CN111799836B - 一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法。模块化储能变流器与电网断开处于离网黑启动状态下，上层控制器同时下发功率模块并网继电器合命令，并通过的自动择主策略产生主模块虚拟同步机，其余为从虚拟同步机，控制主模块虚拟同步机软启动建立负载电压，继而从模块虚拟同步机脉冲解锁与主虚拟同步机并联运行，使得模块化储能变流器各模块快速接入电网和负载，解决了传统技术方案中工作模式单一，在离网运行时多模块启动较慢且并入系统造成电气冲击的问题，保持良好的电能质量。

Description

一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法。
背景技术
双向储能DCAC变流器作为储能系统中储能元件与交流电网的接口，在整个储能系统中发挥着重要的作用。在大功率和高可靠性的应用场合，储能变流器多采用变流器多模块冗余并联及热插拔技术。并机及热插拔控制需解决的关键问题是根据变流器采用的并联方式及其均流策略，在变流器模块投入和退出过程中，采用合理有效的控制措施来避免强烈的冲击电流和电气暂态过程，实现模块平滑的投入和退出，保持良好的电能质量。传统的并网型逆变器控制策略响应快、无转动惯量无法参与电网调节、不利于配电网和微网的安全稳定运行，虚拟同步机技术通过模拟同步发电机的外特性从而使变流器具备支撑电网的功能，但是目前传统的虚拟同步机在实际应用中工作模式都比较单一，与其储能单元运行状态无法实时匹配且在多模块情况下，难以调节各个模块虚拟同步机的上电时序使其快速接入电网和负载。
因此，传统的技术方案中存在工作模式都比较单一，与其储能单元运行状态无法实时匹配且在多模块情况下，难以调节各个模块虚拟同步机的上电时序使其快速接入电网和负载。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法，能够有效解决工作模式单一，在有多个模块虚拟同步机情况下，在离网运行时多模块启动较慢且并入系统造成电气冲击的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法，包括以下步骤：
步骤一、上层控制器采集所述电网电压及PCC并网开关位置，判断PCC并网开关位置及所述电网电压是否符合预设的并网条件；
步骤二、若PCC并网开关位置在合位且所述电网电压符合预设的并网条件，获取各个所述储能单元的状态信息及各个模块虚拟同步机的状态信息；
步骤三、上层控制器同时给出各个所述功率模块K2交流继电器的闭合信号，在确定接触器闭合后，根据各个所述储能单元的状态信息设定各个所述模块虚拟同步机的功率指令并且解锁PWM脉冲，控制所述模块虚拟同步机功率指令斜率，使其并网电流按照一定斜率渐进至稳态电流值；
步骤四、若PCC并网开关位置为分位且所述并网电压为零，在多个所述模块虚拟同步机中根据预设规则选取一个为主模块，其余为从模块；
步骤五、上层控制器同时给出各个所述功率模块K2交流继电器的闭合信号，在确定接触器闭合后，控制所述主模块虚拟同步机先解锁脉冲离网运行，控制所述主模块虚拟同步机的电压指令斜率，使其输出电压按照一定斜率渐进至稳态电压值，控制其余从模块虚拟同步机解锁脉冲开机，通过上层控制器调节各模块有功的给定Pref实现各DCAC模块的均流；
步骤六、若PCC并网开关位置为分位且所述并网电压符合预设的并网条件，上层控制器依次给出各个所述功率模块K2交流继电器的闭合信号，在确定接触器闭合后，控制其余模块虚拟同步机解锁脉冲开机，通过上层控制器调节各模块有功的给定Pref实现各DCAC模块的均流。
优选的，所述模块虚拟同步机采用数字惯性环节模拟同步发电机转子特性，其表达式为：
Figure BDA0002503478300000031
其中，(1-kc)是惯性时间常数，z为采样拉氏变换算子。
优选的，在PCC并网开关合位状态下，有功频率控制采用比例积分控制；在PCC并网开关分位状态下，采用比例控制。
优选的，模块化储能变流器中的上层控制器为单一控制装置，模块化储能系统中的主模块虚拟同步机通过自动择主策略随机产生，若原主模块因故障退出工作，自动择主策略会在剩下的从模块中立即选出新的主模块，代替原主模块继续控制整个系统的运行。
与现有技术相比，本发明的优点是：在本发明设计的模块化储能变流器并及热插拔控制方法下，变流器模块组合方式灵活，变流器直流侧可并联或独立工作，变流器可并网或离网运行，在与电网断开处于离网黑启动状态下，上层控制器同时下发功率模块并网继电器合命令，并通过的自动择主策略产生主模块虚拟同步机，其余为从虚拟同步机，控制主模块虚拟同步机软启动建立负载电压，继而从模块虚拟同步机脉冲解锁与主虚拟同步机并联运行，使得模块化储能变流器各模块快速接入电网和负载，工作模式多样化，解决了传统技术方案中工作模式单一，在有多个模块虚拟同步机情况下，在离网运行时多模块启动较慢且并入系统造成电气冲击的问题，保持良好的电能质量。
附图说明
图1为模块化储能变流器系统结构示意图；
图2为模块化储能变流器并机及热插拔输出控制方法的流程图；
图3为变流器多模块连接示意图；
图4为模块化储能变流器单模块电路图；
图5为有功频率(均流)控制框图；
图6是无功电压(均压)控制框图。
图7是自主择主流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参阅图1为本发明一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法的实施例，本发明第一实施例提供的模块化储能变流器结构示意图，为了编译说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本发明的第一实施例提供了模块化储能变流器系统包含多个储能单元，以及多个储能单元一一对应连接的多个模块虚拟同步机，以及分别与多个模块虚拟同步机和电网相连的PCC并网开关，以及与各个储能单元和各个模块虚拟同步机及PCC并网开关连接的上层控制器。在本实施例中，多个储能单元可以为任意数量的储能单元，多个模块虚拟同步机可以为任意数量的模块虚拟同步机，模块虚拟同步机蓄电池侧可并联或独立使用，具体连接方式如图3所示。
如图2，本发明的第二实施例提供了一种模块化储能变流器输出控制方法，包括：
步骤一、上层控制器采集所述电网电压及PCC并网开关位置，判断PCC并网开关位置及所述电网电压是否符合预设的并网条件。
步骤二、若PCC并网开关位置在合位且所述电网电压符合预设的并网条件，获取各个所述储能单元的状态信息及各个模块虚拟同步机的状态信息。
步骤三、上层控制器同时给出各个所述功率模块K2交流继电器的闭合信号，在确定接触器闭合后，根据各个所述储能单元的状态信息设定各个所述模块虚拟同步机的功率指令并且解锁PWM脉冲，控制所述模块虚拟同步机功率指令斜率，使其并网电流按照一定斜率渐进至稳态电流值；
步骤四、若PCC并网开关位置为分位且所述并网电压为零，在多个所述模块虚拟同步机中根据预设规则选取一个为主模块，其余为从模块。
步骤五、上层控制器同时给出各个所述功率模块K2交流继电器的闭合信号，在确定接触器闭合后，控制所述主模块虚拟同步机先解锁脉冲离网运行，控制所述主模块虚拟同步机的电压指令斜率，使其输出电压按照一定斜率渐进至稳态电压值，控制其余从模块虚拟同步机解锁脉冲开机，通过上层控制器调节各模块有功的给定Pref实现各DCAC模块的均流。
步骤六、若PCC并网开关位置为分位且所述并网电压符合预设的并网条件，上层控制器依次给出各个所述功率模块K2交流继电器的闭合信号，在确定接触器闭合后，控制其余模块虚拟同步机解锁脉冲开机，通过上层控制器调节各模块有功的给定Pref实现各DCAC模块的均流。
如图4所示模块化储能变流器模块的拓扑，其中热插拔端子为蓄电池与交流母线接口。整个模块由热插拔端子、直流侧EMI滤波器、直流接触器、蓄电池侧解耦电容、三相I型三电平逆变桥、三相交流逆变侧电感、三相交流滤波电容、并网继电器、三相交流网侧电感、交流侧EMI滤波器、熔丝、交直流预充回路构成。
本实施例中的模块化储能变流器模块虚拟同步机输出控制方法，储能变流器正常并网或离网工作时，采用虚拟同步发电机(VSG)控制策略。图1展示了储能变流器多模块并联控制框图，控制系统分为2层，第一层为SG控制器，包括控制器接口以及采用SG的机电暂态模型来模拟同步发电机的机械惯量和电气特性，得到相角以及端口电压给定值；第二层为内环控制器，通常为电压电流控制环，用来跟踪SG控制器的给定值，确保电路满足定子电压方程。
图5为本发明采用的VSG的有功-频率控制环，其特点是通过在控制模拟同步发电机的转子运动方程来模拟同步发电机的一次调压、一次调频、惯性等特性。采用数字惯性环节模拟转子特性，在保留转子惯性实现一次调频的同时，消除了纯积分模拟的惯性环节导致的输出角速度易饱和特性。本发明转子运动方程模拟采用的数字惯性环节的表达式为：
Figure BDA0002503478300000071
其中，(1-kc)是惯性时间常数，z为采样拉氏变换算子。
通过选择开关切换在并网/离网不同状态下的控制模式，在并网状态下，有功频率控制为PI控制，实现有功功率的无差控制。在离网状态下，有功频率控制变为均流控制，为P控制，上层控制器通过均流环通过调节各模块有功的给定Pref实现各模块的均流。
蓄电池变流器与超级电容储能变流器无功电压控制策略如图6所示。Qref和Qo为变流器无功功率参考值和实际输出无功功率。uref和ud *是变流器电压幅值参考值和控制器实际输出电压。Km和Kn的为控制参数。在并网状态下其控制目标是与主电网进行交换的有功功率和无功功率；在孤岛状态下，储能变流器的控制目标是为提供电压和频率支撑，变流器的输出功率由负载决定。因此，在离网状态下将Kn设为0。
当上层控制器正常时，不同模块间仅通过数据总线相连，每个模块都有自己的VSG控制环路。变流器并网运行时，其有功频率控制环及无功电压控制环可以精确控制各模块输出有功功率和无功功率；离网运行时，总输出有功无功由负载决定,各模块化储能变流器间的均压/均流控制通过数字通信实现，模块化储能变流器的各模块通过数字通信总线将自身有功/无功输出信号通过通信总线发送至上层控制器，各模块将从上层控制器接收到基准修正信号分别作为自身电压/角速度的基准，实现模块化储能变流器各模块间电压、电流的均衡。
当模块化储能变流器中的上层控制器故障退出工作时，模块化储能系统中的主模块通过自动择主策略随机产生，若原主模块因故障退出工作，自动择主策略会在剩下的从模块中立即选出新的主模块，代替原主模块继续控制整个系统的运行。
图7为模块化储能变流器多模块组合运行时的自主择主流程图。系统正常运行时，上层控制器通过通信总线从系统中所有功率模块发送控制命令。功率模块在正常运行时，会不断检测能否正常收到上层控制器的控制命令。一旦上层控制器或通讯线路故障，系统中的功率模块将会检测到自身控制命令接收超时，从而触发自动择主。自动择主触发后，则会在剩余的功率模块中产生一台新的主机，代替原上层控制器继续控制整个系统的正常运行，其他功率模块将会执行该主模块的功率指令调整自己的输出电压和输出电流，从而保证整个系统的可靠性。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (4)

1.一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、上层控制器采集电网电压及PCC并网开关位置，判断PCC并网开关位置及所述电网电压是否符合预设的并网条件；
步骤二、若PCC并网开关位置在合位且所述电网电压符合预设的并网条件，获取各个储能单元的状态信息及各个模块虚拟同步机的状态信息；
步骤三、上层控制器同时给出各个功率模块K2交流继电器的闭合信号，在确定接触器闭合后，根据各个所述储能单元的状态信息设定各个所述模块虚拟同步机的功率指令并且解锁PWM脉冲，控制所述模块虚拟同步机功率指令斜率，使其并网电流按照一定斜率渐进至稳态电流值；
步骤四、若PCC并网开关位置为分位且并网电压为零，在多个所述模块虚拟同步机中根据预设规则选取一个为主模块，其余为从模块；
步骤五、上层控制器同时给出各个所述功率模块K2交流继电器的闭合信号，在确定接触器闭合后，控制所述主模块虚拟同步机先解锁脉冲离网运行，控制所述主模块虚拟同步机的电压指令斜率，使其输出电压按照一定斜率渐进至稳态电压值，控制其余从模块虚拟同步机解锁脉冲开机，通过上层控制器调节各模块有功的给定P ref 实现各DCAC模块的均流；
步骤六、若PCC并网开关位置为分位且所述并网电压符合预设的并网条件，上层控制器依次给出各个所述功率模块K2交流继电器的闭合信号，在确定接触器闭合后，控制其余模块虚拟同步机解锁脉冲开机，通过上层控制器调节各模块有功的给定P ref 实现各DCAC模块的均流。
2.如权利要求1所述的一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法，其特征在于：所述模块虚拟同步机采用数字惯性环节模拟同步发电机转子特性，其表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是惯性时间常数，z为采样拉氏变换算子。
3.如权利要求1所述的一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法，其特征在于：在PCC并网开关合位状态下，有功频率控制采用比例积分控制；在PCC并网开关分位状态下，采用比例控制。
4.如权利要求1所述的一种模块化储能变流器并机及热插拔控制方法，其特征在于：模块化储能变流器中的上层控制器为单一控制装置，模块化储能系统中的主模块虚拟同步机通过自动择主策略随机产生，若原主模块因故障退出工作，自动择主策略会在剩下的从模块中立即选出新的主模块，代替原主模块继续控制整个系统的运行。
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