单相链式电力电子储能变流器的控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910271414.0 (22)申请日 2019.04.04 (71)申请人 北京荣信慧科科技有限公司 地址 100193 北京市海淀区西北旺东路10 号院东区21号楼二层101-207-2 (72)发明人 孙凯何师张海涛顾威 (74)专利代理机构 鞍山嘉讯科技专利事务所 (普通合伙) 21224 代理人 张群 (51)Int.Cl. H02J 3/32(2006.01) H02J 3/48(2006.01) H02J 3/50(2006.01) (54)发明名称 一种单相。

2、链式电力电子储能变流器的控制 方法 (57)摘要 本发明提供一种单相链式电力电子储能变 流器的控制方法， 将整个储能变流器的控制分为 四个环节： 储能电池SOC控制环、 储能单元级联逆 变电流控制环、 电网电压锁相和储能单元SOC平 衡控制。 目的是提供一种适用于不同电压等级、 不同剩余容量的储能电池单元级联后的储能变 流器控制方法， 提高储能电池的利用率， 使储能 装置的电池选择更加灵活， 同时使低压电池接入 中压电网使用成为可能。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 109995066 A 2019.07.09 CN 109995066 A 1.一种单相链式电力电子储能变流器的控制。

3、方法， 其特征在于， 将整个储能变流器的 控制分为四个环节： 储能电池SOC控制环、 储能单元级联逆变电流控制环、 电网电压锁相和 储能单元SOC平衡控制； 储能电池SOC控制环包括如下步骤： 步骤101、 通过每个储能电池的管理单元BMS计算所有基本电池模块的SOC值， 然后求出 所有电池模块的平均值SOCfbk_Avg、 最大值SOCfbk_Max和最小值SOCfbk_Min， 并送入电池状态判断 模块； 步骤102、 在电池状态判断模块中， 共将电池状态分为4种： SOC控制禁止状态， 优先级为1； SOCfbk_MaxSOCchg_Max， SOC值过高， 高电量状态， 优先级为3； 。

4、SOCfbk_Max-SOCfbk_MinSOCchg_Err， SOC值正常， 内部平衡状态， 优先级为4； SOCchg_Min、 SOCchg_Max、 SOCchg_Err分别为SOC值的控制值最小值、 最大值和偏差值； 步骤103、 电池状态判断模块根据上级控制发来的SOC控制禁止/使能信号， 综合各个电 池单元的SOC状态， 计算出有功电流的幅值给定Ipref、 无功电流的幅值给定Iqref， 发送给逆变 电流控制部分； 所述的储能单元级联逆变电流控制环包括如下： 步骤201、 逆变电流控制部分接收储能电池SOC控制环的输出Ipref和Iqref， 同时接收上级 控制发送的有功电流。

5、给定值Ipref_s、 无功电流给定值Iqref_s， Ipref和Iqref分别与Ipref_s、 Iqref_s 相加后， 再分别乘以电网电压锁相PLL部分输出的相位， 有功乘以有功相位Cos ， 无功乘以 无功相位Sin ， 得到有功电流的瞬时给定值Ipref1和无功电流的瞬时给定值Iqref1， 两者相加 后作为总电流的瞬时给定值Iref； 步骤202、 以总电流的瞬时给定值Iref对交流侧电流进行闭环控制， 采用能对交流电流 控制的准PR控制器， 该部分输出的值作为总逆变电压输出值储能电池SOC平衡控制部分。 2.根据权利要求1所述的一种单相链式电力电子储能变流器的控制方法， 其特征。

6、在于， 电网电压锁相PLL部分使用SOGI来计算电网电压的有功/无功相位Cos 和Sin ， 输出至逆变 电流控制部分。 3.根据权利要求1所述的一种单相链式电力电子储能变流器的控制方法， 其特征在于， 在储能单元SOC平衡控制部分中， 根据每个电池单元的SOC反馈值SOCfbk_u1.un与所有电池单 元的SOC平均值SOCfbk_Avg的差值， 使用比例调节模块Kp， 进行电池单元之间的电量控制； 该模 块通过分配装置总逆变电压后， 输出N路调制波Us1.sn， 给每个储能逆变器单元调制使用。 权利要求书 1/1 页 2 CN 109995066 A 2 一种单相链式电力电子储能变流器的控。

7、制方法 技术领域 0001 本发明涉及储能变流器控制算法设计技术领域， 特别涉及一种单相链式电力电子 储能变流器的控制方法。 背景技术 0002 在多电平换流器的基本拓扑结构中， 级联H桥拓扑结构需要最少数量的器件， 不需 要大量的箝位二极管和飞跨电容和易于模块化等优点， 被认为是较适合用于电网接口的换 流器。 0003 受限于电池的工艺发展， 一般大容量储能装置， 普遍采用多机并联的拓扑结构， 然 后接入低压电网， 这种拓扑结构对储能电池的一致性要求较高。 0004 为了解决不同电压等级的电池应用于同一储能装置中的问题， 本发明采用了单相 链式拓扑结构， 并提出了对应的控制策略。 发明内容 。

8、0005 为了解决背景技术中所述问题， 本发明提供一种单相链式电力电子储能变流器的 控制方法， 目的是提供一种适用于不同电压等级、 不同剩余容量的储能电池单元级联后的 储能变流器控制方法， 提高储能电池的利用率， 使储能装置的电池选择更加灵活， 同时使低 压电池接入中压电网使用成为可能。 0006 为了达到上述目的， 本发明采用以下技术方案实现： 0007 一种单相链式电力电子储能变流器的控制方法， 将整个储能变流器的控制分为四 个环节： 储能电池SOC控制环、 储能单元级联逆变电流控制环、 电网电压锁相和储能单元SOC 平衡控制。 0008 一、 储能电池SOC控制环包括如下步骤： 0009。

9、 步骤101、 通过每个储能电池的管理单元BMS计算所有基本电池模块的SOC值， 然后 求出所有电池模块的平均值SOCfbk_Avg、 最大值SOCfbk_Max和最小值SOCfbk_Min， 并送入电池状态 判断模块； 0010 步骤102、 在电池状态判断模块中， 共将电池状态分为4种： 0011SOC控制禁止状态， 优先级为1； 0012SOCfbk_MaxSOCchg_Max， SOC值过高， 高电量状态， 优先级为3； 0014SOCfbk_Max-SOCfbk_MinSOCchg_Err， SOC值正常， 内部平衡状态， 优先级为4； 0015 SOCchg_Min、 SOCchg。

10、_Max、 SOCchg_Err分别为SOC值的控制值最小值、 最大值和偏差值； 0016 步骤103、 电池状态判断模块根据上级控制发来的SOC控制禁止/使能信号， 综合各 个电池单元的SOC状态， 计算出有功电流的幅值给定Ipref、 无功电流的幅值给定Iqref， 发送给 逆变电流控制部分。 0017 二、 所述的储能单元级联逆变电流控制环包括如下： 说明书 1/5 页 3 CN 109995066 A 3 0018 步骤201、 逆变电流控制部分接收储能电池SOC控制环的输出Ipref和Iqref， 同时接收 上级控制发送的有功电流给定值Ipref_s、 无功电流给定值Iqref_s，。

11、 Ipref和Iqref分别与Ipref_s、 Iqref_s相加后， 再分别乘以电网电压锁相PLL部分输出的相位， 有功乘以有功相位Cos ， 无功 乘以无功相位Sin ， 得到有功电流的瞬时给定值Ipref1和无功电流的瞬时给定值Iqref1， 两者 相加后作为总电流的瞬时给定值Iref； 0019 步骤202、 以总电流的瞬时给定值Iref对交流侧电流进行闭环控制， 采用能对交流 电流控制的准PR控制器， 该部分输出的值作为总逆变电压输出值储能电池SOC平衡控制部 分。 0020 三、 电网电压锁相PLL部分使用SOGI来计算电网电压的有功/无功相位Cos 和Sin ， 输出至逆变电流控。

12、制部分。 0021 四、 在储能单元SOC平衡控制部分中， 根据每个电池单元的SOC反馈值SOCfbk_u1.un 与所有电池单元的SOC平均值SOCfbk_Avg的差值， 使用比例调节模块Kp， 进行电池单元之间的 电量控制； 该模块通过分配装置总逆变电压后， 输出N路调制波Us1.sn， 给每个储能逆变器单 元调制使用。 0022 与现有技术相比， 本发明的有益效果是： 0023 本发明提供一种适用于不同电压等级、 不同剩余容量的储能电池单元级联后的储 能变流器控制方法， 提高储能电池的利用率， 使储能装置的电池选择更加灵活， 同时使低压 电池接入中压电网使用成为可能。 附图说明 0024。

13、 图1为单相链式电力电子储能变流器的拓扑结构图； 0025 图2是单相链式储能系统控制框图； 0026 图3是装置充电状态时稳态向量图； 0027 图4是装置放电状态时稳态向量图； 0028 图5是装置储能单元内部电量平衡向量图。 具体实施方式 0029 以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。 0030 单相链式电力电子储能变流器的拓扑结构图如图1所示， 系统采用H桥多电平拓扑 结构， 由于逆变侧串联， 故电流的控制自由度为1， 即只有总的交流逆变电流可以控制。 链式 拓扑的储能变流器能够在装置总逆变电压不变的前提下， 实现不同电压等级的电池级联。 根据每个储能电池单元的剩余容量。

14、， 进行充放电控制， 是实现本发明控制策略的首要条件。 0031 如图2所示， 一种单相链式电力电子储能变流器的控制方法， 将整个储能变流器的 控制分为四个环节： 储能电池SOC控制环、 储能单元级联逆变电流控制环、 电网电压锁相和 储能单元SOC平衡控制。 0032 一、 储能电池SOC控制环是整个储能装置所有电池SOC的控制环节， 包括如下步骤： 0033 步骤101、 通过每个储能电池的管理单元BMS计算所有基本电池模块的SOC值， 然后 求出所有电池模块的平均值SOCfbk_Avg、 最大值SOCfbk_Max和最小值SOCfbk_Min， 并送入电池状态 判断模块； 说明书 2/5 。

15、页 4 CN 109995066 A 4 0034 步骤102、 在电池状态判断模块中， 共将电池状态分为4种： 0035SOC控制禁止状态， 优先级为1； 0036SOCfbk_MaxSOCchg_Max， SOC值过高， 高电量状态， 优先级为3； 0038 SOCfbk_Max-SOCfbk_MinSOCchg_Err， SOC值正常， 内部平衡状态， 优先级为4； 0039 图2中此部分的变量解释如下： 0040 SOCfbk_u1.un:从1#到n#储能电池单元的剩余电量百分比； 0041 SOCfbk_Min:所有储能电池单元SOC值的最小值； 0042 SOCfbk_Max:所有。

16、储能电池单元SOC值的最大值； 0043 SOCfbk_Avg:所有储能电池单元SOC值的平均值； 0044 SOCchg_Min、 SOCchg_Max、 SOCchg_Err分别为SOC值的控制值最小值、 最大值和偏差值。 0045 步骤103、 电池状态判断模块根据上级控制发来的SOC控制禁止/使能信号， 综合各 个电池单元的SOC状态， 计算出有功电流的幅值给定Ipref、 无功电流的幅值给定Iqref， 发送给 逆变电流控制部分； 0046 图2中该部分变量含义如下： 0047 Ipref:储能电池单元SOC控制的有功电流给定幅值； 0048 Iqref:储能电池单元SOC控制的无功。

17、电流给定幅值； 0049 电池SOC控制使能： 上级控制下发的电池SOC控制使能信号； 0050 二、 所述的储能单元级联逆变电流控制环包括如下： 0051 步骤201、 逆变电流控制部分接收储能电池SOC控制环的输出Ipref和Iqref， 同时接收 上级控制发送的有功电流给定值Ipref_s、 无功电流给定值Iqref_s， Ipref和Iqref分别与Ipref_s、 Iqref_s相加后， 再分别乘以电网电压锁相PLL部分输出的相位， 有功乘以有功相位Cos ， 无功 乘以无功相位Sin ， 得到有功电流的瞬时给定值Ipref和无功电流的瞬时给定值Iqref， 两者相 加后作为总电流的。

18、瞬时给定值Iref； 0052 步骤202、 以总电流的瞬时给定值Iref对交流侧电流进行闭环控制， 采用能对交流 电流控制的准PR控制器， 该部分输出的值作为总逆变电压输出值储能电池SOC平衡控制部 分。 0053 该部分使用的准PR调节器传递函数如下： 0054准PR调节器传递函数：(准PR调节器传递函数为现有技术， 其中的变量为公知内容， 此处不做解释)。 0055 图2中逆变电流控制部分变量含义如下： 0056 Ipref_s:上级控制单元输出的有功电流给定幅值； 0057 Iqref_s:上级控制单元输出的无功电流给定幅值； 0058 Cos ： 电网电压的有功相位； 0059 Si。

19、n ： 电网电压的无功相位； 0060 Iref:总交流侧电流的给定值(瞬时值)； 0061 Is:总交流侧电流的实际反馈值(瞬时值)； 0062 Irated:总交流侧电流的额定值(交流幅值， 用于Is的标幺值处理)； 说明书 3/5 页 5 CN 109995066 A 5 0063 Ug:交流侧电压的实际反馈值(瞬时值)； 0064 Urated:交流侧电压的额定值(交流幅值， 用于Ug的标幺值处理)； 0065 UO:储能变流器逆变侧总电压调制波给定值。 0066 三、 电网电压锁相PLL部分使用SOGI来计算电网电压Ug的有功/无功相位Cos 和 Sin ， 输出至逆变电流控制部分。。

20、 0067 SOGI的传递函数如下： 0068SOGI(二阶广义积分器)的传递函数：(SOGI传递函数为现有技术， 其中的变量为公知内容， 此处不做解释)。 0069 四、 在储能单元SOC平衡控制部分中， 根据每个电池单元的SOC反馈值SOCfbk_u1.un 与所有电池单元的SOC平均值SOCfbk_Avg的差值， 使用比例调节模块Kp， 比例调节模块输出值 乘以总交流侧电流的给定值Iref的相位Cos后， 进行电池单元之间的电量控制； 该模块通 过分配装置总逆变电压后， 输出N路调制波Us1.sn， 给每个储能逆变器单元调制使用。 0070 图2中该部分使用的变量含义如下： 0071 K。

21、p:储能电池SOC平衡控制部分的比例控制系数； 0072 Cos： 总逆变电流给定值的相位； 0073 Us1.sn:从1#到n#储能逆变器的调制波给定值。 0074 本发明的控制方法原理说明如下： 0075 储能变流器工况判断模块是本控制策略的核心控制模块。 根据每个储能电池单元 剩余电量的分布情况， 可以将储能变流器的工作状态划分为以下三种： 0076 1、 储能电池充电状态(低电量状态)； 0077 2、 储能电池放电状态(高电量状态)； 0078 3、 储能电池内部电量平衡状态。 0079 1)装置充电状态 0080 此状态中， 整个装置的储能电池单元全部处于低电量状态， 需要从电网获。

22、取有功 用来补充电池的电量。 此状态尽量在电网不需要储能变流器工作时进入。 0081 此时， 装置处于向电网吸收有功状态， 单元逆变电压向量图如图3所示。 每个单元 逆变电压向量的方向与级联后总逆变电压方向一致， 且总逆变电压相位滞后于电网电压， 通过调节每个单元逆变电压幅值， 即可分配每个单元的出力。 需要注意的是， 如果单个单元 的逆变电压输出能力不够， 则每个单元必须都处于充电状态， 即不能为单个单元放电。 0082 2)装置放电状态 0083 此状态中， 整个装置的储能电池处于高电量状态， 此时由于储能电池存储电量充 沛， 可以根据电网的工作情况， 可以进行相应的有功输出。 装置逆变电。

23、压向量图如图4所示， 此时， 装置处于向电网发出有功状态， 每个单元逆变电压向量的方向与级联后总逆变电压 方向一致， 且总逆变电压相位超前于电网电压， 通过调节每个单元逆变电压幅值， 即可分配 每个单元的出力。 0084 3)内部电量平衡状态 0085 当整个装置的单元出现严重的电量分布不平均， 也就是近半数单元电池处于满电 量， 其余处于深度放电状态， 这种情况会严重影响装置的输出能力。 说明书 4/5 页 6 CN 109995066 A 6 0086 a、 如果在装置启动前出现此种工况， 可以通过外部电源对低电量电池进行充电操 作， 待电池电量充满后， 再接入电网进行工作。 这种解决办法。

24、具有较高的安全性， 但需要配 备额外的充电电源， 且耗时严重， 经济效益低。 0087 b、 如果储能电池单元级联后电压输出能力足够， 则可以对低电量电池进行充电操 作。 此时， 满电量的储能单元可以将电池接入， 对低电量的电池进行充电。 0088 本发明的控制策略使用第2种内部电量平衡控制方法， 通过高电量的储能电池单 元向低电量的储能电池单元充电。 整体装置对电网没有有功交换， 但由于需要一定量的无 功电流进行功率平衡， 故存在无功交换。 此时一个n级级联的逆变器， 当有m个单元消耗有功 时， 这部分有功由其余n-m个单元提供， 整个装置对外不进行有功交换， 逆变电压向量图如 图5所示。 。

25、0089 本发明的控制策略采用储能电池总剩余电量的闭环控制， 得出装置整体的有功电 流幅值； 采用广义二阶积分器(SOGI积分器)组成电网侧电压的PLL； 采用准PR调节器来进行 交流电流的无静差控制； 采用比例控制器进行储能模块间的电量平衡控制。 0090 以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具 体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于上述的实施例。 上述实施例中所用方法如无特 别说明均为常规方法。 说明书 5/5 页 7 CN 109995066 A 7 图1 图2 说明书附图 1/2 页 8 CN 109995066 A 8 图3 图4 图5 说明书附图 2/2 页 9 CN 109995066 A 9 。