一种微电网复合储能系统启动电机的方法
【专利摘要】本发明涉及一种微电网复合储能系统启动电机的方法，采用的控制策略：所述蓄电池的控制采用外环电压控制、内环电流控制的方法；所述超级电容器的控制采用电流控制的方法；本发明的有益效果是：(1)用小容量的储能装置实现大功率电机的正常启动，能够减少蓄电池的设备投资，提高系统的经济性；（2）延长储能装置的使用寿命、充分发挥不同储能装置的特性，避免过充、过放现象；（3）可以实现安全、稳定启动大功率负载——电动机，对生产、生活更有现实意义。
【专利说明】—种微电网复合储能系统启动电机的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电网及新能源发电【技术领域】，涉及一种微电网复合储能系统启动电机的方法。
【背景技术】
[0002]电机负荷是社会生产生活中最常见也是最终要的负荷类型，微电网系统下，实现电机的安全稳定启动为微电网技术的发展和应用奠定了基础。电机的启动需要供电系统提供瞬时的大电流才能正常启动运转，该电流的大小一般为电机正常运行时电流大小的5~7倍，目前普遍采用的储能装置启动电机技术是采用大容量储能电池启动电机负荷，虽然保证了电机的正常启动，但是大容量储能装置不仅占地面积大，而且投资成本高，经济性和实用性差，不利于微电网发挥其节能、经济、灵活的优势。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种能够安全稳定的、小容量的微电网复合储能系统启动电机的方法。
[0004]为解决上述技术问题所采取的技术方案是一种基于微电网复合储能系统启动电机的方法，所述微电网包括控制装置、数据采集装置、蓄电池、超级电容器、第一至第二逆变器、第一至第二进线电感L1-L2、馈线A-C、电机、开关Kl和交流母线；所述蓄电池依次经所述第一逆变器、第一进线电感L1、馈线A接所述交流母线；所述超级电容器依次经所述第二逆变器、第二进线电感L2、馈线B接所述交流母线；所述电机依次经所述开关K1、馈线C接所述交流母线；所述数据采集装置的数据信号输入端分别接所述馈线A、馈线B和馈线C ；所述数据采集装置的数据信号输出端接所述控制装置的输入端；所述控制装置的控制信号输出端分别接所述第一至第二逆变器的相应控制信号输入端；
基于微电网复合储能系统的控制策略为:所述蓄电池的控制采用外环电压控制、内环电流控制方法；所述超级电容器的控制采用电流控制的方法；
具体方法如下:设SOC^为蓄电池的电机启动荷电状态临界值，是使电机正常启动的蓄电池荷电状态的最小值，S0C%= Ebl / Eb ;Eb为蓄电池能够储存的总能量；EBl为保证电机正常启动的蓄电池最小能量；S0CEIj为超级电容器的电机启动荷电状态临界值,表示使电机正常启动的超级电容器荷电状态的最小值，SOCel= Eel / Ee ;EeS蓄电池能够储存的总能量；Eel为保证电机正常启动的蓄电池最小能量；Pl为电机负荷Λ为蓄电池功率；IEMAX为超级电容器最大输出电流；iB为蓄电池电流；SOCb为蓄电池荷电状态值；SOC—为蓄电池荷电状态最小值，SOCbmin设置为0.2 ；SOCbmax为蓄电池荷电状态最大值，SOCbmax设置为0.8 ；S0CE为超级电容器荷电状态；iE为超级电容器输出电流山为流入电机的电流；
(1)在电机启动的起始阶段，当PJPb时，即电机需要的功率大于蓄电池的输出功率； (1-1)若iB多0，即蓄电池放电，则检测蓄电池的荷电状态；
当S0C& ≤S0CB< SOCbmax，且SOCe≥SOCa时，则所述控制装置控制蓄电池电压，使蓄电池电压用于维持微电网母线电压的稳定，所述控制装置控制超级电容器向电机提供大电流，即令超级电容器以最大输出电流Iemax补偿电机启动电流，即其中为超级电容器电流控制的给定电流；此时蓄电池补偿剩余的电机负荷电流；
当SOCb > S0CBl，且S0CE〈 SOCaW，则先不启动电机，蓄电池首先向超级电容充电，即令Iejef= -1emax其中μ为超级电容器电流控制的给定电流；
(1-2)若iB〈0，即蓄电池充电，则检测蓄电池的荷电状态；
当SOCb≥SOCbmax，且SOCe≥SOCa时，则令超级电容器以最大输出电流Iemax补偿电机启动电流，即igrf=IEMAX，其中为超级电容器电流控制的给定电流；此时蓄电池补偿剩余的电机负荷电流；
当SOCb≥SOCbmax，且SOCe < SOCa时，则先不启动电机，蓄电池首先向超级电容充电，
即令 ie—ref_ — Iemax ?
(2)在电机启动的稳定阶段，从蓄电池电流iB等于电机额定电流込时刻开始，直到电机电流it；减小至其额定电流U为止；
在电机启动的起始阶段it；= I EMAX+iB ?当蓄电池电流iB等于电机额定电流U时，进入稳定阶段；控制装置控制超级电容器输出电流M= ，使蓄电向电机提供稳定不变的电流，即，此时超级电容器电流ifL—Mf，iE随着电机电流ic:的变化而变化，直至电机电流等于额定电流L =U，此时Ie=Lj^=O,只有蓄电池向电机提供电流,即ific；=:^，电机安全启动完毕。
[0005]所述蓄电池的控制所采用的外环电压控制、内环电流控制的方法如下:
(1)通过数据采集装置的电压互感器采集馈线A处交流电压值Ub，将所述交流电压值Ub输入所述蓄电池的控制外环电压控制的输入端Rl ；
(2)将所述交流电压值Ub进行Park变换，得到直轴分量电压Ubd与交轴分量电压Ubq；
(3)将所述直轴分量电压Ubd与直轴给定母线电压Ubdref做减法运算，即进行差值比较，得到代数运算差值Λ Ubd ;将所述交轴分量电压Ubq与交轴给定母线电压队^^做减法运算，即进行差值比较，得到代数运算差值Λ Ubq ；
(4)将所述差值ΛUbd与差值Λ Ubq输入比例积分环节PI后，再通过Park反变换，得到蓄电池的内环电流控制的给定电流ib ；
(5)将所述蓄电池的内环电流控制的给定电流ib%输入内环电流控制的输入端R2，所述蓄电池的内环电流控制的输出端输出交流电流ib ；
(6)所述交流电流ib经过进线电感1/L1S得到电压Ub，反馈到所述蓄电池的外环电压控制的输入端Rl ；
(7)所述蓄电池的内环电流控制是将所述电流ib与所述给定电流ib做减法运算，得到Λ Ib,所述Λ Ib经过滤波环节、限幅环节后，输入PWM发生器，所述PWM发生器的输出信号作为第二逆变器的触发信号输入第二逆变器，所述第二逆变器根据触发信号调节交流电流的大小，从而完成内环电流的控制。
[0006]所述超级电容器的控制所采用的电流控制的方法如下:
所述超级电容器电流控制是将超级电容器的直流输出电流经第二逆变器逆变为交流电流为Iy将所述交流电流Ie与超级电容器电流控制的给定电流做减法运算得到差值Λ Ιε，Λ I6经过滤波环节、限幅环节后输入到PWM发生器，所述PWM发生器的输出信号作为第二逆变器的触发信号输入第二逆变器，所述第二逆变器根据触发信号调节交流电流的大小，从而完成超级电容器的控制电流控制。
[0007]本发明的有益效果是:(I)用小容量的储能装置实现大功率电机的正常启动，能够减少蓄电池的设备投资，提高系统的经济性；(2)延长储能装置的使用寿命、充分发挥不同储能装置的特性，避免过充、过放现象；(3)可以实现安全、稳定启动大功率负载一电动机，对生产、生活更有现实意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是微电网结构示意图。
[0009]图2为本发明的蓄电池外环电压控制原理图。
[0010]图3为本发明的蓄电池内环电流控制原理图。
[0011]图4为本发明的超级电容器电流控制原理图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合图1-4和本实施例做进一步说明。
[0013]多元复合储能系统采用功率型储能装置超级电容器和能量型储能装置蓄电池作为储能装置，超级电容具有功率密度大、循环使用寿命长、充电时间短、可靠性高、能量密度低的特点，而蓄电池具有能量密度大，可以大容量储能，但是不适合频繁充放电的特点，通过选择这两种储能装置，采取本发明的控制方法启动电机，可以充分利用两种储能装置各自的优势，保证电机安全正常启动并稳定运行。
[0014]本发明采用磷酸铁锂蓄电池和超级电容器作为储能装置，分别通过第一逆变器连接于交流母线，交流母线上接有负载——电机，数据采集装置用于实时采集系统中电压、电流、荷电状态、各个开关状态，控制装置用于处理采集到的系统信号及发出控制信号，完成对储能装置的调节，实现电机的安全稳定启动。
[0015]所述微电网包括控制装置、数据采集装置、蓄电池、超级电容器、第一至第二逆变器、第一至第二进线电感L1-L2、馈线A-C、电机、开关Kl和交流母线；所述蓄电池依次经所述第一逆变器、第一进线电感L1、馈线A接所述交流母线；所述超级电容器依次经所述第二逆变器、第二进线电感L2、馈线B接所述交流母线；所述电机依次经所述开关K1、馈线C接所述交流母线；所述数据采集装置的数据信号输入端分别接所述馈线A、馈线B和馈线C ；所述数据采集装置的数据信号输出端接所述控制装置的输入端；所述控制装置的控制信号输出端分别接所述第一至第二逆变器的相应控制信号输入端；
其特征在于所述储能系统离网模式下的控制采用双环控制策略；所述蓄电池的控制采用外环电压控制、内环电流控制的方法；所述超级电容器的控制采用电流控制的方法；
所述启动电机的方法如下:设SOCbl为蓄电池的电机启动荷电状态临界值，是使电机正常启动的蓄电池荷电状态的最小值，S0C%= Ebl / Eb ;Eb为蓄电池能够储存的总能量；EBl为保证电机正常启动的蓄电池最小能量；S0CEIi为超级电容器的电机启动荷电状态临界值,表示使电机正常启动的超级电容器荷电状态的最小值，SOCa= Eel / Ee ;Ee为蓄电池能够储存的总能量为保证电机正常启动的蓄电池最小能量九为电机负荷；PB为蓄电池功率；Iemax为超级电容器最大输出电流山为蓄电池电流；S0CB为蓄电池荷电状态值；S0CBMIN为蓄电池荷电状态最小值，SOCbmin设置为0.2 ；SOCbmax为蓄电池荷电状态最大值，SOCbmax设置为
0.8 ；S0CE为超级电容器荷电状态；iE为超级电容器输出电流山为流入电机的电流；
(1)在电机启动的起始阶段，当PJPb时，即电机需要的功率大于蓄电池的输出功率； (1-1)若iB多0，即蓄电池放电，则检测蓄电池的荷电状态；
当S0C& ( S0CB< SOCbmax，且SOCe≤SOCa时，则所述控制装置控制故蓄电池电压，使蓄电池电压用于维持微电网母线电压的稳定，所述控制装置控制超级电容器向电机提供大电流，即令超级电容器以最大输出电流Iemax补偿电机启动电流，即其中为超级电容器电流控制的给定电流；此时蓄电池补偿剩余的电机负荷电流；
当SOCb > S0CBl，且S0CE〈 SOCaW，则先不启动电机，蓄电池首先向超级电容充电，即令Iejef= -1emax其中μ为超级电容器电流控制的给定电流；
(1-2)若iB〈0，即蓄电池放电，则检测蓄电池的荷电状态；
当SOCb≤SOCbmax，且SOCe≤SOCa时，则令超级电容器以最大输出电流IEMAX补偿电机启动电流，即，其中i@f为超级电容器电流控制的给定电流；此时蓄电池补偿剩余的电机负荷电流；
当SOCb≤SOCbmax，且SOCe < SOCa时，则先不启动电机，蓄电池首先向超级电容充电，
即令 ie—ref_ — Iemax ?
(2)在电机启动的稳定阶段，从蓄电池电流iB等于电机额定电流込时刻开始，直到电机电流ic；减小至其额定电流U为止；
在电机启动的起始阶段ic；= I EMAX+iB ?当蓄电池电流iB等于电机额定电流U时，进入稳定阶段；控制装置控制超级电容器输出电流Mf= ，使蓄电向电机提供稳定不变的电流，即，此时超级电容器电流ifL—Mf，iE随着电机电流ic:的变化而变化，直至电机电流等于额定电流L=U，此时Ie=Lj^=O,只有蓄电池向电机提供电流,即ific；=:^，电机安全启动完毕。
[0016]所述蓄电池的控制所采用的外环电压控制、内环电流控制的方法如下:
(1)通过数据采集装置的电压互感器采集馈线A处交流电压值Ub，将所述交流电压值Ub输入所述蓄电池的控制外环电压控制的输入端Rl ；
(2)将所述交流电压值Ub进行Park变换，得到直轴分量电压Ubd与交轴分量电压Ubq；
(3)将所述直轴分量电压Ubd与直轴给定母线电压Ubdref做减法运算，即进行差值比较，得到代数运算差值Λ Ubd ;将所述交轴分量电压Ubq与交轴给定母线电压队^^做减法运算，即进行差值比较，得到代数运算差值Λ Ubq ；
(4)将所述差值ΛUbd与差值Λ Ubq输入比例积分环节PI后，再通过派克反变换，得到蓄电池的内环电流控制的给定电流ib ；
(5)将所述蓄电池的内环电流控制的给定电流ib%输入内环电流控制的输入端R2，所述蓄电池的内环电流控制的输出端输出交流电流ib ；
(6)所述交流电流ib经过进线电感1/L1S得到电压Ub，反馈到所述蓄电池的外环电压控制的输入端Rl ；
(7)所述蓄电池的内环电流控制是将所述电流ib与所述给定电流ib做减法运算，得到Λ Ib，所述Λ Ib经过滤波环节、限幅环节后，输入PWM发生器，所述PWM发生器的输出信号作为第二逆变器的触发信号输入第二逆变器，所述第二逆变器根据触发信号调节交流电流的大小，从而完成内环电流控制。
[0017]所述超级电容器的控制所采用的电流控制的方法如下:
所述超级电容器电流控制是将超级电容器的直流输出电流经第二逆变器逆变为交流电流为Iy将所述交流电流Ie与超级电容器电流控制的给定电流做减法运算得到差值Λ Ιε，Λ I6经过滤波环节、限幅环节后输入到PWM发生器，所述PWM发生器的输出信号作为第二逆变器的触发信号输入第二逆变器，所述第二逆变器根据触发信号调节交流电流的大小，从而完成超级电容器的电流控制。
[0018]本发明用小容量的储能装置实现大功率电机的正常启动，能够减少蓄电池的设备投资，提高系统的经济性；本发明可延长储能装置的使用寿命、充分发挥不同储能装置的特性，避免过充、过放现象；本发明可以实现安全、稳定启动大功率负载一电动机，对生产、生活更有现实意义。
【权利要求】
1.一种基于微电网复合储能系统启动电机的方法，所述微电网包括控制装置、数据采集装置、蓄电池、超级电容器、第一至第二逆变器、第一至第二进线电感L1-L2、馈线A-C、电机、开关Kl和交流母线；所述蓄电池依次经所述第一逆变器、第一进线电感L1、馈线A接所述交流母线；所述超级电容器依次经所述第二逆变器、第二进线电感L2、馈线B接所述交流母线；所述电机依次经所述开关K1、馈线C接所述交流母线；所述数据采集装置的数据信号输入端分别接所述馈线A、馈线B和馈线C ;所述数据采集装置的数据信号输出端接所述控制装置的输入端；所述控制装置的控制信号输出端分别接所述第一至第二逆变器的相应控制信号输入端； 其特征在于基于微电网复合储能系统的控制策略为:所述蓄电池的控制采用外环电压控制、内环电流控制方法；所述超级电容器的控制采用电流控制的方法； 具体方法如下:设SOC&为蓄电池的电机启动荷电状态临界值，是使电机正常启动的蓄电池荷电状态的最小值，SOC%= Ebl / Eb ;Eb为蓄电池能够储存的总能量；EBl为保证电机正常启动的蓄电池最小能量；S0CEIj为超级电容器的电机启动荷电状态临界值,表示使电机正常启动的超级电容器荷电状态的最小值，SOCel= Eel / Ee ;EeS蓄电池能够储存的总能量；Eel为保证电机正常启动的蓄电池最小能量；Pl为电机负荷Λ为蓄电池功率；IEMAX为超级电容器最大输出电流；iB为蓄电池电流；SOCb为蓄电池荷电状态值；SOC—为蓄电池荷电状态最小值，SOCbmin设置为0.2 ；SOCbmax为蓄电池荷电状态最大值，SOCbmax设置为0.8 ；S0CE为超级电容器荷电状态；iE为超级电容器输出电流山为流入电机的电流； (1)在电机启动的起始阶段，当PJPb时，即电机需要的功率大于蓄电池的输出功率； (1-1)若iB≥0，即蓄电池放电，则检测蓄电池的荷电状态； 当S0C& ≤ S0CB< SOCbmax，且SOCe≥SOCa时，则所述控制装置控制蓄电池电压，使蓄电池电压用于维持微电网母线电压的稳定，所述控制装置控制超级电容器向电机提供大电流，即令超级电容器以最大输出电流Iemax补偿电机启动电流，即其中为超级电容器电流控制的给定电流；此时蓄电池补偿剩余的电机负荷电流； 当SOCb > S0CBl，且S0CE〈 SOCaW，则先不启动电机，蓄电池首先向超级电容充电，即令Iejef= -1emax其中μ为超级电容器电流控制的给定电流； (1-2)若iB〈0，即蓄电池充电，则检测蓄电池的荷电状态； 当SOCb≥SOCbmax，且SOCe≥SOCa时，则令超级电容器以最大输出电流Iemax补偿电机启动电流，即igrf=IEMAX，其中为超级电容器电流控制的给定电流；此时蓄电池补偿剩余的电机负荷电流； 当SOCb≥SOCbmax，且SOCe < SOCa时，则先不启动电机，蓄电池首先向超级电容充电，即令 ie—ref_ — Iemax ? (2)在电机启动的稳定阶段，从蓄电池电流iB等于电机额定电流込时刻开始，直到电机电流it；减小至其额定电流U为止； 在电机启动的起始阶段it；= I EMAX+iB ?当蓄电池电流iB等于电机额定电流U时，进入稳定阶段；控制装置控制超级电容器输出电流M= ，使蓄电向电机提供稳定不变的电流，即，此时超级电容器电流ifL—Mf，iE随着电机电流ic:的变化而变化，直至电机电流等于额定电流L=U，此时Ie=Lj^=O,只有蓄电池向电机提供电流,即电机安全启动完毕。
2.根据权利要求1所述的一种基于微电网复合储能系统启动电机的方法，其特征在于所述蓄电池的控制所采用的外环电压控制、内环电流控制的方法如下: (1)通过数据采集装置的电压互感器采集馈线A处交流电压值Ub，将所述交流电压值Ub输入所述蓄电池的控制外环电压控制的输入端Rl ； (2)将所述交流电压值Ub进行Park变换，得到直轴分量电压Ubd与交轴分量电压Ubq； (3)将所述直轴分量电压Ubd与直轴给定母线电压Ubdref做减法运算，即进行差值比较，得到代数运算差值Λ Ubd ;将所述交轴分量电压Ubq与交轴给定母线电压队^^做减法运算，即进行差值比较，得到代数运算差值Λ Ubq ； (4)将所述差值ΛUbd与差值Λ Ubq输入比例积分环节PI后，再通过Park反变换，得到蓄电池的内环电流控制的给定电流ib ； (5)将所述蓄电池的内环电流控制的给定电流ib%输入内环电流控制的输入端R2，所述蓄电池的内环电流控制的输出端输出交流电流ib ； (6)所述交流电流ib经过进线电感1/L1S得到电压Ub，反馈到所述蓄电池的外环电压控制的输入端Rl ； (7)所述蓄电池的内环电流控制是将所述电流ib与所述给定电流ib做减法运算，得到Λ Ib，所述Λ Ib经过滤波环节、限幅环节后，输入PWM发生器，所述PWM发生器的输出信号作为第二逆变器的触发信号输入第二逆变器，所述第二逆变器根据触发信号调节交流电流的大小，从而完成内 环电流的控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于微电网复合储能系统启动电机的方法，其特征在于所述超级电容器的控制所采用的电流控制的方法如下: 所述超级电容器电流控制是将超级电容器的直流输出电流经第二逆变器逆变为交流电流为Iy将所述交流电流Ie与超级电容器电流控制的给定电流做减法运算得到差值Λ Ιε，Λ I6经过滤波环节、限幅环节后输入到PWM发生器，所述PWM发生器的输出信号作为第二逆变器的触发信号输入第二逆变器，所述第二逆变器根据触发信号调节交流电流的大小，从而完成超级电容器的控制电流控制。
【文档编号】H02P1/16GK103888029SQ201410063778
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】高志强, 褚华宇, 段晓波, 胡文平, 梁宾, 孙记中, 孟良 申请人:国家电网公司, 国网河北省电力公司电力科学研究院, 河北省电力建设调整试验所