新能源储能集成并网的多端口变流电路、装置及控制方法

本发明涉及电力系统输、配电领域，具体涉及新能源储能集成并网的多端口变流电路、装置及控制方法。

背景技术：

1、为响应全球环境保护及低碳能源建设的需求，越来越多的新能源得到开发应用，如光伏、风电等。然而，由于新能源发电具有随机性和间歇性特点，各领域的用电峰谷与新能源的波动性发电并不一致，这将对电力系统的稳定运行造成影响与冲击。而储能可缓解新能源发电的间歇性和随机性对电网造成的影响，缓解新能源发电与电网负荷需求的不同步特性，利用“削峰填谷”，既保障了电网的安全，也提升了用电侧的经济效益，从而使得储能系统在分布式新能源的布局中更具价值。

2、参见图1，目前的新能源及储能并网装置通常采用二级级联结构，光伏、储能及直流负载与直流母线相连，并通过并网变流器实现并网。其中光伏等新能源通过dc/dc升压变流器与直流母线相连，并通过所述dc/dc升压变流器实现最大功率追踪，尽可能多地输出电能。储能则通过双向dc/dc变流器与直流母线相连，在新能源发电充沛时，将用不完的多余电力存储起来，在缺风少光的时候，再将其释放出来以满足负荷，从而降低分布式电源与电网交互电力的波动性和随机性。

3、然而，目前新能源及储能并网装置仍存在可优化的几个方面：一是现有的二级级联结构需要采用多个变流器才能满足并网需求，储能设备、光伏设备与直流母线之间均需设置各自的变流器，需要变流装置的容量较大；二是目前储能设备与电网、直流母线之间的变换效率较低，导致装置的总损耗较高，总效率较低；三是目前新能源及储能并网装置主要为两级级联结构，在第一级始端端口和第二级末端端口间为间接变换，不能实现三个端口间的直接变换，难以实现运行模式以及功能的灵活切换；四是传统各dc/dc变流器、交直流并网变流器、变压器等设备之间较为依赖通信设备进行数据交换，且分散设备之间的通讯设备成本较高，可靠性较低，有必要设计一种能够降低分散通信依赖与成本的集成多端口变流装置。

技术实现思路

1、本发明提供的新能源储能集成并网的多端口变流电路、装置及控制方法，主要用于解决现有变流装置的器件及单元容量较大不利于并网装置降成本、变换效率较低、无法实现运行模式/功能的灵活切换、变流装置间较为依赖通信设备等问题，从而达到显著降低变流装置容量及成本、提高变换效率、实现灵活切换多样化运行模式、降低传统各dc/dc变流器与交直流并网变流器以及变压器等分散布置设备之间的通信需求及成本。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、新能源储能集成并网的多端口变流电路，包括至少一个交、直流变流单元和至少一个多绕组变压器，两个所述交、直流变流单元在直流侧进行串联连接后引出三个直流端子，三个所述直流端子为一个公共端子和两个非公共直流端子，所述公共端子为最低或最高电位的所述直流端子，所述公共端子与两个所述非公共直流端子通过两两组合构成两个具有独立调节控制功能的直流端口；较高电位所述变流单元为第1变流单元，所述第1变流单元的非公共端子与所述公共端子组成外接直流母线的第1直流端口，所述直流母线连接有分布式发电装置和直流负载；较低电位所述变流单元为第2变流单元，所述第2变流单元的非公共端子与公共端子组成外接储能装置的第2直流端口；所述多绕组变压器引出与各变流单元交流侧相连的交流端子及与交流电网相连的交流端口，形成具有两个直流端口和一个交流端口的三端口变流电路。

4、三端口变流电路包括电力变换的“杠杆”效应、第2变流单元的器件复用、交直流端口间的直接变换。

5、所述三端口变流电路进一步扩展至多个变流单元在直流侧串联，形成多端口变流电路。

6、所述三端口变流电路和多端口变流电路，适用于新能源及储能与单相或三相交流系统的集成并网。当与单相交流系统集成并网，变流单元采用单相直流-交流变流电路，多绕组变压器采用单相多绕组变压器；若与三相交流系统集成并网，则变流单元采用三相直流-交流变流单元，多绕组变压器采用三相多绕组变压器。

7、多绕组变压器可以是包含多个绕组的集成式多绕组变压器结构，也可以是由多个双绕组变压器组成的分散式多绕组变压器结构。

8、可见，本发明多端口变流电路包括的电力变换的“杠杆”效应，当第2变流单元的变换功率为零，从第1直流端口向第2直流端口和交流端口的变换功率大于第1变流单元的实际功率，从而实现了利用较小功率变流电路完成较大端口功率变换的“杠杆”效应，减少所需变流单元容量，降低成本和损耗，提高效率。

9、可见，本发明多端口变流电路包括的第2变流单元的器件复用，第2变流单元在第1直流端口和第2直流端口的功率变换中都得到应用，既可用于端口2与交流端口之间的交直流变换，也可以用于端口1与交流端口之间的交直流变换，端口1和端口2的功率传输方向通常相反，从而可以节省一部分设备容量，降低设备成本，提高功率密度。

10、可见，本发明多端口变流电路包括的交直流端口间变换，通过拓扑电路可实现第1直流端口(直流母线端口)、第2直流端口(储能端口)和交流端口中任意两端口之间的直接变换，从而提高了变换效率；此外此两端口之间的变换还可利用第三端口的变换能力进一步增加变换功率，所谓直接变换就是通过一级变流电路(一般是一个变流单元如桥式电路)实现电力变换。

11、可见，本发明通过将多个变流单元与多绕组变压器的多个原边绕组连接，并通过串联连接将变流电路的直流端口拓展，可同时接入不同电压等级的直流母线、储能装置，储能装置实现并网独立控制，电能在所述直流母线、储能装置、交流侧三者之间变换，实现交流变直流、直流变直流变流功能，同时显著降低变流电路的容量，根据设计方法使装置容量仅与目前两级级联结构的并网变流器容量相当，从而节省了储能dc/dc变流单元，大大降低集成并网装置成本。

12、所述三端口变流电路，根据第1直流端口额定电压vd1n、第2直流端口额定电压vd2n可得到第1变流单元和第2变流单元直流侧额定电压vu1n、vu2n分别为：

13、

14、根据直流侧的额定电压和交流端口电压可确定所述多绕组变压器的各绕组额定电压；根据端口的传输功率确定所述变流单元的功率，根据公式：

15、

16、其中pd1、pd2分别为直流母线端口和储能端口的输入功率，pu1、pu2分别为第1变流单元和第2变流单元的直流侧输入功率，vu1、vu2分别为第1变流单元和第2变流单元的直流侧电压，vd1、vd2分别为直流母线端口电压和储能端口电压。

17、多端口变流电路有三种变流模式，包括直流变交流(或交流变直流)变流模式、直流变直流直接变流模式、直流变直流间接变流模式；基于所述三种变流模式三端口变流电路的变流单元工作范围分为8个区间；根据各端口功率需求按式(4)求得各变流单元功率，三端口变流电路可灵活运行于不同变流模式的组合及其所形成的的不同工作区间。

18、其中，所述直流变交流(或交流变直流)变流模式为一个或两个所述直流端口与交流端口之间的功率变换，当所述交流端口的输出功率pac值大于0时，电能从所述直流端口流入交流端口；否则，电能从所述交流端口流向直流端口。

19、其中，所述直流变直流直接变流模式，基于直流侧串联所形成直流耦合的功率交换实现两个直流端口间的直接变换。

20、其中，所述直流与直流间接变流模式为基于所述变流单元的直流变交流变换、交流变直流变换功能，并结合变压器电磁耦合的功率交换，实现两个直流端口间的间接变换。

21、所述三种变流模式，其中直流变交流变换功率为交流端口输出功率pac；对于三端口变流电路，当第1直流端口和第2直流端口的输入功率方向一致，直流-直流直接变换功率和直流变直流间接变换功率皆为零；当第1直流端口和第2直流端口的输入功率方向不一致，直流变直流直接变换功率pdd1、直流变直流间接变换功率pdd1、直流-直流变换总功率pdd可按下式进行计算：

22、

23、其中，pd1为直流母线端口功率，pu1、pu2分别为第2变流单元和第2变流单元的直流侧输入功率，其中：

24、

25、工作区间1电能从所述第1直流端口流入，从其它两个端口流出，其中变流功率pdd1和pdd2都大于零；在工作区间2电能从所述第1直流端口流入，从其它两个端口流出，其中变流功率pdd1大于零，pdd2等于零；在工作区间3电能从所述第2直流端口流入，从其它两个端口流出，其中变换功率pdd1和pdd2都小于零；工作区间4功率从所述交流端口流向两个直流端口，pdd1和pdd2都等于零；在工作区间5、6、7、8的电流和功率流动路径分别与工作区间1、2、3、4的电流和功率流动路径相同，但方向相反；上述8个工作区间存在四条边界线，pu2＝-pu1为第1条边界线，pu2＝pu1vu2/vu1为第2条边界线，pu1＝0为第三条边界线，pu2＝0为第四条边界线；其中vu1、vu2分别为第1、第2变流单元直流侧电压。

26、当变流电路在第四条边界线上运行，直流母线端口向交流端口、储能端口按kv1∶(1-kv1)的比例输送功率，其中，kv1为所述第1变流单元电压vu1与第1直流端口电压vd1之比，且0<kv1<1；此时变流单元总功率为pu1，多端口变换功率为pd1＝pu1vd1/vu1＝pu1/kv1>pu1；通过较小的变流单元总功率，实现较大的端口间功率传输，以实现功率变换“杠杆”效应。

27、此时变换效率ηb1为：

28、ηb1＝1-kv1(1-η1)-pst/pd1             (5)

29、其中，0<kv1<1，pst为所述多绕组变压器的损耗功率，pd1为所述直流母线端口的输入功率，η1为第1变流单元的变流效率，由于所述“杠杆”效应，当不考虑变压器损耗时，多端口变流电路的输送效率比单个变流单元的变流效率更高，在第四条边界线上的运行为最优运行方式，获得的效率最高。

30、进一步的方案是，在运行过程中第1直流端口的最低和最高电压分别为vd1min和vd1max，在储能充放电过程中第2直流端口的最低和最高运行电压分别为vd2min和vd2max，则第1变流单元的最低和最高直流运行电压为：

31、

32、各变流单元的直流侧电压在允许变化范围内稳定运行的条件为：

33、

34、其中，vac1max、vac2max分别为所述第1变流单元、第2变流单元的交流侧线电压合理变化范围的最大值，kr为保持变流单元稳定运行的裕度系数；vu1min为所述第1变流单元的最低直流运行电压，vd2min为所述储能端口的最低运行电压，且有：

35、

36、其中kt1，kt2分别为第1变流单元和第2变流单元所连绕组与网侧绕组之间的电压比，vacmax为网侧绕组线电压合理变化范围的最大值；

37、可得：

38、

39、通过设置较高的所述储能端口电压，使kv1减小，以加强“杠杆”效应，提高变换功率和效率；储能端口在充放电而引起电压变化，其端口电压的最小和最大值需满足式(6-3)；通过变流单元直流侧电压和交流侧电压合理变化范围内的匹配，实现高效率运行。

40、进一步的方案是，由式(2)可得：

41、

42、其中：

43、

44、pu1n、pu2n分别为第1变流单元和第2变流单元的直流侧额定输入功率，vu1n、vu2n分别为第1变流单元和第2变流单元的直流侧额定电压。

45、根据式(4)、(5)可确定所述三端口变流电路的交、直流端口的最大传输功率。

46、所述第1直流端口、第2直流端口、交流端口的最大功率为：

47、

48、所述第1直流端口最大功率pd1max、第2直流端口最大功率pd2max、交流端口最大功率pacmax的大于等于其目标值的条件为：

49、

50、从而：

51、

52、其中，pun＝pu1n+pu2n，上标“*”表示设计目标值；按照式(9)进行变流单元额定功率设计，则各端口的最大输送功率大于等于其设计目标值。

53、当所述三端口变流单元功率满足：

54、

55、其中上缀(tsc)表示两级级联结构(two stage configuration)，pacmax(tsc)、pd1max(tsc)、及pu1n(tsc)分别为两级级联结构的交流端口最大输出功率、直流母线端口的最大输入功率和第1变流单元的直流侧额定功率。

56、按照式(9-1)进行变流单元额定功率设计，则在所提拓扑各端口最大输送功率大于等于对应两级级联结构端口功率情况下，总变流单元容量仅为对应两级级联结构中的并网变流单元容量，从而节省储能dc-dc变流单元，降低成本。

57、可见，本发明变流电路在交、直流端口最大输出功率不小于常用两级级联结构变流装置(即dc/dc变流器加上并网dc/ac变流器的级联拓扑结构)对应端口的最大功率情况下，所提出的三端口变流单元总容量仅为常用两级级联结构中第1变流单元的容量，从而节省下了两级级联结构中的dc/dc变流器，显著降低成本。

58、忽略变流电路损耗，所述三端口变流电路的端口之间的最大交换功率：

59、

60、其中，p12max为所述第1直流端口与第2直流端口之间的最大交换功率，p13max为所述第1直流端口与交流端口(第3端口)之间的最大交换功率，p23max为所述第2直流端口与交流端口(第3端口)之间的最大交换功率。

61、所述第1直流端口、第2直流端口、交流端口(第3端口)之间的最大传输功率大于等于目标值的条件为：

62、kv1p12max*/pun≤pu1n/pun≤min[1-(1-kv1)p13max*/pun,1-p23max*/pun] (11)

63、根据式(9)、(11)可得所述三端口变流电路的端口最大功率、端口间最大交换功率均大于目标值的条件为：

64、

65、若对两个端口之间的最大交换功率无条件限制，则取目标值为零，按式(10)-(12)进行各变流单元的功率计算，则各端口之间传输功率大于等于其设计目标值。

66、新能源储能集成并网的多端口变流装置，包括：采样模块、主控模块、所述的新能源储能集成并网的多端口变流电路，所述采样模块用于分别采集三相/单相交流电流、三相/单相交流电压信号、直流侧电压和电流信号、温度信号，并输出采样信号至所述主控模块，所述主控模块根据所述采样信号进行算法分析，并输出pwm调制波信号至多端口变流电路，所述多端口变流电路的直流母线端口与直流母线连接，其储能端口与储能装置连接，其交流端口输出交流电，所述多端口变流电路根据pwm调制波信号控制开关器件导通或关断，使电能在所述直流母线、储能装置、交流侧三者之间变换，实现交流变直流、直流变交流、直流变直流的变流功能。

67、所述主控模块包括dsp、pwm模块、通信模块，所述dsp通过所述pwm模块输出所述pwm调制波信号至所述多端口变流电路，所述dsp通过所述通信模块与电网调度系统建立通讯，进行数据交换。

68、可见，本发明变流装置的多端口结构可同时接入直流母线、储能装置以及交流侧负载，通过变流装置的主控模块实现电能转换的集中调控，从而降低传统各dc/dc变流器、交直流并网变流器、变压器等设备之间的通信设备需求，在降成本的同时避免了在强电线路中考虑其电磁场对通信线路的影响和防护等较为复杂的问题。

69、可见，本发明通过变流装置的通讯模块与电网调度系统建立通讯，有利于新能源、储能及电网预测和测量信息的交换和系统集成的远程控制与管理。

70、所述多端口变流装置支持并网和离网两种运行模式，在并网运行中，多端口变流装置与交流电网连接，可通过与电网调度系统配合，所述多端口变流装置控制所述储能装置参与电网调压调频，并通过充电/放电实现对电网负荷的削峰填谷；在离网运行中，多端口变流装置与交流电网断开，运行于直流微网模式，所述多端口变流装置控制所述储能装置进行充放电，实现对直流负荷或(和)交流负荷的持续供电。

71、其中，在并网运行中，所述多端口变流装置若切除所述储能装置，或未安装储能装置，则可控制第2变流单元运行于定直流电压模式，实现新能源发电装置与其连接的直流母线的并网运行。

72、可见，本发明多端口变流装置可实现运行模式的灵活切换，并可选择是否需要接储能装置，若不外接储能装置，可使变流装置工作于ac-dc变流模式，实现新能源及其所连直流母线的并网运行模式；若外接储能装置，则同时具有ac-dc和dc-dc变换功能，实现新能源及其所连直流母线、储能、交流电网三端口之间的灵活电力变换。

73、进一步的方案是，所述多端口变流装置可用于单相电路，也可用于三相电路；当用于单相电路，变流单元和变压器分别采用单相变流单元和单相变压器；当用于三相电路，变流单元和变压器既可分别采用单相变流单元和单相变压器，也可分别采用三相变流单元和三相变压器；基于单相变流单元和单相变压器形成的三相集成变流电路相当于三组单相集成变流电路的叠加应用，从而可接入更多数量储能装置；基于三相变流单元和单相变压器形成的三相集成变流电路，则可通过三组单相变压器连接组合成一个三相变压器。

74、在较宽的储能端口或直流端口电压变化范围情况下，变压器可装载有载分接开关，从而保持较高的调制比及变换效率，确保变压器各绕组电压在合理范围内变化，保障所述多端口变流装置的高效稳定运行。

75、所述多端口变流装置可设有多个直流母线端口、多个储能端口，多个所述直流母线端口用于接入不同电压等级的多路直流母线，以匹配不同新能源发电装置、直流负载的电压，多个所述储能端口用于接入不同容量、电压等级的多个储能装置，以匹配不同电压等级的直流电，输出多路频率、电压不同的交流电。

76、可见，本发明多端口变流装置的端口可根据实际需要灵活组合，可适用于不同输配电场合。

77、新能源储能集成并网的多端口变流控制方法，应用于所述的新能源储能集成并网的多端口变流装置，包括：

78、s1：建立交、直流端口电流、功率与变流单元电流、功率的变换关系；

79、s2：确定端口最大功率目标值，必要时还可考虑端口之间最大传输功率目标值，依据交、直流端口电流、功率与变流单元电流、功率的变换关系，完成符合端口最大功率目标值和端口之间最大传输功率目标值要求的变流单元额定功率设计；

80、s3：建立直流端口和交流端口的电流、功率或电压控制策略，依据交、直流端口电流、功率与变流单元电流、功率的变换关系，确定变流单元的相应控制策略及控制方法；

81、s4：设置端口电流、电压、功率控制的优先级，根据优先级由高到低依次满足各端口控制需求；

82、s6：根据交、直流端口控制优先级、被控量的参考值，结合变流单元控制方法，计算明确各端口、变流单元的被控量参考值，进行控制；

83、s7：根据各端口、变流单元的被控量参考值，参照最优运行方式，结合新能源发电和负荷预测，适度优化被控量，进行高效的优化运行控制与管理。

84、可见，本发明通过建立各交直流端口与变流单元的电气参数变换关系，可进一步通过变流装置实现直流端口多样化的电流、功率控制及直流电压控制，并基于不同直流端口控制及不同交流端口控制策略可进一步形成连接关系不同的变流拓展电路，提高了变流装置的适用性，通过设置端口电流、电压、功率控制的优先级，对端口进行分级控制，实现不同控制策略下变流装置的高效、稳定运行。

85、进一步的方案是，根据式(2)可得：

86、

87、第2变流单元的的变换功率为直流端口输入功率的vd2/vd1倍与储能端口输入功率之和，若变流单元通过采用基于同步坐标的矢量控制，交流电压矢量定位于d轴，则

88、

89、其中r1、r2分别为第1变流单元和第2变流单元的等效电阻，忽略变流单元损耗，第1变流单元d轴有功电流id1、第2变流单元d轴有功电流id2为：

90、

91、其中，vd1为第1变流单元d轴电压，vd2为第2变流单元d轴电压，vd1、vd2分别第1直流端口电压和第2直流端口电压，id21、id22为分别与第1直流端口和第2直流端口输入对应的所述第2变流单元d轴电流；

92、在式(12-1)-(13)基础上可建立两个直流端口的定电流控制、定功率控制或定直流电压控制传递函数；

93、当所述控制策略为对第i直流端口(i为1或2)和交流端口的进行控制，则可将另一直流端口的被控参考量表示为交流端口和第i直流端口的相应被控参考量，并进行相应控制；以功率控制为例，此时另一个直流端口(即第k直流端口)的参考功率为：

94、pdk*＝pac*-pdi*，k＝3-i，i＝1 or 2 (14)

95、其中，“*”表示控制参考量，“1or 2”表示为第1直流端口或第2直流端口，pdk表示直流端口k的功率，pdi表示直流端口i的功率，pac表示交流端口的功率；

96、按式(14)对第k直流端口进行功率控制，即可完成对交流端口的功率控制，从而实现对第i直流端口和交流端口的功率控制。

97、进一步的方案是，第1直流端口功率pd1在其最小值和最大值范围内变化，第2直流端口功率pd2和交流端口功率pac的工作区间为：

98、

99、当第1直流端口的优先级最高，首先按(16)中式1的功率范围要求首先满足第1直流端口的输送功率需求；当第2直流端口的优先级排列第2，在尽可能满足第1直流端口功率需求的情况下，按(16)中的式2尽可能满足第2直流端口的传输功率需求；当交流端口的优先级排列第2，根据第1直流端口和交流端口的功率参考值按式(14)算得第2直流端口的功率参考值，并在满足第1直流端口功率需求的情况下，按(16)中式2尽可能满足第2直流端口传输功率需求。

100、相应地，当第2直流端口的优先级最高，首先按(16)中式2的功率范围要求尽可能满足第2直流端口的输送功率需求；当第1直流端口的优先级排列第2，在尽可能满足第2直流端口功率需求的情况下，按(16)中的式1尽可能满足第2直流端口的传输功率需求；当交流端口的优先级排列第2，根据第2直流端口和交流端口的功率参考值按式(14)得到第1直流端口的功率参考值，并在满足第2直流端口功率需求的情况下，按(16)中式2尽可能满足第1直流端口传输功率需求。

101、其中，对于以上描述“尽可能”的解释为端口的参考功率在其传输范围内则满足要求，并在其传输范围外按传输范围内最接近其参考功率要求的最大或最小值进行功率传输；对于定直流电压控制、定交流电压控制等其它控制方式，按照其控制求得在第1直流端口、2的参考电流或参考功率，按照上述优先控制方式完成相应控制。

102、进一步的方案是，三端口变流装置的运行采用最优运行方式，即在靠近第四边界线上运行，pu2＝0，pu1≠0，从而获得较高效率；当在第四条边界上运行时，新能源储能并网运行方式包括：

103、当pu1>0,对应于直流母线上所接新能源电源发电的电力充裕，所发电力大于所接直流负荷的情况，pu2＝0,此时集成变流装置从直流母线端口按kv1∶(1-kv1)的比例分别向交流端口、储能端口输送多余电力。

104、当pu1<0，对应于直流母线上所接新能源电源发电的电力不足，所发电力小于所接直流负荷的情况，pu2＝0，此时集成变流装置按kv1∶(1-kv1)的比例分别从交流端口、储能端口向直流母线端口输送多余电力。

105、当需要调整交流端口、储能之间的功率比例，通过调整pu2设置来实现，越靠近最优运行方式，效率越高，且在最优运行方式附近，有：

106、当pu1>0,pu2≠0，集成变流装置从直流母线端口按(kv1pd1+pu2)∶[(1-kv1)pd1-pu2]的比例分别向交流端口、储能端口输送多余电力，且pu2绝对值越小效率越高；当pu2>0，与最优运行方式比较将向交流端口输送更多电力，否则将向储能端口输送更多电力。

107、当pu1<0，pu2≠0，集成变流装置分别从交流端口、储能端口按(-kv1pd1-pu2)∶[(1-kv1)pd1-pu2]的比例向直流母线端口输送电力，且pu2绝对值越小效率越高；当pu2<0，与最优运行方式比较将从交流端口获得更多电力，否则将从储能端口获得更多电力。

108、下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。