一种基于电压源和电流源的级联多电平混合储能控制方法

摘要

本发明公开一种基于电压源和电流源的级联多电平混合储能控制方法，当电池故障发生时，断开接触开关切除储能电池，形成不对称级联多电平储能系统，对于带电池部分链节单元采用开环控制，将其等效为电压源；对于带电容链节单元采用直流稳压和功率闭环控制，将其等效为无功电流源。本发明可以实现链节单元间的功率分配，保证系统的稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及微电网与储能技术，具体涉及一种基于电压源和电流源的级联多电平混合储能控制方法。

背景技术

模块化是级联多电平电路的一大特点，当级联多电平电路中储能电池出现故障时，通过旁路链节单元的方法会造成储能系统容量的损失，可以切除储能电池，组成基于储能电池和电容的不对称级联多电平储能系统。

不对称级联多电平电路的关键技术在于不同链节单元之间的功率分配。对于并网型不对称级联多电平电路，采用储能电池和超级电容作为链节单元直流电源，并采用前馈空间矢量调制技术来实现储能电池和超级电容直接的有功分配，但不能够实现系统有功和无功连续调节，而且也没有考虑到链节间无功的分配；采用储能电池和光伏电池作为链节单元直流电源，实现了系统有功和无功解耦控制以及各链节单元之间的功率分配，但其忽略了系统的稳定工作范围，并不适合所有的不对称级联多电平电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电压源和电流源的级联多电平混合储能控制方法，可以实现链节单元间的功率分配，保证系统的稳定运行。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电压源和电流源的级联多电平混合储能控制方法，当电池故障发生时，断开接触开关切除储能电池，形成不对称级联多电平储能系统，对于带电池部分链节单元采用开环控制，将其等效为电压源；对于带电容链节单元采用直流稳压和电流闭环控制，将其等效为无功电流源。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明控制方法带电池部分链节单元采用开环控制，等效为电压源，带电容部分链节单元采用闭环控制，等效为电流源，适合并网逆变器场合；2)本发明控制方法实现了有功和无功功率解耦以及链节单元间的功率分配；3)本发明控制方法考虑了系统的稳定工作范围，有效拓展了故障状态下系统功率的调节范围。

附图说明

图1为链式储能变流器的结构示意图；

图2为单相链接的等效电路图；

图3为单相链接的等效模型图；

图4为链式储能变流器系统结构图；

图5为不对称级联多电平储能系统补偿感性无功时矢量合成图；

图6为δ＝π/4和δ＝π/3时输出波形对比图；

图7为电感模式切换到电容模式时的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明方案作进一步描述。

取单相链接为研究对象，假设其中有M个电池链节单元，有N个电容链节单元，如图1所示，其中为三相电网相电压，输入相电流，以图示方向为正方向，v_c1、v_c2…v_cN为电容链节单元直流侧电容电压，v_b1、v_b2…v_bN为电池链节单元直流侧电池电压，L为连接电感，V_bat为电池电压，V_cap为电容电压，ω为系统频率，其中忽略了连接线路损耗。

假设所有含电池链节单元和所有含电容链节单元分别完全一致，可以对图1进行简化分析得到图2所示电路结构，其中为单相链接输出电压，为带储能电池部分链节单元输出电压，为带电容部分链节单元输出电压，为连接电感上的电压，并有：

忽略等效连接电阻以及链节单元损耗，单相链接等效模型如图3所示。因此有：

由于含电池部分链节单元可以四象限运行，而含电容部分链节单元只可以两象限运行，不能同系统进行有功的交换，因此可以将带电池部分链节单元等效为电压源，进行开环控制，将带电容部分链节单元当成传统的STATCOM，进行电压电流双闭环控制。

如图4所示，基于电压源和电流源的级联多电平混合储能控制方法，当电池故障发生时，断开接触开关切除储能电池，形成不对称级联多电平储能系统，对于带电池部分链节单元采用开环控制，将其等效为电压源；对于带电容链节单元采用直流稳压和功率闭环控制，将其等效为无功电流源。

对带电池部分链节单元进行开环控制即对带电池部分链节单元采用固定的调制波进行调制，调制波的相位和幅值与带电池单元期望输出电压有关：调制波的相位与带电池单元期望输出电压的相位δ相同，调制波的幅值为M为带电池链节单元数，V_r1为带电池单元期望输出电压的有效值，V_bat为直流电池电压。

对带电容链节单元进行直流稳压和功率闭环控制的电流内环反馈量为电网电流，电压外环反馈量为直流侧电容电压，功率控制范围与带电容部分输出电压和电网电压之间的夹角δ₁有关：

P＝-V_sI_ssinδ₁(3)

Q＝-V_sI_scosδ₁(4)

其中，P为有功功率，Q为无功功率，V_s为电网电压有效值，I_s为并网电流有效值，V_r1为带电池单元期望输出电压的有效值，δ为带电池单元期望输出电压的相位，确定δ和V_r1的范围，即可确定δ₁及有功、无功调节的范围。

电池单元期望输出电压的相位δ和有效值V_r1满足如下关系：

其中，V_s为电网电压有效值，V_bat为直流电池电压，V_cap为直流电容电压，M为带电池部分链节单元的个数，V_q表示电感电压和带电容输出电压的矢量和，若储能系统提供感性无功，则若储能系统提供电容无功，则ω为系统频率，L为连接电感，I_s为并网电流有效值。

以储能系统发感性无功为例进行矢量分析，如图5所示，其中实线圆区域为含电池部分链节单元矢量有效调节范围；虚线圆区域为含电容部分链节单元矢量有效调节范围；虚线圆与点划线圆之间阴影部分A为电感电压矢量的作用范围，其范围和电感电流大小相关。图中黑色阴影部分B为实线圆与点划线圆相交区域，也即不对称级联多电平储能系统稳定工作区域，B区域又可以分成两部分，B1区域和B2区域，在B1区域时电感电流的最小值受到限制，在B2区域时电感电流值不受到影响，所以期望系统工作于B2区域。B2区域中含电池部分链节单元矢量取值范围可由公式6和7确定。

实施例1

为了验证所提混合控制策略的有效性，在一个5MW/35kV级联多电平储能系统上进行仿真验证。本实施例的级联系统为三相星形连接，系统参数如表1所示。每相由45个链节单元级联组成，其中15个链节单元直流侧采用蓄电池，其余30个链节单元直流侧采用电容。表1为不对称混合储能系统的电路参数。

表1 5MW/35kV级联多电平储能系统电路参数

拓扑结构3相×45链节，星形连接额定容量5MW直流侧额定电压783V dc电池电压范围680-960Vdc直流侧电容4.8mF输出电感60mH模块开关频率400Hz

令电池电压为额定电压进行仿真，由公式可以计算出当混合储能系统补偿感性无功时，δ的工作范围为：

δ∈[-53.1257° 53.1257°]

图6是δ＝π/4和δ＝π/3时输出波形对比图，6(a)为直流侧电压波形图，6(b)为输出电流波形图。仿真中，带电池部分链节的调制比为1。δ＝π/3＞53.1257°超出了稳定的范围，所以此时系统是不稳定的。δ＝π/4＜53.1257°在稳定范围内,所以此时系统是稳定的。图7显示了从电感模式切换到电容模式时的仿真结果，切换前后系统保持稳定，且具有良好的动态性能，这充分验证了本发明控制方法的有效性。