一种储能系统并离网测试系统及方法与流程

本发明涉及电力储能应用技术领域，具体涉及一种储能系统并离网测试系统及方法。

背景技术

我国将电力储能技术作为重点新技术进行研究和推广，努力建立包含检测指标、检测方法、检测流程和检测平台的科学、严谨、完备的储能系统检测评价体系，促进储能系统检测技术的发展，着力引领储能技术进步及储能产业壮大。

ieee1547是最早制定的储能系统等分布式电源并网标准，ieee1547标准颁布之后，获得了世界上大多数国家的广泛认可，许多国家和国际标准都参照其制定。由于当时储能电站及新能源发电在配电网中的装机比例较低，标准基于尽量减小对电网影响的控制思想制定，其指导思想存在以下局限：

(1)认为电网的频率和电压由大规模传统电源调节，不鼓励储能系统参与电网的频率和电压调节，不允许其向电网提供任何的辅助服务；

(2)认为电网的电能质量主要由svg等传统手段调节，当储能系统等分布式电源并网时，要求其在单位功率因数附近运行；

(3)为了预防非计划孤岛产生不安全因素，当电网发生扰动和故障时，要求储能系统迅速从电网断开，不允许其具备故障穿越能力和计划孤岛下的网压支撑能力。

目前，在如何评价在电网扰动和故障条件下储能系统的适用性方面，目前缺乏完备的储能系统并/离网检测手段以及核心检测设备，储能系统及电站的检测平台也缺乏明确、系统的方案，难以全面考核储能系统及电站的各项技术指标，急需要一种储能并/离网试验检测装备，为储能产业的健康发展，提供检测手段。

技术实现要素：

本发明提供一种储能系统并离网测试系统及方法，其目的是模拟各种线性负荷和非线性负荷以及脉冲负荷等，测试储能系统离网带载能力，同时可以测试储能系统并网条件下的电网适应性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种储能系统并离网测试系统，其改进之处在于，包括：

整流单元和逆变单元，所述整流单元的交流侧通过lcl滤波器接入电网，直流侧与所述逆变单元的直流侧相连，所述逆变单元的交流侧与被测储能系统转换装置连接；其中，逆变单元由三个单相逆变器构成，每个单相逆变器均包括与其对应的变压器和电容器，所述单相逆变器的交流侧与所述变压器的原边绕组连接，所述变压器的副边绕组并联所述电容器后与被测储能系统连接；

利用整流单元控制直流母线电压，利用逆变单元控制逆变单元中的各相逆变单元模拟电网故障运行情况，测试被测储能系统工作于并网状态的运行状况，或者，调整整流单元工作于逆变状态，逆变单元工作于整流状态并模拟线性/非线性负载，测被测储能系统工作于离网状态的运行状况。

优选的，所述单相逆变器采用h桥结构，其功率开关器件为igbt。

优选的，所述系统还包括逆变单元控制器，所述逆变单元控制器，用于控制逆变单元中的各相逆变单元模拟电网故障运行情况。

进一步的，所述逆变单元控制器包括：第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第五加法器、第一pi控制器、第一比例控制器、第二比例控制器、第二pi控制器和第三pi控制器；

所述第一加法器、第一pi控制器、第二加法器、第一比例控制器、第三加法器、第二比例控制器、第四加法器、第二pi控制器、第五加法器和第三pi控制器依次连接，所述第二pi控制器与所述第五加法器间的连接点为第一反馈端，所述第三pi控制器的输出端为第二反馈端，所述第一反馈端与所述第二加法器形成负反馈连接，所述第二反馈端分别与所述第一加法器和第四加法器形成负反馈连接；

所述第一加法器和第三加法器的输入信号均包括+uref，所述第五加法器的输入信号包括-i0，其中，uref为逆变单元的输出电压参考值，i0为逆变单元的输出电流反馈值。

进一步的，所述第二pi控制器的控制模型为第三pi控制器的控制模型为第二比例控制器的比例系数为kpwm，其中，ls为电感电路传递函数值，r为电阻电路传递函数值，cs为电阻电路传递函数值；kpwm为pwm脉宽调制驱动及主电路的电压增益。

优选的，所述系统还包括整流单元控制器，所述整流单元控制器，用于控制整流单元控制直流母线电压。

进一步的，所述整流单元控制器包括：第六加法器、第七加法器、第八加法器、第四pi控制器、第五pi控制器、积分控制器、第三比例控制器、第四比例控制器、第五比例控制器、第六比例控制器、第七比例控制器和第八比例控制器；

所述第六加法器、第四pi控制器、第七比例控制器、第八加法器和积分控制器依次连接，所述第七加法器、第五pi控制器、第八比例控制器和第八加法器依次连接，所述第四pi控制器与所述第七比例控制器间的连接点为第三反馈点，所述第五pi控制器与所述第八比例控制器间的连接点为第四反馈点，所述积分控制器的输出端为第五反馈点，所述第三反馈点经所述第五比例控制器与所述第七加法器形成负反馈连接，所述第四反馈点经所述第六比例控制器与所述第六加法器形成正反馈连接，所述第五反馈点经第三比例控制器与所述第六加法器形成正反馈连接，所述五反馈点经第四比例控制器与所述第七加法器形成正反馈连接。

进一步的，所述第六加法器的输入信号包括+ud和-ed，所述第七加法器的输入信号包括+uq和-eq，第八加法器的输入信号包括+idq_ref，其中，ud为d轴上的电压分量，ed为电网电压在d轴上的电压分量，uq为q轴上的电压分量，eq为电网电压在q轴上的电压分量，idq_ref为dq轴的电流分量值；

所述第四pi控制器和所述第五pi控制器的控制模型均为所述第七比例控制器的比例系数为所述第八比例控制器的比例系数为所述积分控制器的控制模型为所述第三比例控制器的比例系数为sd，所述第四比例控制器的比例系数为sq，所述第五比例控制器和第六比例控制器的比例系数均为ωlf，其中，slf为滤波电感电路传递函数值，rl为线路电阻电路传递函数值，sd为d轴等效开关状态量，sq为q轴等效开关状态量，sc为电容电路传递函数值，ω为角频率，lf为滤波电感。

优选的，所述系统还包括线性/非线性负载控制器，所述线性/非线性负载控制器，用于调整整流单元工作于逆变状态，逆变单元工作于整流状态并模拟线性/非线性负载，测被测储能系统工作于离网状态的运行状况。

进一步的，所述线性/非线性负载控制器包括：sinθ/cosθ控制器、第九加法器、第十加法器、第十一加法器、第六pi控制器、第七pi控制器、第八pi控制器、逆park变换器、svpwm控制器、clark变换器和park变换器；

所述sinθ/cosθ控制器分别连接所述park变换器和逆park变换器，所述第九加法器与所述第六pi控制器连接，所述第六pi控制器与所述第十加法器形成负反馈连接，所述clark变换器与所述park变换器连接，所述park变换器与所述第十加法器形成正反馈连接，所述park变换器与所述第十一加法器形成正反馈连接，所述第十加法器、第七pi控制器、逆park变换器和svpwm控制器依次连接，所述第十一加法器、第八pi控制器、逆park变换器和svpwm控制器依次连接。

进一步的，所述第九加法器的输入信号包括+udc和-u′dc，所述第十一加法器的输入信号包括+i′q，所述sinθ/cosθ控制器的输入信号为三相电网角度信号，所述clark变换器的输入信号为三相静止坐标系下的电流信号，其中，udc为直流母线电压信号，u′dc为直流电压指令信号，i′q为q轴电流指令信号。

一种储能系统并离网测试方法，其改进之处在于，所述方法包括：

调整被测储能系统工作于并网状态，利用整流单元控制器控制直流母线电压，利用逆变单元控制器控制逆变单元中的各相逆变单元，模拟电网故障运行情况，测试被测储能系统运行状况，或者，调整整流单元工作于逆变状态，逆变单元工作于整流状态，被测储能系统工作于离网状态，利用线性/非线性负载控制器控制逆变单元模拟负荷，测试被测储能系统运行状况。

优选的，所述电网故障运行情况包括：单相电压跌落、两相电压跌落、三相电压跌落、电压过频欠频、过压欠压、电压暂降、电压不平衡和谐波畸变。

本发明的有益效果：

本发明提供的技术方案，全面模拟电网电压输出和负载的特性，既可模拟额定电压幅值和频率不同的正常电网电压输出，也可模拟各种电网故障情况下电压输出，如单相电压跌落、两相电压跌落、三相电压跌落、电压过频欠频、过压欠压、电压暂降等情况，同时可以模拟线性负载和非线性负载，根据电子负载模拟器拓扑结构与电网模拟器拓扑结构，确定一种可实现并网下的扰动电源、离网下的电子负荷的核心装置拓扑，显著提高系统检测设备的运行效率，减小检测设备的体积，实现能量的回馈。

附图说明

图1是本发明一种储能系统并离网测试系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中整流单元的拓扑结构示意图；

图3是本发明实施例中单相逆变器拓扑结构示意图；

图4是本发明实施例中逆变单元控制器控制框图；

图5是本发明实施例中整流单元控制器控制框图；

图6是本发明实施例中线性/非线性负载控制器控制框图；

图7是本发明实施例中波动性负荷特性测试波形效果图；

图8是本发明实施例中三相二极管不控整流负载等效电路图；

图9是本发明实施例中非线性负荷特性测试波形效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种储能系统并离网测试系统，如图1所示，包括：整流单元和逆变单元，所述整流单元的交流侧通过lcl滤波器接入电网，直流侧与所述逆变单元的直流侧相连，所述逆变单元的交流侧与被测储能系统连接；

利用本发明提供的系统，可以利用整流单元控制直流母线电压，利用逆变单元控制逆变单元中的各相逆变单元模拟电网故障运行情况，测试被测储能系统工作于并网状态的运行状况，或者，调整整流单元工作于逆变状态，逆变单元工作于整流状态并模拟线性/非线性负载，测被测储能系统工作于离网状态的运行状况。

其中，逆变单元由三个单相逆变器构成，每个单相逆变器均包括与其对应的变压器和电容器，所述单相逆变器的交流侧与所述变压器的原边绕组连接，所述变压器的副边绕组并联所述电容器后与被测储能系统连接；

其工作原理是整流侧采用三相逆变器和逆变器侧采用h桥型逆变器协调控制。其中三相vsr在单位功率因数下的工作状态根据能量传递形式可以分为两种：一种是整流状态，另外一种是逆变状态。由于电能可以双向传输，三相vsr已不是传统意义上的ac/dc变换器，当三相vsr从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态；当其向电网提供电能时，则运行于逆变工作状态。当三相vsr处于整流状态时，网侧电压、电流同相(呈现正阻特性)；当三相vsr逆变状态时，网侧电压、电流反相(呈现负阻特性)。

其中，所述单相逆变器采用h桥结构，其功率开关器件为igbt。

具体的，本发明实施例中，所述整流单元的拓扑结构如图2所示，所述逆变单元中采用单相逆变器的拓扑结构，经隔离变压器后与被测设备相连，单相逆变器采用h桥的拓扑结构，其拓扑结构如图3所示。由于电网正常运行或者极端故障情况下，其谐波电压幅值与阻抗压降均远小于基波幅值，逆变器选择igbt作为开关器件，以满足其高压、大功率、低开关频率的要求；所述逆变单元由三个独立控制的单相逆变器构成。进一步的，所述系统还包括逆变单元控制器，所述逆变单元控制器，用于控制逆变单元中的各相逆变单元模拟电网故障运行情况，如图4所示，所述逆变单元控制器包括：第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第五加法器、第一pi控制器、第一比例控制器、第二比例控制器、第二pi控制器和第三pi控制器；

所述第一加法器、第一pi控制器、第二加法器、第一比例控制器、第三加法器、第二比例控制器、第四加法器、第二pi控制器、第五加法器和第三pi控制器依次连接，所述第二pi控制器与所述第五加法器间的连接点为第一反馈端，所述第三pi控制器的输出端为第二反馈端，所述第一反馈端与所述第二加法器形成负反馈连接，所述第二反馈端分别与所述第一加法器和第四加法器形成负反馈连接；

所述第一加法器和第三加法器的输入信号均包括+uref，所述第五加法器的输入信号包括-i0，其中，uref为逆变单元的输出电压参考值，i0为逆变单元的输出电流反馈值；

所述第二pi控制器的控制模型为第三pi控制器的控制模型为第二比例控制器的比例系数为kpwm，其中，ls为电感电路传递函数值，r为电阻电路传递函数值，cs为电阻电路传递函数值；kpwm为pwm脉宽调制驱动及主电路的电压增益。

其中，逆变单元的输出电压参考值uref由外部给定，本发明实施例提供的系统采用基于参考前馈的电压电流双环控制结构实现对uref的跟踪。内环反馈量为逆变器输出侧电感电流。由于电感电流包含电容电流和负载电流的信息，使系统能够快速响应负载扰动，动态性能得到改善。外环反馈量为输出滤波电容的电压。外环采用pi调节器，可提高系统稳定性，减小静差。

所述系统还包括整流单元控制器，所述整流单元控制器，用于控制整流单元控制直流母线电压，如图5所示，所述整流单元控制器用于系统中间直流母线电压dc的控制，整流侧电压外环的输出作为电流指令信号，电流内环则控制输入电流，快速的跟踪电流指令。由于电流内环的存在，只要使得电流指令限幅的话就可以起到过流保护的功能。所以，总的来说，电压外环的作用是使得直流电压跟随给定，电流内环则是按照外环输出的电流值来进行电流控制，实现单位功率因数控制。

具体的，所述整流单元控制器包括：第六加法器、第七加法器、第八加法器、第四pi控制器、第五pi控制器、积分控制器、第三比例控制器、第四比例控制器、第五比例控制器、第六比例控制器、第七比例控制器和第八比例控制器；

所述第六加法器、第四pi控制器、第七比例控制器、第八加法器和积分控制器依次连接，所述第七加法器、第五pi控制器、第八比例控制器和第八加法器依次连接，所述第四pi控制器与所述第七比例控制器间的连接点为第三反馈点，所述第五pi控制器与所述第八比例控制器间的连接点为第四反馈点，所述积分控制器的输出端为第五反馈点，所述第三反馈点经所述第五比例控制器与所述第七加法器形成负反馈连接，所述第四反馈点经所述第六比例控制器与所述第六加法器形成正反馈连接，所述第五反馈点经第三比例控制器与所述第六加法器形成正反馈连接，所述五反馈点经第四比例控制器与所述第七加法器形成正反馈连接；

所述第六加法器的输入信号包括+ud和-ed，所述第七加法器的输入信号包括+uq和-eq，第八加法器的输入信号包括+idq_ref，其中，ud为d轴上的电压分量，ed为电网电压在d轴上的电压分量，uq为q轴上的电压分量，eq为电网电压在q轴上的电压分量，idq_ref为dq轴的电流分量值；

所述第四pi控制器和所述第五pi控制器的控制模型均为所述第七比例控制器的比例系数为所述第八比例控制器的比例系数为所述积分控制器的控制模型为所述第三比例控制器的比例系数为sd，所述第四比例控制器的比例系数为sq，所述第五比例控制器和第六比例控制器的比例系数均为ωlf，其中，slf为滤波电感电路传递函数值值，rl为线路电阻电路传递函数值值，sd为d轴等效开关状态量，sq为q轴等效开关状态量，sc为电容电路传递函数值值，ω为角频率，lf为滤波电感。

当系统工作在模拟负载模式时，逆变器工作于整流状态，与电网连接的pwm整流器工作在逆变状态。所述系统还包括线性/非线性负载控制器，如图6所示，采用电压外环和电流内环双环控制。外环为电压环，控制三相pwm变流器的直流母线电压，直流电压给定和采样电压比较得到电压误差，经电压控制器(pi)输出有功电流给定，其值决定有功功率的大小，符号决定功率流向，控制三相pwm变流器交直两侧有功功率传递。电压环中采用pi调节，这种算法简单可靠，在工业界已经广泛应用，一方面，pi的比例项能够保证在电压发生改变，调节器输出快速响应，使馈网电流产生相应的调节，系统可以较快达到平衡，系统的快速性得到提高；另一方面，pi的积分项能够实现直流电压无静差调节，并且直流电压发生剧烈变化时，可以防止pi输出变化过快而导致系统的振荡，提高了系统的稳定性。内环为电流环，这里按和电压外环提供的电流指定值进行电流控制。设置目的是为了对馈网电流实行单位功率因数控制，从而提高并网变换器的回馈效率。比较得到偏差，经电流控制器(pi调节器)，再由逆park变换后，svpwm调制得到igbt开关管的驱动信号，波动性负荷特性测试波形效果图如图7所示；当三相电力电子负载模拟非线性负载时，其内部电流环所需的电流参考指令的算法。对于交流电源来说其非线性负载有很多种，其中比较常见的有二极管不控整流电路接电容滤波、二极管不控整流电路接lc滤波等，三相二极管不控整流负载等效电路图，如图8所示，非线性负荷特性测试波形效果图，如图9所示。

具体的，所述线性/非线性负载控制器，用于调整整流单元工作于逆变状态，逆变单元工作于整流状态并模拟线性/非线性负载，测被测储能系统工作于离网状态的运行状况，所述线性/非线性负载控制器包括：sinθ/cosθ控制器、第九加法器、第十加法器、第十一加法器、第六pi控制器、第七pi控制器、第八pi控制器、逆park变换器、svpwm控制器、clark变换器和park变换器；

所述sinθ/cosθ控制器分别连接所述park变换器和逆park变换器，所述第九加法器与所述第六pi控制器连接，所述第六pi控制器与所述第十加法器形成负反馈连接，所述clark变换器与所述park变换器连接，所述park变换器与所述第十加法器形成正反馈连接，所述park变换器与所述第十一加法器形成正反馈连接，所述第十加法器、第七pi控制器、逆park变换器和svpwm控制器依次连接，所述第十一加法器、第八pi控制器、逆park变换器和svpwm控制器依次连接；

所述第九加法器的输入信号包括+udc和-u′dc，所述第十一加法器的输入信号包括+i′q，所述sinθ/cosθ控制器的输入信号为三相电网角度信号，所述clark变换器的输入信号为三相静止坐标系下的电流信号，其中，udc为直流母线电压信号，u′dc为直流电压指令信号，i′q为q轴电流指令信号。

本发明还提供一种基于所述的储能系统并离网测试系统的控制方法，所述方法包括：

调整被测储能系统工作于并网状态，利用整流单元控制器控制直流母线电压，利用逆变单元控制器控制逆变单元中的各相逆变单元，模拟电网故障运行情况，测试被测储能系统运行状况，或者，调整整流单元工作于逆变状态，逆变单元工作于整流状态，被测储能系统工作于离网状态，利用线性/非线性负载控制器控制逆变单元模拟负荷，测试被测储能系统运行状况。

其中，所述电网故障运行情况包括：单相电压跌落、两相电压跌落、三相电压跌落、电压过频欠频、过压欠压、电压暂降、电压不平衡和谐波畸变。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。