专利名称：一种大容量电池换流器及其控制方法
技术领域：
本发明是一种大容量电池换流器及其控制方法，属于大容量电池换流器及其控制方法的新技术。
背景技术：
随着各种先进技术在电网中的广泛应用，智能化已经成为电网发展的必然趋势， 发展智能电网已在世界范围内形成共识。储能技术作为智能电网的关键环节，可以起到削峰填谷、调峰调频、提高电能质量、增加系统的备用容量、延缓甚至减少电网的扩容投资、平滑新能源的间歇性问题、提高分布式发电系统或微型电网稳定性等作用。电池储能系统具有不受地域环境因素影响，布置灵活等特点。随着智能电网、新能源的发展日益受到重视， 电池储能系统在电网中有着广阔的应用前景。电池储能系统主要由蓄电池、能量转换系统、 电池管理系统和监控系统四部分组成，其中，能量转换系统(Power Conversion System, PCS)是储能电站的核心设备。目前大容量蓄电池储能电站在世界范围内尚处于示范运行试验阶段，国内电力电子变流器企业主要集中在风力发电、光伏发电等新能源领域，专门针对蓄电池换流器生产厂家较少，产品成熟度不高。若所需电池数目庞大，为了达到一定的电压、功率和能量等级，需要电池串并联成组使用。电池串联使用可以达到所需的直流输入电压，但是极易出现电池不均衡的问题，同时均衡电路设计及日常维护也比较困难；电池并联使用可以倍增单体电池的容量，同时给电池组带来的环流与均流问题。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，结构简单，体积较小，能量损耗小，易于模块化的大容量电池换流器。本发明可靠性较高，输出谐波小，系统扩展性好， 单元故障时的降额运行能力强，对换流器的绝缘水平要求低。本发明的另一目的在于提供一种操作简单方便的大容量电池换流器的控制方法。本发明的技术方案是本发明的大容量电池换流器，包括有相互并联的若干分支单级式DC/AC换流器模块，各蓄电池簇BC分别通过各分支单级式DC/AC换流器模块将能量汇集到交流母线，经变压后与交流电网并网或独立带负载运行。本发明大容量电池换流器的控制方法，上述换流器采用直流侧分多组接入，直流侧控制方法如下
所述电池换流器根据不同量级的功率指令，确定参与出力的DC/AC换流器模块的数量，对各蓄电池簇BC包括有荷电状态、充放电次数、检修周期的多目标进行加权处理后，对优先级高的各蓄电池簇BC进行充放电管理，使各蓄电池簇BC的利用情况趋于平衡；当各蓄电池簇BC优先级相同时，则通过分时轮换的方式，让其余分支单级式DC/AC换流器模块轮流处于休眠状态，以提高系统的充放电效率。上述参与出力的各DC/AC换流器模块支路根据其分配的功率，各蓄电池簇BC将自动进行智能充放电管理。上述换流器的交流侧运行模式如下
a)与交流电网并网运行
所述换流器与交流电网并网运行时，各DC/AC换流器模块采用电网电压定向矢量控制，双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制；采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法控制DC/AC换流器模块开关器件的通断；
b)独立带载运行
所述换流器脱离交流电网，独立带负载运行时，各DC/AC换流器模块为交流母线提供恒定的电压和频率参考，采用V/f控制，采用电压的有效值闭环控制来实现各DC/AC换流器模块出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定；
上述对各蓄电池簇BC包括有荷电状态、充放电次数、检修周期的多目标进行加权处理是采用可充电/放电电量正比分配法和平均分配法进行功率分配，使各蓄电池簇BC的使用情况趋于一致，延长了电池的使用寿命，所述可充电/放电电量正比分配法和平均分配法， 是指各DC/AC换流器模块支路按其可充电/放电电量占可充电/放电总电量的比例分配有功功率进行出力，当各支路出力超出其额定功率时，按照所有可放电支路平均分配有功功率进行出力，采用恒功率充电/放电方式控制其输出功率。上述各蓄电池簇BC的充电方式采用预充、快充、均充和浮充四段式充电方式，其中，预充、快充和浮充为恒流限压控制，均充为恒压限流控制。 上述各蓄电池簇BC的充放电方式采用恒电流充放电或恒功率充放电两种方式。
本发明大容量电池换流器主回路结构由于采用DC/AC单级式结构。所述单级式拓扑结构优点是结构简单，体积较小，能量损耗小，易于模块化，可靠性较高，输出谐波小，系统扩展性好，单元故障时的降额运行能力强，对换流器的绝缘水平要求低。此外，该结构运行于孤网状态时，交流侧的V/f控制仅由DC/AC单元实现，控制策略较为简单可靠。此外， 由于各DC/AC换流器模块承受电流和容量较小，所述方案实现起来相对简单。同时，直流侧分多组接入，可以减少电池成组时每组电池中的串并联数目，甚至可以实现电池组单串接入，有利于电池维护、均衡管理，提高电池系统的可靠性。若采用大功率集中接入方式，在单级式结构的直流侧需要数量很多的电池组进行并联，这种大容量直接并联方式不仅产生了环流问题，且一个单体损坏将造成整个系统退出，使得系统可靠性大大降低。所述换流器采用多分支、模块化的接入方式，各蓄电池支路能够实现完全独立控制，不仅解决了电池组串并联的环流与均流问题，而且结构简单，扩容方便。本发明各蓄电池支路通过换流器，将能量汇集到交流母线，经变压后与交流电网并网或独立带负载运行。变压器不仅可以改变电压，满足输出的要求，还可以起到隔离的作用，改善电源中的噪讯。由于蓄电池系统可实现有功、无功功率的解耦快速调整，可通过DC/AC模块的分组分时轮换，实现各模块功率的优化分配。结合分组模块化的设计方案，将功率分配到各蓄电池支路中，当PCS获得的功率指令偏离其额定值时，通过采取特有的“模块组合，轮换均衡”技术，可以有效提高低功率下的系统效率和输出的交流侧电能质量。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的大容量电池换流器及其控制方法。
图1为本发明大容量电池换流器主回路的示意图。
具体实施例方式实施例
本发明大容量电池换流器主回路的示意图如图1所示，本发明的大容量电池换流器， 包括有相互并联的若干分支单级式DC/AC换流器模块，各蓄电池簇BC分别通过各分支单级式DC/AC换流器模块将能量汇集到交流母线，经变压后与交流电网并网或独立带负载运行。本换流器通过多个DC/AC换流器模块的并联，可以支持多组电池簇的分组接入，实现电池簇之间的电隔离和独立电压控制，可有效延长电池使用寿命和提高充放电循环次数。本发明的大容量电池换流器的控制方法，上述换流器采用直流侧分多组接入，直流侧控制方法如下
所述电池换流器根据不同量级的功率指令，确定参与出力的DC/AC换流器模块的数量，对各蓄电池簇BC包括有荷电状态、充放电次数、检修周期的多目标进行加权处理后，对优先级高的各蓄电池簇BC进行充放电管理，使各蓄电池簇BC的利用情况趋于平衡；当各蓄电池簇BC优先级相同时，则通过分时轮换的方式，让其余分支单级式DC/AC换流器模块轮流处于休眠状态，以提高系统的利用效率。上述参与出力的各DC/AC换流器模块支路根据其分配的功率，各蓄电池簇BC将自动进行智能充放电管理。本发明的大容量电池换流器的控制方法，上述换流器的交流侧运行模式如下
a)与交流电网并网运行
所述换流器与交流电网并网运行时，各DC/AC换流器模块采用电网电压定向矢量控制，双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制；采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法控制DC/AC换流器模块开关器件的通断；
b)独立带载运行
所述换流器脱离交流电网，独立带负载运行时，各DC/AC换流器模块为交流母线提供恒定的电压和频率参考，采用V/f控制，采用电压的有效值闭环控制来实现各DC/AC换流器模块出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定。上述对各蓄电池簇BC包括有荷电状态、充放电次数、检修周期的多目标进行加权处理是采用可充电/放电电量正比分配法和平均分配法进行功率分配，使各蓄电池簇BC的使用情况趋于一致，延长了电池的使用寿命，所述可充电/放电电量正比分配法和平均分配法，是指各DC/AC换流器模块支路按其可充电/放电电量占可充电/放电总电量的比例分配有功功率进行出力。本实施例中，上述各蓄电池簇BC的充电方式采用预充、快充、均充和浮充四段式充电方式，其中，预充、快充和浮充为恒流限压控制，均充为恒压限流控制。本发明的大容量电池换流器支持多分支单级式DC/AC模块单元接入，各蓄电池支路通过换流器，将能量汇集到交流母线，经变压后与交流电网并网或独立带负载运行；“模块组合，轮换均衡”技术可以提高系统效率并且兼顾电池的一致性。其具有如下特点(1)所述换流器采用分组模块化的设计思想来优化接入，减少了大容量重组电池串并联带来的环流与均流问题。(2)所述换流器采用直流侧分多组接入，可根据实际容量设置DC/AC单元数目和不同的联接方式，所述方案系统灵活性显著提高，扩容方便，有利于电池维护、均衡管理，提高电池系统的可靠性。(3)所述换流器采用“模块组合，轮换均衡”的分配方案，对于换流器中DC/AC换流器模块分时轮换出力、平滑切换，以减小开关损耗以及电抗器的高频损耗，同时提高输出电能质量，实现经济效益和控制性能的综合协调。(4)所述换流器采用多目标非线性优化方案进行功率分配，DC/AC换流器模块将综合电池组的荷电状态、充放电次数、检修周期等多目标，进行多种不同的加权处理，采用可充电/放电电量正比分配法和平均分配法进行功率分配，使各支路蓄电池的使用情况趋于一致，延长了电池的使用寿命。(5)蓄电池支路实现自动智能充放电管理，采用最大化配置的预充、快充、均充和浮充四段式控制策略，所述策略可以根据用户需求实时整定，具有通用性。各DC/AC支路之间彼此独立运行，满足输入电池组的不一致性，实现各电池组间的独立充放电优化控制。(6)所述换流器具备完备的保护功能，满足各种故障情况下设备自身的安全。在接收到蓄电池过充、过放及过温等告警信息时，将降低电池充放电电流或停止充放电，保护电池组的安全。各蓄电池支路控制功能与保护功能完全独立配置，保证系统的最大可用性。本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当处于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种大容量电池换流器，其特征在于包括有相互并联的若干分支单级式DC/AC换流器模块，各蓄电池簇BC分别通过各分支单级式DC/AC换流器模块将能量汇集到交流母线， 经变压后与交流电网并网或独立带负载运行。
2.一种根据权利要求1所述的大容量电池换流器的控制方法，其特征在于上述换流器采用直流侧分多组接入，直流侧控制方法如下所述电池换流器根据不同量级的功率指令，确定参与出力的DC/AC换流器模块的数量，对各蓄电池簇BC包括有荷电状态、充放电次数、检修周期的多目标进行加权处理后，对优先级高的各蓄电池簇BC进行充放电管理，使各蓄电池簇BC的利用情况趋于平衡；当各蓄电池簇BC优先级相同时，则通过分时轮换的方式，让其余分支单级式DC/AC换流器模块轮流处于休眠状态，以提高系统的充放电效率。
3.根据权利要求2所述的大容量电池换流器的控制方法，其特征在于上述参与出力的各DC/AC换流器模块支路根据其分配的功率，各蓄电池簇BC将自动进行智能充放电管理。
4.根据权利要求2所述的大容量电池换流器的控制方法，其特征在于上述换流器的交流侧运行模式如下a)与交流电网并网运行所述换流器与交流电网并网运行时，各DC/AC换流器模块采用电网电压定向矢量控制，双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制；采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法控制DC/AC换流器模块开关器件的通断；b)独立带载运行所述换流器脱离交流电网，独立带负载运行时，各DC/AC换流器模块为交流母线提供恒定的电压和频率参考，采用V/f控制，采用电压的有效值闭环控制来实现各DC/AC换流器模块出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定。
5.根据权利要求2所述的大容量电池换流器的控制方法，其特征在于上述对各蓄电池簇BC包括有荷电状态、充放电次数、检修周期的多目标进行加权处理是采用可充电/放电电量正比分配法和平均分配法进行功率分配，使各蓄电池簇BC的使用情况趋于一致，延长了电池的使用寿命，所述可充电/放电电量正比分配法和平均分配法，是指各DC/AC换流器模块支路按其可充电/放电电量占可充电/放电总电量的比例分配有功功率进行出力，当各支路出力超出其额定功率时，按照所有可放电支路平均分配有功功率进行出力，采用恒功率充电/放电方式控制其输出功率。
6.根据权利要求5所述的大容量电池换流器的控制方法，其特征在于上述各蓄电池簇 BC的充电方式采用预充、快充、均充和浮充四段式充电方式，其中，预充、快充和浮充为恒流限压控制，均充为恒压限流控制。
7.根据权利要求5所述的大容量电池换流器的控制方法，其特征在于上述各蓄电池簇 BC的充放电方式采用恒电流充放电或恒功率充放电两种方式。
全文摘要
本发明是一种大容量电池换流器及其控制方法。本发明的换流器包括相互并联的若干分支单级式DC/AC换流器模块，各蓄电池簇(BatteryCluster，BC)分别通过各分支单级式DC/AC换流器模块将能量汇集到交流母线，经变压后与交流电网并网或独立带负载运行。本发明解决了电池组串并联带来的环流与均流问题，采用“模块组合，轮换均衡”技术，有效提高低功率下的系统效率和交、直流侧电能质量，实现电池组均衡使用。各蓄电池支路可进行智能充放电管理，控制功能和保护功能完全独立配置，保证系统的最大可用性。本发明结构简单，体积较小，能量损耗小，易于模块化，且可靠性较高，输出谐波小，系统扩展性好，单元故障时可降容量运行，对换流器的绝缘水平要求低。本发明大容量电池换流器的控制方法操作简单方便，易于实现。
文档编号H02J3/32GK102447285SQ201110303679
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月10日 优先权日2011年10月10日
发明者伍少成, 刘怡, 吴俊阳, 董旭柱, 陆志刚, 陈柔伊, 雷金勇, 饶宏 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司