CN113410904B - 一种多模块并联型应急电源及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多模块并联型应急电源及控制方法。本发明储能应急电源系统基于双向背靠背储能变流器结构，在实现多种运行模式灵活切换的情况下，还能实现模块化扩容，适应小负荷应急供电场景需求，同时在大负载应急供电场景，能实现无通信互联的扩容，利用分布式电源输出功率与电压和频率之间的关系进行控制，采取并联预同步控制策略实现下垂无通讯并机控制，实现应急供电时的模块化扩容，并具备并联运行多个模块的自动均流控制，为负载提供高品质、长时间的供电保障。

Description

一种多模块并联型应急电源及控制方法

技术领域

本发明涉及应急电源技术和储能应用技术领域，具体涉及一种多模块并联型应急电源及控制方法。

背景技术

现有储能应急电源装置以集装箱做载体，以机动车为运输工具，内置储能电池、储能变流器及监控系统，以实现电能随时、随地、随需运输、调度需求的可移动式供电系统。但现有可移动式储能应急电源装置仍有功能简单、体积大、模块化可扩展性差、应用部署安装受限等问题。为达到其模块化的目的，一般来说大功率的双向储能变流器由多台相同小功率的双向储能变流器并联组成，既利于装配与维护，也利于增加系统的冗余度，减小故障停机的风险。但是，多台储能双向储能变流器系统并联运行时，存在各分系统间输出电流不均的问题，输出电流较大的系统装置容易引起过载和过热，势必影响储能系统的可靠性。现有技术中至少存在输出电流不均衡、储能变流器易故障和储能系统可靠性低等缺陷。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种多模块并联型应急电源及控制方法。为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下。

一种多模块并联型应急电源包括背靠背双PCS变流器组、DSP控制器、FPGA处理器、PWM发生器和储能装置；

背靠背双PCS变流器组直流侧与储能装置相连接，当市电正常时，整流PCS逆变器以P/Q模式运行，逆变PCS变换器以V/F模式运行，为负载提供电能，同时为储能系统充电；当市电故障时，储能装置为负载供给电能；其中，背靠背双PCS变流器组包括整流PCS逆变器和逆变PCS变换器；

DSP控制器连接下垂控制器，下垂控制器连接逆变PCS变换器并产生自适性下垂调节系数，DSP控制器完成下垂控制、双闭环控制，得到的调制信号传送至FPGA处理器，FPGA处理器通过驱动电路连接至变逆变PCS变换器，实现中点电位平衡控制，PCS变换器通过电流采样电路连接至过流保护电路，过流保护电路连接FPGA处理器，FPGA处理器连接PWM发生器；

负载连接至逆变PCS变换器，储能装置连接至背靠背储能双向变流器组的共享直流母线侧；当电网正常时，前级整流PCS逆变器工作在恒压模式，优先通过逆变PCS变换器对负载进行供电，储能装置包括锂电池，当锂电池SOC<SOCmax时，多余电量以给定充电额定功率给锂电池充电；当DSP控制器检测到电网故障或电能质量不满足要求时，此时进入离网状态，锂电池SOC>SOCmin时,由锂电池以给定的放电额定功率持续给负载供电；当逆变PCS变换器故障时，自动切换至旁路进行供电；其中，SOCmax为允许的电池荷电状态最大值，SOCmin为允许的电池荷电状态最小值。

优选的，当电网正常时，储能型应急电源系统处于不间断供电运行模式时，交流输入端和交流输出端并联运行，交流输入端接电网，交流输出端接负载，以使得储能型应急电源系统串接在电网和负载之间。

一种基于多模块并联型应急电源的控制方法包括：

选择储能型应急电源系统的运行模式；

若选择不间断供电运行模式，前级整流PCS变换器执行恒直流电压控制策略，后级逆变PCS变换器执行下垂控制策略；

若选择储能运行模式下，前级整流PCS变换器执行P/Q控制策略，后级逆变PCS变换器待机。

优选的，在不间断功率运行模式下，若出现逆变故障，则自动旁路，以实现负载正常供电。

优选的，在不间断功率运行模式下，若交流电网侧故障停电，通过后级逆变PCS变换器维持负载正常供电，并且当锂电池SOC超下限时，后级逆变PCS变换器执行预警停机操作。

优选的，在储能运行模式下，当锂电池SOC超上限时，减小整流PCS变换器充电有功指令值或待机，当锂电池SOC超下限时减小整流PCS变换器放电有功指令值。

优选的，所述恒压/恒频控制控制模式包括：

设定分布式电源频率参考值为F_ref，电压参考值为U_ref，输出有功功率为P₀，无功功率为Q₀，有功功率P在P_C<P<P_B内变化时，使分布式电源频率等于给定的参考值；无功功率在Q_C<Q<Q_B内变化，输出电压等于给定的参考值；

设f_ref是逆变器孤岛时给定的参考频率，u_ref是电压参考值，θ_inv是逆变器断开电网后的锁相角，采集的逆变器输出电压u_abc进行派克变换后，得到dq轴分量U_d与U_q，分别与所给定的参考信号U_dref与U_qref进行比较，分别得到ΔU_d与ΔU_q，其中，ΔU_d与ΔU_q通过PI控制，得到内环参考信号I_dref与I_qref，其中，U_dref为d轴电压分量，U_qref为q轴电压分量。

优选的，后级逆变PCS变换器下垂控制包括：

设定分布式电源输出的有功功率为P₀，无功功率为Q₀，系统频率为f₀，整流PCS逆变器或逆变PCS变换器输出交流电压为U₀，系统初始点为A，当有功负荷增大到P₁时，下垂控制器基于Droop控制策略调节有功功率变小，以使得到达新平衡点B；系统初始点为A，当无功负荷增大到Q₁时，下垂控制器基于Droop控制策略调节无功功率变大，无功负荷功率也变小，以使得到达新平衡点B；

其中，所述Droop控制策略包括：

其中，P为有功功率，f为逆变单元输出电压频率，Q为无功功率，U为逆变单元输出电压，K_f为频率调节系数，K_U为电压调节系数，K_P为有功调节系数，K_Q为无功调节系数。

相对于现有技术，本发明的有益技术效果在于：本发明的并联储能应急电源系统基于双向背靠背储能变流器结构，在实现多种运行模式灵活切换的情况下，还能实现模块化扩容，适应小负荷应急供电场景需求，同时在大负载应急供电场景，能实现无通信互联的扩容，利用分布式电源输出功率与电压和频率之间的关系进行控制，采取并联预同步控制策略实现下垂无通讯并机控制，实现应急供电时的模块化扩容，并具备并联运行多个模块的自动均流控制，为负载提供高品质、长时间的供电保障。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的并联储能应急电源系统框图；

图2为本发明的PCS恒压控制框图；

图3为本发明的前级变流器PQ控制框图；

图4a、提4b为本发明的后级逆变器下垂控制曲线；

图5为本发明的PI调节示意图；

图6本发明的后级逆变器下垂控制原理图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例的并联储能应急电源系统的背靠背双PCS变流器直流侧与储能装置相连接，当市电正常时，此时运行在并网模式下，整流PCS逆变器以P/Q模式运行，逆变PCS变换器以V/F模式运行，为负载提供可靠电能，同时为储能系统充电。当市电故障时，系统控制0ms切换储能装置供给负载电能，从而解决对敏感负载短时间掉电重启，影响网侧电能质量等问题。DSP控制器与FPGA处理器通过数据线与地址线直接相连，DSP控制器采TMS320F28335，连接下垂控制器，下垂控制器连接逆变PCS变换器并产生自适性下垂调节系数，DSP完成下垂控制、双闭环控制，最终得到的调制信号传送至FPGA处理器，FPGA处理器通过驱动电路连接至变换器，负责中点电位平衡控制，变换器通过电流电流采样连接至过流保护电路，过流保护电路连接FPGA处理器，FPGA处理器负责电路过流保护的功能，FPGA处理器连接PWM发生器，PWM发生器和下垂控制器，用于发射脉冲频率，产生下垂控制特性，将控制信号发射给逆变PCS变换器。TMS320F28335内部自带12位ADC转换模块，有16个采样通道，可同时采用16个模拟信号。采样滤波电路可对储能装置组件、并网频率、电流、电压、频率、相位等相关数据进行采集及监测，DSP控制器和采样滤波电路相连接。负载连接至逆变PCS变换器，储能装置连接至背靠背储能双向变流器的共享直流母线侧。储能换流器可能量双向传输，当电网正常时，前级整流PCS逆变器工作在恒压模式，优先通过后级逆变PCS变换器对负载进行供电，当锂电池组SOC<SOCmax时，多余电量以给定充电额定功率P充max用于锂电池组充电。当DSP控制器检测到电网故障或电能质量不满足要求时，此时进入离网状态，锂电池SOC>SOCmin时,由电池以给定的放电额定功率P放max持续给负载供电。当逆变PCS变换器故障时，自动切换至旁路进行供电。驱动电路采用光耦TLP250芯片驱动MOS管等功率器件；过流保护电路TZ口产生一个低电平，从而封锁PWM模块输出，关断所有开关管，防止故障功率造成器件损坏。

前级整流PCS变换器直流恒压控制策略包括：采用直流恒压控制，外环是指直流电压环，其作用是保证直流电压稳定，同时产生内环所需的参考信号。根据图2所示的控制结构，电压给定值与直流电压实测值经PI调节得到有功电流参照值i dref。结合上述内外环控制器的设计原理，绘制配网侧变流器整体控制框图，由于网侧要实现单位功率因数，因此可令i qref为0。因此可得到储能双向变流器的控制框图3：

后级逆变PCS变换器V/F控制模式包括：V/F控制即恒压/恒频控制是指逆变器输出功率出现改变时，微电源交流母线的电压和频率不会发生变化，如图4所示。设定分布式电源频率参考值为f ref，电压参考值为U ref，系统输出有功功率为P 0，无功功率为Q 0。如图4a，系统初始点为A，功率在P C<P <P B内变化时，使分布式电源频率等于给定的参考值；如图4b，系统初始点为A，无功功率在Q C<Q<Q B内变化，输出电压等于给定的参考值。从图4a和图4b可知，V/f控制可以维持系统的电压和频率稳定，主要应用于微电网孤岛运行时作为主电源，可以为其他微电源作为电压和频率参考，但是受到容量限制，一定要考虑负荷功率。恒压/恒频控制结构如图5所示。

如图5所示，Fref是逆变器孤岛时给定的参考频率，U ref是电压参考值，θinv是逆变器断开电网后的锁相角，采集的逆变器输出电压u abc进行派克变换后，得到dq轴分量udq，与所给定的参考信号Udref与U qref进行比较，得到的值进行PI调节，最后计算出内环参考信号i dref与i qref。V/f控制方法能保证微电网跟随系统设定的电压和相位值，采用电压电流双环控制，滤波电容电压环稳定负载电压，滤波电感电流环使其成为可控电流源，动态响应较快和抗干扰能力增强。

下垂(Droop)控制是利用分布式电源输出功率与电压和频率之间的关系进行控制，原理如图6所示。设定分布式电源输出的有功功率为P0，无功功率为Q0，系统频率为f0，逆变器输出交流电压为U0。如图4a，系统初始点为A，当有功负荷增大到P1时，系统功率不能满足要求，导致频率下降，Droop控制调节有功功率按下垂特性相应地变大，负荷功率也变小，最终达到系统新平衡B点；如图4b，系统初始点为A，当无功负荷增大到Q1时，系统功率不能满足要求，导致电压下降，Droop控制调节无功功率按下垂特性相应地变大，无功负荷功率也变小，最终达到系统新平衡B点。由图3-9可以给出有功功率P和频率f以及无功功率Q与电压U的Droop关系为式1和式2。

从式1分析出，f-P和U-Q的Droop控制是通过调节系统频率控制有功功率输出，调节电压控制无功功率输出；从式2分析出，P-f和Q-U的Droop控制是通过调节系统有功功率控制系统频率，调节无功功率控制系统电压。

由图6可知，采集线路的负载电压和分布式电源逆变器的输出电流，计算出微电源输出的有功P、无功Q，通过下垂特性曲线可以得到输出频率f和输出电压U的参考值，经电压合成之后得出参考电压，通过电压和电流的双闭环控制产生控制信号反馈回去。下垂控制可通过改变自身的电压U、频率f增加或减少功率的输出，从而实现当负荷变化时微电源之间功率的合理分配，保持电压频率的稳定。

下垂控制通常会被应用到对等控制微电网并联很多逆变器一同运行的控制上。通过下垂控制，可以在感性的微电网阻抗输出状态下解耦Q/V与P/f。其中，逆变器与电压源发挥等同效力。在逆变器等效输出处于感性阻抗的时候，相比于负载阻抗，逆变器线路的阻抗与等效输出的阻抗都比较小，但实际上相角偏差也较小。微电网里的输出线路通常表现出阻感性或是阻性，不过控制器会对逆变器端口输出电压进行直接调整，并非滤波器出口电压，因此在对逆变器的输出特征进行考虑时，要把变压器与滤波器阻抗也进行考虑。又因为微电网没有较长的传输线路，将变压器与滤波器的阻抗加入之后，输出阻抗依然表现出感性，因此应将线路的电阻进行忽略。线路电抗、变压器电抗、滤波可以共同叫做微电源输出的分布式电抗。

示例性地，本实施例的并联储能应急电源系统控制方法包括：

Step1：首先根据应用需要，选择储能型应急电源系统的运行模式。

Step2：若选择的运行模式为不间断供电运行模式，储能型应急电源系统的各模块交流输入端和交流输出端并联运行，交流输入端接电网，交流输出端并联后接负载，此时储能型应急电源系统串接在电网和负载之间。

Step3：储能型应急电源系统根据所选运行模式，自动切换整流PCS逆变器和逆变PCS变换器的运行控制策略。在不间断功率运行模式下，各模块前级整流PCS逆变器执行恒直流电压控制策略，后级逆变PCS变换器执行下垂控制策略。

Step4：各模块设定的下垂控制系数一致，连接负载，并启动电源装置后，负载有功、无功会自动并联的多个各模块中的均匀分配。

Step5：在不间断功率运行模式下，若出现模块的逆变PCS变换器故障，则控制系统自动将该模块旁路。故障模块旁路后，其它正常模块自动均流，维持负载正常供电。

Step6：在不间断功率运行模式下，若交流电网侧故障停电，储能型应急电源系统将依托后级逆变PCS变换器维持负载正常供电，实现零秒不间断供电。当SOC超下限时，逆变PCS变换器执行预警停机。

Step7：在储能运行模式下，在各模块前级整流PCS逆变器执行P/Q控制策略，后级逆变PCS变换器待机，各模块按设定的有功、无功指令值，进行充放电控制。

Step8：在储能运行模式下，当SOC超上限时，减小前级整流PCS逆变器充电有功指令值或待机，的那个SOC超下限时减小前级整流PCS逆变器放电有功指令值，并选择合适的时段进行充电。

以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多模块并联型应急电源，其特征在于，包括背靠背双PCS变流器组、DSP控制器、FPGA处理器、PWM发生器和储能装置；

背靠背双PCS变流器组直流侧与储能装置相连接，当电网正常时，整流PCS逆变器以P/Q模式运行，逆变PCS变换器以V/F模式运行，为负载提供电能，同时为储能系统充电；当电网故障时，储能装置为负载供给电能；其中，背靠背双PCS变流器组包括整流PCS逆变器和逆变PCS变换器；

DSP控制器连接下垂控制器，下垂控制器连接逆变PCS变换器并产生自适性下垂调节系数，DSP控制器完成下垂控制和双闭环控制，得到的调制信号传送至FPGA处理器，FPGA处理器通过驱动电路连接至逆变PCS变换器，实现中点电位平衡控制，逆变PCS变换器通过电流采样电路连接至过流保护电路，过流保护电路连接FPGA处理器，FPGA处理器连接PWM发生器；

负载连接至逆变PCS变换器，储能装置连接至背靠背双PCS变流器组的共享直流母线侧；当电网正常时，前级整流PCS逆变器工作在恒压模式，优先通过逆变PCS变换器对负载进行供电，储能装置包括锂电池，当锂电池SOC<SOCmax时，多余电量以给定充电额定功率给锂电池充电；当DSP控制器检测到电网故障或电能质量不满足要求时，此时进入离网状态，锂电池SOC>SOCmin时,由锂电池以给定的放电额定功率持续给负载供电；当逆变PCS变换器故障时，自动切换至旁路进行供电；其中，SOCmax为允许的电池荷电状态最大值，SOCmin为允许的电池荷电状态最小值。

2.根据权利要求1所述的多模块并联型应急电源，其特征在于，当电网正常时，并联型应急电源处于不间断供电运行模式时，交流输入端和交流输出端并联运行，交流输入端接电网，交流输出端接负载，以使得并联型应急电源串接在电网和负载之间。

3.一种基于权利要求1或2所述的多模块并联型应急电源的控制方法，其特征在于，

选择并联型应急电源的运行模式；

若选择不间断供电运行模式，前级整流PCS逆变器执行恒直流电压控制策略，后级逆变PCS变换器执行下垂控制策略；

若选择储能运行模式下，前级整流PCS逆变器执行P/Q控制策略，后级逆变PCS变换器待机。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在不间断供电运行模式下，若出现逆变故障，则自动旁路，以实现负载正常供电。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在不间断供电运行模式下，若交流电网侧故障停电，通过后级逆变PCS变换器维持负载正常供电，并且当锂电池SOC超下限时，后级逆变PCS变换器执行预警停机操作。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在储能运行模式下，当锂电池SOC超上限时，减小整流PCS逆变器充电有功指令值或待机，当锂电池SOC超下限时减小整流PCS逆变器放电有功指令值。

7.根据权利要求3-6任一所述的控制方法，其特征在于，恒压/恒频控制模式包括：

设定并联型应急电源频率参考值为F_ref，电压参考值为U_ref，输出有功功率为P₀，无功功率为Q₀，有功功率P在P_C<P<P_B内变化时，使并联型应急电源频率等于给定的参考值；无功功率在Q_C<Q<Q_B内变化，输出电压等于给定的参考值，其中，P_B为并联型应急电源频率等于F_ref时的有功功率最大值，P_C为并联型应急电源频率等于F_ref时的有功功率最小值，Q_C为输出电压等于U_ref时的无功功率最大值，Q_B为输出电压等于U_ref时的无功功率最小值；

采集的逆变PCS变换器断开电网后的输出电压u_abc进行派克变换后，得到dq轴分量U_d与U_q，分别与所给定的参考信号U_dref与U_qref进行比较，分别得到ΔU_d与ΔU_q，其中，ΔU_d与ΔU_q通过PI控制，得到内环参考信号I_dref与I_qref，其中，U_dref为d轴电压分量，U_qref为q轴电压分量。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，后级逆变PCS变换器下垂控制包括：

设定并联型应急电源输出的有功功率为P₀，无功功率为Q₀，系统频率为f₀，整流PCS逆变器或逆变PCS变换器输出交流电压为U₀，系统初始点为A，当有功负荷增大到P₁时，下垂控制器基于Droop控制策略调节有功功率变小，以使得到达新平衡点B；系统初始点为A，当无功负荷增大到Q₁时，下垂控制器基于Droop控制策略调节无功功率变大，无功负荷功率也变小，以使得到达新平衡点B，其中，P₁为系统频率为f₀时的有功功率预设最大值，Q₁为交流电压为U₀时的无功功率预设最大值；

其中，所述Droop控制策略包括：

其中，P为有功功率，f为逆变PCS变换器输出电压频率，Q为无功功率，U为逆变PCS变换器输出电压，K_f为频率调节系数，K_U为电压调节系数，K_P为有功调节系数，K_Q为无功调节系数。

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