专利名称：一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的控制优化方法
技术领域：
本发明涉及电力行业中的电力并网储能技术，具体涉及一种为了电网的稳定性而设计的电池储能并网三相电压源变换器系统的一种控制优化方法。
背景技术：
随着全球新能源技术的不断发展，尤其是风能和太阳能越来越多的开发和利用， 电网的能量流动出现了波动，对电网的稳定性提出了很大的挑战，为了使电网更稳定和坚强，就需要有装置能够对电网能量起到削峰填谷的作用，现在国外已经开始了电网储能系统的研究，我国随着这几年风能资源的巨大开发，也已经开始了储能系统的研究，而电池储能系统是未来最有前途的储能方式之一，蓄电池储能的核心是能量可双向流动的电压源变流器技术，以前在电压源变流器的研究大多集中在风能，太阳能的并网装置以及在工业领域中的PWM整流器以及有源前端(AFE)领域，在蓄电池储能系统三相电压源变流器的控制方面鲜有涉及，尤其是怎么去优化整个控制回路的算法和整定方法方面就更少，大多数在研究三相电压型变流器对蓄电池系统的充放电方面，仍然使用控制直流母线电压的方法来对蓄电池进行充放电，这样使得控制系统极其复杂且变量多，系统难以整定。目前公开研究蓄电池储能系统三相并网电压源型变流器控制方法的相关文献和专利有(1)张兴、周志健和许颇著的《用于蓄电池充放电的可逆SPWM变流器》，合肥工业大学学报(自然科学版)，2007，30 (6) ； (2)张仕彬、林仲帆、杜贵平、刘多亮著的《基于双向变流技术的蓄电池充放电装置》，电力电子技术，2008，42(5) ； (3)张兴著《蓄电池充放电装置中的PWM AC/DC变流器设计》电工电能新技术，2002，21(1) ； (4)中国专利:CN101478250 《一种液流电池储能变流器》。上述文献和专利所提及的方法要么是在两相变流器装置的情况下所采用的蓄电池充放电方法，要么是针对直流DC/DC系统对蓄电池充放电管理的方法，这些方法的实质还停留在传统的蓄电池充放电管理的方式之上，利用控制DC/DC电压来控制蓄电池的充放电，这种方法在普通的对蓄电池冲放电的环境下是可行的，而想把蓄电池储能系统经由电压型变流器并到电网起到对可再生能源削峰填谷的作用，那就很困难了。而现代并网储能装置不仅需要对蓄电池系统有充放电能功能，能量双向流动功能，而且还需要提供无功功率调节，并且有谐波抑制功能，这样的三相电压源并网变流器集多种功能于一体，才是未来蓄电池储能系统并网变流器发展的方向。
发明内容
为解决现有技术中蓄电池储能系统三相电压源变流器使用控制直流母线电压的方法来对蓄电池进行充放电，使得控制系统极其复杂且变量多，系统难以整定的问题，本发明提供一种无需通过控制直流母线电容的电压量来控制蓄电池储能系统的充放电电流，就能精确的控制蓄电池储能系统的充放电功率三相电压源变流器的控制优化方法，具体方案如下一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的控制优化方法，其特征在于包括以下步
3骤步骤1、利用单相霍尔传感器采集直流母线电容两端的直流母线电容UD。；利用单相霍尔传感器采集蓄电池充电电流IBatt ；利用三相电压霍尔传感器采集电网三相电压信号 ua、ub、u。；利用三相电流霍尔传感器采集流过感抗的电网三相电流信号ia、ib、ic ；步骤2、利用锁相环检测三相电网电压ua、ub、U。的角频率《3和相位角θ s ；步骤3、把采集得到的电网三相电压ua、ub、Uc和电流信号ia、ib、i。经过Clark变换器变换，变成两相固定坐标系中的量11 α、Ue，i α、i e ；步骤4、利用锁相环得到的电网电压相位角es，把两相固定坐标系中的量Ua、U0， ia、ie经过Park变换器(10、11)，变成两相旋转坐标系中的量ud、uq, id、i,，使id、i,经过乘法器得到交直轴磁通影响量并分别作用于ud、uq,得到反馈量<、Uq ；步骤5、利用检测到的在旋转坐标下的直轴电流id和直轴电压Ud乘积的1. 5倍来近似得到蓄电池系统充电功率I^att，跟设定充放电功率尸丄《比较得到的数值经过PI调节器得到蓄电池充放电有功电流参考值^，旋转坐标系下交轴电流G为系统无功电流的参考量， 控制回路和整定方法和直轴量的有功电流^一致；同时将设定的变换器并网系统的G、i 跟电网反馈值id和i,值进行比较并经过PI调节器得到在两相旋转坐标系下的电压参考量 <和< ；用电压参考量<和<减去反馈量<和 -，得到变换器在未考虑电流谐波抑制时的输出电压参考量，，经过Park反变换器得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量和<#，再经过Clark反变换器得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量，，利用〃，"；和经过SVPWM变换器输出变换器IGBT的开通和关断信号。本发明的另一优选方案PI调节器在功率外环和电流内环的参数整定步骤如下步骤21、两相旋转坐标系下的直轴参考电流C和反馈电流id经比较得到的误差值，经过电流内环的PI调节器再经过SVPWM变换器得到变流器输出参考电压，再跟电网电压之间的差值加在感抗之上产生电流id ；步骤22、电流内环的PI参数根据SVPWM变换器的开关频率、感抗的电感值和电阻值、直流母线电容的值而整定优化，最终电流内环由一个和SVPWM变换器的开关频率值有关的电流一阶延迟函数表示；步骤23、把这个电流一阶延迟函数加入到电池系统充电功率闭环中，其中的功率 PI控制的PI参数由电流一阶延迟函数的参数决定；步骤M、电池系统的充放电功率的计算通过变流器直轴电流id和直轴电压Ud乘积的1. 5倍来近似模拟，以构成功率控制外环。本发明的另一优选方案所述谐波量/和^^通过的基波频率值为6%,、12%,、 18約，、24%。本发明的另一优选方案所述步骤5中，旋转坐标系下交轴电流^为系统无功电流的参考量，控制回路和整定方法和直轴量的有功电流^一致。本发明提出的蓄电池储能系统充放电功率控制方法，跟传统的蓄电池充电方法有很大区别，使得三相电压源变流器能并网的同时对蓄电池进行充放电管理，中间无需传统的DC/DC电源，同时还能提供电网无功功率，该方法对蓄电池储能系统的控制进行了简化，
4而且同时使得控制系统更简单更稳定。本发明方法适用于所用可再生能源系统中需要蓄电池储能系统，液流电池储能系统中的并网三相电压源变流器的控制和优化方法。对光伏并网装置的控制，直驱型风力发电系统的电网侧变流器的控制以及需要用到并网型三相电压源变流器的场合中对变流器的控制方法也有借鉴意义。
图1本发明蓄电池储能系统三相并网型电压源变流器控制系统原理图。图2本发明的蓄电池储能并网三相电压源变流器的控制优化方法的传递函数示意图。图3电压源变流器的拓扑结构图。图4本发明方法执行的仿真效果图。
具体实施例方式本发明公开的蓄电池储能并网三相电压源变换器的控制优化方法。通过采集三相电网电压和电流的信号，经过Clark变换和Park变换成两相固定轴变量作为反馈量，并且同时计算充电的功率，此反馈功率和参考功率比较，经过PI调节，输出值即为有功电流的参考值，同时设定无功电流参考值为零，两者跟反馈的电网三相电流经过变换成旋转轴两相电流的值比较并经过PI调节之后，得到参考电压，经过Clark反变换和Park反变换之后得到所需要的三相变流器输出端的固定坐标系电压。本发明取消了三相并网电压源变换器对蓄电池充电过程中通过调节直流母线电压来调节充电功率的过程，直接控制变流器并网的有功功率，使得控制回路简单，使得本来的三阶系统变为两阶系统，优化更容易，系统更稳定可靠。实施例一如图1、2、3所示，本方案以一台IOOKw电压源型变流器为例来说明执行过程，包括电网电压的高通滤波器沈，感抗5，IGBT开关管14，直流侧母线电容4以及蓄电池1和电缆感抗21组成。充电参考功率从开始的IOOKw在0.03秒跳变到-IOOKw (放电)，直流母线电容400uF，电池SOC状态50 %，环境温度25°C，电池内阻0. 3418 Ω ,电池开路电压720V，电缆电阻0. 001 Ω，电缆电抗10e-6H,开关频率15KHz，电流PI调节器Kp_i = 2. 4Ki_i = 28. 5， 功率 PI 调节器 Kp_p = 0. 00136，Ki_p = 20. 4 ；蓄电池储能并网三相电压源变换器的控制优化方法包括以下步骤i.利用单相霍尔传感器3采集直流母线电容4两端的直流母线电容UD。；利用单相霍尔传感器22采集电池充电电流IBatt ；利用三相电压霍尔传感器23采集电网三相电压信号ua、ub、u。；利用三相电流霍尔传感器6采集流过感抗5的电网三相电流信号ia、ib、ic ；ii.利用锁相环20检测三相电网电压ua、ub、u。的角频率(^和相位角θ s ；iii.把采集得到的电网三相电压和电流信号经过Clark变换器8、9，变成两相固定坐标系中的量，Ua、U0，i α、i e，具体公式如下
权利要求
1.一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的控制优化方法，其特征在于包括以下步骤 步骤1、利用单相霍尔传感器C3)采集直流母线电容(4)两端的直流母线电容UD。；利用单相霍尔传感器0 采集蓄电池充电电流Latt ；利用三相电压霍尔传感器采集电网三相电压信号ua、ub, uc ；利用三相电流霍尔传感器(6)采集流过感抗(5)的电网三相电流信号 ia、ib、ic ；步骤2、利用锁相环OO)检测三相电网电压ua、ub、u。的角频率《3和相位角步骤3、把采集得到的电网三相电压ua、ub、u。和电流信号ia、ib、i。经过Clark变换器 (8、幻变换，变成两相固定坐标系中的量u α、u e，i α、i e ；步骤4、利用锁相环OO)得到的电网电压相位角es，把两相固定坐标系中的量Ua、Ue， ia、ie经过Park变换器(10、11)，变成两相旋转坐标系中的量ud、uq, id、i,，使id、i,经过乘法器(12、13)得到交直轴磁通影响量并分别作用于ud、IV得到反馈量<、U-·,步骤5、利用检测到的在旋转坐标下的直轴电流id和直轴电压Ud乘积的1. 5倍来近似得到蓄电池系统⑴充电功率I^att，跟设定充放电功率《《 比较得到的数值经过PI调节器 (15)得到蓄电池充放电有功电流参考值^，旋转坐标系下交轴电流^为系统无功电流的参考量，控制回路和整定方法和直轴量的有功电流^一致；同时将设定的变换器并网系统的 C> <跟电网反馈值id和、值进行比较并经过PI调节器(16、17)得到在两相旋转坐标系下的电压参考量<和<;用电压参考量<和<减去反馈量(和 -，得到变换器在未考虑电流谐波抑制时的输出电压参考量，在此基础上再叠加考虑电流谐波抑制时的电压输出参考量和W;，就得到变流器输出电压参考量和，经过Park反变换器(18)得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量<&和<^，再经过Clark反变换器(19)得到在两相固定坐标系下的变换器输出端电压参考量〃，〃和〃，利用"^，经过SVPWM变换器(7)输出变换器IGBT(2)的开通和关断信号05)。
2.如权利要求1所述的控制优化方法，其特征在于，PI调节器在功率外环和电流内环的参数整定步骤如下步骤21、两相旋转坐标系下的直轴参考电流G和反馈电流id经比较得到的误差值，经过电流内环的PI调节器(16)再经过SVPWM变换器(7)得到变流器输出参考电压，再跟电网电压之间的差值加在感抗( 之上产生电流id ；步骤22、电流内环的PI参数根据SVPWM变换器(7)的开关频率、感抗的电感值和电阻值、直流母线电容(4)的值而整定优化，最终电流内环由一个和SVPWM变换器(7)的开关频率值有关的电流一阶延迟函数04)表示；步骤23、把这个电流一阶延迟函数加入到电池系统充电功率闭环(14、15、24)中，其中的功率PI控制的PI参数由电流一阶延迟函数04)的参数决定；步骤M、电池系统的充放电功率的计算通过变流器直轴电流id和直轴电压Ud乘积的 1. 5倍来近似模拟，以构成功率控制外环。
3.如权利要求1所述的控制优化方法，其特征在于，所述步骤5中，旋转坐标系下交轴电流^为系统无功电流的参考量，控制回路和整定方法和直轴量的有功电流^ 一致。
全文摘要
本发明公开一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的控制优化方法，涉及电力储能领域，通过采集三相电网电压和电流的信号，经过Clark变换和Park变换成两相固定轴变量作为反馈量，并且同时计算充电的功率，此反馈功率和参考功率比较，经过PI调节，输出值即为有功电流的参考值，同时设定无功电流参考值，两者跟反馈的电网三相电流经过变换成旋转轴两相电流的值比较并经过PI调节之后，得到参考电压，经过Clark反变换和Park反变换之后得到所需要的三相变流器输出端的固定坐标系电压。本发明直接控制变流器并网的有功功率，使得控制回路简单，使得本来的三阶系统变为两阶系统，系统优化更容易，系统更稳定可靠。
文档编号H02J3/28GK102158115SQ201110084989
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者施俊 申请人:施俊