一种多形态储能复合装置拓扑及其多功率流动与电压支撑控制方法

摘要

本发明公开了一种多形态储能复合装置拓扑及其多功率流动与电压支撑控制方法，其拓扑结构包括两个三相三端口H桥逆变电路；每个逆变电路包括3个含两个IGBT的桥臂，6个晶闸管，直流高压端口滤波电容C

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，特别涉及一种多形态储能复合装置拓扑及其多功率流动与电压支撑控制方法。

背景技术

经济与社会的发展，促使人类对能源的需求不断增长，新能源的开发与广泛使用已成为电网能源发展的热点。新能源发电通常受环境影响明显而具有间歇、波动，储能系统的功率调节作用变得更加突出。为解决大规模分布式能源并网带来的线路电压稳定问题与功率波动问题，储能系统的发展为上述问题提供了一种高效可靠的解决方案，使新能源发电能够提供高质量的电能，维持系统电压稳定，为电网提供有功和无功支持等，实现功率调峰，使新能源发电大规模并网应用成为可能。储能系统中关键的部分在于为电网和储能电池提供桥梁作用的变换器，现有储能变换器由提供电网接口的三相AC/DC变换器和起到隔离充放电作用的DC/DC变换器组成。

现有技术中，三端口变换器常将两类拓扑复合为一个拓扑，使其结构简单，控制难度低，具有较高的研究价值；基于三端口H桥的双向DC-DC-AC变换器，拓扑结构简单，器件使用量少，能够通过低电压以高功率密度输入至较高电压等级的交流电网，且不产生低频谐波损害装置，但其直流侧低电压端口所连的两个电感通过相位相反的交流电流大，导致电感产生功率损耗，其发热程度大，安全性不高；单个储能装置难以同时实现电网与装置的功率流动以及母线电压支撑两种功能，同时现有储能变换器无力应对多种储能装置的投入，需要通过多个变换器通过器件组合，提出具有更多端口的变换器拓扑结构。

发明内容

本发明的目的在于通过引入多绕组曲折变压器从而衍生多组交直流端口，解决多个复合储能三端口变流器级联接入，通过稳态并网控制方法实现多种储能装置并网，V/F控制方法实现储能对母线电压支撑的目标。

本发明采用技术方案如下：

一种多形态储能复合装置，所述复合装置的拓扑结构包括两个三相三端口H桥逆变电路、一个曲折接法的三相五绕组变压器；

所述三相三端口H桥逆变电路包括一个交流端口与两个直流端口；

所述三相三端口H桥逆变电路的交流端口与变压器副边相连，其并网电阻为r

所述三相三端口H桥逆变电路的直流端口包括一个高压端口与一个低压端口；高压端口包括一个滤波电容C

所述三相三端口H桥逆变电路的直流高压端口与交流端口通过三相H桥逆变电路相连；三相H桥逆变电路中包括6个IGBT开关管(Q

所述两个三相三端口H桥逆变电路的直流低压端口与交流端口通过变压器曲折接法的副边绕组与直流滤波电感相连，三个绕组电感L

进一步的，一种根据所述多形态储能复合装置的多功率流动与电压支撑控制方法，在并网运行时，通过稳态控制策略实现储能装置的充放电控制；在孤岛运行时，通过V/F下垂控制策略实现储能装置对负载的功率支撑。

进一步的，所述多形态储能复合装置在并网运行时，其中：所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，交流端口输出三相电压为：e

进一步的，所述多形态储能复合装置在并网运行的稳态运行，包括以下步骤：

(1)对电网输出三相电压与三相电流进行PARK变换，得到两相同步旋转坐标系下的电压u

(2)设定直流高压端口电压参考值

(3)将d轴电流参考值

(4)将d轴电压参考值

进一步的，所述多形态储能复合装置在孤岛运行的V/F下垂控制运行时，包括以下步骤：

(1)设定输出有功功率参考值为P

(2)设定输出无功功率参考值为Q

(3)步骤(1)与(2)所得电压U与角度θ

(4)d轴电压参考值

(5)将d轴电压参考值

进一步的，所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，其直流低压端口至高压端口的电能转换形式为Boost拓扑，所述Boost拓扑包括三个独立Boost电路，第i相Boost电路包括绕组电感L

进一步的，所述Boost拓扑中，Boost电路的开关管控制其占空比N输出直流电能，包括以下步骤：

(1)设定直流低压端口输出电流指定值为

(2)将三相电压参考值分别与U

进一步的，所述Boost拓扑中，Boost电路的开关管控制其占空比N通过控制DC1侧直流电压进而灵活输出直流电能，包括以下步骤：

(1)直流高压端口电压参考值

(2)将三相电压参考值分别与U

本发明采用变压器实现两个三端口变换器的级联，拓扑形态直观且能够灵活变换，实现该装置五端口输入输出功能，其控制方法能够灵活调控多储能装置端口功率，能够实现电网功率的存储与补偿，并能实现在孤岛运行下对母线电压进行支撑。

附图说明

图1为本发明多形态储能复合装置的结构框图；

图2为本发明多形态储能复合装置并网运行控制框图；

图3为本发明多形态储能复合装置孤岛运行V/F下垂控制框图；

图4为本发明多形态储能复合装置并网运行下装置输出三相电压电流波形；

图5为本发明多形态储能复合装置并网运行下储能装置充放电电流波形；

图6为本发明多形态储能复合装置孤岛运行下装置输出三相电压波形；

图7为本发明多形态储能复合装置孤岛运行下装置输出三相电流波形；

图8为本发明多形态储能复合装置孤岛运行下蓄电池放电直流电压电流波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例公开的一种多形态储能复合装置，该复合装置的拓扑结构包括两个三相三端口H桥逆变电路、一个曲折接法的三相五绕组变压器；

所述三相三端口H桥逆变电路包括一个交流端口与两个直流端口；

所述三相三端口H桥逆变电路的交流端口与变压器副边相连，其并网电阻为r

所述三相三端口H桥逆变电路的直流端口包括一个高压端口与一个低压端口；高压端口包括一个滤波电容C

所述三相三端口H桥逆变电路的直流高压端口与交流端口通过三相H桥逆变电路相连；三相H桥逆变电路中包括6个IGBT开关管(Q

所述两个三相三端口H桥逆变电路的直流低压端口与交流端口通过变压器曲折接法的副边绕组与直流滤波电感L

本发明公开的一种多形态储能复合装置在并网运行时，通过稳态控制策略实现储能装置的充放电控制；在孤岛运行时，通过V/F下垂控制策略实现储能装置对负载的功率支撑。下面结合图1至图7介绍本发明的具体实施方式：

图1中的一种多形态储能复合装置在并网运行时，其中：

所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，交流端口输出三相电压为：e

所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，交流端口输入三相电流为：i

所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，电网输出三相电压为：u

所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，直流高压端口输出电压为：U

所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，直流高压端口输出电流为：i

所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，直流低压端口输出电压为：U

所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，直流低压端口输出电流为：i

所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，从直流低压端口流经各绕组的直流偏置电流为：I

图2为一种多形态储能复合装置在并网运行的稳态运行控制框图，包括以下步骤：

(1)对电网输出三相电压与三相电流进行PARK变换，得到两相同步旋转坐标系下的电压u

(2)设定直流高压端口电压参考值

(3)将d轴电流参考值

(4)将d轴电压参考值

所述储能复合装置任意一个三相三端口H桥逆变电路中，其直流低压端口至高压端口的电能转换形式为Boost拓扑；

所述Boost拓扑包括三个独立Boost电路，第i相Boost电路包括绕组电感L

所述Boost拓扑中，Boost电路的开关管控制其占空比N输出直流电能，包括以下步骤：

(1)设定直流低压端口输出电流指定值为

(2)将三相电压参考值分别与U

图3为一种多形态储能复合装置在孤岛运行的V/F下垂控制框图，包括以下步骤：

(1)设定输出有功功率参考值为P

(2)设定输出无功功率参考值为Q

(3)步骤(1)与(2)所得电压U与角度θ

(4)d轴电压参考值

(5)将d轴电压参考值

所述Boost拓扑中，Boost电路的开关管控制其占空比N通过控制DC1侧直流电压进而灵活输出直流电能，包括以下步骤：

(1)直流高压端口电压参考值

(2)将三相电压参考值分别与U

运用MATLAB/Simulink仿真实验平台对本发明所提方案进行验证，设定第一个三端口变换器中高压侧储能装置为超级电容，低压侧储能装置为蓄电池，第二个三端口变换器中高压侧储能装置为超级电容，低压侧储能装置为飞轮储能。并网运行仿真结果如图4与图5所示，孤岛运行仿真结果如图6、图7与图8所示。在并网运行，交流端口接220V交流电网，直流高压端口电压为700V，低压端口电压为350V，设定蓄电池与飞轮储能进行充电。交流侧电压波形与交流端口电流波形如图4、蓄电池与飞轮储能充电电流如图5。在孤岛运行，交流端口接220V负载，设定蓄电池放电支撑负载功率，原负荷大小为1kW，0.5秒后增加有功负荷至5kW，无功负荷至2kvar。交流侧电压波形如图6与交流端口电流波形如图7、蓄电池放电直流电压电流波形如图8。

图4中，并网运行下，三相电压幅值稳定为314V，三相电流幅值稳定为17A，波形为标准正弦波，说明装置输出输入的电流谐波含量极低，电能质量高。图5中，并网运行下，蓄电池与飞轮均处于充电状态，此时飞轮储能电压稳定在350V，其充电电流为20A左右，蓄电池稳定在354V，充电电流为5A左右，总输入功率为8.7kW，与图4波形比较，装置应向电网输入13A有功电流，考虑损耗后可知其满足功率流动表达式，可说明装置能够实现储能装置与电网的功率流动。

图6中，孤岛运行下，三相电压幅值稳定为314V；图7中，三相电流幅值从2.4A于0.5s 上升至12A，波形为标准正弦波，说明装置输出的电流谐波含量极低，电能质量高，同时能够实现负载的功率支撑，在负载投切时有较强的稳定性。图8中，孤岛运行下，蓄电池处于放电状态，飞轮储能电压稳定在350V，0.5s前蓄电池电压维持在352V，电流为3A，0.5s后，蓄电池稳定在334V，电流为15A，可以说明在孤岛运行期间蓄电池能够稳定向负载输出功率，负荷变化时蓄电池能够快速变化输出功率。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。