CN114884078A - 无功补偿与储能一体化的高压直挂系统 - Google Patents

无功补偿与储能一体化的高压直挂系统 Download PDF

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CN114884078A
CN114884078A CN202210107173.8A CN202210107173A CN114884078A CN 114884078 A CN114884078 A CN 114884078A CN 202210107173 A CN202210107173 A CN 202210107173A CN 114884078 A CN114884078 A CN 114884078A
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蔡旭
吴西奇
李睿
刘畅
史先强
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Shanghai Jiaotong University
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Abstract

本发明提供了一种无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，包括：模块M1：基于级联H桥变换器的参数信息和网侧电流计算零序电压的幅值和相对相位；模块M2：基于高压直挂储能系统的无功功率给定计算级联H桥变换器每相输出电压的给定值，再根据每一相的电池荷电状态、零序电压的幅值和相对相位计算得到级联H桥变换器每相输出电压的调制电压；模块M3：基于每相各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联H桥变换器每相输出电压的调制电压，计算最近电平调制下需要投入的子模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的功率模块数量决定各个功率模块的驱动信号。

Description

无功补偿与储能一体化的高压直挂系统
技术领域
本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，更为具体地，涉及一种基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补偿控制系统以及一种基于相内有功变换的高压直挂储能系统无功补偿控制系统。
背景技术
发展大容量电池储能技术有利于提高风光电源装机容量，推动能源结构转型，从而助力碳达峰、碳中和目标的实现。与传统储能系统相比，高压直挂BESS实现了单机大容量化，同时满足了高效率、高可靠性、经济性和安全性需求。组成大规模储能电站时所需并联台数少，电站结构及控制策略简单，响应速度快，可满足百MW级储能系统需求，且不易引发系统稳定性问题。
根据风电场的出口功率要求，需要在风电场出口配置30％的SVG来提供电网的无功补偿，另外还需要配置15％-20％的储能设施，如果静置的储能设备不仅能在调峰调频时提供电网有功功率的平抑功能，同时能提供额定容量的无功补偿能力，将可以大幅度减小SVG的需求和投资成本，具有较好的经济效益。然而高压直挂电池储能系统输出纯无功功率时，若采用传统的控制方法，会存在二倍频电流对电池循环快速充放电，影响电池寿命。
现有技术中，已有以下一些解决基于级联H桥变换器的无功补偿装置和控制的方法被提出：
专利文献CN103840474A(申请号：201410075640.9)公开了一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，可以实现无功电压支撑、谐波污染治理以及功率振荡阻尼等功能，可直挂中高压交流电网，输出波形质量好、开关动作频率低、所需开关器件数量相对较少、直流电压利用率高以及可抑制直流侧故障电流等特点，可以减少交流侧滤波器数量，降低补偿器的前期投入成本和控制复杂度，提高无功补偿器的能量转换效率，提高无功补偿器的故障生存能力，提升无功补偿器的单位利用率以及扩大无功补偿器的应用场合和作用，然而同步无功补偿器无法为系统提供和吸收有功功率，不能实现电网的调峰调频。
专利文献CN110350564A(申请号：201910697341.1)公开了一种高压直挂式储能装置及功率控制方法，具有对有功和无功功率的四象限调节能力，实现有功无功的独立控制，同时调节系统的电压和频率，然而该方法需要在每个子模块中增加一个DC/DC变换器，增加了系统和控制的复杂度，增加了系统成本也减小了系统的可靠性。
专利文献CN110350564B(申请号：201910697341.1)公开了一种高压直挂式储能装置，包括：与A相、B相及C相线路分别相连的A相H桥功率模块、B相H桥功率模块及C相H桥功率模块，分别包括级联的两个以上的H桥功率模块，并且A相、B相及C相线路采用星型连接方式；直流侧电容，每个H桥功率模块的直流侧均并联一个直流侧电容；蓄电池及超级电容，分别作为能量型储能元件及功率型储能元件；以及隔离型三端口有源桥式变换器，一侧连接至电容的一侧，另一侧与蓄电池及超级电容同时连接。本公开还提供了一种高压直挂式储能装置的功率控制方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无功补偿与储能一体化的高压直挂系统。
根据本发明提供的一种无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，包括：
模块M1：基于级联H桥变换器的参数信息和网侧电流计算零序电压的幅值和相对相位；
模块M2：基于高压直挂储能系统的无功功率给定计算级联H桥变换器每相输出电压的给定值，再根据每一相的电池荷电状态、零序电压的幅值和相对相位计算得到级联H桥变换器每相输出电压的调制电压；
模块M3：基于每相各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联H桥变换器每相输出电压的调制电压，计算最近电平调制下需要投入的功率模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的功率模块数量决定各个功率模块的驱动信号。
优选地，在所述模块M1中：
模块M1.1：计算电池电流纹波率γ；
Figure BDA0003493781910000031
其中，ω2＝4πfAC表示二倍频分量的角速度；fAC表示电网电压的频率；R表示电池和直流侧滤波电感的电阻之和；L表示直流侧滤波电感的电感值；C表示母线电容的电容值；
模块M1.2：计算相无功功率和有功功率比值的临界值ρ；
Figure BDA0003493781910000032
模块M1.3：计算零序电压的相对相位θ；
Figure BDA0003493781910000033
模块M1.4：计算零序电压的幅值V0；
Figure BDA0003493781910000034
其中，ω＝2πfAC表示电网电压基频的角速度；Vs表示电网电压的相电压幅值；Is表示电网电流的幅值；LAC表示交流侧滤波电感的感值。
优选地，在所述模块M2中：
模块M2.1：根据高压直挂储能系统所需要发出的无功功率得到dq旋转坐标系的电流给定值
Figure BDA0003493781910000035
和
Figure BDA0003493781910000036
模块M2.2：级联H桥变换器的三相输出电流ia、ib、ic和锁相角度theta通过abc/dq矢量变换得到dq旋转坐标系的实际电流值id和iq；
模块M2.3：d轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000037
与d轴电流实际值id的差值经过PI控制器后取负，再与d轴的交叉解耦分量ωLACiq相加，再跟d轴电压实际值ud求和得到d轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000038
q轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000039
与q轴电流实际值iq的差值经过PI控制器后取负，再与q轴的交叉解耦分量2πfACLACid相减，再跟q轴电压实际值uq求和得到q轴电压给定值
Figure BDA00034937819100000310
模块M2.4：电压给定值
Figure BDA00034937819100000311
和锁相角度theta通过dq/abc矢量变换得到级联H桥变换器的三相输出电压给定值
Figure BDA00034937819100000312
模块M2.5：若高压直挂储能系统发出纯感性无功功率，零序电压的相对相位θ取负后与第j相电流的相位做差，得到零序电压的相位θ0：
θ0＝-θ-φij (5)
其中，φij表示第j相电流的相位；下标i表示电流；
若压直挂储能系统发出纯容性无功功率，零序电压的相对相位θ与第j相电流的相位做差，得到零序电压的相位θ0：
θ0＝θ-φij (6)
模块M2.6：计算第j相的电池荷电状态SOCj与压直挂储能系统的电池荷电状态SOCsys的差值ΔSOCj；
ΔSOCj＝SOCj-SOCsys (7)
若ΔSOCj达到设定的下限值，则改变第j相为电池荷电状态最高的相，重复触发步骤S2.5重新计算零序电压的相位θ0；若还没有达到设定的下限值，则保持原零序电压的相位；
模块M2.7：计算零序电压的瞬时值；
Figure BDA0003493781910000041
模块M2.8：计算级联H桥变换器的三相输出电压调制电压va、vb、vc；
Figure BDA0003493781910000042
优选地，在所述模块M3中：
模块M3.1：采样得到每相内各个功能模块的电池荷电状态和电容电压，对每相内各个功率模块进行电池荷电状态的排序，计算每相内总功率模块电容电压的平均值；
模块M3.2：用级联H桥变换器的三相输出电压调制电压va、vb、vc除以每相内总功率模块电容电压的平均值，计算级联H桥变换器的三相需要投入的功率模块个数Na、Nb、Nc；
Figure BDA0003493781910000043
其中，round()表示就近取整函数；Va、Vb、Vc表示A、B、C三相总功率模块电容电压的平均值；
模块M3.3：以向网侧输出电流为相电流ix，x＝a,b,c的正方向，当相电流ix方向为正时，三相需要投入的功率模块个数Nx也为正时，按照电池荷电状态由高到低投入Nx个功率模块，投入的Nx个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为正时，三相需要投入的功率模块个数Nx为负时，按照电池荷电状态由低到高投入|Nx|个功率模块，投入的|Nx|个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相需要投入的功率模块个数Nx也为负时，按照电池荷电状态由高到低投入|Nx|个功率模块，投入的|Nx|个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相需要投入的功率模块个数Nx为正时，按照电池荷电状态由低到高投入Nx个功率模块，投入的Nx个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平。
优选地，包括：
模块M4：计算高压直挂储能系统参数限制下最大零序电压的幅值；
模块M5：计算使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角；
模块M6：高压直挂储能系统参数限制下最大零序电压的幅值和使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角得到功率模块中无源参数设计准则，基于功率模块中无源参数设计准则设置功率模块中的直流侧滤波电感和母线电容。
优选地，在所述模块M4中，
定义网侧额定电压为Vs，假设额定容量无功输出电感电压压降为σLVs，变换器能输出最大电压为βVs，零序电压V0滞后b相电流-isb角度为θ，计算最大零序电压的幅值V0；
Figure BDA0003493781910000051
其中，σL表示额定容量无功输出电感电压压降和网侧额定电压的比值；β表示变换器能输出最大电压和网侧额定电压的比值；
求解最大零序电压幅值为
Figure BDA0003493781910000052
优选地，在所述模块M5中，
模块M5.1：求解三相无功功率和有功功率比值；
Figure BDA0003493781910000053
Figure BDA0003493781910000054
Figure BDA0003493781910000061
其中，Qx(x＝a,b,c)为A、B、C三相的无功功率，Px(x＝a,b,c)为A、B、C三相的有功功率；
模块M5.2：求解得到使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角；
Figure BDA0003493781910000062
优选地，在所述模块M6中，
模块M6.1：计算最小的零序电压的相角和最大零序电压幅值下，三相有功功率产生的电池电流直流分量|Ix|为：
Figure BDA0003493781910000063
其中，Vbat为电池电压；
模块M6.2：计算最小的零序电压的相角和最大零序电压幅值下，三相视在功率产生的电流交流分量|ix|为：
Figure BDA0003493781910000064
模块M6.3：计算交流电流经过LC滤波后流入电池中的成分
Figure BDA0003493781910000065
为
Figure BDA0003493781910000066
模块M6.4：为了使得电池电流不在工频周期来回充放电，要保证
Figure BDA0003493781910000067
其中，
Figure BDA0003493781910000069
为裕度系数；
模块M6.5：假设根据高压直挂储能系统系统发出纯有功设计得到的电池电流纹波率为γ，设计的参数需要满足：
Figure BDA0003493781910000068
根据本发明提供的一种无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，包括：
模块S1：基于级联H桥变换器的参数信息和网侧电流计算每相中两桥臂的电压幅值和相对相位；
模块S2：基于高压直挂储能系统的无功功率给定和每相中两桥臂的电池荷电状态，根据每相中两桥臂的电压幅值和相位相对计算级联H桥变换器每相中两桥臂输出电压的给定值；
模块S3：基于每相内各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联H桥变换器每相中两桥臂输出电压的给定值，计算最近电平调制下需要投入的子模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的子模块数量决定各个功率模块的驱动信号。
优选地，在所述模块S1中，
模块S1.1：计算电池电流纹波率γ；
Figure BDA0003493781910000071
其中，ω2＝4πfAC表示二倍频分量的角速度；fAC表示电网电压的频率；R表示电池和直流侧滤波电感的电阻之和；L表示直流侧滤波电感的电感值，C表示母线电容的电容值；
模块S1.2：计算每相中两桥臂电压的相对相位θ；
θ＝arcsin(γ) (23)
模块S1.3：计算每相中两桥臂的幅值V1,V2；
Figure BDA0003493781910000072
其中，ω＝2πfAC为电网电压基频的角速度，Vs为电网电压的相电压幅值，Is为电网电流的幅值，LAC为交流侧滤波电感的感值；
在所述模块S2中，
模块S2.1：根据高压直挂储能系统所需要发出的无功功率得到dq旋转坐标系的电流给定值
Figure BDA0003493781910000073
和
Figure BDA0003493781910000074
模块S2.2：级联H桥变换器的三相输出电流ia、ib、ic和锁相角度theta通过abc/dq矢量变换得到dq旋转坐标系的实际电流值id和iq；
模块S2.3：d轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000075
与d轴电流实际值id的差值经过PI控制器后取负，再与d轴的交叉解耦分量ωLACiq相加，再跟d轴电压实际值ud求和得到d轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000076
q轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000077
与q轴电流实际值iq的差值经过PI控制器后取负，再与q轴的交叉解耦分量2πfACLACid相减，再跟q轴电压实际值uq求和得到q轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000078
模块S2.4：电压给定值
Figure BDA0003493781910000079
和锁相角度theta通过dq/abc矢量变换得到级联H桥变换器的三相输出电压给定值
Figure BDA0003493781910000081
模块S2.5：若高压直挂储能系统发出纯感性无功功率，得到第j相第一相位θj1，第二相位θj2：
Figure BDA0003493781910000082
其中，φij为第j，j＝A,B,C相电流的相位；θ表示两桥臂电压的相对相位；
若高压直挂储能系统发出纯容性无功功率，得到第j相第一相位θj1，第二相位θj2：
Figure BDA0003493781910000083
模块S2.6：计算第j相第一桥臂的电池荷电状态SOCj1和第二桥臂的电池荷电状态SOCj2与第j相的电池荷电状态SOCj的差值；
ΔSOCj1＝SOCj1-SOCj,ΔSOCj2＝SOCj2-SOCj
当此时状态为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000084
等于第j相第一相位θj1，第j相第二桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000085
等于第j相第二相位θj2，若ΔSOCj1达到设定的下限值，此时状态变为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000086
等于第j相第二相位θj2，第j相第二桥臂的电压相位等于第j相第一相位θj1；
当此时状态为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000087
等于第j相第二相位θj2，第j相第二桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000088
等于第j相第一相位θj1，若ΔSOCj2达到设定的下限值，此时状态变为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000089
等于第j相第一相位θj1，第j相第二桥臂的电压相位
Figure BDA00034937819100000810
等于第j相第二相位θj2。
模块S2.7：计算第j相第一桥臂的电压的给定值
Figure BDA00034937819100000811
和第j相第二桥臂的电压的给定值
Figure BDA00034937819100000812
Figure BDA00034937819100000813
在所述模块S3中，
模块S3.1：采样得到每相内各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，分别对每相内第一桥臂和第二桥臂中各个功率模块进行电池荷电状态的排序，计算每相内第一桥臂和第二桥臂中功率模块电容电压的平均值；
模块S3.2：用级联H桥变换器的第j相第一桥臂的电压的给定值
Figure BDA0003493781910000091
和第j相第二桥臂的电压的给定值
Figure BDA0003493781910000092
分别除以每相内第一桥臂和第二桥臂中功率模块电容电压的平均值，计算级联H桥变换器的三相内第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA0003493781910000093
Figure BDA0003493781910000094
其中，round()为就近取整函数，
Figure BDA0003493781910000095
为A、B、C三相第一桥臂功率模块电容电压的平均值，
Figure BDA0003493781910000096
为A、B、C三相第二桥臂功率模块电容电压的平均值。
模块S3.3：以向网侧输出电流为相电流ix，x＝a,b,c的正方向，当相电流ix方向为正时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA0003493781910000097
y＝1,2也为正时，桥臂按照电池荷电状态由高到低投入
Figure BDA0003493781910000098
个功率模块，投入的
Figure BDA0003493781910000099
个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为正时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA00034937819100000910
为负时，桥臂按照电池荷电状态由低到高投入
Figure BDA00034937819100000911
个功率模块，投入的
Figure BDA00034937819100000912
个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA00034937819100000913
也为负时，桥臂按照电池荷电状态由高到低投入
Figure BDA00034937819100000914
个功率模块，投入的
Figure BDA00034937819100000915
个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA00034937819100000916
为正时，桥臂按照电池荷电状态由低到高投入
Figure BDA00034937819100000917
个功率模块，投入的
Figure BDA00034937819100000918
个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、链式电池储能系统在发出纯无功功率时，传统的控制方法会导致电池在工频周期时间尺度内循环充放电，快速的来回充放电会导致电池寿命快速衰减。本发明提供的基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补偿控制方法，通过该控制方法可以实现链式电池储能系统能实现四象限运行，在系统发出和吸收纯无功功率时电池电流不发生倍频循环充放电的情况，有利于电池的稳定运行和寿命；
2、本发明提供的一种基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补参数设计方法，可以指导链式电池储能系统考虑四象限运行时电池直流侧滤波器的设计；
3、本发明提供的基于相内有功变换的高压直挂储能系统无功补偿控制，与传统的链式电池储能系统相比，通过该控制方法可以实现链式电池储能系统能实现四象限运行，在系统发出和吸收纯无功功率时电池电流不发生倍频循环充放电的情况，有利于电池的稳定运行和寿命。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例中高压直挂电池储能系统结构图。
图2为本发明一优选实施例中基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补偿控制框图。
图3为本发明一优选实施例中基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补偿参数设计流程图。
图4为本发明一优选实施例中基于相内有功变换的高压直挂储能系统无功补偿控制框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补偿控制方法和参数设计方法，可以实现基于现有级联H桥变换器的高压直挂BESS实现有功和无功的控制，在不增加成本的基础上通过控制方法的创新在调峰调频时提供电网有功功率的平抑功能，同时能提供额定容量的无功补偿能力。
实施例1
根据本发明提供的一种无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，包括：一种基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补偿控制系统以及一种基于相内有功变换的高压直挂储能系统无功补偿控制系统；
参照图1，为本发明一实施例中高压直挂电池储能系统结构图，高压直挂储能系统与各电压等级电网直接相连，包括：A相功率模块、B相功率模块及C相功率模块；每一相由n个功率模块级联而成，每个功率模块主要由H桥功率器件及其驱动电路、母线电容、直流熔断器、电池侧预充电装置组成，在H桥功率模块直流侧通过高压电缆和直流侧滤波电感与电池簇进行连接，级联H桥变换器在交流侧通过滤波电感、交流侧预充电装置以及交流熔断器直接接入35KV电网；图中vsa、vsb、vsc为三相电网的电压，va、vb、vc为级联H桥变换器输出电压，ia、ib、ic为变换器输出电流。
所述基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补偿控制系统，如图2所示，包括：
模块M1：基于级联H桥变换器的参数信息和网侧电流计算零序电压的幅值和相对相位；
具体地，在所述模块M1中：
模块M1.1：计算电池电流纹波率γ；
Figure BDA0003493781910000111
其中，ω2＝4πfAC表示二倍频分量的角速度；fAC表示电网电压的频率；R表示电池和直流侧滤波电感的电阻之和；L表示直流侧滤波电感的电感值；C表示母线电容的电容值；
模块M1.2：计算相无功功率和有功功率比值的临界值ρ；
Figure BDA0003493781910000112
模块M1.3：计算零序电压的相对相位θ；
Figure BDA0003493781910000113
模块M1.4：计算零序电压的幅值V0；
Figure BDA0003493781910000114
其中，ω＝2πfAC表示电网电压基频的角速度；Vs表示电网电压的相电压幅值；Is表示电网电流的幅值；LAC表示交流侧滤波电感的感值。
模块M2：基于高压直挂储能系统的无功功率给定计算级联H桥变换器每相输出电压的给定值，再根据每一相的电池荷电状态、零序电压的幅值和相对相位计算得到级联H桥变换器每相输出电压的调制电压；
具体地，在所述模块M2中：
模块M2.1：根据高压直挂储能系统所需要发出的无功功率得到dq旋转坐标系的电流给定值
Figure BDA0003493781910000121
和
Figure BDA0003493781910000122
模块M2.2：级联H桥变换器的三相输出电流ia、ib、ic和锁相角度theta通过abc/dq矢量变换得到dq旋转坐标系的实际电流值id和iq；
模块M2.3：d轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000123
与d轴电流实际值id的差值经过PI控制器后取负，再与d轴的交叉解耦分量ωLACiq相加，再跟d轴电压实际值ud求和得到d轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000129
q轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000125
与q轴电流实际值iq的差值经过PI控制器后取负，再与q轴的交叉解耦分量2πfACLACid相减，再跟q轴电压实际值uq求和得到q轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000126
模块M2.4：电压给定值
Figure BDA0003493781910000127
和锁相角度theta通过dq/abc矢量变换得到级联H桥变换器的三相输出电压给定值
Figure BDA0003493781910000128
模块M2.5：若高压直挂储能系统发出纯感性无功功率，零序电压的相对相位θ取负后与第j相电流的相位做差，得到零序电压的相位θ0：
θ0＝-θ-φij (5)
其中，φij表示第j相电流的相位，j＝A,B,C；下标i表示电流；
若压直挂储能系统发出纯容性无功功率，零序电压的相对相位θ与第j相电流的相位做差，得到零序电压的相位θ0：
θ0＝θ-φij (6)
模块M2.6：计算第j相的电池荷电状态SOCj与压直挂储能系统的电池荷电状态SOCsys的差值ΔSOCj；
ΔSOCj＝SOCj-SOCsys (7)
若ΔSOCj达到设定的下限值，则改变第j相为电池荷电状态最高的相，重复触发步骤S2.5重新计算零序电压的相位θ0；若还没有达到设定的下限值，则保持原零序电压的相位；
模块M2.7：计算零序电压的瞬时值；
Figure BDA0003493781910000131
模块M2.8：计算级联H桥变换器的三相输出电压调制电压va、vb、vc；
Figure BDA0003493781910000132
模块M3：基于每相各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联H桥变换器每相输出电压的调制电压，计算最近电平调制下需要投入的功率模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的功率模块数量决定各个功率模块的驱动信号。
例如：假如每相功率模块数为10，功率模块电容电压平均值为1V，假设A相输出电压的调制电压此时为3.2V，根据式(10)求得A相需要投入的功率模块个数Na＝3，投入的3个功率模块输出正电平，如果A相电流ia方向为正时，该3个功率模块放出电能，对A相内各个功率模块进行电池荷电状态的排序，因为投入的3个功率模块放出电能，因此投入的3个功率模块应该为电池荷电状态最高的3个功率模块；如果A相电流ia方向为负时，该3个功率模块吸收电能，对A相内各个功率模块进行电池荷电状态的排序，因为投入的3个功率模块吸收电能，因此投入的3个功率模块应该为电池荷电状态最底的3个功率模块。
具体地，在所述模块M3中：
模块M3.1：采样得到每相内各个功能模块的电池荷电状态和电容电压，对每相内各个功率模块进行电池荷电状态的排序，计算每相内总功率模块电容电压的平均值；
模块M3.2：用级联H桥变换器的三相输出电压调制电压va、vb、vc除以每相内总功率模块电容电压的平均值，计算级联H桥变换器的三相需要投入的功率模块个数Na、Nb、Nc；
Figure BDA0003493781910000133
其中，round()表示就近取整函数；Va、Vb、Vc表示A、B、C三相总功率模块电容电压的平均值；
模块M3.3：以向网侧输出电流为相电流ix，x＝a,b,c的正方向，当相电流ix方向为正时，三相需要投入的功率模块个数Nx也为正时，按照电池荷电状态由高到低投入Nx个功率模块，投入的Nx个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为正时，三相需要投入的功率模块个数Nx为负时，按照电池荷电状态由低到高投入|Nx|个功率模块，投入的|Nx|个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相需要投入的功率模块个数Nx也为负时，按照电池荷电状态由高到低投入|Nx|个功率模块，投入的|Nx|个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相需要投入的功率模块个数Nx为正时，按照电池荷电状态由低到高投入Nx个功率模块，投入的Nx个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平。
其中，如图3所示，还包括：
模块M4：计算高压直挂储能系统参数限制下最大零序电压的幅值；
具体地，在所述模块M4中，
定义网侧额定电压为Vs，假设额定容量无功输出电感电压压降为σLVs，变换器能输出最大电压为βVs，零序电压V0滞后b相电流-isb角度为θ，采用余弦定理计算最大零序电压的幅值V0；
Figure BDA0003493781910000141
其中，σL表示额定容量无功输出电感电压压降和网侧额定电压的比值；β表示变换器能输出最大电压和网侧额定电压的比值；
求解最大零序电压幅值为
Figure BDA0003493781910000142
模块M5：计算使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角；
具体地，在所述模块M5中，
模块M5.1：求解三相无功功率和有功功率比值；
Figure BDA0003493781910000143
Figure BDA0003493781910000144
Figure BDA0003493781910000145
其中，Qx(x＝a,b,c)为A、B、C三相的无功功率，Px(x＝a,b,c)为A、B、C三相的有功功率；
模块M5.2：求解得到使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角；
Figure BDA0003493781910000151
模块M6：高压直挂储能系统参数限制下最大零序电压的幅值和使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角得到功率模块中无源参数设计准则，基于功率模块中无源参数设计准则设置功率模块中的直流侧滤波电感和母线电容。
具体地，在所述模块M6中，
模块M6.1：计算最小的零序电压的相角和最大零序电压幅值下，三相有功功率产生的电池电流直流分量|Ix|为：
Figure BDA0003493781910000152
其中，Vbat为电池电压；
模块M6.2：计算最小的零序电压的相角和最大零序电压幅值下，三相视在功率产生的电流交流分量|ix|为：
Figure BDA0003493781910000153
模块M6.3：计算交流电流经过LC滤波后流入电池中的成分
Figure BDA0003493781910000154
为
Figure BDA0003493781910000155
模块M6.4：为了使得电池电流不在工频周期来回充放电，要保证
Figure BDA0003493781910000156
其中，
Figure BDA0003493781910000158
为裕度系数；
模块M6.5：假设根据高压直挂储能系统系统发出纯有功设计得到的电池电流纹波率为γ，设计的参数需要满足：
Figure BDA0003493781910000157
所述基于相内有功变换的高压直挂储能系统无功补偿控制系统，如图4所示，包括：
模块S1：基于级联H桥变换器的参数信息和网侧电流计算每相中两桥臂的电压幅值和相对相位；
具体地，在所述模块S1中，
模块S1.1：计算电池电流纹波率γ；
Figure BDA0003493781910000161
其中，ω2＝4πfAC表示二倍频分量的角速度；fAC表示电网电压的频率；R表示电池和直流侧滤波电感的电阻之和；L表示直流侧滤波电感的电感值，C表示母线电容的电容值；
模块S1.2：计算每相中两桥臂电压的相对相位θ；
θ＝arcsin(γ) (23)
模块S1.3：计算每相中两桥臂的幅值V1,V2；
Figure BDA0003493781910000162
其中，ω＝2πfAC为电网电压基频的角速度，Vs为电网电压的相电压幅值，Is为电网电流的幅值，LAC为交流侧滤波电感的感值；
模块S2：基于高压直挂储能系统的无功功率给定和每相中两桥臂的电池荷电状态，根据每相中两桥臂的电压幅值和相位相对计算级联H桥变换器每相中两桥臂输出电压的给定值；
在所述模块S2中，
模块S2.1：根据高压直挂储能系统所需要发出的无功功率得到dq旋转坐标系的电流给定值
Figure BDA0003493781910000163
和
Figure BDA0003493781910000164
模块S2.2：级联H桥变换器的三相输出电流ia、ib、ic和锁相角度theta通过abc/dq矢量变换得到dq旋转坐标系的实际电流值id和iq；
模块S2.3：d轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000165
与d轴电流实际值id的差值经过PI控制器后取负，再与d轴的交叉解耦分量ωLACiq相加，再跟d轴电压实际值ud求和得到d轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000166
q轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000167
与q轴电流实际值iq的差值经过PI控制器后取负，再与q轴的交叉解耦分量2πfACLACid相减，再跟q轴电压实际值uq求和得到q轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000168
模块S2.4：电压给定值
Figure BDA0003493781910000169
和锁相角度theta通过dq/abc矢量变换得到级联H桥变换器的三相输出电压给定值
Figure BDA00034937819100001610
模块S2.5：若高压直挂储能系统发出纯感性无功功率，得到第j相第一相位θj1，第二相位θj2：
Figure BDA0003493781910000171
其中，φij为第j，j＝A,B,C相电流的相位；θ表示两桥臂电压的相对相位；
若高压直挂储能系统发出纯容性无功功率，得到第j相第一相位θj1，第二相位θj2：
Figure BDA0003493781910000172
模块S2.6：计算第j相第一桥臂的电池荷电状态SOCj1和第二桥臂的电池荷电状态SOCj2与第j相的电池荷电状态SOCj的差值；
ΔSOCj1＝SOCj1-SOCj,ΔSOCj2＝SOCj2-SOCj
当此时状态为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000173
等于第j相第一相位θj1，第j相第二桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000174
等于第j相第二相位θj2，若ΔSOCj1达到设定的下限值，此时状态变为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000175
等于第j相第二相位θj2，第j相第二桥臂的电压相位等于第j相第一相位θj1；
当此时状态为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000176
等于第j相第二相位θj2，第j相第二桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000177
等于第j相第一相位θj1，若ΔSOCj2达到设定的下限值，此时状态变为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000178
等于第j相第一相位θj1，第j相第二桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000179
等于第j相第二相位θj2。
模块S2.7：计算第j相第一桥臂的电压的给定值
Figure BDA00034937819100001710
和第j相第二桥臂的电压的给定值
Figure BDA00034937819100001711
Figure BDA00034937819100001712
模块S3：基于每相内各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联H桥变换器每相中两桥臂输出电压的给定值，计算最近电平调制下需要投入的子模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的子模块数量决定各个功率模块的驱动信号。
例如：假如每相功率模块数为10，功率模块电容电压平均值为1V，假设A相输出电压的调制电压此时为3.2V，根据式(10)求得A相需要投入的功率模块个数Na＝3，投入的3个功率模块输出正电平，如果A相电流ia方向为正时，该3个功率模块放出电能，对A相内各个功率模块进行电池荷电状态的排序，因为投入的3个功率模块放出电能，因此投入的3个功率模块应该为电池荷电状态最高的3个功率模块；如果A相电流ia方向为负时，该3个功率模块吸收电能，对A相内各个功率模块进行电池荷电状态的排序，因为投入的3个功率模块吸收电能，因此投入的3个功率模块应该为电池荷电状态最底的3个功率模块。
在所述模块S3中，
模块S3.1：采样得到每相内各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，分别对每相内第一桥臂和第二桥臂中各个功率模块进行电池荷电状态的排序，计算每相内第一桥臂和第二桥臂中功率模块电容电压的平均值；
模块S3.2：用级联H桥变换器的第j相第一桥臂的电压的给定值
Figure BDA0003493781910000181
和第j相第二桥臂的电压的给定值
Figure BDA0003493781910000182
分别除以每相内第一桥臂和第二桥臂中功率模块电容电压的平均值，计算级联H桥变换器的三相内第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA0003493781910000183
Figure BDA0003493781910000184
其中，round()为就近取整函数，
Figure BDA0003493781910000185
为A、B、C三相第一桥臂功率模块电容电压的平均值，
Figure BDA0003493781910000186
为A、B、C三相第二桥臂功率模块电容电压的平均值。
模块S3.3：以向网侧输出电流为相电流ix，x＝a,b,c的正方向，当相电流ix方向为正时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA0003493781910000187
y＝1,2也为正时，桥臂按照电池荷电状态由高到低投入
Figure BDA0003493781910000188
个功率模块，投入的
Figure BDA0003493781910000189
个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为正时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA00034937819100001810
为负时，桥臂按照电池荷电状态由低到高投入
Figure BDA00034937819100001811
个功率模块，投入的
Figure BDA00034937819100001812
个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA00034937819100001813
也为负时，桥臂按照电池荷电状态由高到低投入
Figure BDA0003493781910000191
个功率模块，投入的
Figure BDA0003493781910000192
个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA0003493781910000193
为正时，桥臂按照电池荷电状态由低到高投入
Figure BDA0003493781910000194
个功率模块，投入的
Figure BDA0003493781910000195
个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平。
其中，还包括：
模块S4：计算高压直挂储能系统参数限制下最大电压的幅值；
具体地，在所述模块S4中，
定义网侧额定电压为Vs，假设额定容量无功输出电感电压压降为σLVs，变换器能输出最大电压为βVs，电压V0滞后b相电流-isb角度为θ，计算最大电压的幅值V0；
Figure BDA0003493781910000196
其中，σL表示额定容量无功输出电感电压压降和网侧额定电压的比值；β表示变换器能输出最大电压和网侧额定电压的比值；
求解最大电压幅值为
Figure BDA0003493781910000197
模块S5：计算使得三相无功功率和有功功率比值最小的电压的相角；
具体地，在所述模块S5中，
模块S5.1：求解三相无功功率和有功功率比值；
Figure BDA0003493781910000198
Figure BDA0003493781910000199
Figure BDA00034937819100001910
其中，Qx为A、B、C三相的无功功率，x＝a,b,c，Px为A、B、C三相的有功功率(x＝a,b,c)；
模块S5.2：求解得到使得三相无功功率和有功功率比值最小的电压的相角；
Figure BDA00034937819100001911
模块S6：高压直挂储能系统参数限制下最大电压的幅值和使得三相无功功率和有功功率比值最小的电压的相角得到功率模块中无源参数设计准则，基于功率模块中无源参数设计准则设置功率模块中的直流侧滤波电感和母线电容。
具体地，在所述模块S6中，
模块M6.1：计算最小的电压的相角和最大电压幅值下，三相有功功率产生的电池电流直流分量|Ix|为：
Figure BDA0003493781910000201
其中，Vbat为电池电压；
模块S6.2：计算最小的电压的相角和最大电压幅值下，三相视在功率产生的电流交流分量|ix|为：
Figure BDA0003493781910000202
模块S6.3：计算交流电流经过LC滤波后流入电池中的成分
Figure BDA0003493781910000203
为
Figure BDA0003493781910000204
模块S6.4：为了使得电池电流不在工频周期来回充放电，要保证
Figure BDA0003493781910000205
其中，
Figure BDA0003493781910000207
为裕度系数；
模块S6.5：假设根据高压直挂储能系统系统发出纯有功设计得到的电池电流纹波率为γ，设计的参数需要满足：
Figure BDA0003493781910000206
根据本发明提供的一种无功补偿与储能一体化的高压直挂方法，包括：一种基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补偿控制方法以及一种基于相内有功变换的高压直挂储能系统无功补偿控制方法；
参照图1，为本发明一实施例中高压直挂电池储能系统结构图，高压直挂储能系统与各电压等级电网直接相连，包括：A相功率模块、B相功率模块及C相功率模块；每一相由n个功率模块级联而成，每个功率模块主要由H桥功率器件及其驱动电路、母线电容、直流熔断器、电池侧预充电装置组成，在H桥功率模块直流侧通过高压电缆和直流侧滤波电感与电池簇进行连接，级联H桥变换器在交流侧通过滤波电感、交流侧预充电装置以及交流熔断器直接接入35KV电网；图中vsa、vsb、vsc为三相电网的电压，va、vb、vc为级联H桥变换器输出电压，ia、ib、ic为变换器输出电流。
所述基于最优零序电压注入的高压直挂储能系统无功补偿控制方法，包括：
步骤M1：基于级联H桥变换器的参数信息和网侧电流计算零序电压的幅值和相对相位；
具体地，在所述步骤M1中：
步骤M1.1：计算电池电流纹波率γ；
Figure BDA0003493781910000211
其中，ω2＝4πfAC表示二倍频分量的角速度；fAC表示电网电压的频率；R表示电池和直流侧滤波电感的电阻之和；L表示直流侧滤波电感的电感值；C表示母线电容的电容值；
步骤M1.2：计算相无功功率和有功功率比值的临界值ρ；
Figure BDA0003493781910000212
步骤M1.3：计算零序电压的相对相位θ；
Figure BDA0003493781910000213
步骤M1.4：计算零序电压的幅值V0；
Figure BDA0003493781910000214
其中，ω＝2πfAC表示电网电压基频的角速度；Vs表示电网电压的相电压幅值；Is表示电网电流的幅值；LAC表示交流侧滤波电感的感值。
步骤M2：基于高压直挂储能系统的无功功率给定计算级联H桥变换器每相输出电压的给定值，再根据每一相的电池荷电状态、零序电压的幅值和相对相位计算得到级联H桥变换器每相输出电压的调制电压；
具体地，在所述步骤M2中：
步骤M2.1：根据高压直挂储能系统所需要发出的无功功率得到dq旋转坐标系的电流给定值
Figure BDA0003493781910000215
和
Figure BDA0003493781910000216
步骤M2.2：级联H桥变换器的三相输出电流ia、ib、ic和锁相角度theta通过abc/dq矢量变换得到dq旋转坐标系的实际电流值id和iq；
步骤M2.3：d轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000217
与d轴电流实际值id的差值经过PI控制器后取负，再与d轴的交叉解耦分量ωLACiq相加，再跟d轴电压实际值ud求和得到d轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000221
q轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000222
与q轴电流实际值iq的差值经过PI控制器后取负，再与q轴的交叉解耦分量2πfACLACid相减，再跟q轴电压实际值uq求和得到q轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000223
步骤M2.4：电压给定值
Figure BDA0003493781910000224
和锁相角度theta通过dq/abc矢量变换得到级联H桥变换器的三相输出电压给定值
Figure BDA0003493781910000225
步骤M2.5：若高压直挂储能系统发出纯感性无功功率，零序电压的相对相位θ取负后与第j相电流的相位做差，得到零序电压的相位θ0：
θ0＝-θ-φij (5)
其中，φij表示第j相电流的相位，j＝A,B,C；下标i表示电流；
若压直挂储能系统发出纯容性无功功率，零序电压的相对相位θ与第j相电流的相位做差，得到零序电压的相位θ0：
θ0＝θ-φij (6)
步骤M2.6：计算第j相的电池荷电状态SOCj与压直挂储能系统的电池荷电状态SOCsys的差值ΔSOCj；
ΔSOCj＝SOCj-SOCsys (7)
若ΔSOCj达到设定的下限值，则改变第j相为电池荷电状态最高的相，重复触发步骤S2.5重新计算零序电压的相位θ0；若还没有达到设定的下限值，则保持原零序电压的相位；
步骤M2.7：计算零序电压的瞬时值；
Figure BDA0003493781910000226
步骤M2.8：计算级联H桥变换器的三相输出电压调制电压va、vb、vc；
Figure BDA0003493781910000227
步骤M3：基于每相各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联H桥变换器每相输出电压的调制电压，计算最近电平调制下需要投入的功率模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的功率模块数量决定各个功率模块的驱动信号。
例如：当前电平为3.2V，那么最近电平为3V，则需要3个功率模块数量。
具体地，在所述步骤M3中：
步骤M3.1：采样得到每相内各个功能模块的电池荷电状态和电容电压，对每相内各个功率模块进行电池荷电状态的排序，计算每相内总功率模块电容电压的平均值；
步骤M3.2：用级联H桥变换器的三相输出电压调制电压va、vb、vc除以每相内总功率模块电容电压的平均值，计算级联H桥变换器的三相需要投入的功率模块个数Na、Nb、Nc；
Figure BDA0003493781910000231
其中，round()表示就近取整函数；Va、Vb、Vc表示A、B、C三相总功率模块电容电压的平均值；
步骤M3.3：以向网侧输出电流为相电流ix，x＝a,b,c的正方向，当相电流ix方向为正时，三相需要投入的功率模块个数Nx也为正时，按照电池荷电状态由高到低投入Nx个功率模块，投入的Nx个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为正时，三相需要投入的功率模块个数Nx为负时，按照电池荷电状态由低到高投入|Nx|个功率模块，投入的|Nx|个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相需要投入的功率模块个数Nx也为负时，按照电池荷电状态由高到低投入|Nx|个功率模块，投入的|Nx|个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相需要投入的功率模块个数Nx为正时，按照电池荷电状态由低到高投入Nx个功率模块，投入的Nx个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平。
其中，如图3所示，还包括：
步骤M4：计算高压直挂储能系统参数限制下最大零序电压的幅值；
具体地，在所述步骤M4中，
定义网侧额定电压为Vs，假设额定容量无功输出电感电压压降为σLVs，变换器能输出最大电压为βVs，零序电压V0滞后b相电流-isb角度为θ，采用余弦定理计算最大零序电压的幅值V0；
Figure BDA0003493781910000232
其中，σL表示额定容量无功输出电感电压压降和网侧额定电压的比值；β表示变换器能输出最大电压和网侧额定电压的比值；
求解最大零序电压幅值为
Figure BDA0003493781910000241
步骤M5：计算使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角；
具体地，在所述步骤M5中，
步骤M5.1：求解三相无功功率和有功功率比值；
Figure BDA0003493781910000242
Figure BDA0003493781910000243
Figure BDA0003493781910000244
其中，Qx(x＝a,b,c)为A、B、C三相的无功功率，Px(x＝a,b,c)为A、B、C三相的有功功率；
步骤M5.2：求解得到使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角；
Figure BDA0003493781910000245
步骤M6：高压直挂储能系统参数限制下最大零序电压的幅值和使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角得到功率模块中无源参数设计准则，基于功率模块中无源参数设计准则设置功率模块中的直流侧滤波电感和母线电容。
具体地，在所述步骤M6中，
步骤M6.1：计算最小的零序电压的相角和最大零序电压幅值下，三相有功功率产生的电池电流直流分量|Ix|为：
Figure BDA0003493781910000246
其中，Vbat为电池电压；
步骤M6.2：计算最小的零序电压的相角和最大零序电压幅值下，三相视在功率产生的电流交流分量|ix|为：
Figure BDA0003493781910000247
步骤M6.3：计算交流电流经过LC滤波后流入电池中的成分
Figure BDA0003493781910000251
为
Figure BDA0003493781910000252
步骤M6.4：为了使得电池电流不在工频周期来回充放电，要保证
Figure BDA0003493781910000253
其中，
Figure BDA0003493781910000257
为裕度系数；
步骤M6.5：假设根据高压直挂储能系统系统发出纯有功设计得到的电池电流纹波率为γ，设计的参数需要满足：
Figure BDA0003493781910000254
所述基于相内有功变换的高压直挂储能系统无功补偿控制系统，如图4所示，包括：
步骤S1：基于级联H桥变换器的参数信息和网侧电流计算每相中两桥臂的电压幅值和相对相位；
具体地，在所述步骤S1中，
步骤S1.1：计算电池电流纹波率γ；
Figure BDA0003493781910000255
其中，ω2＝4πfAC表示二倍频分量的角速度；fAC表示电网电压的频率；R表示电池和直流侧滤波电感的电阻之和；L表示直流侧滤波电感的电感值，C表示母线电容的电容值；
步骤S1.2：计算每相中两桥臂电压的相对相位θ；
θ＝arcsin(γ) (23)
步骤S1.3：计算每相中两桥臂的幅值V1,V2；
Figure BDA0003493781910000256
其中，ω＝2πfAC为电网电压基频的角速度，Vs为电网电压的相电压幅值，Is为电网电流的幅值，LAC为交流侧滤波电感的感值；
步骤S2：基于高压直挂储能系统的无功功率给定和每相中两桥臂的电池荷电状态，根据每相中两桥臂的电压幅值和相位相对计算级联H桥变换器每相中两桥臂输出电压的给定值；
在所述步骤S2中，
步骤S2.1：根据高压直挂储能系统所需要发出的无功功率得到dq旋转坐标系的电流给定值
Figure BDA0003493781910000261
和
Figure BDA0003493781910000262
步骤S2.2：级联H桥变换器的三相输出电流ia、ib、ic和锁相角度theta通过abc/dq矢量变换得到dq旋转坐标系的实际电流值id和iq；
步骤S2.3：d轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000263
与d轴电流实际值id的差值经过PI控制器后取负，再与d轴的交叉解耦分量ωLACiq相加，再跟d轴电压实际值ud求和得到d轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000264
q轴电流给定值
Figure BDA0003493781910000265
与q轴电流实际值iq的差值经过PI控制器后取负，再与q轴的交叉解耦分量2πfACLACid相减，再跟q轴电压实际值uq求和得到q轴电压给定值
Figure BDA0003493781910000266
步骤S2.4：电压给定值
Figure BDA0003493781910000267
和锁相角度theta通过dq/abc矢量变换得到级联H桥变换器的三相输出电压给定值
Figure BDA0003493781910000268
步骤S2.5：若高压直挂储能系统发出纯感性无功功率，得到第j相第一相位θj1，第二相位θj2：
Figure BDA0003493781910000269
其中，φij为第j，j＝A,B,C相电流的相位；θ表示两桥臂电压的相对相位；
若高压直挂储能系统发出纯容性无功功率，得到第j相第一相位θj1，第二相位θj2：
Figure BDA00034937819100002610
步骤S2.6：计算第j相第一桥臂的电池荷电状态SOCj1和第二桥臂的电池荷电状态SOCj2与第j相的电池荷电状态SOCj的差值；
ΔSOCj1＝SOCj1-SOCj,ΔSOCj2＝SOCj2-SOCj
当此时状态为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA00034937819100002611
等于第j相第一相位θj1，第j相第二桥臂的电压相位
Figure BDA00034937819100002612
等于第j相第二相位θj2，若ΔSOCj1达到设定的下限值，此时状态变为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA00034937819100002613
等于第j相第二相位θj2，第j相第二桥臂的电压相位等于第j相第一相位θj1；
当此时状态为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA00034937819100002614
等于第j相第二相位θj2，第j相第二桥臂的电压相位
Figure BDA00034937819100002615
等于第j相第一相位θj1，若ΔSOCj2达到设定的下限值，此时状态变为第j相第一桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000271
等于第j相第一相位θj1，第j相第二桥臂的电压相位
Figure BDA0003493781910000272
等于第j相第二相位θj2。
步骤S2.7：计算第j相第一桥臂的电压的给定值
Figure BDA0003493781910000273
和第j相第二桥臂的电压的给定值
Figure BDA0003493781910000274
Figure BDA0003493781910000275
步骤S3：基于每相内各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联H桥变换器每相中两桥臂输出电压的给定值，计算最近电平调制下需要投入的子模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的子模块数量决定各个功率模块的驱动信号。
例如：当前电平为3.2V，那么最近电平为3V，则需要3个功率模块数量。
在所述步骤S3中，
步骤S3.1：采样得到每相内各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，分别对每相内第一桥臂和第二桥臂中各个功率模块进行电池荷电状态的排序，计算每相内第一桥臂和第二桥臂中功率模块电容电压的平均值；
步骤S3.2：用级联H桥变换器的第j相第一桥臂的电压的给定值
Figure BDA0003493781910000276
和第j相第二桥臂的电压的给定值
Figure BDA0003493781910000277
分别除以每相内第一桥臂和第二桥臂中功率模块电容电压的平均值，计算级联H桥变换器的三相内第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA0003493781910000278
Figure BDA0003493781910000279
其中，round()为就近取整函数，
Figure BDA00034937819100002710
为A、B、C三相第一桥臂功率模块电容电压的平均值，
Figure BDA00034937819100002711
为A、B、C三相第二桥臂功率模块电容电压的平均值。
步骤S3.3：以向网侧输出电流为相电流ix，x＝a,b,c的正方向，当相电流ix方向为正时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA00034937819100002712
y＝1,2也为正时，桥臂按照电池荷电状态由高到低投入
Figure BDA0003493781910000281
个功率模块，投入的
Figure BDA0003493781910000282
个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为正时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA0003493781910000283
为负时，桥臂按照电池荷电状态由低到高投入
Figure BDA0003493781910000284
个功率模块，投入的
Figure BDA0003493781910000285
个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA0003493781910000286
也为负时，桥臂按照电池荷电状态由高到低投入
Figure BDA0003493781910000287
个功率模块，投入的
Figure BDA0003493781910000288
个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure BDA0003493781910000289
为正时，桥臂按照电池荷电状态由低到高投入
Figure BDA00034937819100002810
个功率模块，投入的
Figure BDA00034937819100002811
个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平。
其中，还包括：
步骤S4：计算高压直挂储能系统参数限制下最大电压的幅值；
具体地，在所述步骤S4中，
定义网侧额定电压为Vs，假设额定容量无功输出电感电压压降为σLVs，变换器能输出最大电压为βVs，电压V0滞后b相电流-isb角度为θ，计算最大电压的幅值V0；
Figure BDA00034937819100002812
其中，σL表示额定容量无功输出电感电压压降和网侧额定电压的比值；β表示变换器能输出最大电压和网侧额定电压的比值；
求解最大电压幅值为
Figure BDA00034937819100002813
步骤S5：计算使得三相无功功率和有功功率比值最小的电压的相角；
具体地，在所述步骤S5中，
步骤S5.1：求解三相无功功率和有功功率比值；
Figure BDA00034937819100002814
Figure BDA00034937819100002815
Figure BDA0003493781910000291
其中，Qx为A、B、C三相的无功功率，x＝a,b,c，Px为A、B、C三相的有功功率(x＝a,b,c)；
步骤S5.2：求解得到使得三相无功功率和有功功率比值最小的电压的相角；
Figure BDA0003493781910000292
步骤S6：高压直挂储能系统参数限制下最大电压的幅值和使得三相无功功率和有功功率比值最小的电压的相角得到功率模块中无源参数设计准则，基于功率模块中无源参数设计准则设置功率模块中的直流侧滤波电感和母线电容。
具体地，在所述步骤S6中，
步骤M6.1：计算最小的电压的相角和最大电压幅值下，三相有功功率产生的电池电流直流分量|Ix|为：
Figure BDA0003493781910000293
其中，Vbat为电池电压；
步骤S6.2：计算最小的电压的相角和最大电压幅值下，三相视在功率产生的电流交流分量|ix|为：
Figure BDA0003493781910000294
步骤S6.3：计算交流电流经过LC滤波后流入电池中的成分
Figure BDA0003493781910000295
为
Figure BDA0003493781910000296
步骤S6.4：为了使得电池电流不在工频周期来回充放电，要保证
Figure BDA0003493781910000297
其中，
Figure BDA0003493781910000299
为裕度系数；
步骤S6.5：假设根据高压直挂储能系统系统发出纯有功设计得到的电池电流纹波率为γ，设计的参数需要满足：
Figure BDA0003493781910000298
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，包括：
模块M1：基于级联H桥变换器的参数信息和网侧电流计算零序电压的幅值和相对相位；
模块M2：基于高压直挂储能系统的无功功率给定计算级联H桥变换器每相输出电压的给定值，再根据每一相的电池荷电状态、零序电压的幅值和相对相位计算得到级联H桥变换器每相输出电压的调制电压；
模块M3：基于每相各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联H桥变换器每相输出电压的调制电压，计算最近电平调制下需要投入的功率模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的功率模块数量决定各个功率模块的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，在所述模块M1中：
模块M1.1：计算电池电流纹波率γ；
Figure FDA0003493781900000011
其中，ω2＝4πfAC表示二倍频分量的角速度；fAC表示电网电压的频率；R表示电池和直流侧滤波电感的电阻之和；L表示直流侧滤波电感的电感值；C表示母线电容的电容值；
模块M1.2：计算相无功功率和有功功率比值的临界值ρ；
Figure FDA0003493781900000012
模块M1.3：计算零序电压的相对相位θ；
Figure FDA0003493781900000013
模块M1.4：计算零序电压的幅值V0；
Figure FDA0003493781900000014
其中，ω＝2πfAC表示电网电压基频的角速度；Vs表示电网电压的相电压幅值；Is表示电网电流的幅值；LAC表示交流侧滤波电感的感值。
3.根据权利要求1所述的无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，在所述模块M2中：
模块M2.1：根据高压直挂储能系统所需要发出的无功功率得到dq旋转坐标系的电流给定值
Figure FDA0003493781900000021
和
Figure FDA0003493781900000022
模块M2.2：级联H桥变换器的三相输出电流ia、ib、ic和锁相角度theta通过abc/dq矢量变换得到dq旋转坐标系的实际电流值id和iq；
模块M2.3：d轴电流给定值
Figure FDA0003493781900000023
与d轴电流实际值id的差值经过PI控制器后取负，再与d轴的交叉解耦分量ωLACiq相加，再跟d轴电压实际值ud求和得到d轴电压给定值
Figure FDA0003493781900000024
q轴电流给定值
Figure FDA0003493781900000025
与q轴电流实际值iq的差值经过PI控制器后取负，再与q轴的交叉解耦分量2πfACLACid相减，再跟q轴电压实际值uq求和得到q轴电压给定值
Figure FDA0003493781900000026
模块M2.4：电压给定值
Figure FDA0003493781900000027
和锁相角度theta通过dq/abc矢量变换得到级联H桥变换器的三相输出电压给定值
Figure FDA0003493781900000028
模块M2.5：若高压直挂储能系统发出纯感性无功功率，零序电压的相对相位θ取负后与第j相电流的相位做差，得到零序电压的相位θ0：
θ0＝-θ-φij (5)
其中，φij表示第j相电流的相位；下标i表示电流；
若压直挂储能系统发出纯容性无功功率，零序电压的相对相位θ与第j相电流的相位做差，得到零序电压的相位θ0：
θ0＝θ-φij (6)
模块M2.6：计算第j相的电池荷电状态SOCj与压直挂储能系统的电池荷电状态SOCsys的差值ΔSOCj；
ΔSOCj＝SOCj-SOCsys (7)
若ΔSOCj达到设定的下限值，则改变第j相为电池荷电状态最高的相，重复触发步骤S2.5重新计算零序电压的相位θ0；若还没有达到设定的下限值，则保持原零序电压的相位；
模块M2.7：计算零序电压的瞬时值；
Figure FDA0003493781900000029
模块M2.8：计算级联H桥变换器的三相输出电压调制电压va、vb、vc；
Figure FDA00034937819000000210
4.根据权利要求1所述的无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，在所述模块M3中：
模块M3.1：采样得到每相内各个功能模块的电池荷电状态和电容电压，对每相内各个功率模块进行电池荷电状态的排序，计算每相内总功率模块电容电压的平均值；
模块M3.2：用级联H桥变换器的三相输出电压调制电压va、vb、vc除以每相内总功率模块电容电压的平均值，计算级联H桥变换器的三相需要投入的功率模块个数Na、Nb、Nc；
Figure FDA0003493781900000031
其中，round()表示就近取整函数；Va、Vb、Vc表示A、B、C三相总功率模块电容电压的平均值；
模块M3.3：以向网侧输出电流为相电流ix，x＝a，b，c的正方向，当相电流ix方向为正时，三相需要投入的功率模块个数Nx也为正时，按照电池荷电状态由高到低投入Nx个功率模块，投入的Nx个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为正时，三相需要投入的功率模块个数Nx为负时，按照电池荷电状态由低到高投入|Nx|个功率模块，投入的|Nx|个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相需要投入的功率模块个数Nx也为负时，按照电池荷电状态由高到低投入|Nx|个功率模块，投入的|Nx|个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相需要投入的功率模块个数Nx为正时，按照电池荷电状态由低到高投入Nx个功率模块，投入的Nx个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平。
5.根据权利要求1所述的无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，包括：
模块M4：计算高压直挂储能系统参数限制下最大零序电压的幅值；
模块M5：计算使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角；
模块M6：高压直挂储能系统参数限制下最大零序电压的幅值和使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角得到功率模块中无源参数设计准则，基于功率模块中无源参数设计准则设置功率模块中的直流侧滤波电感和母线电容。
6.根据权利要求5所述的无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，在所述模块M4中，
定义网侧额定电压为Vs，假设额定容量无功输出电感电压压降为σLVs，变换器能输出最大电压为βVs，零序电压V0滞后b相电流-isb角度为θ，计算最大零序电压的幅值V0；
Figure FDA0003493781900000041
其中，σL表示额定容量无功输出电感电压压降和网侧额定电压的比值；β表示变换器能输出最大电压和网侧额定电压的比值；
求解最大零序电压幅值为
Figure FDA0003493781900000042
7.根据权利要求5所述的无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，在所述模块M5中，
模块M5.1：求解三相无功功率和有功功率比值；
Figure FDA0003493781900000043
Figure FDA0003493781900000044
Figure FDA0003493781900000045
其中，Qx(x＝a，b，c)为A、B、C三相的无功功率，Px(x＝a，b，c)为A、B、C三相的有功功率；
模块M5.2：求解得到使得三相无功功率和有功功率比值最小的零序电压的相角；
Figure FDA0003493781900000046
8.根据权利要求5所述的无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，在所述模块M6中，
模块M6.1：计算最小的零序电压的相角和最大零序电压幅值下，三相有功功率产生的电池电流直流分量|Ix|为：
Figure FDA0003493781900000051
其中，Vbat为电池电压；
模块M6.2：计算最小的零序电压的相角和最大零序电压幅值下，三相视在功率产生的电流交流分量|ix|为：
Figure FDA0003493781900000052
模块M6.3：计算交流电流经过LC滤波后流入电池中的成分
Figure FDA0003493781900000053
为
Figure FDA0003493781900000054
模块M6.4：为了使得电池电流不在工频周期来回充放电，要保证
Figure FDA0003493781900000055
其中，
Figure FDA0003493781900000056
为裕度系数；
模块M6.5：假设根据高压直挂储能系统系统发出纯有功设计得到的电池电流纹波率为γ，设计的参数需要满足：
Figure FDA0003493781900000057
9.一种无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，包括：
模块S1：基于级联H桥变换器的参数信息和网侧电流计算每相中两桥臂的电压幅值和相对相位；
模块S2：基于高压直挂储能系统的无功功率给定和每相中两桥臂的电池荷电状态，根据每相中两桥臂的电压幅值和相位相对计算级联H桥变换器每相中两桥臂输出电压的给定值；
模块S3：基于每相内各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联H桥变换器每相中两桥臂输出电压的给定值，计算最近电平调制下需要投入的子模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的子模块数量决定各个功率模块的驱动信号。
10.根据权利要求9所述的无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其特征在于，在所述模块S1中，
模块S1.1：计算电池电流纹波率γ；
Figure FDA0003493781900000061
其中，ω2＝4πfAC表示二倍频分量的角速度；fAC表示电网电压的频率；R表示电池和直流侧滤波电感的电阻之和；L表示直流侧滤波电感的电感值，C表示母线电容的电容值；
模块S1.2：计算每相中两桥臂电压的相对相位θ；
θ＝arcsin(γ) (23)
模块S1.3：计算每相中两桥臂的幅值V1，V2；
Figure FDA0003493781900000062
其中，ω＝2πfAC为电网电压基频的角速度，Vs为电网电压的相电压幅值，Is为电网电流的幅值，LAC为交流侧滤波电感的感值；
在所述模块S2中，
模块S2.1：根据高压直挂储能系统所需要发出的无功功率得到dq旋转坐标系的电流给定值
Figure FDA0003493781900000063
和
Figure FDA0003493781900000064
模块S2.2：级联H桥变换器的三相输出电流ia、ib、ic和锁相角度theta通过abc/dq矢量变换得到dq旋转坐标系的实际电流值id和iq；
模块S2.3：d轴电流给定值
Figure FDA0003493781900000065
与d轴电流实际值id的差值经过PI控制器后取负，再与d轴的交叉解耦分量ωLACiq相加，再跟d轴电压实际值ud求和得到d轴电压给定值
Figure FDA0003493781900000066
q轴电流给定值
Figure FDA0003493781900000067
与q轴电流实际值iq的差值经过PI控制器后取负，再与q轴的交叉解耦分量2πfACLACid相减，再跟q轴电压实际值uq求和得到q轴电压给定值
Figure FDA0003493781900000068
模块S2.4：电压给定值
Figure FDA0003493781900000069
和锁相角度theta通过dq/abc矢量变换得到级联H桥变换器的三相输出电压给定值
Figure FDA00034937819000000610
模块S2.5：若高压直挂储能系统发出纯感性无功功率，得到第j相第一相位θj1，第二相位θj2：
Figure FDA00034937819000000611
其中，φij为第j，j＝A，B，C相电流的相位；θ表示两桥臂电压的相对相位；
若高压直挂储能系统发出纯容性无功功率，得到第j相第一相位θj1，第二相位θj2：
Figure FDA0003493781900000071
模块S2.6：计算第j相第一桥臂的电池荷电状态SOCj1和第二桥臂的电池荷电状态SOCj2与第j相的电池荷电状态SOCj的差值；
ΔSOCj1＝SOCj1-SOCj，ΔSOCj2＝SOCj2-SOCj
当此时状态为第j相第一桥臂的电压相位
Figure FDA0003493781900000072
等于第j相第一相位θj1，第j相第二桥臂的电压相位
Figure FDA0003493781900000073
等于第j相第二相位θj2，若ΔSOCj1达到设定的下限值，此时状态变为第j相第一桥臂的电压相位
Figure FDA0003493781900000074
等于第j相第二相位θj2，第j相第二桥臂的电压相位等于第j相第一相位θj1；
当此时状态为第j相第一桥臂的电压相位
Figure FDA0003493781900000075
等于第j相第二相位θj2，第j相第二桥臂的电压相位
Figure FDA0003493781900000076
等于第j相第一相位θj1，若ΔSOCj2达到设定的下限值，此时状态变为第j相第一桥臂的电压相位
Figure FDA0003493781900000077
等于第j相第一相位θj1，第j相第二桥臂的电压相位
Figure FDA0003493781900000078
等于第j相第二相位θj2。
模块S2.7：计算第j相第一桥臂的电压的给定值
Figure FDA0003493781900000079
和第j相第二桥臂的电压的给定值
Figure FDA00034937819000000710
Figure FDA00034937819000000711
在所述模块S3中，
模块S3.1：采样得到每相内各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，分别对每相内第一桥臂和第二桥臂中各个功率模块进行电池荷电状态的排序，计算每相内第一桥臂和第二桥臂中功率模块电容电压的平均值；
模块S3.2：用级联H桥变换器的第j相第一桥臂的电压的给定值
Figure FDA00034937819000000712
和第j相第二桥臂的电压的给定值
Figure FDA00034937819000000713
分别除以每相内第一桥臂和第二桥臂中功率模块电容电压的平均值，计算级联H桥变换器的三相内第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure FDA00034937819000000714
Figure FDA0003493781900000081
其中，round()为就近取整函数，
Figure FDA0003493781900000082
为A、B、C三相第一桥臂功率模块电容电压的平均值，
Figure FDA0003493781900000083
为A、B、C三相第二桥臂功率模块电容电压的平均值。
模块S3.3：以向网侧输出电流为相电流ix，x＝a，b，c的正方向，当相电流ix方向为正时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure FDA0003493781900000084
也为正时，桥臂按照电池荷电状态由高到低投入
Figure FDA0003493781900000085
个功率模块，投入的
Figure FDA0003493781900000086
个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为正时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure FDA0003493781900000087
为负时，桥臂按照电池荷电状态由低到高投入
Figure FDA0003493781900000088
个功率模块，投入的
Figure FDA0003493781900000089
个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure FDA00034937819000000810
也为负时，桥臂按照电池荷电状态由高到低投入
Figure FDA00034937819000000811
个功率模块，投入的
Figure FDA00034937819000000812
个功率模块输出负电平，其他功率模块输出零电平；
当相电流ix方向为负时，三相第一桥臂和第二桥臂需要投入的功率模块个数
Figure FDA00034937819000000813
为正时，桥臂按照电池荷电状态由低到高投入
Figure FDA00034937819000000814
个功率模块，投入的
Figure FDA00034937819000000815
个功率模块输出正电平，其他功率模块输出零电平。
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