专利名称：一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的谐波抑制方法
技术领域：
本发明涉及电力行业中的电力并网技术，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控制以及低次电流谐波抑制方法。
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， 上述电能并入电网后，导致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，急需有一个装置起到对电网能量削峰填谷的作用，现在欧美 发达国家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，也逐步 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，电池储能的核 心是能量可双向流动的电压源变换器技术。之前对电压源变换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，而电池储能 系统三相电压源变换器的谐波电流抑制鲜有涉及，尤其是在电池储能并网时如何抑制整个 并网系统的谐波电流的方法就更少。在现有技术中，大多数研究在三相电压型变换器对电池系统的充放电方面，仍然 使用传统的无源LCL滤波方法，这样使得系统成本提高，而且使得系统的传递函数变得复 杂，整定难度加大。如专利文件CN1219798公开了《带有功率因数校正和谐波抑制电路的三 相整流电路》，CN1384579公开了《40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器及其用途》， CN1449083公开了《主动式谐波抑制装置及控制方法》，CN2569414公开了《一种谐波综合抑 制装置》。上述文献和专利所提及的方法要么是利用硬件无源LC滤波器以及变压器漏感作 为电流滤波装置，要么是利用比较原始的方法来滤除得到电流谐波信号再经过放大后得到 补偿电压信号来抑制谐波，上述方法都未考虑成本或滤波效果，使得应用范围有限，而现代 电网对电能质量的追求越来越高，且现在电网上用电单位对电网的污染也越来越严重，作 为能量调节的蓄电池并网装置必须有很好的电流谐波抑制能力，不光要抑制自身作为电力 电子器件所产生的电流谐波，而且还有义务检测电网上的相邻用户或者发电单元(太阳 能，风能)的电流谐波，并进行有效的抑制。另外，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，而且需要提供无功功率调节，同时要有很好的电流 谐波抑制功能，具备这样功能的三相电压源并网变换器才是未来蓄电池储能系统并网变换 器发展的方向。综上所述，亟需探索一种蓄电池储能并网装置，不仅能对蓄电池进行充放电管理， 能够提供电网无功电流，而且需要有很好很强的电网谐波抑制功能的变换器作为未来新一 代的变换器。
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换器的谐波电流抑制效果差，影响并网电流的问题，本发明提供一种蓄电池储能系统并网三相电压源变换器的电流谐波抑 制方法，具体方案如下一种蓄电池储能并网三相电压源变换器的谐波抑制方法，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、Ue， i a、i e经过Park变换器，变成两相旋转坐标系中的量ud、uq, ud, iq,使id、iq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6、< ；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G，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G—致；同时将设定的变换器并网系统的、^艮 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，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，就得到输 出电压参考量^^^和，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 参考量办“和，利用，^4 和<此经过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所述步骤5中，谐波电流抑制的电压输出参考量和W; 的计算方法如下步骤51、三相固定坐标系下的变换器输出电流ia、ib、i。经过clark变换器得到旋 转坐标系下的量id，iq,再经过高通滤波器得到在旋转坐标系dq轴下的谐波量^^和^^ ；步骤52、分别把旋转坐标系下的谐波量Cft和/^1接入比例谐振控制器，分别得到6 次谐波和12次谐波的电压补偿量、<6 ^udn X1U ；步骤53、分别把d轴和q轴下的谐波电压补偿量相加就得到在d轴和q轴下的全 部电流谐波电压补偿量和。本发明的另一优选方案所述谐波量C^P； 通过的基波频率值为6^^12%" 18 、24化。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f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。本发明使三相电压源变换器接入电网时，在对蓄电池储能系统进行充放电的同时 能检测电网谐波电流并能很好的实现抑制，同时还能提供电网无功功率，最终输出完美电流正弦波，把电流THD限制在很小的量。本方案对蓄电池储能系统变换器的滤波方法进行 了简化，无需通过无源器件进行谐波抑制，也和传统的利用高通滤波器检测电流谐波信号 进行简单的放大得到补偿电压的方法不一样，本方法通过对比例谐振I3R的控制，进而有选 择的对电流谐波进行抑制，通过把谐波值转换到旋转dq轴上进行处理，使得比例谐振ra控 制器的数量减少一半，本方案过程简单并大大减少了系统的硬件成本。本发明可以有针对 性的抑制变流器产生的电流谐波，尤其适合去除5，7，11，13等低次电流谐波，是一种谐波 选择消去法，而且比传统的比例谐振控制器(PR)能省掉一半的比例谐振控制器，仿真结果 显示对电流谐波的抑制效果良好。本发明方法适用于可再生能源系统中的电池储能用三相电力电子并网装置系统， 包括对光伏并网装置的控制，直驱型风力发电系统的电网侧变换器的电流谐波抑制以及需 要用到并网型三相电压源变换器的场合中，对变换器的谐波抑制方法都有借鉴意义。
图1是本发明蓄电池储能系统三相并网型电压源变换器控制系统原理图。图2是比例谐振ra控制器的原理图。图3是本发明中IGBT开关管电路示意图。图4是本发明方法的仿真效果图。
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谐波抑制方法，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，其中的参考电压包含了为抑制高次谐 波而加入的高次谐波抑制电压和</>，这个高次谐波抑制电压经由采集得到的变流器三 相电流信号经过高通滤波器得到谐波电流，变化到两相旋转坐标系中，再经过比例谐振控 制器I3R就得到了谐波补偿电压值。实施例一如图1、2、3所示，本发明的方法电路中包括高通滤波器沈，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，如图2所示，系统中除了蓄电池储 能系统通过变换器并到电网上外，还有一个IOOKw的不控整流装置31作为负载并产生电流 谐波。本方案将充电参考功率设定为0，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，比例谐振PR控制器参数Kp = 2，Kr = 1187. 5 ；蓄电池储能并网三相电压源变换器的电流谐波抑制方法利用下述步骤得到谐波 电压补偿量
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{丨 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、Uc的角频率ω s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谐波抑制方法，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， i a、i e经过Park变换器(10、11)，变成两相旋转坐标系中的量ud、iv id、iq,使id、iq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<、< ；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(1) 充电功率PBatt，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C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^<跟电网反馈值id和 i,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<A，就得到输 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^4, 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W:，《；和^/;.，利用^a，经过SVPWM变换器(7)输出变换器 IGBT (2)的开通和关断信号04)。
2.如权利要求1所述的谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤5中，谐波电流抑制的电 压输出参考量和〃；的计算方法如下步骤51、三相固定坐标系下的变换器输出电流ia、ib、i。经过clark变换器0 得到 旋转坐标系下的量id，、，再经过高通滤波器06)得到在旋转坐标系dq轴下的谐波量Cva和lqNh ；步骤52、分别把旋转坐标系下的谐波量Cwi和^wi接入比例谐振控制器(27、28、四、30)， 分别得到6次谐波和12次谐波的电压补偿量、<6、心2 ,Uqu ；步骤53、分别把d轴和q轴 下的谐波电压补偿量相加就得到在d轴和q轴下的全部电流谐波电压补偿量‘和‘。
3.如权利要求2所述的谐波抑制方法，其特征在于，所述谐波量/；^和通过的基波频 率值为 6 iyVUiyVlSiyV24iy^
4.如权利要求1所述的谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤5中，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G—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谐波抑制方法，涉及电力行业中的电力并网技术领域，本发明通过采集三相电网电压和电流的信号，经过Clark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，两者跟反馈的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和Park反变换之后得到所需要的三相变流器固定坐标系电压，这个电压经由高通滤波器得到谐波电流，变化到两相旋转坐标系中，再经过比例谐振控制器PR就得到了谐波补偿电压值。本发明可以有针对性的抑制变流器产生的电流谐波，比传统的比例谐振控制算法能省掉一半的比例谐振控制器。
文档编号H02J3/38GK102118030SQ20111008572
公开日2011年7月6日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者施俊 申请人:施俊