专利名称：一种基于电池储能系统的功率转换系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及ー种功率转换系统及其控制方法，具体涉及ー种基于电池储能系统的功率转换系统及其控制方法。
背景技术：
电池储能系统能快速、独立的调节有功无功，在负荷平定、电能质量治理等方面具有很高的应用价值。特别是近年来，随着大規模间歇式能源的并网，其特有的波动性和随机性已经对电网的安全稳定运行带来了影响，目前，随着大規模风电场接入的并网消纳问题已逐渐凸显。同吋，近年来大規模电池储能技术得到了快速发展和应用，相应的技术路线逐渐清晰，ー些典型的储能电池技术已经初歩具备应用于电カ系统调频、调峰等诸多方面。因此大規模电池储能技术已成为改善间歇式电源的并网性能,提高电网对间歇式电源兼容性的有效手段之一。大規模电池储能应用到电カ系统，需要与其相应的功率转换系统及相应的控制器。传统功率转换系统由电池串并联后直接接到网侧变流器直流母线上，经过网侧滤波器与电网相连。但多组电池的并联会产生组间环流，这会直接影响电池性能和使用寿命。而且在实际应用中，要求功率转换系统不仅具有传统的充放电控制功能，而且还需要满足电池安全稳定运行、快速充放电响应和瞬时大功率输出的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是考虑电池储能本身安全可靠的运行条件下，将大規模电池储能接入到电网系统中，提供了一种基于电池储能系统的功率转换系统及其控制方法。本发明引入了双向DC / DC变换器，以电池储能系统的荷电状态SOC和端电压为约束条件，在不同的条件下切換不同的充放电模式，使电池储能系统很好的工作在安全运行区域。本发明的目的是采用下述技术方案实现的一种基于电池储能系统的功率转换系统，其改进之处在于，所述功率转换系统包括电池储能系统、双向DC / DC变换器、网侧变流器、滤波电路和隔离变压器；所述电池储能系统通过双向DC / DC变换器与网侧变流器的直流母线并联；所述网侧变流器、滤波电路和隔离变压器依次连接；所述隔离变压器接入电网；所述双向DC / DC变换器用于对电池储能系统的工作模式进行切換；所述网侧变流器用于将电池储能系统的直流电压输出逆变为三相交流电压输出；所述滤波电路用于滤除所述网侧变流器的交流电压输出高频谐波；所述隔离变压器用于消除交流电压输出的高次谐波。其中，所述电池储能系统包括至少ー组的电池组；所述电池组由N个串联的电池单体组成，所述NS 2。
其中，所述电池储能系统的电压U不小于I. 633倍的电网电压U。其中，所述电池储能系统的每一组电池组均通过ー个双向DC / DC变换器分别与网侧变流器的直流母线并联。其中，所述双向DC / DC变换器采用正向Boost和反向Buck结构；所述双向DC /DC变换器采用互补型PWM调制方法控制。其中，所述双向DC / DC变换器的工作模式包括降压充电模式和升压放电模式；所述降压充电模式包括涓流充电、恒流充电和恒压充电；所述升压放电模式包括涓流放电、恒流放电和恒压放电。其中，所述双向DC / DC变换器包括开关、电感、IGBT模块I、IGBT模块II和电容；所述开关和电感依次串联；所述IGBT模块I和电容依次串联组成IGBT I-电容支路；所述IGBT模块II与IGBT I-电容支路并联后与电感连接。其中，所述IGBT模块I和IGBT模块II均由反并联的IGBT芯片和ニ极管组成。其中，所述双向DC / DC变换器的电路为直流调压电路。其中，所述网侧变流器包括三相六桥臂；每个桥臂由IGBT模块III组成；所述IGBT模块III由反并联的IGBT芯片和ニ极管组成在网侧变流器直流侧设置支撑电容Cd。，所述支撑电容Cde与三相六桥臂并联。其中，所述三相六桥臂与双向DC / DC变换器的电容两端连接；所述网侧变流器与双向DC / DC变换器均包括控制系统。其中，所述滤波电路为LCL滤波器；所述LCL滤波器包括三组串联电感组和三个电容；所述三组串联电感组并联；每组串联电感组包括串联的两个电感；所述三组串联电感组的三端分别连接网侧变流器三相的交流输出端；所述三组串联电感组的另外三端连接至隔离变压器；所述三个电容并联；每个电容的一端分别与另两个电容的一端相互连接形成公共端；每个电容的另一端分别连接三组串联电感组的公共端，所述三个电容并联后形成滤波电容。其中，所述隔离变压器的变流器侧采用三角形连接；所述隔离变压器的电网侧采用星形连接。其中，所述功率转换系统由控制电路进行控制；所述控制电路采用双DSP芯片和双ロ RAM ;所述双DSP芯片和双ロ RAM之间进行数据交互。其中，所述双DSP芯片分为控制侧DSP和逻辑侧DSP ;所述控制侧DSP负责PI控制器运算和PWM脉宽的计算；所述逻辑侧DSP负责所述功率转换系统的启停逻辑、功能保护和数据通讯。其中，所述PI控制器包含在所述网侧变流器的控制系统中。其中，所述双ロ RAM是ー种共享式多端ロ存储器，其存储的数据提供给控制侧DSP和逻辑侧DSP，用于PI控制器运算。本发明基于另一目的提供的一种基于电池储能系统的功率转换系统的控制方法，其改进之处在于，所述控制方法包括下述步骤(I)所述控制电路对电池储能系统进行监测；
7
(2 )所述控制电路对双向DC / DC变换器进行监测；(3)所述控制电路对网侧变流器进行监测；(4)所述控制电路对滤波电路进行监测；(5)所述控制电路对隔离变压器进行控制。其中，所述步骤(I)中，所述控制电路对电池储能系统降压充电模式和升压放电模式的荷电状态SOC和端电压Ub进行监測。其中，所述控制电路对电池储能系统在降压充电模式下的荷电状态SOC和端电压Ub进行监测包括A、当监测到电池储能系统的荷电状态SOC ^ 0.8时，令双向DC / DC变换器的电感侧电流环给定值Irefl=Imin,将给定值iMfl与实测电池储能系统电流ら做差，差值经过PI环节得到占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的涓流充电控制；所述开关信号指的是控制双向DC / DC变换器IGBT模块I和IGBT模块II开通或关断的控制
信号;B、当监测到电池储能系统的荷电状态O. 2 く SOC < O. 8且Ub彡Uhigh时，令给定值Urefl=Un,将给定值Urefl与实测电池储能系统电压Ub做差，差值经过PI环节得到占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的恒压充电控制；C、当监测到电池荷电状态O. 2 く SOC < O. 8且U1ot く Ub く Uhigh吋，将电流环给定值Uf2与实测电池储能系统电流込做差，差值经过PI环节得到占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的恒流充电控制；其中Un为电池额定电压，Iniin为电池最小放电电流；UlOT表示电池储能系统充电电压下限值；Uhigh表示电池储能系统充电电压上限值。其中，所述控制电路对电池储能系统在升压放电模式下的荷电状态SOC和端电压Ub进行监测包括a、当监测到电池储能系统的荷电状态SOC ( O. 2时，令电流环给定值しfl=Imin，将给定值しfl与实测电池储能系统电流IX做差，差值经过PI环节得到相应的占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的涓流放电控制；b、当监测到电池储能系统的荷电状态O. 2 く SOC < O. 8且Ub く Ulow时，令给定值Urefl=Ulow,将给定值Urefl与实测电池储能系统电压Ub做差，差值经过ー个PI环节得到相应的占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的恒压放电控制；C、当监测到电池储能系统的荷电状态O. 2 く SOC < O. 8且Ular く Ub く Uhigh吋，将电流环给定值Iref2与实测电池储能系统电流Id故差，差值经过PI环节得到相应的占空比，经PWM调制得到开关信号，实现对电池储能系统的恒流放电控制。给定值是ー个具体的数值，通过控制系统控制被控对象，令其随给定值的变化而变化。其中，所述步骤(2)中，根据电池储能系统的荷电状态SOC和端电压Ub，判断荷电状态SOC和端电压Ub是否越限，所述控制电路监测双向DC / DC变换器对电池储能系统的工作模式切換；当电池储能系统充电时，所述双向DC / DC变换器工作在降压状态；当电池储能系统放电时，所述双向DC / DC变换器工作在升压状态。
8
其中，当双向DC / DC变换器工作在升压状态时，采用基于Boost原理的升压放电模式，此时IGBT模块II工作在开关状态，IGBT模块I工作在ニ极管状态，PWM调制为IGBT模块II提供开通关断信号；当双向DC / DC变换器工作在降压状态时，采用基于Buck原理的降压充电模式，此时IGBT模块II工作在ニ极管状态，IGBT模块I工作在开关状态，PWM调制为IGBT模块I提供开通关断信号。其中，所述步骤(3)中，所述控制电路对网侧变流器的工作状态进行监测；所述エ作状态包括整流状态和逆变状态。其中，当网侧变流器工作在整流状态时，从交流电网取电并整流为直流，此时双向DC / DC变换器工作在降压模式，通过直流母线为电池储能系统充电；以电池储能系统的荷电状态SOC和端电压Ub为约束条件。其中，在充电初始阶段(充电初始阶段，是通过电池端电压Ub以及荷电状态SOC来进行判断的，一般当Ub与SOC处在合理的工作范围之内，电池都可以被看成处于充电初始阶段。)，当O. 2 < SOC < O. 8且U1ot < Ub < Uhigh吋，选取恒流充电模式；随着充电过程进行，当监测到电池储能系统端电压Ub超出其充电电压上限Uhigh,且电池储能系统的荷电状态SOC没有超出限值时，即O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh，选取恒压充电模式；当电池储能系统的荷电状态SOC继续升高，直到越限，即SOC ^ O. 8，选取涓流充电模式。其中，当网侧变流器工作在逆变状态时，采用直流母线电压外环，网侧电流内环的双闭环控制策略，此时双向DC / DC变换器工作在升压模式，所述电池储能系统放电，以电池储能系统的荷电状态SOC和端电压Ub为约束条件。其中，在放电初始阶段，当O. 2 く SOC < O. 8且U1ot < Ub < Uhigh吋，选取恒流放电模式；随着放电过程进行，若SOC未越限而电池储能系统端电压Ub低于其放电电压下限吋，S卩O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh,选取恒压放电模式；当电池储能系统的荷电状态SOC继续降低，直到其越限吋，即SOC ( O. 2时，选取涓流放电模式。其中，所述网侧电流内环为电网侧电流控制策略；所述直流母线电压外环为恒流和恒压切换控制的双闭环控制策略。其中，采用基于电网电压定向的矢量控制实现恒流和恒压切换控制的双闭环控制策略；包括下述步骤①电网侧三相电压u经锁相环结，得到相角n，所述的相角η用于參与坐标变换；②所述控制电路监测网侧变流器三相电流i、电网电压u和滤波电容的电流；③经过坐标变换分别得到dq轴分量id、iq> ud、uq> icd和iC(1 ；④直流母线电压外环电压给定值U*d。与支撑电容Cd。电压实测值Udc做差，经过PI环节得到d轴电流给定值i*d ;所述d轴电流给定值i*d与网侧电流实测d轴分量id做差，经过PI环节得到d轴初步电压给定值U’d，d轴初步电压给定值U’d通过与ω L项做差实现解耦控制，得到d轴的电压控制量U*’ d ；
⑤滤波电容d轴分量ied经调制系数Kd与所述U*’d做差，得到d轴电压给定值U*d;⑥无功电流给定值i*q与网侧变流器电流实测q轴分量i,做差，经过PI环节得到q轴初步电压给定值U’ q,通过与id ω L项以及电网电压q轴分量Uq做差实现解耦控制，得到q轴的电压控制量U*’ q ；⑦滤波电容q轴分量i。,经调制系数Kd与U*’ q做差，得到q轴电压给定值U*,；⑧d轴电压给定值U*d和q轴电压给定值U*q通过坐标变换,得到三相电压控制量，经PWM调制得到开关信号，实现基于电网电压电流的双闭环控制。其中，在对网侧变流器进行控制吋，对电压、电流三相交流量进行坐标变换，将其变为dq坐标系下的两相旋转直流量，其公式为
Ud = -(Rし +~τ·) + Ιχ λ' + ed
U,=—(八％ + 人·^·) _ lx0Lli + eq从公式中得出，Ud等式中含有iq L项，将其消掉达到解耦；解耦之后得到的电压控制量就是U*’ d ；同样对Uq等式进行解耦，得到q轴的电压控制量U*’ QO其中，所述步骤(4)中，所述控制电路监测滤波电路滤除所述网侧变流器的交流电压输出高频谐波。其中，所述步骤(5)中，所述控制电路监测隔离变压器消除交流电压输出的高次谐波。其中，所述方法通过所述LCL滤波器和隔离变压器实现并网。与现有技术比，本发明达到的有益效果是I、本发明提供的基于电池储能系统的功率转换系统，其中电池储能系统采用电池単体串联，通过双向DC / DC变换器与共用直流母线并联，这不仅可以避免电池组间环流，同时还便于系统扩容。2、本发明加入电池储能系统荷电状态SOC以及电池端电压的监测控制策略，避免电池系统出现过度充电或者过度放电状态，延长储能电池组工作寿命，减少综合使用成本。3、本发明采用LCL滤波器，与传统L滤波器相比，LCL滤波器具有体积小，造价低，对高频谐波抑制效果好等优点。4、本发明采用隔离变压器，在网侧变流器侧采用三角形接法，能进ー步消除高次谐波。5、本发明引入了双向DC / DC变换器，以电池储能系统的荷电状态SOC和端电压为约束条件，在不同的条件下切換不同的充放电模式，使电池储能系统很好的工作在安全运行区域。
图I是本发明提供的基于电池储能系统的功率转换系统拓扑结构图；图2是本发明提供的双向DC / DC变换器的拓扑结构图；图3是本发明提供的双向DC / DC变换器的升压放电工作模式示意图；图4是本发明提供的双向DC / DC变换器的降压充电工作模式示意图5是本发明提供的电池储能系统在充电模式下的控制流程图；图6是本发明提供的电池储能系统在放电模式下的控制流程图；图7是本发明提供的基于电池储能系统的功率转换系统控制框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进ー步的详细说明。本发明提供的基于电池储能系统的功率转换系统拓扑结构如图I所示，功率转换系统包括电池储能系统、双向DC / DC变换器、网侧变流器、滤波电路和隔离变压器；所述电池储能系统通过双向DC / DC变换器与网侧变流器的直流母线并联；所述网侧变流器、滤波电路和隔离变压器依次连接；所述隔离变压器接入电网；双向DC / DC变换器用于对电池储能系统的工作模式进行切換；网侧变流器用于电网向电池储能系统充电时对充电电流整流；网侧变流器用于将电池储能系统的直流电压输出逆变为三相交流电压输出；滤波电路用于滤除所述网侧变流器的交流电压输出高频谐波；隔离变压器用于消除交流电压输出的高次谐波。本发明的电池储能系统采用N个电池单体串联，Nミ2。通过双向DC / DC变换器与共用直流母线并联，这不仅可以避免电池组间环流，同时还便于系统扩容。本发明加入电池系统荷电状态SOC以及电池端电压的监测控制策略，避免电池储能系统出现过度充电或者过度放电状态，延长储能电池组工作寿命，减少综合使用成本。本发明采用LCL滤波器，与传统L滤波器相比，LCL滤波器具有体积小，造价低，对高频谐波抑制效果好等优点。隔离变压器变流器侧采用三角形接法，能进ー步消除高次谐波。电池储能系统由电池単体串联组成。具体串联方法以满足系统电压实际需求为标准。设定电网系统电压等级为U，串联后形成的电池储能系统电压为U，U应不小于I. 633倍的U。通过并联DC / DC变换器达到系统容量需求，可以避免多组储能电池的直接并联，降低了整个系统对储能电池电压特性的要求；当个别储能电池组或并联变换器出现故障吋，储能系统仍可正常工作，提高整个储能系统稳定性。本发明提供的双向DC / DC变换器的拓扑结构如图2所示，双向DC / DC变换器电路是由ー个典型的IGBT模块及电容、电感组成的直流调压电路；具体的双向DC / DC变换器包括开关、电感、IGBT模块I、IGBT模块II和电容；开关和电感依次串联；所述IGBT模块I和电容依次串联组成IGBT I-电容支路；IGBT模块II与IGBT I-电容支路并联后与电感连接。IGBT模块I和IGBT模块II均由反并联的IGBT芯片和ニ极管组成。双向DC / DC变换器选取正向Boost反向Buck拓扑结构，采用互补型调制方法PWM控制，对电池储能系统的荷电状态SOC和端电压Ub进行监測，以切换不同的充放电模式。通过在Boost和Buck模式之间的切換，即可以做到直流功率的双向传递。基于此电路拓扑，提出内环为电池侧电感平均电流控制，外环为恒流和恒压切换控制的双闭环控制策略。以电池的荷电状态SOC和端电压为约束条件，提出相对应的三阶段安全充放电控制模式。双向DC / DC变换器的工作模式包括降压充电模式和升压放电模式；所述降压充电模式包括涓流充电、恒流充电和恒压充电；升压放电模式包括涓流放电、恒流放电和恒压放电。图3和图4是双向DC / DC变换器的两种工作模式。双向DC / DC变换器工作在升压状态时，图3为基于Boost原理的升压放电模式，此时IGBT模块II工作在开关状态，IGBT模块I工作在ニ极管状态，PWM调制为IGBT模块II提供开通关断信号；当双向DC / DC变换器工作在降压状态时，图4为基于Buck原理的降压充电模式，此时IGBT模块II工作在ニ极管状态，IGBT模块I工作在开关状态，PWM调制为IGBT模块I提供开通关断信号。当网侧变流器工作在逆变状态吋，即电池向电网输送能量，如果O. 2 < SOC < O. 8且U1ot < Ub < Uhigh,选取恒流放电模式。如果O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh,选取恒压放电模式。如果SOC ( O. 2吋，选取涓流放电模式；当网侧变流器工作在整流状态，即电网向电池输送能量吋，如果O. 2 < SOC < O. 8且Ular < Ub < Uhigh吋，选取恒流充电模式。如果电池端电压超出其充电上限电压且电池荷电状态没有超出限值时，即O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh，选取恒压充电模式。如果SOC彡O. 8，选取涓流充电模式。滤波电路为LCL滤波器；LCL滤波器由电感电容组成的T型滤波电路，尽管结构相对复杂，但其能有效降低电感总量，使系统体积重量减小，成本降低。因此，现在普遍应用于大功率场合。LCL滤波器包括三组串联电感组和三个电容；所述三组串联电感组并联；每组串联电感组包括串联的两个电感；三组串联电感组的三端分别连接网侧变流器三相的交流输出端；所述三组串联电感组的另外三端连接至隔离变压器；三个电容并联；每个电容的一端分别与另两个电容的一端相互连接形成公共端；每个电容的另一端分别连接三组串联电感组的公共端。三个电容并联后形成滤波电容。隔离变压器的变流器侧采用三角形连接；所述隔离变压器的电网侧采用星形连接。电池系统通过双向DC / DC变换器与网侧变流器直流母线相连，通过网侧变流器逆变为三相交流输出，经过LCL滤波环节和隔离变压器与电网相连，控制电路采用双DSP+双ロ RAM结构，控制侧DSP主要负责PI控制器运算(电压、电流双闭环)PWM脉宽的计算等；逻辑侧DSP主要负责启停逻辑、功能保护、数据通讯等。具体控制方法如下 监测网侧变流器电网侧三相电流i、电网侧三相电压u和LCL滤波器电容的三相电流i。。电网侧三相电压u经锁相环结，得到相角n，所述的相角η用于參与坐标变换。电网侧三相电流i、电网侧三相电压U、电容三相电流i。分别经过坐标变换，得到dq轴分量id、iq>ud,uq, icd, iCQO外环电压给定值Ifdc与实测值Udc做差，经过ー个PI环节，得到有功电流给定值i*d;无功电流i*q 一般设为O。有功电流给定值i*d与实测值id做差后，经过ー个PI环节，得到控制电压d轴初步电压给定分量ud’;无功电流给定值与实测值i,做差后，经过ー个PI环节，得到控制电压q轴初步电压给定分量u/。电压补偿分量i, ω L与u/做差，得到变流器给定电压d;uq和电压补偿分量id 与u/做差，得到变流器给定电压q。u*’d与し经过ー个ん环节后的值做差，得到d轴电压控制分量u/;u",与i。,经过ー个Kd环节后的值做差，得到q轴电压控制分量U:。u/、u；经过坐标变换，得到三相电压指令值，经PWM调制，得到开关管开关信号，控制网侧变流器工作。本发明还提供了一种基于电池储能系统的功率转换系统的控制方法，包括下述步骤(I)控制电路对电池储能系统进行监测本发明提供的电池储能系统在充电模式下的控制流程如图5所示，当监测到电池荷电状态SOC ^ 0.8时，令电流环给定值Irefl=Imin,将其与实测电池电流做差，经过ー个
1PI环节得到相应的占空比，经PWM调制，得到开关信号，从而实现对电池系统的涓流充电控制；当监测到电池荷电状态O. 2 く SOC < O. 8且Ub彡Uhigh吋，令Urefl=Un,将其与实测电池电压Ub做差，经过ー个PI环节得到相应的占空比，经PWM调制，得到开关信号，从而实现对电池系统的恒压充电；当监测到电池荷电状态O. 2 < SOC < O. 8且U1ot < Ub < Uhigh时，将电流环给定值しf2与实测电流ら做差，经过PI环节得到相应的占空比，经PWM调制得到开关信号，从而实现对电池的恒流充电。本发明提供的电池储能系统在放电模式下的控制流程如图6所示，当检测到电池荷电状态SOC ^ O. 2时，令电流环给定值Irefl=Imin,将其与实测电池电流L做差，经过ー个PI环节得到相应的占空比，经PWM调制，得到开关信号，从而实现对电池系统的涓流放电控制;当检测到电池荷电状态O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Ulow时，令Urtfl=UlOT，将其与实测电池电压Ub做差，经过ー个PI环节得到相应的占空比，经PWM调制，得到开关信号，从而实现对电池系统的恒压放电；当检测到电池荷电状态O. 2 < SOC < O. 8且U1ot < Ub < Uhigh吋，将电流环给定值IMf2与实测电流ら做差，经过PI环节得到相应的占空比，经PWM调制得到开关信号，从而实现对电池的恒流放电。(2)控制电路对双向DC / DC变换器进行监测当网侧变流器工作在逆变状态吋，即电池向电网输送能量，如果O. 2 < SOC < O. 8且U1ot < Ub < Uhigh,选取恒流放电模式。如果O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh,选取恒压放电模式。如果SOC ( O. 2吋，选取涓流放电模式；当网侧变流器工作在整流状态，即电网向电池输送能量吋，如果O. 2 < SOC < O. 8且Ular < Ub < Uhigh吋，选取恒流充电模式。如果电池端电压超出其充电上限电压且电池荷电状态没有超出限值时，即O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh，选取恒压充电模式。如果SOC彡O. 8，选取涓流充电模式。(3)控制电路对网侧变流器进行监测本发明提供的基于电池储能系统的功率转换系统控制流程如图7所示，在电池处于放电状态时，双向DC / DC变换器工作在升压模式，以电池储能荷电状态SOC及端电压Ub为约束条件。初始阶段，当O. 2 < SOC < O. 8且Ular < Ub < Uhigh吋，选取恒流放电模式。随着放电过程进行，若SOC未越限而电池端电压低于放电电压下限时，即O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh，选取恒压放电模式。当SOC继续降低，直到其越限吋，即SOC彡O. 2吋，选取涓流放电模式。此时网侧变流器工作在逆变状态，采用直流母线电压外环，网侧电流内环的双闭环控制策略，保证逆变并网环节的稳定运行。当网侧变流器工作在整流状态时，从交流电网取电并整流为直流，此时DC / DC变换器工作在降压模式，通过直流母线为电池储能充电。同样以电池储能荷电状态及端电压为约束条件。初始阶段，当O. 2 < SOC < O. 8且Ular < Ub < Uhigh吋，选取恒流充电模式。随着充电过程进行，当检测到电池端电压超出其充电上限电压且电池荷电状态没有超出限值时，即O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh，选取恒压充电模式；当SOC继续升高，直到越限，即SOC彡O. 8，选取涓流充电模式。(4)控制电路对滤波电路进行监测控制电路监测滤波电路滤除所述网侧变流器的交流电压输出高频谐波。
13
(5)控制电路对隔离变压器进行控制控制电路监测隔离变压器消除交流电压输出的高次谐波。本发明的电池系统采用电池单体串联，通过双向DC / DC变换器与共用直流母线并联，这不仅可以避免电池组间环流，同时还便于系统扩容。本发明加入电池系统荷电状态SOC以及电池端电压的检测控制策略，避免电池系统出现过度充电或者过度放电状态，延长储能电池组工作寿命，减少综合使用成本。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，尽管參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范围当中。
权利要求
1.一种基于电池储能系统的功率转换系统，其特征在于，所述功率转换系统包括电池储能系统、双向DC / DC变换器、网侧变流器、滤波电路和隔离变压器；所述电池储能系统通过双向DC / DC变换器与网侧变流器的直流母线并联；所述网侧变流器、滤波电路和隔离变压器依次连接；所述隔离变压器接入电网； 所述双向DC / DC变换器用于对电池储能系统的工作模式进行切換； 所述网侧变流器用于将电池储能系统的直流电压输出逆变为三相交流电压输出； 所述滤波电路用于滤除所述网侧变流器的交流电压输出高频谐波； 所述隔离变压器用于消除交流电压输出的高次谐波。
2.如权利要求I所述的功率转换系统，其特征在于，所述电池储能系统包括至少ー组的电池组；所述电池组由N个串联的电池单体组成，所述N > 2。
3.如权利要求2所述的功率转换系统，其特征在于，所述电池储能系统的电压U不小于I.633倍的电网电压U。
4.如权利要求1-3中任一项所述的功率转换系统，其特征在于，所述电池储能系统的每ー组电池组均通过ー个双向DC / DC变换器分别与网侧变流器的直流母线并联。
5.如权利要求I所述的功率转换系统，其特征在于，所述双向DC/ DC变换器采用正向Boost和反向Buck结构；所述双向DC / DC变换器采用互补型PWM调制方法控制。
6.如权利要求I所述的功率转换系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器的工作模式包括降压充电模式和升压放电模式；所述降压充电模式包括涓流充电、恒流充电和恒压充电；所述升压放电模式包括涓流放电、恒流放电和恒压放电。
7.如权利要求I和4-6中任一项所述的功率转换系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器包括开关、电感、IGBT模块I、IGBT模块II和电容； 所述开关和电感依次串联；所述IGBT模块I和电容依次串联组成IGBT I-电容支路；所述IGBT模块II与IGBT I-电容支路并联后与电感连接。
8.如权利要求7中所述的功率转换系统，其特征在干，所述IGBT模块I和IGBT模块II均由反并联的IGBT芯片和ニ极管组成。
9.如权利要求7所述的功率转换系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器的电路为直流调压电路。
10.如权利要求I所述的功率转换系统，其特征在于，所述网侧变流器包括三相六桥臂；每个桥臂由IGBT模块III组成；所述IGBT模块III由反并联的IGBT芯片和ニ极管组成在网侧变流器直流侧设置支撑电容Cd。，所述支撑电容Cd。与三相六桥臂并联。
11.如权利要求10所述的功率转换系统，其特征在于，所述三相六桥臂与双向DC/ DC变换器的电容两端连接；所述网侧变流器与双向DC / DC变换器均包括控制系统。
12.如权利要求I所述的功率转换系统，其特征在于，所述滤波电路为LCL滤波器；所述LCL滤波器包括三组串联电感组和三个电容；所述三组串联电感组并联；每组串联电感组包括串联的两个电感； 所述三组串联电感组的三端分别连接网侧变流器三相的交流输出端；所述三组串联电感组的另外三端连接至隔离变压器； 所述三个电容并联；每个电容的一端分别与另两个电容的一端相互连接形成公共端；每个电容的另一端分别连接三组串联电感组的公共端，所述三个电容并联后形成滤波电容。
13.如权利要求I所述的功率转换系统，其特征在于，所述隔离变压器的变流器侧采用三角形连接；所述隔离变压器的电网侧采用星形连接。
14.如权利要求I所述的功率转换系统，其特征在于，所述功率转换系统由控制电路进行控制；所述控制电路采用双DSP芯片和双ロ RAM ;所述双DSP芯片和双ロ RAM之间进行数据交互。
15.如权利要求14所述的功率转换系统，其特征在于，所述双DSP芯片分为控制侧DSP和逻辑侧DSP ;所述控制侧DSP负责PI控制器运算和PWM脉宽的计算；所述逻辑侧DSP负责所述功率转换系统的启停逻辑、功能保护和数据通讯。
16.如权利要求15所述的功率转换系统，其特征在于，所述PI控制器包含在所述网侧变流器的控制系统中。
17.如权利要求14所述的功率转换系统，其特征在于，所述双ロRAM是ー种共享式多端ロ存储器，其存储的数据提供给控制侧DSP和逻辑侧DSP，用于PI控制器运算。
18.一种基于电池储能系统的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括下述步骤 (1)所述控制电路对电池储能系统进行监测； (2)所述控制电路对双向DC/ DC变换器进行监测； (3)所述控制电路对网侧变流器进行监测； (4)所述控制电路对滤波电路进行监测； (5)所述控制电路对隔离变压器进行控制。
19.如权利要求18所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(I)中，所述控制电路对电池储能系统降压充电模式和升压放电模式的荷电状态SOC和端电压Ub进行监测。
20.如权利要求19所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述控制电路对电池储能系统在降压充电模式下的荷电状态SOC和端电压Ub进行监测包括 A、当监测到电池储能系统的荷电状态SOC^ 0.8时，令双向DC / DC变换器的电感侧电流环给定值しfl=Imin，将给定值Irefl与实测电池储能系统电流込做差，差值经过PI环节得到占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的涓流充电控制；所述开关信号指的是控制双向DC / DC变换器IGBT模块I和IGBT模块II开通或关断的控制信号； B、当监测到电池储能系统的荷电状态O.2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh吋，令给定值Urefl=Un,将给定值Urefl与实测电池储能系统电压Ub做差，差值经过PI环节得到占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的恒压充电控制； C、当监测到电池荷电状态O.2 < SOC < O. 8且U1ot < Ub < Uhigh吋，将电流环给定值しf2与实测电池储能系统电流ら做差，差值经过PI环节得到占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的恒流充电控制； 其中Un为电池额定电压，Iniin为电池最小放电电流；Ulw表示电池储能系统充电电压下限值；Uhigh表示电池储能系统充电电压上限值。
21.如权利要求19所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述控制电路对电池储能系统在升压放电模式下的荷电状态SOC和端电压Ub进行监测包括a、当监测到电池储能系统的荷电状态SOCく O. 2时，令电流环给定值しfl=Imin，将给定值Irefl与实测电池储能系统电流し做差，差值经过PI环节得到相应的占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的涓流放电控制； b、当监测到电池储能系统的荷电状态O.2 < SOC < O. 8且Ub < Ulow吋，令给定值Urefl=Ulow,将给定值Urefl与实测电池储能系统电压Ub做差，差值经过ー个PI环节得到相应的占空比，经PWM调制，得到开关信号，实现对电池储能系统的恒压放电控制； C、当监测到电池储能系统的荷电状态O. 2 < SOC < O. 8且Ular < Ub < Uhigh时，将电流环给定值Iref2与实测电池储能系统电流IJ故差，差值经过PI环节得到相应的占空比，经PWM调制得到开关信号，实现对电池储能系统的恒流放电控制。
22.如权利要求18所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据电池储能系统的荷电状态SOC和端电压Ub，判断荷电状态SOC和端电压Ub是否越限，所述控制电路监测双向DC / DC变换器对电池储能系统的工作模式切換； 当电池储能系统充电时，所述双向DC / DC变换器工作在降压状态；当电池储能系统放电时，所述双向DC / DC变换器工作在升压状态。
23.如权利要求22所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，当双向DC/ DC变换器工作在升压状态时，采用基于Boost原理的升压放电模式，此时IGBT模块II工作在开关状态，IGBT模块I工作在ニ极管状态，PWM调制为IGBT模块II提供开通关断信号； 当双向DC / DC变换器工作在降压状态时，采用基于Buck原理的降压充电模式，此时IGBT模块II工作在ニ极管状态，IGBT模块I工作在开关状态，PWM调制为IGBT模块I提供开通关断信号。
24.如权利要求18所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述控制电路对网侧变流器的工作状态进行监测；所述工作状态包括整流状态和逆变状态。
25.如权利要求24所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，当网侧变流器工作在整流状态时，从交流电网取电并整流为直流，此时双向DC / DC变换器工作在降压模式，通过直流母线为电池储能系统充电；以电池储能系统的荷电状态SOC和端电压Ub为约束条件。
26.如权利要求25所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，在充电初始阶段，当O.2 < SOC < O. 8且Ulow く Ub く Uhigh吋，选取恒流充电模式； 随着充电过程进行，当监测到电池储能系统端电压Ub超出其充电电压上限Uhigh，且电池储能系统的荷电状态SOC没有超出限值时，即O. 2 < SOC < O. 8且Ub彡Uhigh，选取恒压充电模式； 当电池储能系统的荷电状态SOC继续升高，直到越限，即SOC ^ O. 8，选取涓流充电模式。
27.如权利要求25所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，当网侧变流器工作在逆变状态时，采用直流母线电压外环，网侧电流内环的双闭环控制策略，此时双向DC /DC变换器工作在升压模式，所述电池储能系统放电，以电池储能系统的荷电状态SOC和端电压Ub为约束条件。
28.如权利要求27所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，在放电初始阶段，当O.2 < SOC < O. 8且Ulow く Ub く Uhigh吋，选取恒流放电模式；随着放电过程进行，若SOC未越限而电池储能系统端电压Ub低于其放电电压下限吋，即O. 2 < SOC < O. 8且Ub≤Uhigh,选取恒压放电模式； 当电池储能系统的荷电状态SOC继续降低，直到其越限吋，即SOC ( O. 2吋，选取涓流放电模式。
29.如权利要求27所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述网侧电流内环为电网侧电流控制策略；所述直流母线电压外环为恒流和恒压切换控制的双闭环控制策略。
30.如权利要求29所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，采用基于电网电压定向的矢量控制实现恒流和恒压切换控制的双闭环控制策略；包括下述步骤 ①电网侧三相电压u经锁相环结，得到相角n，所述的相角η用于參与坐标变换； ②所述控制电路监测网侧变流器三相电流i、电网电压u和滤波电容的电流； ③经过坐标变换分别得到dq轴分量id、iq>ud、uq> icd和iq ； ④直流母线电压外环电压给定值U*d。与支撑电容Cd。电压实测值Udc做差，经过PI环节得到d轴电流给定值i*d ;所述d轴电流给定值i*d与网侧电流实测d轴分量id做差，经过PI环节得到d轴初步电压给定值U’d，d轴初步电压给定值U’d通过与ω 项做差实现解耦控制，得到d轴的电压控制量U*’ d ； ⑤滤波电容d轴分量し经调制系数Kd与所述U*’d做差，得到d轴电压给定值U*d ； ⑥无功电流给定值i*q与网侧变流器电流实测q轴分量i,做差，经过PI环节得到q轴初歩电压给定值U’ q,通过与id ω L项以及电网电压q轴分量Uq做差实现解耦控制，得到q轴的电压控制量U*’，； ⑦滤波电容q轴分量i。,经调制系数Kd与U*’q做差，得到q轴电压给定值U*,； ⑧d轴电压给定值U*d和q轴电压给定值U*,通过坐标变换，得到三相电压控制量，经PWM调制得到开关信号，实现基于电网电压电流的双闭环控制。
31.如权利要求29所述的功率转换系统的控制方法，其特征在干，在对网侧变流器进行控制时，对电压、电流三相交流量进行坐标变换，将其变为dq坐标系下的两相旋转直流量，其公式为
32.如权利要求18所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述控制电路监测滤波电路滤除所述网侧变流器的交流电压输出高频谐波。
33.如权利要求18所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述控制电路监测隔离变压器消除交流电压输出的高次谐波。
34.如权利要求32和33中任一项所述的功率转换系统的控制方法，其特征在于，所述方法通过所述LCL滤波器和隔离变压器实现并网。
全文摘要
本发明涉及一种基于电池储能系统的功率转换系统及其控制方法，功率转换系统包括电池储能系统、双向DC／DC变换器、网侧变流器、滤波电路和隔离变压器；电池储能系统通过双向DC／DC变换器与网侧变流器的直流母线并联；网侧变流器、滤波电路和隔离变压器依次连接；隔离变压器接入电网；控制方法包括下述步骤控制电路依次对电池储能系统、双向DC／DC变换器、网侧变流器、滤波电路和隔离变压器进行监测；本发明的电池储能系统采用电池单体串联，通过双向DC／DC变换器与共用直流母线并联，避免电池组间环流，便于系统扩容，加入电池储能系统荷电状态SOC以及电池端电压的监测控制策略，避免电池系统出现过度充电或过度放电状态，延长电池组工作寿命，减少综合使用成本。
文档编号H02J3/01GK102916440SQ20121035297
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者李建林, 徐少华, 谢志佳, 修晓青, 惠东 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司