可自动对功率进行重新分配。
实施例四
在一个或多个实施例中，为了实现每一个并联的储能变流器的直流输出端可以连接不同电压等级的电池，公开了一种储能变流器的控制方法，参照图8，包括：
以某台变流器A相控制过程为例，储能变流器通过交流滤波器、变压器T1及并网/并联控制柜与电网连接，直流侧DC1+及DC1-接电池的正负极，同时DC2+及DC2-，DC3+及DC3-连接的电池型号及电压等级与DC1+及DC1-连接的电池型号及电压等级不同。
因三相直流输出端连接不同型号及电压等级的电池，储能变流器上电时，首先保证Kdc1及Kdc2断开，保证直流母线分别独立，三相单独对电池的充放电电压及电流进行控制；
然后进入软启动阶段，辅助交流接触器K2闭合，软启动电阻R1进行限流，通过桥式逆变电路Q1、Q2、Q3、Q4的反并联二极管整流后对直流母线电容C4进行充电，同时直流软启动回路的辅助直流接触器K4闭合，软启动电阻R2进行限流，对直流母线电容C4进行充电；
按照储能变流器功能及性能参数，要求电池电压大于三相不控整流得到的直流电压；在辅助接触器闭合充电5s后，软启动完成，交流主接触器K1闭合，直流主接触器K3闭合，同时交流辅助接触器K2及直流辅助接触器K4断开。
控制回路对A相交流电压采样得到Ua，对电感电流L1进行采样得到iL，对直流母线电压采样得到Udc，对直流电流进行采样得到Idc；采样得到的电网电压Ua经过图10所示的dq坐标变换后得到Ud、Uq，采样得到的电感电流iL经过图10所示的dq坐标变换后得到Id、Iq；Ua经过图9所示的PLL锁相环，得到电网电压相位θ，所有坐标变换均在电网相位θ下进行运算。
电池充电过程中，设定直流电压给定值Udcref的数值，设定充电电流给定值Idcref的数值，Udcref与直流电压采样值Udc进行负反馈运算，得到误差值UdcErr，UdcErr送入直流电压环PI控制器进行PI运算，得到PI运算结果UdcPI；Idcref与直流电流采样值Idc进行负反馈运算，得到误差值IdcErr，IdcErr送入直流电流环PI控制器进行PI运算，得到PI运算结果IdcPI；
UdcPI与IdcPI经过最小值运算后得到d轴电流环电流给定值Idref，Iqref在充电时设定为零，Idref与id进行负反馈运算得到IdErr，IdErr送入d轴电流环PI控制器进行PI运算得到IdPI；
Iqref与iq进行负反馈运算得到IqErr，IqErr送入q轴电流环PI控制器进行PI运算得到IqPI，Ud与Uq分别减去IdPI与IqPI后，分别除以母线电压采样值Udc进行归一化，将归一化后的值送入SPWM驱动波形产生电路，产生的四路SPWM驱动信号分别驱动Q1、Q2、Q3、Q4的开通与关断，Q1、Q2、Q3、Q4的开通与关断过程中在电路杂散电感中产生的尖峰电压，通过吸收电容C2、C3进行吸收，避免IGBT过压损坏，电容C4的直流电压通过Q1、Q2、Q3、Q4的开通与关断，在Q1与Q2连接端及Q3与Q4连接端产生高频SPWM电压波形，高频SPWM电压波形经过L1、L2与C1组成的滤波回路滤波后得到平滑的交流正弦波形，控制SPWM产生的正弦波形与电网电压间的幅值差和相位角，从而得到与电网电压同相位的电流波形iL，储能变流器从电网吸收能量，实现对电池的充电。
其中上述所有PI控制器均带有限幅功能，d轴电流环PI控制器与q轴电流环PI控制器具有相同的控制参数。
电池放电时需要设置母线电压给定值Udcref的数值小于电池额定电压，给定值Udcref与反馈值Udc永远无法达到平衡即输出误差UdcErr始终不能等于零，这样直流电压环PI控制器的输出值始终为限幅的上限数值，经过取最小值运算模块后，放电电流的大小将由放电电流给定值Idcref决定；Idcref仅需要设置为负值即可实现电池的放电功能；电池放电时Iqref设定为零；其它控制过程与上述充电过程相同，这里不再重复叙述。
实施例五
在一个或多个实施例中，公开了一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行实施例二或三所述的储能系统的控制方法。
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 (15)

1.一种储能系统，其特征在于，包括：并联连接在直流母线和交流母线之间的若干储能变流器；所述储能变流器的直流侧通过直流母线连接蓄电池组；所述蓄电池组与电池管理系统连接；所述储能变流器的交流侧通过交流母线并联后，与并网或并联控制柜连接；所述并网或并联控制柜上分别设有与电网和负荷进行连接的端口；
所述并网或并联控制柜通过外环控制得到电流内环的电流分量参考值，并将得到的电流分量参考值分别发送给并联的每一个储能变流器；各储能变流器根据接收到的电流分量参考值分别进行电流内环运算，得到驱动储能变流器开关管导通和关断的驱动信号。
2.如权利要求1所述的一种储能系统，其特征在于，所述储能变流器的直流侧设有用于将光伏、风电或者电动汽车V2G新能源直流接入的端口。
3.如权利要求1所述的一种储能系统，其特征在于，对所述直流母线进行分段，每段母线接入一个或几个储能变流器，对应一套或几套储能电池。
4.如权利要求1所述的一种储能系统，其特征在于，所述并网或并联控制柜上设有柴油发电机后备端口，柴油发电机和负荷之间设置旁路开关，当电网发生故障，负荷不能再从电网获取能量时，闭合所述旁路开关，柴油发电机投入运行，维持离网运行能量平衡。
5.如权利要求1所述的一种储能系统，其特征在于，所述并网或并联控制柜与能量管理系统EMS通信；所述能量管理系统EMS与电池管理系统、监控平台和调度中心分别通信。
6.如权利要求1所述的一种储能系统，其特征在于，所述储能变流器的结构包括：
三相支路，每一相支路包括：自并网/离网控制柜到直流蓄电池端，依次串联连接隔离变压器、交流滤波器、交流软启动回路、滤波电路、桥式逆变电路、直流母线电容、直流滤波器和直流软启动回路；所述三相支路直流母线电容输出端的正极通过直流接触器进行连接；所述三相支路直流母线电容输出端的负极通过直流接触器进行连接。
7.如权利要求1所述的一种储能系统，其特征在于，所述储能变流器的结构包括：
三相支路，每一相支路包括：自并网/离网控制柜到直流蓄电池端，依次串联连接交流滤波器、交流软启动回路、滤波电路、桥式逆变电路、直流母线电容、直流滤波器和直流软启动回路；所述三相支路直流母线电容输出端的正极通过直流接触器进行连接；所述三相支路直流母线电容输出端的负极通过直流接触器进行连接。
8.如权利要求1所述的一种储能系统，其特征在于，所述电池管理系统包括：主控制器以及与主控制器连接的气体浓度检测模块，所述气体浓度检测模块包括一个或多个内置于电池箱内的气体检测单元，每个气体检测单元包括气体传感器和数据处理子单元，所述数据处理子单元分别通过不同种类的气体传感器采集多种气体浓度数据，并将采集到的数据传送至主控制器，所述主控制器根据接收到的多种气体浓度数据及其在电池产气中的占比综合分析，判断电池故障级别。
9.如权利要求8所述的一种储能系统，其特征在于，还包括：与主控制器连接的灭火装置，控制器判断各种气体浓度数据、电池电压、电池温度数据均满足设定要求后，启动灭火装置；
或者，检测到明火后，启动灭火装置；
进一步地，灭火装置启动后，联动停止充放电并关闭电池箱内气体交换设备。
10.如权利要求8所述的一种储能系统，其特征在于，所述主控制器根据接收到的不同气体的浓度及其在电池产气中的占比综合分析，判断电池故障级别，具体为：
对电池进行热失控产气测试，测试其在不同SOC及温度环境下产生多种气体的浓度数据和产气占比数据，分别得出SOC-多气体曲线和温度-多气体曲线；
将上述得到的曲线拟合为多阶函数，得到电池SOC-温度-气体浓度数学模型；
采用离线参数辨识法完成电池SOC-温度-气体浓度数学模型的参数辨识；
根据实际情况对不同的模型参数对应的故障程度结果进行故障等级的标定；
将实际采集到的SOC、温度、多种气体浓度及其在电池产气中的占比数据带入电池SOC-温度-气体浓度数学模型进行计算；
将计算结果与标定的结果进行匹配，确定故障等级。
11.一种储能系统的控制方法，其特征在于，包括：
并网模式下，根据采集到的并网点电压、电流信息，通过坐标变换和PI运算，生成电流分量参考值；
将得到的电流分量参考值分别发送给并联的每一个储能变流器；
各储能变流器分别采集其各自的输出电流进行坐标变换，得到电流分量；
将电流分量和电流分量参考值进行PI运算得到脉宽调制系数分量；
根据脉宽调制系数分量生成驱动信号驱动相应的储能变流器开关管的导通和关断。
12.如权利要求11所述的储能系统的控制方法，其特征在于，为每一台并联的储能变流器设置分流系数，生成的电流分量参考值乘以所述的分流系数后再与各自的电流分量进行PI运算；
进一步地，每一台储能变流器的分流系数相等时，均分负载。
13.一种储能系统的控制方法，其特征在于，包括：
离网模式下，根据采集到的并联点电压、电流信息，通过电流电压幅值计算、锁相计算和PI运算，得到电流幅值参考值和参考电流频率；
将得到的电流幅值参考值和参考电流频率分别发送给并联的每一个储能变流器；
各储能变流器分别采集其各自的输出电流，进行电流幅值计算得到反馈电流幅值；
将反馈电流幅值与电流幅值参考值进行PI运算得到脉宽调制系数；
根据脉宽调制系数和参考电流频率生成驱动信号驱动相应的储能变流器开关管的导通和关断。
14.如权利要求13所述的储能系统的控制方法，其特征在于，每一台并联的储能变流器的电流幅值参考值均相等，都为并网点PI运算得到的电流参考值，由于参考电由总电流检测值和总电流参考值经PI运算生成，当并联储能变流器数量发生变化时，系统可自动重新均分负载。
15.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求11-12任一项所述的基于内外环独立控制并联储能变流器的储能系统控制方法；或者执行权利要求13-14任一项所述的基于内外环独立控制并联储能变流器的储能系统控制方法。
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