面向储能系统变流器的离并网综合控制方法与流程

本发明属于储能系统的电力电子控制，具体涉及面向储能系统变流器的离并网综合控制方法。

背景技术：

1、对于可再生能源而言，尽管其具备包括清洁、高效、取之不尽用之不竭等在内的诸多优点，但同样也存在波动性大、间歇性大、地域性强等缺点，不能自主地进行调频、调压，为新能源与大电网共同工作时的稳定运行造成了极大困难；为了抑制可再生能源发电系统的不稳定性，储能系统应运而生。

2、以电力电子装置为接口的储能系统，可接受电网调度系统的电能的合理分配，能够对电力系统中的供电与用电功率波动起到“削峰填谷”的作用，当电网掉电时，储能系统可为重要的本地负载提供稳定可靠的电能供应；另一方面，储能装置由于具有对功率和能量的时间迁移能力，是改善风力、光伏等新能源发电系统动态响应特性的有效手段。

3、为实现大规模电池储能技术的应用，常采用电池储能功率调节系统的模块化并联运行。并联逆变器工作于并网模式时，由于各模块均工作在电流源模式，故不存在均流问题；而独立运行模式时，系统要面临逆变器并联所必须的环流抑制问题。当采用独立直流母线共交流母线的并联方案时，电池侧的荷电状态存在差异，传统常用的ups模块并联控制方案不再适用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于离并网综合控制方法，应用于储能系统中，解决电池储能系统中的变流器的运行控制问题。

2、本发明提供如下技术方案：面向储能系统变流器的离并网综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、1）在离网运行模式下，储能变流器往往被视为电压源，将以输出电压作为控制目标。为了使储能逆变器在运行过程中能为负荷提供稳定的电压及频率，保证微网交流母线的电压稳定的电压幅值、频率及较好的波形质量，采用电压电流双环控制策略。设计电感电流内环、输出电压外环的双闭环控制，具体过程如下：

4、1.1）将离网运行系统等效为两个完全独立且相同的单相逆变器，分析得到输出阻抗上的分压是影响输出电压的控制精度和波形质量的因；

5、1.2）根据步骤1.1）分析得到的变流器系统控制模型，分别设计电感电流内环参数和电容电压外环参数：加入电流内环后相当于在电感上串联一个阻尼电阻，能够抑制lc滤波器的谐振峰；电压外环考虑设计为一个pi控制器，用来加快系统动态响应与稳定性；

6、2）储能系统在并网模式下，接入电网作为电经变流器整流后将电能输送给电池系统进行充电，或者电池系统电能经变流器逆变后注入电网供其他电气负载使用。电池系统荷电状态（state of charge, soc）是运行过程中重要的参数，精确的soc计算是支撑电池进行充放电控制的基础。本发明采用主从式的储能单元管理策略对soc进行实时估算，具体的设计过程如下：

7、2.1）整体方案采用主从式系统架构，分结构利用模块化设计：主控模块实现对电池soc实时估算，分析并处理一些电压及电流故障，同时与变流器系统和上位机等设备进行数据互联；从模块实现对电压、电流等参数进行实时监测和采集，数据经过a/d转换后通过spi通信上传至主控模块中；

8、2.2）储能单元管理系统的主控模块核心采用型号为tms320f280049c的dsp芯片组建的最小化系统，该芯片工作频率达100mhz，且自带256kb的flash内存和100kb的ram，以及21个12位adc（模数转换器）转换通道和spi、can等一些常用的通信接口，能基本满足控制器的设计要求；

9、2.3）储能单元管理系统的从控模块采用分块化设计，实现对电池组的电压、电流、温度等参数进行实时监测和采集；

10、2.3.1）电压采集电路如下图所示，采用ltc6811芯片进行设计，测量支路引入rc滤波电路改善高频噪声干扰，降低电压纹波等效果；并且在电池正负极之间并上稳压管，用于提高芯片抵抗浪涌冲击的能力；

11、2.3.2）电流采集模块采用闭环霍尔电流传感器chb-300sf进行设计，详细的电路设计如下图所示。首先，传感器将检测到的原边电流利用磁感应效应来生成一个次级电流信号，然后通过电阻来实现电流信号向电压信号的转换，并且这个电压信号还经过一系列处理步骤，包括噪声降低、反向操作和加法运算。最终，经过处理后的信号被输入到ltc6811的i/o接口，并使用ltc6811内部的adc模块，将电压和电流数据同步地进行采集和转换；

12、2.3.3）温度采集模块采用gx18b20单线数字温度传感器，通过数据总线可以实现多点温度采集，具体电路设计如下图，信号引脚线dq并联至ltc6811芯片的一个i/o口，与步骤2.3.2）的目的相同，借助ltc6811内部的adc模块，实现信号数据的同步采集与处理；

13、2.4）软件部分主要包括对硬件系统初始化、通信配置、数据采集、soc估算等；

14、3）储能系统不仅要求能分别正常工作于离网和并网模式，同时也需要保证这两种模式的平滑切换，这对于减小冲击电流，提高系统稳定性是非常关键的技术；本发明采用并网预同步控制策略实现离并网的平滑过渡，具体的设计过程如下：

15、3.1）考虑并网运行三个条件：变流器输出的电压相位与电压相位相同；变流器输出的电压幅值与电网电压幅值相同；变流器输出的电压频率与电网频率相同；以下将依据各个条件对并网预同步控制策略进行设计，具体过程如下：

16、3.1.1）如下图所示，在并网预同步过程中，并网开关在初始阶段处于断开状态，变流器与电网之间可等效为使用大小为的虚拟阻抗进行连接，则虚拟阻抗上流过的虚拟功率为：

17、其中，分别表示虚拟阻抗两端的压降以及电流，表示电网电压的幅值。由虚拟功率公式结果可知，当时，虚拟阻抗上的虚拟功率值为0，所以通过控制虚拟阻抗流过的功率为零来间接实现虚拟阻抗两侧电压具有相同的相位。经过分析，本发明在电压相位预同步控制采用基于虚拟阻抗功率的无锁相环预同步控制策略，具体的控制框图如下所示：

18、3.1.2）电压幅值预同步采用pi控制器，具体的控制框图如下所示，和分别为不同的两个电压幅值，通过pi控制器后可得到一个需要补偿的电压幅值；

19、3.1.3）最后，采用虚拟同步发电机（vsg）控制策略对系统进行控制，具体的策略框图设计如下。将基于步骤3.1.1）和步骤3.1.2）得到的角速度及补偿电压，分别叠加至vsg控制中有功功率环所得角速度及无功功率环所得参考电压上，当系统参数指标满足并网条件时，闭合继电器实现并网运行。成功切换时，用电网频率代替图中的，实现电压频率同步。

20、2.所述的面向储能系统变流器的离并网综合控制方法，其特征在于所述步骤3.1.3）中，在系统实现从离网模式到大电网模式的切换瞬间，vsg控制结构不仅在下垂特性基础上加入了微分环节，以使系统的输出及早地得到修正，同时在电流环上加入了前馈控制以避免切换瞬间产生很大的电流尖峰，可以在很大程度上减少控制策略切换瞬间产生的电流尖峰。

21、通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

22、本发明方法针对储能系统变流器各种运行模式的控制技术进行研究：在离网模式下采用电感电流内环、输出电压外环的双闭环控制策略，以保证微网交流母线的电压稳定的电压幅值、频率及较好的波形质量；在并网模式下，采用主从式的储能单元管理策略对soc进行实时精确估算，提高电池系统与电网的能量传输效率；最后还采用并网预同步控制策略实现离并网的平滑过渡，能够明显提高系统在模式切换时的稳定性。