CN114070115A - 一种多交流端口高压直挂储能电力变换系统及其控制方法 - Google Patents

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CN114070115A CN202111400858.3A CN202111400858A CN114070115A CN 114070115 A CN114070115 A CN 114070115A CN 202111400858 A CN202111400858 A CN 202111400858A CN 114070115 A CN114070115 A CN 114070115A
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施刚
周剑桥
李睿
王晗
黄玉辉
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Abstract

本发明公开了一种多交流端口高压直挂储能电力变换系统及其控制方法，包括：级联H桥储能系统，包括多个H桥直流侧并联储能电池后相级联；多交流端口柔性互联模块，与级联H桥储能系统相串联，包括多个互相并联且连接同一公共连接母线的第一单相变流器与一个第二单相变流器。本发明实现多交流馈线互联，储能共享，同时可以实现CHBESS的充放电控制，在实现储能功能的同时实现交流电网柔性互联；不需要通过全功率，采用串联电压源的方式实现主动功率控制，占地面积小、成本低、损耗小、响应速度快；且多端口柔性互联模块具备模块化、易于拓展的特点，通过增加互联模块中并联的第一单相变流器数量，可快速、灵活地实现互联端口的拓展。

Description

一种多交流端口高压直挂储能电力变换系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电网储能电力变换技术、交流电网柔性互联、电力电子的技术领 域，尤其涉及一种多交流端口高压直挂储能电力变换系统及其控制方法。
背景技术
近年来，用户侧能源需求快速增长，交直流负荷类型日趋多样化，导致馈线 负荷不均衡问题突出。传统交流电网虽然在系统稳定性和可靠性上具备着显著 的优势，但由于控制能力不足，无法有效解决馈线堵塞问题；负荷不均衡导致的 单条馈线容量达到上限限制了整个配网系统的实际容量，使其远低于设计容量， 严重影响交流电网经济运行。
另一方面，风电、光伏发电等新能源机组占比持续上升，而与常规火电、水 电与核电相比，风力和光伏发电具有间歇性、不确定性、波动性等特点，一方面， 并网时给交流电网在电压控制、频率控制、暂稳态稳定性等方面带来了严峻的技 术挑战；另一方面，由于我国风、光资源高度集中，而电网接纳能力不足，弃风 弃光问题逐渐凸显，严重制约大规模风、光能源的发展。
为解决馈线堵塞以及分布式发电并网带来的稳定性问题，传统的方案主要 有对现有馈线进行升级改造或通过一次设备进行调节。第一种方案耗时耗力，成 本高，不利于大规模发展；第二种方案虽然能一定程度优化电网运行，但常见的 有载调压器、馈线开关动作等方式调节精度不足，且响应速度慢；另一种具有良 好发展前景的方案为通过柔性交流互联装置提供不同交流馈线的互联端口，实 现馈线之间的柔性互联和主动功率控制。该方案充分利用电力电子装置控制的 实时性和快速性，实现相邻网络间的快速功率调节，从而优化潮流分布，柔性互 联作为能源优化配置的基础平台，其高可靠供电能力、高可控的管理调节能力， 以及高效的源网荷优化能力能极大地改善供电质量，现有柔性交流互联装置主 流拓扑主要采用背靠背电压源型逆变器，由多个电压源型逆变器通过共用直流 母线形成，能够实现多馈线功率解耦和控制，然而，该拓扑结构采用全功率电压 源型逆变器的方式构成，因此具有成本高、损耗大、体积大、故障率高等缺点， 此外，上述方法均不能有效解决电网接纳能力不足、弃风弃光严重的问题，而在 电网中接入储能系统可以将电能进行储存，提高电网接纳能力，从而减少弃风弃 光现象，提高能源利用率。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳 实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省 略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能 用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：现有技术方案具有成本高、损耗大、体积 大、故障率高等缺点，此外，传统方法均不能有效解决电网接纳能力不足、弃风 弃光严重的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：级联H桥储能系统，所 述级联H桥储能系统包括多个H桥直流侧并联储能电池后相级联；多交流端口 柔性互联模块，与所述级联H桥储能系统相串联，包括多个互相并联且连接同 一公共连接母线的第一单相变流器与一个第二单相变流器。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的一种优选方案， 其中：所述第一单相变流器的交流输出端口与馈线串联，通过调节串联在馈线上 的所述第一单相变流器交流输出端口电压的幅值相位，实现馈线有功功率和无 功功率的精确控制；所述第二单相变流器的交流输出端口与所述级联H桥储能 系统交流输出端口相连，通过调节所述第二单相变流器交流输出端口电压的幅 值相位，实现所述多端口柔性互联模块的公共连接母线电压稳定。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的一种优选方案， 其中：所述级联H桥储能系统的耐压等级为中压等级的、三相的、输出电压为 双极性的储能电力变换器；所述公共连接母线为直流母线，所述第一单相变流器 与所述第二单相变流器均为电压源型单相逆变器；电压源型单相变流器为额定 输出电压相比所述级联H桥储能系统器低、单相的的变流器。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的一种优选方案， 其中：对所述多交流端口柔性互联模块进行拓展，通过增加所述第一单相变流器 的数目，增加系统互联馈线数目。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的一种优选方案， 其中：对所述级联H桥储能电力变换系统的拓扑进行拓展，不同的级联模块数 目输出不同电平的电压，基于多个模块级联实现多电平的电压输出。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的一种优选方案， 其中：组成所述多端口柔性互联模块的单相变流器的拓扑包括两电平半桥型逆 变器或三电平半桥型逆变器，或者其他可实现功率双向流动的半桥型逆变器。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种应用于多交流端口高压直挂储 能电力变换系统的控制方法：馈线有功功率和无功功率控制、公共连接母线电压 平衡控制以及相间和相内电池模块的荷电状态均衡控制。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法的一 种优选方案，其中：包括，定义第i条馈线为基准馈线，所述基准馈线功率控制 目标为基准馈线的有功功率达到参考值Pi *和无功功率达到参考值
Figure BDA0003371459820000031
定义线路 功率控制环输出为
Figure BDA0003371459820000032
即CHBESS线路三相输出电压指令值；所述基 准馈线功率控制根据定基准馈线的有功功率参考值Pi *与无功功率参考值
Figure BDA0003371459820000033
计算 定基准馈线电流d轴和q轴分量参考值
Figure BDA0003371459820000034
与
Figure BDA0003371459820000035
计算公式为：
Figure BDA0003371459820000036
所述基准馈线功率控制环在dq坐标系下进行，利用比例积分控制器进行控 制，数学方程为：
Figure BDA0003371459820000037
Figure BDA0003371459820000038
和
Figure BDA0003371459820000039
乘以帕克逆转换矩阵，得到abc坐标系下的基准馈线功率控制环输 出参考电压
Figure BDA00033714598200000310
所述CHBESS的输出参考电压为：
Figure BDA00033714598200000311
其中，V表示馈线的节点电压，Vc表示于馈线相连的第一单相变流器交流 输出端口的交流输出电压，VSM表示与CHBESS相连的第二单相变流器的交流输 出电压，Vp表示CHBESS交流输出电压，I表示馈线的电流，ω表示馈线的交流 频率，L表示馈线的等效电感感值，R表示馈线的等效电阻阻值，V,I,L,R的下 标i表示为基准馈线的参数，后续部分下标j表示为馈线j的参数，下标d表示 为d轴分量，下标q表示为q轴分量，上标*表示为参考值，kp为比例积分控制 器比例环节增益系数，ki为比例积分控制器积分环节增益系数， Vid,Vcid,VSMd,Viq,Vciq,VSMq为前馈项，作用是增强控制环抗干扰能力，加快控制环响应 速度，ωLiIid,ωLiIiq为解耦项，作用是实现d轴和q轴的解耦控制。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法的一 种优选方案，其中：还包括，所述馈线功率控制目标为馈线的有功功率达到参考 值Pj *和无功功率达到参考值
Figure BDA0003371459820000041
定义线路功率控制环输出为
Figure BDA0003371459820000042
所述 线路功率控制包括：根据功率控制馈线的有功功率参考值和无功功率参考值计 算功率控制馈线电流的d轴分量参考值
Figure BDA0003371459820000043
和q轴分量参考值
Figure BDA0003371459820000044
计算方法为解 如下方程组：
Figure BDA0003371459820000045
所述线路功率控制环在dq坐标系下进行，利用比例积分控制器进行控制， 数学方程为：
Figure BDA0003371459820000046
Figure BDA0003371459820000047
和
Figure BDA0003371459820000048
乘以帕克逆变换矩阵，得到abc坐标系下的线路功率控制环输出参 考电压
Figure BDA0003371459820000049
即
Figure BDA00033714598200000410
第一单相变流器交流输出端口的参考电压为：
Figure RE-GDA00034332694600000412
其中，
Figure BDA00033714598200000412
为与基准馈线相连的第一单相变流器交流输出端口的参考电压，
Figure BDA00033714598200000413
为与第j条功率控制馈线相连的第一单相变流器交流输出端口的参考电压，
Figure BDA00033714598200000414
为按照任意一种串联等效电压分配方式计算得到的与基准馈线相连的第 一单相变流器交流输出端口的参考电压的交流成分，
Figure BDA00033714598200000415
为单相变流器交流输出 端口输出电压中共有的直流成分参考值，所述参考值大于零且小于公共连接母 线电压，kp2为比例积分控制器比例环节增益系数，ki2为比例积分控制器积分环 节增益系数，Vid,Viq,Vjd,Vjq,Iid(ωLi+Ri),Iiq(ωLi+Ri)为前馈项，作用是增强控制环抗 干扰能力，加快控制环响应速度，IjqωLj,IjdωLj,IiqωLi,IidωLi为解耦项，作用是实 现d轴和q轴的解耦控制。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法的一 种优选方案，其中：还包括，所述相间SOC均衡控制的目标为CHBESS三相电 池模块的平均SOC一致，当三相SOC不一致时，所述相间SOC均衡控制通过 在
Figure BDA0003371459820000051
注入零序电压以调节三相有功功率，使三相电池模块的平均SOC 趋于一致；定义三相SOC的不均衡度为：
Figure BDA0003371459820000052
其中，
Figure BDA0003371459820000053
表示表示三相平均SOC，SOCa，SOCb，SOCc分别表示A相、B 相和C相的平均SOC，进行等功率克拉克变换，将三相SOC不均衡度转换到 α-β两相静止坐标系下，即：
Figure BDA0003371459820000054
其中，ΔSOCα、ΔSOCβ表示三相SOC不均衡度在α轴和β轴上的分量；
定义ΔSOCm为相间SOC不均衡度，表达式如下：
Figure BDA0003371459820000055
以相角γ表征其在α-β两相静止坐标下的分布：
Figure BDA0003371459820000056
所述相间SOC均衡控制利用零序电压产生的附加功率实现三相SOC均衡， 使三相附加功率与各相不均衡度成正比，可以得到如下方程：
Figure BDA0003371459820000057
所述相间SOC均衡控制所需注入零序的有效值和相角的表达式如下：
Figure BDA0003371459820000061
其中，I是CHBESS电流有效值，δ是CHBESS电流相角，λ是相间均衡系 数，λ越大，注入零序电压越大，产生的附加功率也越大，相间SOC均衡就越 快。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法的一 种优选方案，其中：还包括，所述相内SOC均衡控制的控制目标为CHBESS每 一相内部子模块间的电池SOC一致，每相流过各个子模块的电流相同，通过改 变每个模块交流侧的电压，即在各个不平衡模块交流侧输出电压叠加一个电压 基波分量，实现相内SOC均衡；
定义A相级联模块数目为N，第i个模块的电池SOC为SOCai，则其不均衡 度可以表示为：
Figure BDA0003371459820000062
为实现相内SOC均衡，令第i个模块产生的附加功率与其SOC不均衡度成 正比，即：
Figure BDA0003371459820000063
其中，Va'i为叠加电压基波分量的有效值，Ia为CHBESS的A相电流有效值， δ为A相电流相角，μ为相内均衡系数，
Figure BDA0003371459820000064
为叠加电压基波分量的相角，为使叠 加电压基波分量产生的附加功率最大化，令其与CHBESS的A相电流同相位， 得到所需叠加电压基波分量的有效值和相角的表达式为：
Figure BDA0003371459820000065
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法的一 种优选方案，其中：还包括，所述公共连接母线电压平衡控制环的控制目标为公 共连接母线电压稳定为参考值
Figure BDA0003371459820000066
其输出为公共连接母线平衡参考电压
Figure BDA0003371459820000067
所述公共连接母线电压平衡控制环的控制分为公共连接母线总电压控制和公共 连接母线电压相间均衡控制；所述公共连接母线总电压控制的控制目标是三相 公共连接母线电压之和稳定为参考值
Figure BDA0003371459820000068
定义公共连接母线总电压控制环输出 为
Figure BDA0003371459820000069
锁相环锁定CHBESS三相电流，锁相环输出的相角为abc坐 标系到dq坐标系的帕克转换矩阵提供角度，利用比例积分控制器进行控制，数 学方程为：
Figure BDA0003371459820000071
Figure BDA0003371459820000072
作为d轴分量，以0为q轴分量，乘以帕克逆变换矩阵，得到abc坐标 系下的公共连接母线总电压控制环输出
Figure BDA0003371459820000073
其中，Vlinka,Vlinkb,Vlinkc为三相公共连接母线电压，sign(-Ipd)为CHBESS电流d 轴分量取反符号，kp3为比例积分控制器比例环节增益系数，ki3为比例积分控制 器积分环节增益系数；
所述公共连接母线电压相间均衡控制的控制目标为三相公共连接母线电压 均衡，在三相公共连接母线电压之和稳定在
Figure BDA0003371459820000074
的基础上，实现每一相公共连接 母线电压稳定在目标值
Figure BDA0003371459820000075
所述公共连接母线电压相间均衡控制，通过在
Figure BDA0003371459820000076
注入零序电压 产生附加功率以实现公共连接母线电压相间均衡，利用比例积分控制器进行控 制，数学方程为：
Figure BDA0003371459820000077
其中，Δua，Δub，Δuc分别为A、B、C三相注入的零序电压分量，为使所述 公共连接母线电压相间均衡控制不对上层控制产生影响，令Δuc＝-(Δua+Δub)， sign(I'pd)为CHBESS电流d轴分量I'pd的符号，kp4为比例积分控制器比例环节增 益系数，ki4为比例积分控制器积分环节增益系数。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法的一 种优选方案，其中：所述多交流端口高压直挂式储能电力变换系统在配网馈线上 串联等效电压的分配策略包括，定义第1条馈线为基准馈线，所述串联等效电压 分配方法满足以下基本条件方程：
Figure BDA0003371459820000078
其中，
Figure BDA0003371459820000079
为所述多交流端口高压直挂式储能电力变换装置在第k条馈线 上串联等效电压交流成分的矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000081
为控制第k条馈线的有功功率 和无功功率时所需串联在基准馈线和第k条馈线之间的串联等效电压矢量表 达式，
Figure BDA0003371459820000082
为第k条馈线上的交流电流的共轭矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000083
为与CHBESS相 连的第二单相变流器交流输出端口电压交流成分的矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000084
为CHBESS 的交流电流的共轭矢量表达式，n为通过所述多交流端口高压直挂式储能电 力变换装置互联的馈线数量。
作为本发明所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法的一 种优选方案，其中：还包括在配网馈线上串联等效电压的一种分配方法为：
Figure BDA0003371459820000085
所述串联等效电压的另一种分配方法是
Figure BDA0003371459820000086
即
Figure BDA0003371459820000087
的选取满足
Figure BDA0003371459820000088
相当于在原拓扑上除去与所述CHBESS连接的第二单相变 流器；所述串联等效电压的另一种分配方法是基准馈线上串联等效电压交流 成分
Figure BDA0003371459820000089
的选取满足
Figure BDA00033714598200000810
最小的条件，即使得单相变流 器输出电压交流成分幅值最小。
本发明的有益效果：本发明通过引入多端口柔性互联模块，提供多个交流互 联端口，并采用级联H桥的形式建立大容量储能系统，实现多交流馈线互联， 储能共享，同时可以对馈线有功功率和无功功率进行解耦控制，以分别控制各馈 线有功功率和无功功率分配，实现CHBESS的充放电控制；本发明互联模块连 接多个交流互联端口，在实现储能功能的同时实现交流电网柔性互联；现有的柔 性互联装置多为背靠背电压源型变流器，本发明与之相比，不需要通过全功率， 采用串联电压源的方式实现主动功率控制，变流器装置占地面积小、成本低、损 耗小、响应速度快；本发明中的多端口柔性互联模块具备模块化、易于拓展的特 点，通过增加互联模块中并联的第一单相变流器数量，可快速、灵活地实现互联 端口的拓展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一 些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还 可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的拓扑结构及与之相连的多端馈线系统示意图；
图2为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的级联H桥储能系统的拓扑与可拓展子模块示意图；
图3为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的第二单相变流器的典型拓扑举例示意图；
图4为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的采用
Figure BDA0003371459820000091
的串联电压分配方法时的等效拓扑示意图；
图5为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的基本流程示意图；
图6为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的实施方案一中利用两端口柔性互联储能系统拓扑及其实现双馈线 互联的系统示意图；
图7为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的实施方案一中第一种工况的仿真各馈线有功功率和无功功率、公 共连接母线电容电压、各馈线电流以及相间和相内子模块电池SOC波形图；
图8为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的实施方案一中第二种工况的仿真各馈线有功功率和无功功率、 公共连接母线电容电压、各馈线电流以及相间和相内子模块电池SOC波形 图；
图9为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的实施方案二中利用三端口柔性互联储能系统拓扑及其实现三条馈 线互联的系统示意图；
图10为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的实施方案二中利用三端口柔性互联储能系统实现三条馈线互联的 控制方法框图；
图11为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的实施方案二中第一种工况的仿真各馈线有功功率和无功功率、公 共连接母线电容电压、各馈线电流以及相间和相内子模块电池SOC波形图；
图12为本发明一个实施例提供的多交流端口高压直挂储能电力变换系统及 其控制方法的实施方案二中第二种工况的仿真各馈线有功功率和无功功率、公 共连接母线电容电压、各馈线电流以及相间和相内子模块电池SOC波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附 图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一 部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没 有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护 的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例 的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少 一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一 个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例 互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表 示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其 在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度 的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指 示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本 发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以 特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、 第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义 理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、 电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连 通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的 具体含义。
实施例1
参照图1～3，为本发明的一个实施例，提供了一种多交流端口高压直挂储能 电力变换系统，包括：
如图1所示，级联H桥储能系统(Cascaed H-Bridge Energy Storage System,CHBESS)，级联H桥储能系统包括多个H桥直流侧并联储能电池后相级联，能 够实现功率的双向流动，可以从电网吸收能量，也可以向电网释放能量，且能够 通过精确控制分配馈线功率以达到充放电可控，同时能够为电网提供无功补偿；
多交流端口柔性互联模块，与级联H桥储能系统相串联，包括多个互相并 联且连接同一公共连接母线的第一单相变流器与一个第二单相变流器。
具体的，第一单相变流器的交流输出端口与馈线串联，通过调节串联在馈线 上的第一单相变流器交流输出端口电压的幅值相位，实现馈线有功功率和无功 功率的精确控制；第二单相变流器的交流输出端口与级联H桥储能系统交流输 出端口相连，通过调节第二单相变流器交流输出端口电压的幅值相位，实现多端 口柔性互联模块的公共连接母线电压稳定，以下将串联在馈线上的第一单相变 流器交流输出端口电压的交流成分称为串联等效电压。
优选的，级联H桥储能系统的耐压等级为中压等级的、三相的、输出电压 为双极性的储能电力变换器；公共连接母线为直流母线，第一单相变流器与第二 单相变流器均为电压源型单相逆变器；
优选的，如图2所示，级联H桥储能电力变换系统的拓扑可以进行拓展， 不同的级联模块数目可以输出不同电平的电压，多个模块级联可以实现多电平 的电压输出；
优选的，电压源型单相变流器为额定输出电压相比级联H桥储能系统器低、 单相的的变流器。
优选的，如图3所示，组成多端口柔性互联模块的单相变流器的拓扑包括两 电平半桥型逆变器或三电平半桥型逆变器，或者其他可实现功率双向流动的半 桥型逆变器。
实施例2
参照图4为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供 了一种应用于多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法，包括：
馈线有功功率和无功功率控制、公共连接母线电压平衡控制以及相间和相 内电池模块的荷电状态(State Of Charge,SOC)均衡控制。
具体的，多交流端口高压直挂式储能电力变换装置互联了多条馈线，各馈线 均可实现有功功率和无功功率控制，从而CHBESS线路的充放电可以通过分配 各馈线功率来实现控制，选取某一条馈线的节点为基准，该馈线称为基准馈线， 基准馈线功率控制可通过CHBESS交流输出电压实现，而其他馈线的有功功率 和无功功率控制通过馈线功率控制来实现，称为功率控制馈线，锁相环锁定基准 馈线的节点三相电压，锁相环输出的相角为abc坐标系到dq坐标系的帕克转换 矩阵提供角度；下面对各所述各种控制方式依次进行描述：
(1)定义第i条馈线为基准馈线，基准馈线功率控制目标为基准馈线的有 功功率达到参考值Pi *和无功功率达到参考值
Figure BDA0003371459820000121
定义线路功率控制环输出为
Figure BDA0003371459820000122
Figure BDA0003371459820000123
即CHBESS线路三相输出电压指令值；
基准馈线功率控制根据定基准馈线的有功功率参考值Pi *与无功功率参考值
Figure BDA0003371459820000124
计算定基准馈线电流d轴和q轴分量参考值
Figure BDA0003371459820000125
与
Figure BDA0003371459820000126
计算公式为：
Figure BDA0003371459820000127
基准馈线功率控制环在dq坐标系下进行，利用比例积分控制器进行控制， 数学方程为：
Figure BDA0003371459820000128
Figure BDA0003371459820000129
和
Figure BDA00033714598200001210
乘以帕克逆转换矩阵，得到abc坐标系下的基准馈线功率控制环输 出参考电压
Figure BDA00033714598200001211
CHBESS的输出参考电压为：
Figure BDA00033714598200001212
其中，V表示馈线的节点电压，Vc表示于馈线相连的第一单相变流器交流 输出端口的交流输出电压，VSM表示与CHBESS相连的第二单相变流器的交流输 出电压，Vp表示CHBESS交流输出电压，I表示馈线的电流，ω表示馈线的交流 频率，L表示馈线的等效电感感值，R表示馈线的等效电阻阻值，V,I,L,R的下 标i表示为基准馈线的参数，后续部分下标j表示为馈线j的参数，下标d表示 为d轴分量，下标q表示为q轴分量，上标*表示为参考值，kp为比例积分控制 器比例环节增益系数，ki为比例积分控制器积分环节增益系数， Vid,Vcid,VSMd,Viq,Vciq,VSMq为前馈项，作用是增强控制环抗干扰能力，加快控制环响应 速度，ωLiIid,ωLiIiq为解耦项，作用是实现d轴和q轴的解耦控制。
(2)馈线功率控制目标为馈线的有功功率达到参考值
Figure BDA0003371459820000131
和无功功率达到参 考值
Figure BDA0003371459820000132
定义线路功率控制环输出为
Figure BDA0003371459820000133
线路功率控制包括：根据功率控制馈线的有功功率参考值和无功功率参考 值计算功率控制馈线电流的d轴分量参考值
Figure BDA0003371459820000134
和q轴分量参考值
Figure BDA0003371459820000135
计算方法 为解如下方程组：
Figure BDA0003371459820000136
线路功率控制环在dq坐标系下进行，利用比例积分控制器进行控制，数学 方程为：
Figure BDA0003371459820000137
Figure BDA0003371459820000138
和
Figure BDA0003371459820000139
乘以帕克逆变换矩阵，得到abc坐标系下的线路功率控制环输出参 考电压
Figure BDA00033714598200001310
即
Figure BDA00033714598200001311
第一单相变流器交流输出端口的参考电压为：
Figure RE-GDA00034332694600001312
其中，
Figure BDA00033714598200001313
为与基准馈线相连的第一单相变流器交流输出端口的参考电压，
Figure BDA00033714598200001314
为与第j条功率控制馈线相连的第一单相变流器交流输出端口的参考电压，
Figure BDA00033714598200001315
为按照任意一种串联等效电压分配方式计算得到的与基准馈线相连的第 一单相变流器交流输出端口的参考电压的交流成分，
Figure BDA00033714598200001316
为单相变流器交流输出 端口输出电压中共有的直流成分参考值，参考值大于零且小于公共连接母线电 压，kp2为比例积分控制器比例环节增益系数，ki2为比例积分控制器积分环节增 益系数，Vid,Viq,Vjd,Vjq,Iid(ωLi+Ri),Iiq(ωLi+Ri)为前馈项，作用是增强控制环抗干扰 能力，加快控制环响应速度，IjqωLj,IjdωLj,IiqωLi,IidωLi为解耦项，作用是实现d轴 和q轴的解耦控制。
(3)相间SOC均衡控制的目标为CHBESS三相电池模块的平均SOC一致， 当三相SOC不一致时，相间SOC均衡控制通过在
Figure BDA0003371459820000141
注入零序电压以 调节三相有功功率，使三相电池模块的平均SOC趋于一致；
定义三相SOC的不均衡度为：
Figure BDA0003371459820000142
其中，
Figure BDA0003371459820000143
表示表示三相平均SOC，SOCa，SOCb，SOCc分别表示A相、B 相和C相的平均SOC，进行等功率克拉克变换，将三相SOC不均衡度转换到 α-β两相静止坐标系下，即：
Figure BDA0003371459820000144
其中，ΔSOCα、ΔSOCβ表示三相SOC不均衡度在α轴和β轴上的分量；
定义ΔSOCm为相间SOC不均衡度，表达式如下：
Figure BDA0003371459820000145
以相角γ表征其在α-β两相静止坐标下的分布：
Figure BDA0003371459820000146
相间SOC均衡控制利用零序电压产生的附加功率实现三相SOC均衡，使三 相附加功率与各相不均衡度成正比，可以得到如下方程：
Figure BDA0003371459820000147
相间SOC均衡控制所需注入零序的有效值和相角的表达式如下：
Figure BDA0003371459820000148
其中，I是CHBESS电流有效值，δ是CHBESS电流相角，λ是相间均衡系 数，其大小决定了注入零序电压和产生附加功率的大小，λ越大，注入零序电压 越大，产生的附加功率也越大，相间SOC均衡就越快，但是λ不可过大，否则 将导致CHBESS输出电压波形畸变过大，影响系统安全。
(4)相内SOC均衡控制的控制目标为CHBESS每一相内部子模块间的电 池SOC一致，每相流过各个子模块的电流相同，通过改变每个模块交流侧的电 压，即在各个不平衡模块交流侧输出电压叠加一个电压基波分量，实现相内SOC 均衡；
以A相为例，定义A相级联模块数目为N，第i个模块的电池SOC为SOCai， 则其不均衡度可以表示为：
Figure BDA0003371459820000151
为实现相内SOC均衡，令第i个模块产生的附加功率与其SOC不均衡度成 正比，即：
Figure BDA0003371459820000152
其中，Va'i为叠加电压基波分量的有效值，Ia为CHBESS的A相电流有效值， δ为A相电流相角，μ为相内均衡系数，
Figure BDA0003371459820000153
为叠加电压基波分量的相角，为使叠 加电压基波分量产生的附加功率最大化，令其与CHBESS的A相电流同相位， 得到所需叠加电压基波分量的有效值和相角的表达式为：
Figure BDA0003371459820000154
(5)公共连接母线电压平衡控制环的控制目标为公共连接母线电压稳定为 参考值
Figure BDA0003371459820000155
其输出为公共连接母线平衡参考电压
Figure BDA0003371459820000156
公共连接母线电压平衡 控制环的控制分为公共连接母线总电压控制和公共连接母线电压相间均衡控制；
公共连接母线总电压控制的控制目标是三相公共连接母线电压之和稳定为 参考值
Figure BDA0003371459820000157
定义公共连接母线总电压控制环输出为
Figure BDA0003371459820000158
锁相环锁 定CHBESS三相电流，锁相环输出的相角为abc坐标系到dq坐标系的帕克转换 矩阵提供角度，利用比例积分控制器进行控制，数学方程为：
Figure BDA0003371459820000159
Figure BDA00033714598200001510
作为d轴分量，以0为q轴分量，乘以帕克逆变换矩阵，得到abc坐标 系下的公共连接母线总电压控制环输出
Figure BDA00033714598200001511
其中，Vlinka,Vlinkb,Vlinkc为三相公共连接母线电压，sign(-Ipd)为CHBESS电流d 轴分量取反符号，kp3为比例积分控制器比例环节增益系数，ki3为比例积分控制 器积分环节增益系数；
公共连接母线电压相间均衡控制的控制目标为三相公共连接母线电压均衡， 在三相公共连接母线电压之和稳定在
Figure BDA0003371459820000161
的基础上，实现每一相公共连接母线电 压稳定在目标值
Figure BDA0003371459820000162
公共连接母线电压相间均衡控制，通过在
Figure BDA0003371459820000163
注入零序电压产生 附加功率以实现公共连接母线电压相间均衡，利用比例积分控制器进行控制，数 学方程为：
Figure BDA0003371459820000164
其中，Δua，Δub，Δuc分别为A、B、C三相注入的零序电压分量，为使公共 连接母线电压相间均衡控制不对上层控制产生影响，令Δuc＝-(Δua+Δub)，sign(I'pd) 为CHBESS电流d轴分量I'pd的符号，kp4为比例积分控制器比例环节增益系数， ki4为比例积分控制器积分环节增益系数。
进一步的，多交流端口高压直挂式储能电力变换系统在配网馈线上串联等 效电压的分配策略包括：
定义第1条馈线为基准馈线，串联等效电压分配方法满足以下基本条件方 程：
Figure BDA0003371459820000165
其中，
Figure BDA0003371459820000166
为多交流端口高压直挂式储能电力变换装置在第k条馈线上串 联等效电压交流成分的矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000167
为控制第k条馈线的有功功率和无 功功率时所需串联在基准馈线和第k条馈线之间的串联等效电压矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000168
为第k条馈线上的交流电流的共轭矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000169
为与CHBESS相连的第 二单相变流器交流输出端口电压交流成分的矢量表达式，
Figure BDA00033714598200001610
为CHBESS的交 流电流的共轭矢量表达式，n为通过多交流端口高压直挂式储能电力变换装置 互联的馈线数量。
优选的，适用于交流电网的具备储能功能以及多条馈线功率控制能力的 多交流端口高压直挂式储能电力变换装置在配网馈线上串联等效电压的分配 方法为满足所述基本条件方程的任何一组
Figure BDA0003371459820000171
的解；
优选的，适用于交流电网的具备储能功能以及多条馈线功率控制能力的 多交流端口高压直挂式储能电力变换装置在配网馈线上串联等效电压的一种 分配方法是
Figure BDA0003371459820000172
其特点为简化性。
进一步优选的，串联等效电压的另一种分配方法是
Figure BDA0003371459820000173
即
Figure BDA0003371459820000174
的选取 满足
Figure BDA0003371459820000175
相当于在原拓扑上除去与CHBESS连接的第二单相变 流器，如图4所示。
进一步优选的，还可以选取任何一种满足基本条件方程的串联等效电压的 分配方法。
进一步优选的，多端口柔性互联模块中的单相变流器交流输出端口电压成 分中含有相同大小的直流成分和控制所需的不同交流成分。
进一步优选的，单相变流器交流输出端口电压的直流成分可以是公共连接 母线电压值的一半，也可以是其他小于公共连接母线电压值且大于零的值。
与传统电网和现有柔性互联装置以及储能系统相比，本发明具有如下有益 效果：传统电网往往不具备多交流馈线互联、馈线功率解耦控制以及储能功 能，而本发明通过引入多端口柔性互联模块，提供多个交流互联端口，并采 用级联H桥的形式建立大容量储能系统，实现多交流馈线互联，储能共享， 同时可以对馈线有功功率和无功功率进行解耦控制，以分别控制各馈线有功 功率和无功功率分配，实现CHBESS的充放电控制；现有的储能系统不具备 多交流馈线互联与馈线功率解耦控制功能，本发明互联模块连接多个交流互联端口，在实现储能功能的同时实现交流电网柔性互联；现有的柔性互联装 置多为背靠背电压源型变流器，本发明与之相比，不需要通过全功率，采用 串联电压源的方式实现主动功率控制，变流器装置占地面积小、成本低、损 耗小、响应速度快；本发明中的多端口柔性互联模块具备模块化、易于拓展 的特点，通过增加互联模块中并联的第一单相变流器数量，可快速、灵活地实 现互联端口的拓展。
实施例3
参照图5～12为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是， 提供了一种多交流端口高压直挂储能电力变换系统及其控制方法的验证测试， 为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用本发明方法进行测 试，以科学论证的手段验证本方法所具有的真实效果。
实施方式1：如图5所示，设定两条馈线，利用多交流端口高压直挂式储能 电力变换装置实现双馈线互联；多交流端口高压直挂式储能电力变换装置包 括CHBESS和与之串联的多端口柔性互联模块。多端口柔性互联模块包含三 个连接同一直流母线的两电平半桥型逆变器，三个半桥型逆变器分别与 CHBESS以及两条馈线相连；通过调节串联在馈线上的串联等效电压、与 CHBESS串联的半桥型逆变器交流输出端口电压的交流成分、CHBESS的交 流输出端口电压的交流成分的幅值相位，一方面实现各馈线有功功率与无功 功率解耦控制与精确分配，以实现CHBESS充放电控制，另一方面实现多交 流端口高压直挂式储能电力变换装置的内部能量平衡。
对于图5所示的两端口柔性交流互联储能装置系统，其装置内部能量平 衡的表现为公共连接母线的电容电压保持稳定，公共连接母线的电容电压保 持稳定，则要求流入其中的有功功率为零，即：
Figure BDA0003371459820000181
其中，
Figure BDA0003371459820000182
表示与馈线1相连的半桥型变流器交流输出端口的电压的交流成 分矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000183
表示与馈线2相连的半桥型变流器交流输出端口的电压的交 流成分矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000184
表示与CHBESS相连的半桥型变流器交流输出端口的 电压的交流成分矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000185
表示馈线1电流的共轭矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000186
表示馈线 2电流的共轭矢量表达式，
Figure BDA0003371459820000187
表示CHBESS支路电流的共轭矢量表达式；通过调 节
Figure BDA0003371459820000188
的幅值及大小，使得上述方程成立，即实现多交流端口高压直挂式储能 电力变换装置的内部能量平衡。
实施方式2：如图9所示，设定三条馈线，利用多交流端口高压直挂式 储能电力变换装置实现三条馈线互联。该实施例中，多交流端口高压直挂式 储能电力变换装置包括CHBESS和与之串联的多端口柔性互联模块，多端口 柔性互联模块包含四个连接同一直流母线的两电平半桥型逆变器，四个半桥 型逆变器分别与CHBESS以及三条馈线相连；通过调节串联在馈线上的串联 等效电压、与CHBESS串联的半桥型逆变器交流输出端口电压的交流成分、CHBESS的交流输出端口电压的交流成分的幅值相位，一方面实现各馈线有 功功率与无功功率解耦控制与精确分配，以实现CHBESS充放电控制，另一 方面实现多交流端口高压直挂式储能电力变换装置的内部能量平衡，该实施 例中，多交流端口高压直挂式储能电力变换装置的内部能量平衡的原理与上 述实施方式1相同。
以下结合具体的仿真实例来对上述两个实施方式中的结构和方法的应用分 别进行进一步说明，结合上述实施方式，以下采用MATLAB/Simulink软件针 对系统进行仿真验证，仿真参数如表1所示。
表1：仿真参数表。
参数 数值
馈线额定视在功率 S<sub>N</sub>＝1MV·A
CHBESS额定容量 S<sub>CHB</sub>＝2MV·A
节点1电压 V<sub>1,RMS</sub>＝10.5kV,θ<sub>1</sub>＝0°
馈线1阻抗 L<sub>1</sub>＝35mH,R<sub>1</sub>＝0.55Ω
节点2电压 V<sub>2,RMS</sub>＝10.5kV,θ<sub>2</sub>＝-3°
馈线2阻抗 L<sub>2</sub>＝35mH,R<sub>2</sub>＝0.55Ω
节点3电压 V<sub>3,RMS</sub>＝10.5kV,θ<sub>3</sub>＝-5°
馈线3阻抗 L<sub>3</sub>＝35mH,R<sub>3</sub>＝0.55Ω
公共连接电容 C<sub>link</sub>＝5.5mF,V<sub>link</sub>＝2500V
CHBESS子模块电容 C＝3mF
CHBESS子模块个数 20
电池单元额定电压 676V
开关频率 3kHz
仿真实例一：
两端口馈线柔性交流互联储能装置系统，其连接示意图参照图5，仿真 实例一的控制方法如图6所示。两端口馈线柔性交流互联储能装置包含三个 半桥型逆变器，选定馈线1作为基准馈线，控制CHBESS的输出电压对馈线1的有功功率和无功功率进行控制，对应的控制环为基准馈线功率控制环， 与交流馈线相连的两个半桥型逆变器控制馈线2上的有功功率和无功功率， 对应的控制环为馈线功率控制环；与CHBESS相连的半桥型逆变器控制公共 连接母线电压平衡，对应的控制环为公共连接母线电压平衡控制环；相间 SOC均衡控制环和相内SOC均衡控制环根据SOC偏差产生零序电压或交流 电压基波分量，使相间相内SOC趋于均衡。
仿真实例一的多交流端口高压直挂式储能电力变换装置在配网馈线上串 联等效电压的分配方法，考虑优化目标为半桥型逆变器所需输出电压交流成 分幅值最小，即
Figure BDA0003371459820000201
的选取满足
Figure BDA0003371459820000202
最小。
为验证多交流端口高压直挂式储能电力变换装置的馈线功率控制、能量 平衡控制以及SOC均衡控制能力，仿真设定了CHBESS充放电两种运行工 况。
工况一：CHBESS充电，节点1发出0.4p.u.有功功率，0.2p.u.无功功率， 节点2发出0.4p.u.有功功率，0.2p.u.无功功率，即P1＝0.4MW,Q1＝0.2MVar, P2＝0.4MW,Q2＝0.2MVar，并为了验证SOC均衡控制，设定CHBESS的A、B、 C三相电池初始平均SOC分别为49.99％，50％，50.01％，B相的前三个子模 块电池初始SOC分别为49.99％，50％，50.01％。
工况二：CHBESS放电，节点1吸收出0.5p.u.有功功率，0.3p.u.无功功率， 节点2吸收0.3p.u.有功功率，发出0.2p.u.无功功率，即P1＝-0.5MW,Q1＝-0.3MVar， P2＝-0.3MW,Q2＝0.2MVar，并为了验证SOC均衡控制，设定CHBESS的A、B、 C三相电池初始平均SOC分别为49.99％，50％，50.01％，B相的前三个子模 块电池初始SOC分别为49.99％，50％，50.01％。
图7、图8分别为仿真实例一中工况一与工况二的仿真结果，每幅图包 含9幅波形图，从左到右、从上到下依次为馈线1有功功率P1波形图，馈线1 无功功率Q1波形图，馈线2有功功率P2波形图，馈线2无功功率Q2波形图，三 相公共连接母线电压Vlink_abc波形图，馈线1三相电流I1abc波形图，馈线2 三相电流I2abc波形图，CHBESS三相平均电池SOC波形图，CHBESS的B相 前三个子模块电池SOC波形图。
仿真波形结果表明，多交流端口高压直挂式储能电力变换装置可实现端 口互联馈线上的有功功率与无功功率解耦与主动控制，同时保持内部能量平 衡，即公共连接母线电容电压稳定，在CHBESS三相相间或相内电池SOC不 均衡时，SOC均衡控制能够发挥作用使SOC趋于一致。
仿真实例二：
三端口馈线柔性交流互联储能装置系统，其连接示意图参照图9，实例 二的控制方法如图10所示。三端口馈线柔性交流互联储能装置包含四个半桥 型逆变器，选定馈线1作为基准馈线，控制CHBESS的输出电压对馈线1的 有功功率和无功功率进行控制，对应的控制环为基准馈线功率控制环，与交 流馈线相连的三个半桥型逆变器控制馈线2和馈线3上的有功功率和无功功 率，对应的控制环为馈线功率控制环，与CHBESS相连的半桥型逆变器控制 公共连接母线电压平衡，对应的控制环为公共连接母线电压平衡控制环，相 间SOC均衡控制环和相内SOC均衡控制环根据SOC偏差产生零序电压或交 流电压基波分量，使相间相内SOC趋于均衡。
仿真实例二的多交流端口高压直挂式储能电力变换装置在配网馈线上串 联等效电压的分配方法，考虑优化目标为半桥型逆变器所需输出电压交流成 分幅值最小，即
Figure BDA0003371459820000211
的选取满足
Figure BDA0003371459820000212
最小。
为验证多交流端口高压直挂式储能电力变换装置的馈线功率控制、能量 平衡控制以及SOC均衡控制能力，仿真设定了CHBESS充放电两种运行工 况。
工况一：CHBESS充电，节点1发出0.4p.u.有功功率，0.2p.u.无功功率， 节点2发出0.6p.u.有功功率，0.2p.u.无功功率，节点3发出0.4p.u.有功功率， 吸收0.2p.u.无功功率，即P1＝0.4MW,Q1＝0.2MVar,P2＝0.6MW,Q2＝0.2MVar， P3＝0.4MW,Q3＝-0.2MVar，并为了验证SOC均衡控制，设定CHBESS的A、B、 C三相电池初始平均SOC分别为49.99％，50％，50.01％，B相的前三个子模 块电池初始SOC分别为49.99％，50％，50.01％。
工况二：CHBESS放电，节点1吸收出0.5p.u.有功功率，0.2p.u.无功功率， 节点2吸收0.3p.u.有功功率，发出0.2p.u.无功功率，节点3吸收0.4p.u.有功 功率，0.2p.u.无功功率，即P1＝-0.5MW,Q1＝-0.2MVar,P2＝-0.3MW,Q2＝0.2MVar， P3＝-0.4MW,Q3＝-0.2MVar，并为了验证SOC均衡控制，设定CHBESS的A、B、C三相电池初始平均SOC分别为49.99％，50％，50.01％，B相的前三个子 模块电池初始SOC分别为49.99％，50％，50.01％。
图11、图12分别为仿真实例二中工况一与工况二的仿真结果，每幅图 包含12幅波形图，从左到右、从上到下依次为馈线1有功功率P1波形图，馈 线1无功功率Q1波形图，馈线2有功功率P2波形图，馈线2无功功率Q2波形图， 馈线3有功功率P3波形图，馈线3无功功率Q3波形图，三相公共连接母线电压 Vlink_abc波形图，馈线1三相电流I1abc波形图，馈线2三相电流I2abc波形图， 馈线3三相电流I3abc波形图，CHBESS三相平均电池SOC波形图，CHBESS的 B相前三个子模块电池SOC波形图。
仿真波形结果表明，多交流端口高压直挂式储能电力变换装置可实现端 口互联馈线上的有功功率与无功功率解耦与主动控制，同时保持内部能量平 衡，即公共连接母线电容电压稳定，在CHBESS三相相间或相内电池SOC不 均衡时，SOC均衡控制能够发挥作用使SOC趋于一致，且该实例验证了该柔 性交流互联储能装置可以实现多端口扩展。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者 通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方 法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介 质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义 的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级 过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序 可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。 此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指 示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可 在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同 地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程 序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个 或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实 现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算 环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等 等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码 来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存 储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由 计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可 读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器 或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这 些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法 和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执 行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数 据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施 例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象 的特定视觉描绘。
如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机 相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者 运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理 器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算 设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执 行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两 个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种 计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组 (例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件 进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互) 的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照 较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对 本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和 范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种多交流端口高压直挂储能电力变换系统，其特征在于，包括：
级联H桥储能系统，所述级联H桥储能系统包括多个H桥直流侧并联储能电池后相级联；
多交流端口柔性互联模块，与所述级联H桥储能系统相串联，包括多个互相并联且连接同一公共连接母线的第一单相变流器与一个第二单相变流器。
2.如权利要求1所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统，其特征在于：所述第一单相变流器的交流输出端口与馈线串联，通过调节串联在馈线上的所述第一单相变流器交流输出端口电压的幅值相位，实现馈线有功功率和无功功率的精确控制；
所述第二单相变流器的交流输出端口与所述级联H桥储能系统交流输出端口相连，通过调节所述第二单相变流器交流输出端口电压的幅值相位，实现所述多端口柔性互联模块的公共连接母线电压稳定。
3.如权利要求1所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统，其特征在于：所述级联H桥储能系统的耐压等级为中压等级的、三相的、输出电压为双极性的储能电力变换器；
所述公共连接母线为直流母线，所述第一单相变流器与所述第二单相变流器均为电压源型单相逆变器；
电压源型单相变流器为额定输出电压相比所述级联H桥储能系统器低、单相的的变流器。
4.如权利要求1所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统，其特征在于：对所述多交流端口柔性互联模块进行拓展，通过增加所述第一单相变流器的数目，增加系统互联馈线数目。
5.如权利要求1～4任一所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统，其特征在于：对所述级联H桥储能电力变换系统的拓扑进行拓展，不同的级联模块数目输出不同电平的电压，基于多个模块级联实现多电平的电压输出。
6.如权利要求5所述的多交流端口高压直挂储能电力变换系统，其特征在于：组成所述多端口柔性互联模块的单相变流器的拓扑包括两电平半桥型逆变器或三电平半桥型逆变器，或者其他可实现功率双向流动的半桥型逆变器。
7.如权利要求1所述的应用于多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法，其特征在于，包括：馈线有功功率和无功功率控制、公共连接母线电压平衡控制以及相间和相内电池模块的荷电状态均衡控制。
8.如权利要求7所述的应用于多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法，其特征在于：包括，
定义第i条馈线为基准馈线，所述基准馈线功率控制目标为基准馈线的有功功率达到参考值Pi *和无功功率达到参考值
Figure FDA0003371459810000021
定义线路功率控制环输出为
Figure FDA0003371459810000022
Figure FDA0003371459810000023
即CHBESS线路三相输出电压指令值；
所述基准馈线功率控制根据定基准馈线的有功功率参考值Pi *与无功功率参考值
Figure FDA0003371459810000024
计算定基准馈线电流d轴和q轴分量参考值
Figure FDA0003371459810000025
与
Figure FDA0003371459810000026
计算公式为：
Figure FDA0003371459810000027
所述基准馈线功率控制环在dq坐标系下进行，利用比例积分控制器进行控制，数学方程为：
Figure FDA0003371459810000028
Figure FDA0003371459810000029
和
Figure FDA00033714598100000210
乘以帕克逆转换矩阵，得到abc坐标系下的基准馈线功率控制环输出参考电压
Figure FDA00033714598100000211
所述CHBESS的输出参考电压为：
Figure FDA00033714598100000212
其中，V表示馈线的节点电压，Vc表示于馈线相连的第一单相变流器交流输出端口的交流输出电压，VSM表示与CHBESS相连的第二单相变流器的交流输出电压，Vp表示CHBESS交流输出电压，I表示馈线的电流，ω表示馈线的交流频率，L表示馈线的等效电感感值，R表示馈线的等效电阻阻值，V,I,L,R的下标i表示为基准馈线的参数，后续部分下标j表示为馈线j的参数，下标d表示为d轴分量，下标q表示为q轴分量，上标*表示为参考值，kp为比例积分控制器比例环节增益系数，ki为比例积分控制器积分环节增益系数，Vid,Vcid,VSMd,Viq,Vciq,VSMq为前馈项，作用是增强控制环抗干扰能力，加快控制环响应速度，ωLiIid,ωLiIiq为解耦项，作用是实现d轴和q轴的解耦控制。
9.如权利要求7所述的应用于多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法，其特征在于：还包括，
所述馈线功率控制目标为馈线的有功功率达到参考值
Figure FDA0003371459810000031
和无功功率达到参考值
Figure FDA0003371459810000032
定义线路功率控制环输出为
Figure FDA0003371459810000033
所述线路功率控制包括：根据功率控制馈线的有功功率参考值和无功功率参考值计算功率控制馈线电流的d轴分量参考值
Figure FDA0003371459810000034
和q轴分量参考值
Figure FDA0003371459810000035
计算方法为解如下方程组：
Figure FDA0003371459810000036
所述线路功率控制环在dq坐标系下进行，利用比例积分控制器进行控制，数学方程为：
Figure FDA0003371459810000037
Figure FDA0003371459810000038
和
Figure FDA0003371459810000039
乘以帕克逆变换矩阵，得到abc坐标系下的线路功率控制环输出参考电压
Figure FDA00033714598100000310
即
Figure FDA00033714598100000311
第一单相变流器交流输出端口的参考电压为：
Figure FDA00033714598100000312
其中，
Figure FDA00033714598100000313
为与基准馈线相连的第一单相变流器交流输出端口的参考电压，
Figure FDA00033714598100000314
为与第j条功率控制馈线相连的第一单相变流器交流输出端口的参考电压，
Figure FDA00033714598100000315
为按照任意一种串联等效电压分配方式计算得到的与基准馈线相连的第一单相变流器交流输出端口的参考电压的交流成分，
Figure FDA00033714598100000316
为单相变流器交流输出端口输出电压中共有的直流成分参考值，所述参考值大于零且小于公共连接母线电压，kp2为比例积分控制器比例环节增益系数，ki2为比例积分控制器积分环节增益系数，Vid,Viq,Vjd,Vjq,Iid(ωLi+Ri),Iiq(ωLi+Ri)为前馈项，作用是增强控制环抗干扰能力，加快控制环响应速度，IjqωLj,IjdωLj,IiqωLi,IidωLi为解耦项，作用是实现d轴和q轴的解耦控制。
10.如权利要求7所述的应用于多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法，其特征在于：还包括，
所述相间SOC均衡控制的目标为CHBESS三相电池模块的平均SOC一致，当三相SOC不一致时，所述相间SOC均衡控制通过在
Figure FDA0003371459810000041
注入零序电压以调节三相有功功率，使三相电池模块的平均SOC趋于一致；
定义三相SOC的不均衡度为：
Figure FDA0003371459810000042
其中，
Figure FDA0003371459810000043
表示表示三相平均SOC，SOCa，SOCb，SOCc分别表示A相、B相和C相的平均SOC，进行等功率克拉克变换，将三相SOC不均衡度转换到α-β两相静止坐标系下，即：
Figure FDA0003371459810000044
其中，ΔSOCα、ΔSOCβ表示三相SOC不均衡度在α轴和β轴上的分量；
定义ΔSOCm为相间SOC不均衡度，表达式如下：
Figure FDA0003371459810000045
以相角γ表征其在α-β两相静止坐标下的分布：
Figure FDA0003371459810000046
所述相间SOC均衡控制利用零序电压产生的附加功率实现三相SOC均衡，使三相附加功率与各相不均衡度成正比，可以得到如下方程：
Figure FDA0003371459810000047
所述相间SOC均衡控制所需注入零序的有效值和相角的表达式如下：
Figure FDA0003371459810000051
其中，I是CHBESS电流有效值，δ是CHBESS电流相角，λ是相间均衡系数，λ越大，注入零序电压越大，产生的附加功率也越大，相间SOC均衡就越快。
11.如权利要求7所述的应用于多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法，其特征在于：还包括，
所述相内SOC均衡控制的控制目标为CHBESS每一相内部子模块间的电池SOC一致，每相流过各个子模块的电流相同，通过改变每个模块交流侧的电压，即在各个不平衡模块交流侧输出电压叠加一个电压基波分量，实现相内SOC均衡；
定义A相级联模块数目为N，第i个模块的电池SOC为SOCai，则其不均衡度可以表示为：
Figure FDA0003371459810000052
为实现相内SOC均衡，令第i个模块产生的附加功率与其SOC不均衡度成正比，即：
Figure FDA0003371459810000053
其中，Va'i为叠加电压基波分量的有效值，Ia为CHBESS的A相电流有效值，δ为A相电流相角，μ为相内均衡系数，
Figure FDA0003371459810000054
为叠加电压基波分量的相角，为使叠加电压基波分量产生的附加功率最大化，令其与CHBESS的A相电流同相位，得到所需叠加电压基波分量的有效值和相角的表达式为：
Figure FDA0003371459810000055
12.如权利要求7所述的应用于多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法，其特征在于：还包括，
所述公共连接母线电压平衡控制环的控制目标为公共连接母线电压稳定为参考值
Figure FDA0003371459810000056
其输出为公共连接母线平衡参考电压
Figure FDA0003371459810000057
所述公共连接母线电压平衡控制环的控制分为公共连接母线总电压控制和公共连接母线电压相间均衡控制；
所述公共连接母线总电压控制的控制目标是三相公共连接母线电压之和稳定为参考值
Figure FDA0003371459810000061
定义公共连接母线总电压控制环输出为
Figure FDA0003371459810000062
锁相环锁定CHBESS三相电流，锁相环输出的相角为abc坐标系到dq坐标系的帕克转换矩阵提供角度，利用比例积分控制器进行控制，数学方程为：
Figure FDA0003371459810000063
Figure FDA0003371459810000064
作为d轴分量，以0为q轴分量，乘以帕克逆变换矩阵，得到abc坐标系下的公共连接母线总电压控制环输出
Figure FDA0003371459810000065
其中，Vlinka,Vlinkb,Vlinkc为三相公共连接母线电压，sign(-Ipd)为CHBESS电流d轴分量取反符号，kp3为比例积分控制器比例环节增益系数，ki3为比例积分控制器积分环节增益系数；
所述公共连接母线电压相间均衡控制的控制目标为三相公共连接母线电压均衡，在三相公共连接母线电压之和稳定在
Figure FDA0003371459810000066
的基础上，实现每一相公共连接母线电压稳定在目标值
Figure FDA0003371459810000067
所述公共连接母线电压相间均衡控制，通过在
Figure FDA0003371459810000068
注入零序电压产生附加功率以实现公共连接母线电压相间均衡，利用比例积分控制器进行控制，数学方程为：
Figure FDA0003371459810000069
其中，Δua，Δub，Δuc分别为A、B、C三相注入的零序电压分量，为使所述公共连接母线电压相间均衡控制不对上层控制产生影响，令Δuc＝-(Δua+Δub)，sign(I'pd)为CHBESS电流d轴分量I'pd的符号，kp4为比例积分控制器比例环节增益系数，ki4为比例积分控制器积分环节增益系数。
13.如权利要求7～12任一所述的应用于多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法，其特征在于：所述多交流端口高压直挂式储能电力变换系统在配网馈线上串联等效电压的分配策略包括，
定义第1条馈线为基准馈线，所述串联等效电压分配方法满足以下基本条件方程：
Figure FDA00033714598100000610
其中，
Figure FDA0003371459810000071
为所述多交流端口高压直挂式储能电力变换装置在第k条馈线上串联等效电压交流成分的矢量表达式，
Figure FDA0003371459810000072
为控制第k条馈线的有功功率和无功功率时所需串联在基准馈线和第k条馈线之间的串联等效电压矢量表达式，
Figure FDA0003371459810000073
为第k条馈线上的交流电流的共轭矢量表达式，
Figure FDA0003371459810000074
为与CHBESS相连的第二单相变流器交流输出端口电压交流成分的矢量表达式，
Figure FDA0003371459810000075
为CHBESS的交流电流的共轭矢量表达式，n为通过所述多交流端口高压直挂式储能电力变换装置互联的馈线数量。
14.如权利要求13所述的应用于多交流端口高压直挂储能电力变换系统的控制方法，其特征在于：还包括，
在配网馈线上串联等效电压的一种分配方法为：
Figure FDA0003371459810000076
所述串联等效电压的另一种分配方法是
Figure FDA0003371459810000077
即
Figure FDA0003371459810000078
的选取满足
Figure FDA0003371459810000079
相当于在原拓扑上除去与所述CHBESS连接的第二单相变流器；
所述串联等效电压的另一种分配方法是基准馈线上串联等效电压交流成分
Figure FDA00033714598100000710
的选取满足
Figure FDA00033714598100000711
最小的条件，即使得单相变流器输出电压交流成分幅值最小。
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