CN111463814A - 一种储能变流器和三相分相控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种储能变流器和三相分相控制方法，储能变流器包括：单相隔离变压器、双向变流模块和控制模块；单相隔离变压器的一次侧与双向变流模块的输出端电连接；三个单相隔离变压器的一次侧分别与电网的三相连接端口进行三相四线式的电连接；双向变流模块的输入端与直流储能电池电连接；控制模块分别与双向变流模块和单相隔离变压器通信连接，用于获取电流电压信号和发送控制信号。本申请解决了现有常用储能系统三相耦合而无法实现分相独立调节，导致储能变流器的调控灵活性较差，且无法满足更多场景和工况的需求的技术问题。

Description

一种储能变流器和三相分相控制方法

技术领域

本申请涉及电网储能系统技术领域，尤其涉及一种储能变流器和三相分相控制方法。

背景技术

低压用户间歇性用电、季节性用电特征明显，周期性和短时性户均供电容量偏低、配变重过载、电压越限、三相不平衡等问题比较突出。其中，电力用户中单相负荷在三相系统中的不均衡分配是引起三相电压不平衡的主要原因，也将导致低电压问题。针对这些问题，常用手段，一是对配电设施进行改造升级，提升容量；二是采用电能质量治理装置，主要包括无功调节设备、谐波质量装置、三相不平衡调整开关等。

储能变流器作为电池储能系统的核心部分，连接电池系统和电网，实现功率双向变换和能量双向流动，是影响电池储能系统功率转换效率、充放电响应及转换时间等性能的关键。因此储能变流器的组成结构和运行控制方式决定了储能系统作为一种用于治理低压配电台区电能质量应用手段的实效性，研究储能变流器的拓扑结构和控制模块功能有助于储能系统在配电台区更好的应用和推广。

目前配电网或用户侧应用的电化学储能系统多采用传统的三相半桥变流器和三相隔离变压器结构，为避免相与相互磁耦合，功率模块需进行复杂解耦控制，尤其在单相负荷分布不均匀引起三相不平衡等电能质量问题的配电台区，难以满足正常运行要求。因此，目前的储能变流器的调控灵活性较差，无法满足更多场景、更多工况的应用需求。

发明内容

本申请提供了一种储能变流器和三相分相控制方法，用于解决现有技术采用三相隔离变压器结构无法实现分相独立调节，造成磁耦合干扰，对输电线带来了较大的影响，导致储能变流器的调控灵活性较差，且无法满足更多场景和工况的需求的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种储能变流器，包括：

单相隔离变压器、双向变流模块和控制模块；

所述单相隔离变压器的一次侧与所述双向变流模块的输出端电连接；

三个所述单相隔离变压器的一次侧分别与电网的三相连接端口进行三相四线式的电连接；

所述双向变流模块的输入端与直流储能电池电连接；

所述控制模块分别与所述双向变流模块和所述单相隔离变压器通信连接，用于获取电流电压信号和发送控制信号。

可选的，还包括：滤波模块；

所述滤波模块的第一连接端与所述单相隔离变压器的一次侧电连接，所述滤波模块的第二连接端与所述双向变流模块的输出端电连接。

可选的，还包括：交流预充电路；

所述交流预充电路串联于所述滤波模块与所述双向变流模块之间，用于在交流侧实现预充电控制。

可选的，还包括：直流母线电容；

所述直流母线电容以串联的方式与所述直流储能电池电连接，用于稳定直流母线电压。

可选的，还包括：直流预充电路；

所述直流预充电路与所述直流储能电池电连接，用于在直流侧实现预充电控制。

可选的，还包括：人机接口模块和通信模块；

所述人机接口模块，用于提供显示以及操作界面；

所述通信模块包括通信接口和通信规约，用于信息的传送。

本申请第二方面提供了一种三相分相控制方法，包括：

获取电网三相并网点的电流和电压；

根据所述电流和所述电压计算电网三相电流不平衡度和单相带载功率；

若所述电网三相电流不平衡度和所述三相带载功率满足预置动作条件，则在检测到直流储能电池荷电状态大于最小放电阈值的情况下，下发放电控制指令调节电网的三相电流不平衡度，直至达到预置三相不平衡截止点；

若所述电网三相电流不平衡度和所述三相带载功率不满足所述预置动作条件，则在检测到所述直流储能电池荷电状态小于待充电阈值的情况下，下发充电控制指令使电网以预置恒功率向所述直流储能电池充电，直至达到所述直流储能电池充电的预置截止点或所述预置三相不平衡截止点。

可选的，所述最小放电阈值为10％；

所述待充电阈值为50％。

可选的，所述预置动作条件为：

所述三相电流不平衡度大于不平衡启动阈值，且所述单相带载功率大于带载功率启动阈值。

可选的，所述带载功率启动阈值的配置过程为：

根据单相隔离变压器的单相额定功率以及预置控制系数计算所述带载功率启动阈值，所述预置控制系数取值范围为[0,1]。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了一种储能变流器，包括：单相隔离变压器、双向变流模块和控制模块；单相隔离变压器的一次侧与双向变流模块的输出端电连接；三个单相隔离变压器的一次侧分别与电网的三相连接端口进行三相四线式的电连接；双向变流模块的输入端与直流储能电池电连接；控制模块分别与双向变流模块和单相隔离变压器通信连接，用于获取电流电压信号和发送控制信号。

本申请提供的储能变流器，为了解决三相隔离变压器造成的磁耦合干扰问题，采用多个独立的单相隔离变压器组合进行三相分相调节控制，这样三相单独调节控制，互不影响，从而实现更为灵活的控制，提升了储能变流器的调节能力；另外，当直流储能电池需要充电时，本申请中的双向变流模块就能将三相交流电源整流为直流电对直流储能电池进行充电，当直流储能电池需要放电时，双向变流模块就能将电池的直流电逆变为三相交流电源，双向变流模块能够根据控制模块的指令或者策略进行充放电。因此，本申请能够解决现有技术采用三相隔离变压器结构无法实现分相独立调节，造成磁耦合干扰，对输电线带来了较大的影响，导致储能变流器的调控灵活性较差，且无法满足更多场景和工况的需求的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种储能变流器的一个拓扑结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种三相分相控制方法的一个流程示意图；

图3为本申请实施例提供的储能变流器构成储能系统接入电网的原理示意图；

图4为本申请实施例提供的储能变流器对电流三相不平衡进行三相分相控制流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

首先，在对本申请实施例进行描述的过程中出现的部分名词或者术语适用于如下解释：

分相控制：储能变流器可以根据控制指令对A、B、C三相分别进行独立调控。

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种储能变流器的实施例一，包括：单相隔离变压器101、双向变流模块102和控制模块103；

单相隔离变压器的一次侧与双向变流模块的输出端电连接；

三个单相隔离变压器的一次侧分别与电网的三相连接端口进行三相四线式的电连接；

双向变流模块的输入端与直流储能电池电连接；

控制模块分别与双向变流模块和单相隔离变压器通信连接，用于获取电流电压信号和发送控制信号。

需要说明的是，单相隔离变压器T_i(i＝1,2,3)能够阻止一部分谐波的传输，起到抗干扰的作用，可以增加系统阻抗，使保护装置容易配合，起到阻抗变换作用，另外，当隔离变压器负荷侧发生单相接地时，不会造成整个系统单相接地，当负荷侧发生短路时，限制系统的短路电流；采用三个独立的单相隔离变压器而不是一个三相隔离变压器就是为了避免三相隔离变压器的耦合干扰，通过三个独立的单相隔离变压器实现三相分相控制，各相控制不受影响，使得储能系统更加灵活且稳定。

双向变流模块是由12个开关器件采用三个独立的单相全桥电路构成，可根据控制模块的指令控制模块中的IGBT的导通与关断，从而吸收或者发出有功功率和无功功率，实现电网与直流储能电池之间的双向流通；双向变流模块的输入为稳定的直流电源，输出与电网的三相连接端口连接。

控制模块主要由DSP芯片作为核心处理器，可以用于获取电流电压信号和发送控制信号，控制信号主要是充电和放电指示，获取电流电压信号是指检测并网点的电流和电压，然后进行计算和判断操作。还可以通过控制模块根据逻辑计算实现预警保护。

双向变流模块能够根据控制模块的控制指令进行充电或者放电操作，在直流储能电池需要充电的时候，双向变流模块将交流进行整流，然后将得到的直流为直流储能电池进行充电操作；在电池需要放电的时候，双向变流模块将直流逆变为三相交流电。控制模块不仅能够下达控制指令对直流储能电池进行充放电，还能基于检测得到的并网点的电流和电压，计算电网三相电流不平衡度和单向带载功率，根据检测并计算得到的参数判定是该充电还是放电，或者不作操作。请参阅图3，是本实施例的储能变流器构成的储能系统接入到电网的原理示意图，连接的方式是三相四线式。

本实施例提供的储能变流器，为了解决三相隔离变压器造成的磁耦合干扰问题，采用多个独立的单相隔离变压器组合进行三相分相调节控制，这样三相单独调节控制，互不影响，从而实现更为灵活的控制，提升了储能变流器的调节能力；另外，当直流储能电池需要充电时，本实施例中的双向变流模块就能将三相交流电源整流为直流电对直流储能电池进行充电，当直流储能电池需要放电时，双向变流模块就能将电池的直流电逆变为三相交流电源，双向变流模块能够根据控制模块的指令或者策略进行充放电。因此，本实施例能够解决现有常用储能系统三相耦合而无法实现分相独立调节，造成磁耦合干扰，对输电线带来了较大的影响，导致储能变流器的调控灵活性较差，且无法满足更多场景和工况的需求的技术问题。

进一步地，本实施例提供的一种储能变流器还包括：滤波模块104；滤波模块的第一连接端与单相隔离变压器的一次侧电连接，滤波模块的第二连接端与双向变流模块的输出端电连接。

需要说明的是，滤波模块是由LC或者LCL滤波器件构成的，用于滤除高频成分的电流谐波，抑制高频纹波，模块中的滤波电感L_fj(j＝1,2,3)可以设计为隔离变压器漏感，从而减小装置体积；电容为C_fj(j＝1,2,3)；交流侧LCL滤波器件具有比单电感滤波器更好的性能，能够兼顾低频段高增益和高频段衰减。

进一步地，本实施例提供的一种储能变流器还包括：交流预充电路105；交流预充电路串联于滤波模块与双向变流模块之间，用于在交流侧实现预充电控制。

需要说明的是，如图1所示，交流预充电路由电阻R和断路器构成，连接于滤波模块的电感的边路上，用于在储能变流器未上电之前，对其进行预充电，即在交流侧实现预充电控制，根据储能变流器的工作状态确定充电方向。

进一步地，本实施例提供的一种储能变流器还包括：直流母线电容106；直流母线电容以串联的方式与直流储能电池电连接，用于稳定直流母线电压。

需要说明的是，直流母线电容C₀是直接连接在直流储能电池上的一个普通电容，主要用于稳定直流母线的电压，滤除储能变流器中直流母线的纹波。

进一步地，本实施例提供的一种储能变流器还包括：直流预充电路107；直流预充电路与直流储能电池电连接，用于在直流侧实现预充电控制。

需要说明的是，直流预充电路的作用与交流预充电路的作用是相同的，区别在于一个是在交流侧实现预充电控制，一个是在直流侧实现预充电控制，另外，电路的内部结构不同，直流预充电路是由电阻R和二极管组成，直流预充电路分布在两条支路上，两条支路上的电阻相同，二极管方向相反；直流预充电路是直接与直流储能电池串联，实现直流侧的预充电控制。

进一步地，本实施例提供的一种储能变流器还包括：人机接口模块108和通信模块109；人机接口模块108，用于提供显示以及操作界面；通信模块109包括通信接口和通信规约，用于信息的传送。

需要说明的是，人机接口模块一般由触摸屏、液晶屏和按键构成，不仅可以友好的显示各种运行参数，还能够进行快捷的操作；根据人机接口模块可以设置储能变流器不同的工作模式，主要的模式包括本地模式、远程控制模式和自动控制模式；在本地模式下，通过人机接口模块进行参数设置，控制储能变流器有功功率和无功功率的输出；在远程控制模式下，储能变流器可以接收上级调度控制指令进行有功功率和无功功率输出；在自动控制模式下，储能变流器自动检测电网并网点的电流电压信号，根据计算数据进行分相控制，实现有功功率和无功功率的输出；从而降低电网三相电流不平衡度。

通信模块包括通信接口和通信规约，通信接口有以太网、串口RS-485、CAN等；通信规约包括Modbus、IEC-104、IEC61850等；通信模块既能支持将远程的管理信息发送至储能变流器，又能实现内部的信息传递；另外，针对大容量储能系统，预留与外部就地监控和能量管理的系统接口。

为了便于理解，请参阅图2，本申请还提供了一种三相分相控制方法的实施例，包括：

步骤201、获取电网三相并网点的电流和电压；

步骤202、根据电流和电压计算电网三相电流不平衡度和单相带载功率；

步骤203、若电网三相电流不平衡度和三相带载功率满足预置动作条件，则在检测到直流储能电池荷电状态大于最小放电阈值的情况下，下发放电控制指令调节电网的三相电流不平衡度，直至达到预置三相不平衡截止点；

步骤204、若电网三相电流不平衡度和三相带载功率不满足预置动作条件，则在检测到直流储能电池荷电状态小于待充电阈值的情况下，下发充电控制指令使电网以预置恒功率向直流储能电池充电，直至达到直流储能电池充电的预置截止点或预置三相不平衡截止点。

需要说明的是，直流储能电池荷电状态是指直流储能电池簇荷电状态(SOC)，电网三相电流不平衡是采集电网A、B、C三相各相电流电压信号，然后经过快速滤波处理，转换成数字信号，计算每个周波的三相电流、三相平均电流和最大相电流，然后通过公式计算得到的；具体的公式为：电网三相电流不平衡＝MAX(三相电流-三相平均电流)/三相平均电流。用τ表示电网三相电流不平衡，用P_A,B,C表示单相带载功率；最小放电阈值为SOC₀，通常取值为10％；待充电阈值为SOC₁，通常取值为50％；预置三相不平衡截止点为τ＜τ₁的时候，通常τ₁＜τ₀，而τ₀是由配电台区三相负荷特性即相关标注你确定的，一般可设置为15％；直流储能电池充电的预置截止点为SOC≥SOC₂的时候，SOC₂为最大可充电荷电状态值，通常取90％，直流储能电池充电另外还可以设定的截止点为预置三相不平衡截止点，即τ＜τ₁；下发放电控制指令调节电网的三相电流不平衡度的过程是控制储能分相输出电流I₁、I₂和I₃调节电网三相电流不平衡度，I₁、I₂和I₃分别为储能变流器的A、B、C三相对应的电流值，按如下公式计算：

I_i＝τ×k_i×I；

其中，i＝1,2,3，I为储能变流器最大可放点电流，k为控制系数，且满足k₁＞k₂＞k₃，τ×k_i≤1。预置恒功率P_e不超过储能变流器的单相额定功率。由以上操作可以发现，不论电网三相电流不平衡度和单相带载功率是否满足动作条件，都需要检测直流储能电池荷电状态，但是检测的倾向性却是完全不同的，在满足动作条件的情况下，是判断是否需要进行放电操作；在不满足动作条件的情况下，是判断是否需要进行充电操作。当以上条件均不符合的情况下，就处于待机状态，不作操作。请参阅图4，为储能变流器的三相分相控制方法的流程图。

进一步地，最小放电阈值为10％；

待充电阈值为50％。待充电阈值取值为50％是为了避免低电量自动保护停机，确保系统可以长期处于自主运行状态。

进一步地，预置动作条件为：

三相电流不平衡度大于不平衡启动阈值，且单相带载功率大于带载功率启动阈值。

需要说明的是，用τ₀表示不平衡启动阈值，用xP_T表示带载功率启动阈值。

进一步地，带载功率启动阈值的配置过程为：

根据单相隔离变压器的单相额定功率P_T以及预置控制系数x计算带载功率启动阈值，预置控制系数取值范围为[0,1]。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种储能变流器，其特征在于，包括：单相隔离变压器、双向变流模块和控制模块；

所述单相隔离变压器的一次侧与所述双向变流模块的输出端电连接；

三个所述单相隔离变压器的一次侧分别与电网的三相连接端口进行三相四线式的电连接；

所述双向变流模块的输入端与直流储能电池电连接；

所述控制模块分别与所述双向变流模块和所述单相隔离变压器通信连接，用于获取电流电压信号和发送控制信号。

2.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，还包括：滤波模块；

所述滤波模块的第一连接端与所述单相隔离变压器的一次侧电连接，所述滤波模块的第二连接端与所述双向变流模块的输出端电连接。

3.根据权利要求2所述的储能变流器，其特征在于，还包括：交流预充电路；

所述交流预充电路串联于所述滤波模块与所述双向变流模块之间，用于在交流侧实现预充电控制。

4.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，还包括：直流母线电容；

所述直流母线电容以串联的方式与所述直流储能电池电连接，用于稳定直流母线电压。

5.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，还包括：直流预充电路；

所述直流预充电路与所述直流储能电池电连接，用于在直流侧实现预充电控制。

6.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，还包括：人机接口模块和通信模块；

所述人机接口模块，用于提供显示以及操作界面；

所述通信模块包括通信接口和通信规约，用于信息的传送。

7.一种三相分相控制方法，用于权利要求1-6中任一种储能变流器，其特征在于，包括：

获取电网三相并网点的电流和电压；

根据所述电流和所述电压计算电网三相电流不平衡度和单相带载功率；

若所述电网三相电流不平衡度和所述三相带载功率满足预置动作条件，则在检测到直流储能电池荷电状态大于最小放电阈值的情况下，下发放电控制指令调节电网的三相电流不平衡度，直至达到预置三相不平衡截止点；

若所述电网三相电流不平衡度和所述三相带载功率不满足所述预置动作条件，则在检测到所述直流储能电池荷电状态小于待充电阈值的情况下，下发充电控制指令使电网以预置恒功率向所述直流储能电池充电，直至达到所述直流储能电池充电的预置截止点或所述预置三相不平衡截止点。

8.根据权利要求7所述的三相分相控制方法，其特征在于，所述最小放电阈值为10％；

所述待充电阈值为50％。

9.根据权利要求7所述的三相分相控制方法，其特征在于，所述预置动作条件为：

所述三相电流不平衡度大于不平衡启动阈值，且所述单相带载功率大于带载功率启动阈值。

10.根据权利要求9所述的三相分相控制方法，其特征在于，所述带载功率启动阈值的配置过程为：

根据单相隔离变压器的单相额定功率以及预置控制系数计算所述带载功率启动阈值，所述预置控制系数取值范围为[0,1]。

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