一种并联充放电功率转换系统

摘要

一种并联充放电功率转换系统，属于电力电子和电力自动化设备，解决现有并联充放电功率转换系统容量小、信息传输可靠性低、协调控制困难的问题。本发明包括上位机、集中控制单元和N个子系统，各子系统均包括隔离变压器、双向交直流变流器、双向直流变流器、电池组和控制器；各子系统的隔离变压器与交流母线相连，上位机通过通讯电缆与集中控制单元连接，集中控制单元通过通讯网络和光纤分别与各子系统的控制器通讯。本发明采用分层控制结构，系统容量大、信息传输可靠性高、速度快，适应大容量电池组的充放电特性，从而实现多子系统并网运行、多子系统并联孤岛运行以及这两种工况间的无缝切换，适用于采用大容量电池组的储能系统。

主权项

1.一种并联充放电功率转换系统，包括上位机、集中控制单元和N个子系统，各子系统结构相同，均包括隔离变压器、双向交直流变流器、双向直流变流器、电池组和控制器；各子系统的隔离变压器与交流母线相连，交流母线通过并网开关连接至电网或通过本地开关连接至本地负载；所述上位机通过通讯电缆与集中控制单元连接，集中控制单元通过通讯网络和光纤分别与各子系统的控制器通讯，N＝1～10，其特征在于：(一)所述上位机，通过RS485通讯协议向集中控制单元发送操作指令、模式输入变量j、有功功率值P_ref和无功功率值Q_ref，所述操作指令包括开机和关机；所述模式输入变量j的值为1或2；当通过光纤接受到集中控制单元发送的电网故障信号时，令模式输入变量j＝1；(二)所述集中控制单元，进行下述操作：(1)模式判断：(1.1)置控制模式变量m＝0，判断操作指令是否为关机，是则关闭集中控制单元；否则周期性判断模式输入变量j是否等于控制模式变量m，是则转子步骤(1.2)，否则转子步骤(1.3)；(1.2)若m＝1，转步骤(3)；否则转步骤(2)；(1.3)置m＝j，判断是否m＝1，是则转步骤(5)；否则转步骤(4)；(2)并网运行步骤，包括下述子步骤：(2.1)对电网电压进行检测和锁相获得电网幅值V_g、同步信号θ和电网频率f_g；(2.2)电网状态判断：判断是否264.4V≤V_g≤342.1V且49.5Hz≤f_g≤50.5Hz，是则电网为正常状态，闭合并网开关，通过光纤向各子系统发送控制模式变量m＝2，转子步骤(2.3)；否则电网为故障状态，向上位机发出电网故障信号，转步骤(1)；(2.3)等待上位机的有功功率值P_ref和无功功率值Q_ref，计算各子系统的有功功率参考值P_refi和无功功率参考值Q_refi：$P_{\mathrm{refi}}=\frac{P_{\mathrm{ref}}·k_i·{\mathrm{SOC}}_i}{\underset{x=1}{\overset{N}{\Sigma }}{k}_x·{\mathrm{SOC}}_x},$$Q_{\mathrm{refi}}=\frac{Q_{\mathrm{ref}}}{N};$其中，SOC_i为第i子系统电池组荷电状态，k_i为SOC_i权值系数，k_i、k_x取值范围为0～1，(2.4)向各子系统控制器发送同步信号以及相应的有功功率参考值P_refi和无功功率参考值Q_refi，转子步骤(2.1)；(3)孤岛运行步骤，包括下述子步骤：(3.1)断开并网开关，通过光纤向各子系统发送控制模式变量m＝1；利用计数器获得初始同步信号x为当前时刻计数值，X＝mod(10⁶/2^T)，mod表示对括号内的值取整，T为0～7的整数，计数器每20×2^Tns加1；(3.2)根据各子系统输出的有功功率P_i、无功功率Q_i和电池组荷电状态SOC_i计算各子系统的有功功率参考值P_refi和无功功率参考值Q_refi：$P_{\mathrm{refi}}=\frac{k_i·{\mathrm{SOC}}_i·\underset{x=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_x}{\underset{x=1}{\overset{N}{\Sigma }}{k}_x·{\mathrm{SOC}}_x},$$Q_{\mathrm{refi}}=\frac{\underset{x=1}{\overset{N}{\Sigma }}{Q}_x}{N};$(3.3)向各子系统控制器发送初始同步信号、相应的有功功率参考值P_refi、无功功率参考值Q_refi和初始输出电压幅值V_mrefo＝311V，转子步骤(3.1)；(4)孤岛向并网切换步骤，包括下述子步骤：(4.1)对电网电压进行检测和锁相获得电网幅值V_g、同步信号θ和电网频率f_g；(4.2)电网状态判断：判断是否264.4V≤V_g≤342.1V且49.5Hz≤f_g≤50.5Hz，是则电网为正常状态，转子步骤(4.3)；否则电网为故障状态，向上位机发出电网故障信号，转步骤(1)；(4.3)置初始同步信号置初始输出电压幅值V_mrefo＝V_g；(4.4)闭合并网开关，并通过光纤向各子系统发送控制模式变量m＝2；(4.5)向各子系统控制器发送同步信号θ以及相应的有功功率参考值P_refi＝0和无功功率参考值Q_refi＝0；(5)并网向孤岛切换步骤，包括下述子步骤：(5.1)检测并联充放电功率转换系统输出的有功功率P_g和无功功率Q_g；(5.2)断开并网开关，并通过光纤向各子系统发送控制模式变量m＝1、初始输出电压幅值V_mrefo＝311V、初始同步信号有功功率参考值和无功功率参考值(三)所述各子系统均具有双向直流变流器，各子系统中，隔离变压器通过开关连接双向交直流变流器，双向交直流变流器通过直流母线连接双向直流变流器，双向直流变流器与电池组相连，控制器生成第一～第六路驱动信号送至双向交直流变流器，控制器生成第七、第八路驱动信号送至双向直流变流器；A.第i个子系统的控制器包括模式判断模块、孤岛运行模块、并网运行模块；i＝1～N；(1)模式判断模块进行下述操作：(1.1)置工作模式变量n＝0，置输出电压频率f_i＝50Hz；(1.2)周期性判断控制模式变量m是否等于当前工作模式变量n，是则转步骤(1.4)；否则转步骤(1.3)；(1.3)将控制模式变量m的值赋给工作模式变量n；(1.4)对工作模式变量n进行判断：n＝1，转(2)孤岛运行模块；n＝2，转(3)并网运行模块；(2)孤岛运行模块进行下述操作：(2.1)对交流母线的初始三相交流电压u_sa，b，ci、初始三相交流电流i_sa，b，ci以及初始直流母线电压u_sdci、初始电池电压u_sbati和初始电池电流i_sbati进行滤波，得到三相交流电压u_a，b，ci、三相交流电流i_a，b，ci、直流母线电压u_dci、电池组电压u_bati、输出电池组电流i_bati；(2.2)对集中控制单元发出的同步信号进行锁相，得到初始相角(2.3)计算相角(2.4)利用相角进行坐标系转换，将三相静止坐标系下三相交流电压u_a，b，ci、三相交流电流i_a，b，ci变换为同步旋转坐标系下交流有功电压u_di、交流无功电压u_qi、交流有功电流i_di、交流无功电流i_qi；计算该子系统的输出有功功率P_i和无功功率Q_i：P_i＝u_dii_di+u_qii_qi，Q_i＝-u_dii_qi+u_qii_di，将u_a，b，ci、i_a，b，ci、u_dci、u_bati、i_bati通过通讯网络送至所述集中控制单元，将P_i和Q_i通过光纤送至所述集中控制单元；(2.5)计算有功功率误差e_pi：e_pi＝P_refi-P_i；其中，P_refi为集中控制单元给出的第i个子系统的有功功率参考值；(2.6)计算输出电压频率f_i：f_i＝50+K_fpe_pi+K_fi∫e_pidt；其中，3.73×10^-3≤频率调节比例系数K_fp≤4.32×10^-3，1.12×10^-3≤频率调节积分系数K_fi≤1.56×10^-3；(2.7)计算无功功率误差e_qi：e_qi＝Q_refi-Q_i；其中，Q_refi为集中控制单元给出的第i个子系统的无功功率参考值；(2.8)计算输出电压幅值参考值V_refmi：V_refmi＝V_mrefoi+K_mpeqi+K_mi∫e_qidt；其中，V_mrefoi为集中控制单元给出的初始输出电压幅值，3.73×10^-3≤幅值调节比例系数K_mp≤4.32×10^-3，1.12×10^-3≤幅值调节积分系数K_mi≤1.56×10^-3；(2.9)计算有功电压误差e_vdi：e_vdi＝V_refmi-u_di；(2.10)计算有功电流参考值i_di^*：i_di^*＝K_vpde_vdi+K_vid∫e_vdidt；其中，0.72≤有功电压比例系数K_vpd≤0.87，1789≤有功电压积分系数K_vid≤1973；(2.11)计算有功电流误差e_idi：e_idi＝i_di^*-i_di；(2.12)计算有功调制电压u_rdi：u_rdi＝K_ipde_idi+K_iid∫e_ididt；其中，15.75≤有功电流比例系数K_ipd≤19.06，1.92×10⁵≤有功电流积分系数K_iid≤2.13×10⁵；(2.13)计算无功电压误差e_vqi：e_vqi＝0-u_qi；(2.14)计算无功电流参考值i_qi^*：i_qi^*＝K_vpqe_vqi+K_viq∫e_vqidt；其中，无功电压比例系数K_vpq＝K_vpd；无功电压积分系数K_viq＝K_vid；(2.15)计算无功电流误差e_iqi：e_iqi＝i_qi^*-i_qi；(2.16)计算无功调制电压u_rqi：u_rqi＝K_ipqe_iqi+K_iiq∫e_iqidt；其中，无功电流比例系数K_ipq＝K_ipd；无功电流积分系数K_iiq＝K_iid；(2.17)将同步旋转坐标系下的u_rdi和u_rqi变换为三相静止坐标系下的a相调制电压u_rai、b相调制电压u_rbi、c相调制电压u_rci；(2.18)生成等效的a相空间矢量调制信号u′_rai、b相空间矢量调制信号u′_rbi、c相空间矢量调制信号u′_rci：$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rai}}^{\prime }\\ u_{\mathrm{rbi}}^{\prime }\\ u_{\mathrm{rci}}^{\prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rai}}\\ u_{\mathrm{rbi}}\\ u_{\mathrm{rci}}\end{array}\right]+u_{\mathrm{zi}}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right];$其中，零序分量u_zi＝-[max(u_rai，u_rbi，u_rci)+min(u_rai，u_rbi，u_rci)]/2；max和min分别为求最大值和求最小值的运算函数；(2.19)生成驱动信号：将u′_rai、u′_rbi、u′_rci分别与频率为3kHz，幅值为1的三角载波信号相比较，当u′_rai大于三角载波信号瞬时值时，输出第一路驱动信号，当u′_rai低于三角载波信号瞬时值时，输出第二路驱动信号；当u′_rbi大于三角载波信号瞬时值时，输出第三路驱动信号，当u′_rbi低于三角载波信号瞬时值时，输出第四路驱动信号；当u′_rci大于三角载波信号瞬时值时，输出第五路驱动信号，当u′_rci低于三角载波信号瞬时值时，输出第六路驱动信号；将生成的第一～第六路驱动信号送至双向交直流变流器；(2.20)计算直流母线电压误差e_vdci：e_vdci＝u_dc^*-u_dci；其中，u_dc^*＝700V；(2.21)计算双向直流变流器的输出电池电流参考值i_bati^*：i_bati^*＝K_vpdce_vdci+K_vidc∫e_vdcidt；其中，0.067≤母线电压比例系数K_vpdc≤0.081；18.23≤母线电压积分系数K_vidc≤22.06；(2.22)计算双向直流变流器的电池电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati^*-i_bati；(2.23)计算双向直流变流器调制电压u_rdci：u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；其中，0.042≤电池电流比例系数K_ipbat≤0.051，5.28≤电池电流积分系数K_iibat≤6.39；(2.24)生成双向直流变流器驱动信号：将u_rdci与频率为10kHz，幅值为1的锯齿波信号相比较，当u_rdci大于锯齿波信号瞬时值时，输出第七路驱动信号，当u_rdci低于锯齿波信号瞬时值时，输出第八路驱动信号；将生成的第七、第八路驱动信号送至双向直流变流器；(2.25)转步骤(2.1)；(3)并网运行模块进行下述操作：(3.1)对交流母线的初始三相交流电压u_sa，b，ci、初始三相交流电流i_sa，b，ci以及初始直流母线电压u_sdci、初始电池电压u_sbati和初始电池电流i_sbati进行滤波，得到三相交流电压u_a，b，ci、三相交流电流i_a，b，ci、直流母线电压u_dci、电池组电压u_bati、输出电池组电流i_bati；(3.2)对集中控制单元发出的同步信号进行锁相，得到相角θ_i；(3.3)利用相角θ_i进行坐标系转换，将三相静止坐标系下三相交流电压u_a，b，ci、三相交流电流i_a，b，ci变换为同步旋转坐标系下交流有功电压u_di、交流无功电压u_qi、交流有功电流i_di、交流无功电流i_qi；计算该子系统的输出有功功率P_i和无功功率Q_i：P_i＝u_dii_di+u_qii_qi，Q_i＝-u_dii_qi+u_qii_di，将u_a，b，ci、i_a，b，ci、u_dci、u_bati、i_bati通过通讯网络送至所述集中控制单元，将P_i和Q_i通过光纤送至所述集中控制单元；(3.4)计算有功电流参考值i_di^*：i_di^*＝P_refi/u_di；其中，P_refi为由集中控制单元给出的有功功率参考值；(3.5)计算有功电流误差e_idi：e_idi＝i_di^*-i_di；(3.6)计算有功调制电压u_rdi：u_rdi＝K_ipde_idi+K_iid∫e_ididt；(3.7)计算无功电流参考值i_qi^*：i_qi^*＝-Q_refi/u_di；其中，Q_refi为由集中控制单元给出的无功功率参考值；(3.8)计算无功电流误差e_iqi：e_iqi＝i_qi^*-i_qi；(3.9)计算无功调制电压u_rqi：u_rqi＝K_ipqe_iqi+K_iiq∫e_iqidt；(3.10)与步骤(2.17)～步骤(2.24)相同；(3.11)转步骤(3.1)；B.所述双向交直流变流器采用三相半桥电压型变流器或者三相全桥电压型变流器，当所述双向交直流变流器为三相半桥电压型变流器时，所述生成的第一～第六路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第一～第六路驱动信号接口；当所述双向交直流变流器为三相全桥电压型变流器时，所述第一路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第一、第四路驱动信号接口，第二路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第二、第三路驱动信号接口，第三路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第五、第八路驱动信号接口，第四路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第六、第七路驱动信号接口，第五路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第九、第十二路驱动信号接口，第六路驱动信号分别送至双向交直流变流器的第十、第十一路驱动信号接口；C.所述双向直流变流器采用双向Buck/Boost变流器；D.所述电池组采用液流电池或磷酸铁锂电池。