一种双向储能变流器及其控制方法与流程

本发明涉及供电控制领域，特别涉及一种双向储能变流器的控制方法。

背景技术：

随着电力电子技术的发展和世界能源结构的逐渐变化，新能源产品逐渐走进人们的生活并改变着人们的生活，其中储能变流器在实际应用中起着越来越重要的作用，储能变流器的出现解决了人们生活中的许多困难，在电网断电情况下为一些特殊设备提供电能支撑，目前市场上的普遍采用的是三相储能变流器，主要针对的是工业设备应用，日常民用设备大多采用单相供电，市场上虽有对单相储能变流器的研究，但只是停留在理论研究方面，并没有考虑到产品的市场性，本文提出一种适用于单相系统的储能变流器，采用buck-boost双向dcdc控制策略降低了直流侧蓄电池数量，能够实现离网运行和并网运行，在电网断电状态下设备离网运行，为设备提供电能，电网来电时设备能够并网运行，为电池充电。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于单相储能变流器的控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种双向储能变流器，包括蓄电池、双向dcdc变换电路、双向dcac电路、滤波电路、控制电路，所述蓄电池与双向dcdc变换电路连接，所述双向dcdc变换电路与双向dcac电路连接，所述双向dcac电路与滤波电路连接，所述滤波电路通过选通开关分别连接电网和负载，所述控制电路的输出端输出控制信号分别至双向dcdc变换电路、双向dcac电路、选通开关。

所述控制系统输出pwm信号分别至双向dcdc变换电路、双向dcac电路，用于控制双向dcdc变换电路、双向dcac电路的工作。

所述滤波电路采用lc滤波电路。

所述选通开关用于根据控制系统发来控制信号控制滤波电路与电网的导通与否、滤波电路与负载的导通与否。

一种双向储能变流器的控制方法，双向储能变流器的运行包括离网运行和并网运行，其中在电网断电状态下控制储能变流器离网运行，控制储能变流器为设备提供电能；电网来电工作时储能变流器并网运行，负载通过电网供电同时电网为储能变流器的蓄电池充电。

在并网运行下，其控制方法包括如下步骤：

(1)对蓄电池端的双向dcdc变换电路汲姓控制，抬升直流侧电压，形成电池和电网的能量通道；

(2)采用单相电压锁相环技术得到电网相位角θ；

(3)采样电网电压ui，并对电网电压ui移相1/4周期得到虚拟电网电压uiv，通过旋转坐标变换将交流电网电压和虚拟交流电网电压转换成旋转坐标系下的网侧旋转电压ud和虚拟旋转电压uq；

(4)采样电网电流ii，并对电网电流ii移相1/4周期得到虚拟电网电流iiv，通过旋转坐标变换将交流电网电流和虚拟交流电网电流转换成旋转坐标系下的网侧旋转电流id和虚拟旋转电流iq；

(5)设有功功率设定值为pref，将pref乘2除以网侧旋转电压ud得到网侧旋转电流参考值idref再将idref减去网测电流id，得到的结果经pi调解输出值为idout，再通过前馈解耦策略得到udout，前馈解耦公式为：udout＝ud-idout+iq*ωl；

(6)设无功功率设定值为qref，将qref除以网侧旋转电压ud得到网侧旋转电流参考值iqref再将iqref减去网测电流iq，得到的结果经pi调解输出值为iqout，再通过前馈解耦策略得到uqout，前馈解耦公式为：uqout＝ud-idout-id*ωl；

(7)得到的udout和uqout进行dq/αβ坐标变换得到uα和uβ，uα作为正弦调制波，等腰三角波作为载波，正弦调制波和三角载波经过比较器生成spwm信号(正弦调制波和三角载波分别进入比较器的两输出引脚，比较器对正弦调制波、三角载波幅值进行比较，正弦调制波大于三角载波时，比较器输出引脚正电平；正弦调制波小于三角载波时，比较器输出引脚输出0电平，既而得到spwm波)驱动双向dcac电路将交流变换成直流，为dcdc变换电路提供直流输入。

离网运行下，其控制方法包括如下步骤：

(1)在采集到电网断电下，控制双向dcdc变换电路将蓄电池的输出电压升压至设定值；

(2)、输出spwm信号控制双向dcac电路将双向dcdc变换电路输出的直流电压变换成符合负载工作的交流电；

双向dcac变换电路的控制方法包括：将设定的交流电压值与采集的负载侧的交流电压值相减做差，将差值进行pi调节，将调节结果与幅值为1、频率为50hz的正弦波相乘，得到的结果与三角波比较产生spwm波，驱动逆变电路实现逆变功能。

本发明的优点在于：双向储能逆变器可以实现离网运行和并网运行，可以做到在电网断电时通过升压和逆变为负载提供交流供电，并在电网工作时，通过电网为蓄电池充电补充电能，从而实现负载设备的断电工作。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明双向储能变流器的拓扑结构图；

图2为本发明并网运行控制原理图；

图3为本发明离网运行的控制原理图；

图4为p＝3kw，q＝0kw直流输出电压波形图。

图5为p＝3kw，q＝0kw并网电压电流波形图。

图6为p＝3kw，q＝0kw即时有功无功计算结果图。

图7为p＝3kw，q＝3kw直流输出电压波形图。

图8为p＝3kw，q＝3kw并网电压电流波形图。

图9为p＝3kw，q＝3kw即时有功无功计算结果图。

图10为p＝0kw，q＝3kw直流输出电压波形图。

图11为p＝0kw，q＝3kw并网电压电流波形图。

图12为p＝0kw，q＝3kw即时有功无功计算结果图。

图13为离网状态直流输出电压波形图。

图14为离网状态带载波形图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，为储能逆变器的拓扑图，双向储能变流器包括蓄电池、双向dcdc变换电路、双向dcac电路、滤波电路、控制电路，蓄电池与双向dcdc变换电路连接，双向dcdc变换电路与双向dcac电路连接，双向dcac电路与滤波电路连接，滤波电路通过选通开关分别连接电网和负载，控制电路的输出端输出控制信号分别至双向dcdc变换电路、双向dcac电路、选通开关。

蓄电池为可充电的蓄电池，可以由多个单体蓄电池串联形成，双向dcdc变换电路采用buck-boost双向dcdc变换电路，如图所示，包括两个开关管s1、s2，双向dcac电路为逆变和整流双向作用的电路，包括四个开关管s3、s4、s5、s6组成的桥式电路，滤波电路采用lc滤波电路，包括l2、c2，c2并联在输出端的两端。选通开关用于实现根据控制系统发来控制信号控制滤波电路与电网的导通与否、滤波电路与负载的导通与否。采用交流接触器来实现选通开关，分别通过两个接触器分别用于连接滤波电路和电网以及滤波电路和负载，根据实际需要开打开或关闭对应的接触器。当并网运行时，打开接触器使得电网与滤波电路连通，同时关闭滤波电路和负载之间回路，此时电网交流电经过整流滤波后为蓄电池充电，当电网断电时，接触器的断开和关闭与电网运行时相反。

控制系统输出pwm信号分别至双向dcdc变换电路、双向dcac电路，用于控制双向dcdc变换电路、双向dcac电路的工作。

本方案能够实现单相电压并网运行和功率控制，及断电状态下离网运行，解决了单相设备断电无法工作的问题。

采用的是双向dcdc变换和虚拟dq坐标变换的原理，以及逆变原理，分为并网状态和离网状态，并网状态包括以下步骤：

(1)对蓄电池端采用buck—boost双向dcdc变换控制策略抬升直流侧电压，形成电池和电网的能量通道。

(2)采用单相电压锁相环技术得到电网相位角θ。

(3)采样电网电压ui，并对电网电压ui移相1/4周期得到虚拟电网电压uiv，通过旋转坐标变换(αβ-dq变换)将交流电网电压和虚拟交流电网电压转换成旋转坐标系下的网侧旋转电压ud和虚拟旋转电压uq。

(4)采样电网电流ii，并对电网电流ii移相1/4周期得到虚拟电网电流iiv，通过旋转坐标变换(αβ-dq变换)将交流电网电流和虚拟交流电网电流转换成旋转坐标系下的网侧旋转电流id和虚拟旋转电流iq。

(5)设有功功率设定值为pref，将pref乘2除以网侧旋转电压ud得到网侧旋转电流参考值idref再将idref减去网测电流id，得到的结果经pi调解输出值为idout，再通过前馈解耦策略得到udout，前馈解耦公式为：udout＝ud-idout+iq*ωl。

(6)设无功功率设定值为qref，将qref除以网侧旋转电压ud得到网侧旋转电流参考值iqref再将iqref减去网测电流iq，得到的结果经pi调解输出值为iqout，再通过前馈解耦策略得到uqout，前馈解耦公式为：uqout＝ud-idout-id*ωl。

(7)得到的udout和uqout进行dq/αβ坐标变换得到uα和uβ，将uα与三角波进行比较产生pwm信号驱动电路实现pq控制。(正弦调制波和三角载波分别进入比较器的两输出引脚，比较器对正弦调制波、三角载波幅值进行比较，正弦调制波大于三角载波时，比较器输出引脚正电平；正弦调制波小于三角载波时，比较器输出引脚输出0电平，既而得到spwm波)

离网状态包括以下步骤：

(8)buck-boost双闭环控制电路将蓄电池电压抬升至设定值。

(9)spwm逆变电路，双闭环逆变控制电路生成220v/50hz的交流电。

如图1所示为单相双向储能变流器拓扑图，系统直流侧采用多节单体蓄电池串联，连接蓄电池的是buck-boost双向dcdc变换电路，右边是双向dcac逆变电路，后级为滤波电路，最后连接大电网。

图2为系统的闭环控制流程图，结合流程图来详细叙述控制步骤。

步骤一：采样电容c1两端电压u0和直流输出电流i0，通过电压外环控制得到uout

uout＝kp1*(uref-u0)+ki1*∫(uref-u0)dt

步骤二：通过电流内环得到iout：

iout＝kp2*(uout-i0)+ki2*∫(uout-i0)dt

其中uref直流电压设定值，通过控制uref的值来控制直流电压的大小。

步骤三：将iout与三角波进行比较，得到一组pwm信号s1，再通过反向电路得到另

一组pwm信号s2，通过双闭环控制完成dcdc变换。

步骤四：采样电网电压ui、电网电流ii，采用锁相环pll技术捕获电网相位，得到相位角θ。

步骤五：通过延时函数将ui采样信号延时1/4ts(ts为电网交流电压周期)得到虚拟电网电压uiv，通过旋转坐标变换αβ/dq变换分别得到旋转坐标系下的网侧旋转电压ud和虚拟旋转电压uq，旋转坐标函数关系式如下：

步骤六：通过延时函数将ii采样信号延时1/4ts得到虚拟电网电压iiv，通过旋转坐标变换αβ/dq变换分别得到旋转坐标系下的网侧旋转电流id和虚拟旋转电流iq。

步骤七：计算idref和iqref，计算公式如下：

p为有功功率设定值，q为无功功率设定值。

步骤八：通过pi调节分别得到idout和iqout，pi调节函数为：

idout＝kp3*idout+ki3*∫idoutdt

iqout＝kp4*iqout+ki4*∫iqoutdt

步骤九：引入前馈解耦电路得到udout和uqout，前馈解耦函数如下：

udout＝ud-idout+iq*ωl

uqout＝ud-idout-id*ωl

步骤十：对udout和uqout进行dq/αβ变换得到uα和uβ，dq/αβ变换函数如下：

步骤十一：将uα与三角波进行比较产生pwm信号驱动桥臂工作从而完成系统功能。

图3为离网控制策略图，控制拓扑图如图一，电网断电，将电网换成负载，离网控制步骤如下：

步骤一：buck-boost控制电路，该控制策略参考pq控制策略，两者完全一样。

步骤二：逆变控制策略，采样输出电压换算成有效值uir。

步骤三：将uir与输出电压设定值uiref做差比较，将比较值进行pi调节，pi调节函数如下：

ui*＝kp5*(uiref-uir)+ki5*∫(uiref-uir)dt

步骤四：将调节结果ui*与幅值为1，频率为50hz的正弦波相乘。

步骤五：得到的结果与三角波比较产生spwm波，驱动逆变电路实现逆变功能。

根据上述步骤采用商业pscad进行仿真验证，设计一个3kw的仿真系统，在pscad中电压的单位为kv，电流的单位为ka，功率的单位为mw。

表1测试模型主要参数

pq运行模式：分别对三种工况进行测试：

工况1，仿真总时长设置为0.25s，采用0.5us的仿真步长进行仿真。设置直流电压为350v设置有功功率为3kw，无功功率为0，仿真结果如图4/5/6。

工况2，仿真总时长设置为0.25s，采用0.5us的仿真步长进行仿真。设置直流电压为350v设置有功功率为3，无功功率为3kw，仿真结果如图7/8/9。

工况3，仿真总时长设置为0.25s，采用0.5us的仿真步长进行仿真。设置直流电压为350v设置有功功率为0kw，无功功率为3kw，仿真结果如图10/11/12。

离网运行模式：设置直流参考电压350v，输出交流电压220v，仿真结果如图13/14。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。