一种模块化三电平储能装置并离网控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种模块化三电平储能装置并离网控制方法，该储能装置的控制主要包括并网控制、离网控制、孤岛检测、低电压穿越、多机并联协调控制。并网时，储能装置根据功率指令的符号和大小控制双向变流器对电池组进行充(放)电，实现对电网有功、无功功率的调节。离网时，储能装置可控制变流器对电池组进行放电给负载短时供电，作应急电源使用。本发明的方法能有效解决可再生能源(如光伏、风电等)对电网稳定性、电能质量和经济性影响，能够平滑有功功率、调节无功功率、电网故障时给负载供电。
【专利说明】一种模块化三电平储能装置并离网控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及储能【技术领域】，特别是一种模块化三电平储能装置并离网控制方法。【背景技术】
[0002]储能装置(储能系统中，与储能电池组配套，连接于电池组与电网(或负荷)之间，把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网(或负荷)的装置。)储能技术在很大程度上可以解决新能源发电、电动汽车充电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电和电动汽车充电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网，并减小大规模电动汽车无序充电对电网的影响。
[0003]储能装置目前在国内外仍处于示范运行阶段，尚未大规模推广，已投入示范工程的大多数为小容量的示范性储能装置，而且大多采用两电平变流器，当容量加大时，多机并联体积庞大，占地面积大、成本高且可靠性、可维护性较差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种模块化三电平储能装置并离网控制方法，能有效解决可再生能源(如光伏、风电等)对电网稳定性、电能质量和经济性影响，能够平滑有功功率、调节无功功率、电网故障时给负载供电。
[0005]本发明方法采用以下方案实现:一种模块化三电平储能装置并离网控制方法，其特征在于:该储能装置由隔离变压器、LCL滤波器、双向变流器、直流滤波器以及蓄电池依次级联构成；所述控制方法包括:
当该储能装置并网运行时，采用带中点电位补偿的双闭环控制策略，通过在并网电流单环控制中加入功率前馈和电池电流外环控制，加快系统的响应速度、减小直流电流纹波；
在该储能装置离网运行时，通过在输出电压外环、电感电流内环控制基础上，加入零序电压注入的中点电位闭环控制方法，即通过在三相调制信号中注入零序电压来控制中点电位的直流和低频波动，以实现三电平电容中点电压的平衡控制；
在该储能装置多机并联运行时，采用主从式并联控制，即每个模块的变流器均运行于电压源工作模式，每个变流器采用下垂控制保证均流效果；各模块以各自的有功功率P和无功功率Q为依据，调整各自输出电压的频率和幅值实现系统中各台变流器的均流运行。
[0006]在本发明一实施例中，所述并网运行时，采用带限幅比例因子的中性点电压平衡控制算法，将中点电容电压偏差平衡在一定范围内。
[0007]在本发明一实施例中，当所述的储能装置为双模式运行，所述控制方法中还加入孤岛检测；所述孤岛检测采用孤岛后加入无功功率扰动的检测方法，其无功功率值可通过Q-f曲线求取负载曲线的最大斜率得出。
[0008]在本发明一实施例中，当所述的储能装置为单模式运行，所述控制方法中还加入低电压穿越，该低电压穿越时向电网注入无功量与电压跌落的关系为2X (0.9-仏)JN,切换开关的切换条件是ABC三相电压均小于90%额定电压,关机的条件是ABC三相电压任意一相小于20%额定电压。
[0009]在本发明一实施例中，所述均流控制的实现方式为:通过CAN接口广播到CAN网，同时从CAN网获得其他模块的有功和无功功率，然后计算得到系统的平均有功和无功功率；每个模块根据平均有功功率与本地有功功率之差，经过PI控制器得到频率的调整量，对相位进行调整，保证有功功率的均分；根据平均无功功率与本地无功功率之差，经过PI控制器得到电压的调整量，保证无功功率的均分；最后，将功率控制计算得到的电压指令叠加到离网电压外环指令上，即可实现对储能装置多模块并联的协调均流控制。
[0010]本发明的优点如下:
本发明方法采用的储能装置的主电路拓扑采用三电平双向变流器设计，降低了开关器件的损耗、提高了输出电压的利用率、功率因数，减小了谐波电流含量、直流侧电流纹波，提高了整套装置的可靠性；本装置采用模块化设计，可以方便地配置出不同规格的产品、缩短了产品的生产周期，降低了生产、运输成本，提高了空间利用率且易于运输、安装、维护，提高了整个产品的性能、具有更高的可靠性、安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1模块化三电平储能装置主电路拓扑。
[0012]图2储能装置并网控制框图。
[0013]图3储能装置多模块并联控制框图。
【具体实施方式】
`[0014]下面结合附图及实施实施例对本发明做进一步说明。
[0015]储能装置是与储能电池组配套，连接于电池组与电网(或负荷)之间，把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网(或负荷)的装置。储能装置主要由主回路和控制回路两部分组成，如图1所示，主回路主要由隔离变压器、LCL滤波器、双向变流器、直流滤波器以及蓄电池依次级联构成。
[0016]储能装置的控制方法主要包括并网控制、离网控制、孤岛检测、低电压穿越、多机并联协调控制。并网时，储能装置根据功率指令的符号和大小控制双向变流器对电池组进行充(放)电，实现对电网有功、无功功率的调节。离网时，储能装置可控制变流器对电池组进行放电给负载短时供电，作应急电源使用。
[0017]为了让一般技术人员更好的理解本发明，下面对模块化三电平储能装置详细控制方法说明如下:
I)并网控制
如图2所示，模块化三电平储能装置并网运行时，采用带中点电位补偿的双闭环控制策略。通过在传统的并网电流单环控制中加入功率前馈和电池电流外环控制，加快系统的响应速度、减小直流电流纹波。对于二极管箝位型三电平变流器，电容电压的不对称通常是由直流电流和低频交流分量造成的，另外，开关器件和直流侧电容特性的不一致，以及扰动输入的存在，也会导致直流侧中点电位出现直流偏差。对于该问题，采用带限幅比例因子的中性点电压平衡控制算法，该方法具有自适应中点电压平衡调节的能力，可以将中点电容电压偏差平衡在一定范围内。
[0018]该控制方法中还加入了孤岛检测和低电压穿越功能，其中，孤岛检测功能适用于双模式运行的储能装置，低电压穿越适用于单模式运行的储能装置。孤岛检测采用孤岛后加入无功功率扰动的检测方法，其无功功率值可通过Q-f曲线求取负载曲线的最大斜率得出。低电压穿越时向电网注入无功量与电压跌落的关系为2X (0.9-仏)Jn,切换开关的切换条件是ABC三相电压均小于90%额定电压,关机的条件是ABC三相电压任意一相小于20%额定电压。
[0019]2)离网控制
如图3所示，模块化三电平储能装置离网运行时，通过在传统的输出电压外环、电感电流内环控制基础上，加入了零序电压注入的中点电位闭环控制方法，即通过在三相调制信号中注入零序电压来控制中点电位的直流和低频波动，该方法具有自适应中点电压平衡调节的能力，可以实现三电平电容中点电压的平衡控制。
[0020]3)多机并联控制
模块化储能装置多机并联运行时采用主从式并联控制，即每个模块的变流器均运行于电压源工作模式，每个变流器采用下垂控制保证均流效果。当并联系统中各变流器输出电压的相位、幅值偏差较小时，并联系统的有功环流与输出电压的相位差有关，无功环流与输出电压的幅值差有关，因此，各模块以各自的有功功率P和无功功率Q为依据，调整各自输出电压的频率和幅值实现系统中各台变流器的均流运行。
[0021]如图3所示，系统中每个模块分别计算本地输出的有功和无功功率,通过CAN接口广播到CAN网，同时从CAN网获得其他模块的有功和无功功率，然后计算得到系统的平均有功和无功功率。每个模块根据平均有功功率与本地有功功率之差，经过PI控制器得到频率的调整量，对相位进行调整，保证有功功率的均分；根据平均无功功率与本地无功功率之差，经过PI控制器得到电压的调整量，`保证无功功率的均分。将功率控制计算得到的电压指令叠加到离网电压外环指令上，即可实现对储能装置多模块并联的协调均流控制。
[0022]本发明的方法采用的模块化三电平储能装置具有输出电压利用率高、直流电流纹波小、开关器件损耗低、功率因数高、空间利用率高、工程上易于安装、运输、维护等优点。对于多模块并联运行，可以采用不同的均流控制方案，如瞬时电流均流控制，通过加入一个外部均流环，将均流控制量叠加到变流器输出控制中，从而调节各模块输出幅值相角，保证输出功率均分。采用这种控制其调节速度更快，可以实现瞬时均流，但对系统硬件要求较高，均流母线需要较高的实时性，并且易受干扰。采用本控制方案需检测系统输出有功和无功功率，因此需加入一个延时，其调节速度较慢，但均流效果好，稳定性高，抗扰动性强。本发明很好的解决模块化三电平储能装置的控制难题，为大规模储能装置的研制及推广奠定基础，具有极其重要的理论意义和工程现实价值。
[0023]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1.一种模块化三电平储能装置并离网控制方法，其特征在于:该储能装置由隔离变压器、LCL滤波器、双向变流器、直流滤波器以及蓄电池依次级联构成；所述控制方法包括: 当该储能装置并网运行时，采用带中点电位补偿的双闭环控制策略，通过在并网电流单环控制中加入功率前馈和电池电流外环控制，加快系统的响应速度、减小直流电流纹波； 在该储能装置离网运行时，通过在输出电压外环、电感电流内环控制基础上，加入零序电压注入的中点电位闭环控制方法，即通过在三相调制信号中注入零序电压来控制中点电位的直流和低频波动，以实现三电平电容中点电压的平衡控制； 在该储能装置多机并联运行时，采用主从式并联控制，即每个模块的变流器均运行于电压源工作模式，每个变流器采用下垂控制保证均流效果；各模块以各自的有功功率P和无功功率Q为依据，调整各自输出电压的频率和幅值实现系统中各台变流器的均流运行。
2.根据权利要求1所述的模块化三电平储能装置并离网控制方法，其特征在于:所述并网运行时，采用带限幅比例因子的中性点电压平衡控制算法，将中点电容电压偏差平衡在一定范围内。
3.根据权利要求1所述的模块化三电平储能装置并离网控制方法，其特征在于:当所述的储能装置为双模式运行，所述控制方法中还加入孤岛检测；所述孤岛检测采用孤岛后加入无功功率扰动的检测方法，其无功功率值可通过Q_f曲线求取负载曲线的最大斜率得出。
4.根据权利要求1所述的模块化三电平储能装置并离网控制方法，其特征在于:当所述的储能装置为单模式运行，所述控制方法中还加入低电压穿越，该低电压穿越时向电网注入无功量与电压跌落的关系为2X (0.9-仏)JN,切换开关的切换条件是ABC三相电压均小于90%额定电压,关机的条·件是ABC三相电压任意一相小于20%额定电压。
5.根据权利要求1所述的模块化三电平储能装置并离网控制方法，其特征在于:所述均流控制的实现方式为:通过CAN接口广播到CAN网，同时从CAN网获得其他模块的有功和无功功率，然后计算得到系统的平均有功和无功功率；每个模块根据平均有功功率与本地有功功率之差，经过PI控制器得到频率的调整量，对相位进行调整，保证有功功率的均分；根据平均无功功率与本地无功功率之差，经过PI控制器得到电压的调整量，保证无功功率的均分；最后，将功率控制计算得到的电压指令叠加到离网电压外环指令上，即可实现对储能装置多模块并联的协调均流控制。
【文档编号】H02J3/32GK103825291SQ201410062070
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】林韩, 吴文宣, 郑高, 赵玲, 李裕强, 高鹏, 李景云, 马骏 申请人:国家电网公司, 国网福建省电力有限公司, 国网福建省电力有限公司电力科学研究院