一种并离网储能系统的超级电容预充电电路及控制方法

技术领域

本发明涉及一种并离网储能系统的超级电容预充电电路及控制方法，属于电力电子技术应用领域。

背景技术

随着风力发电和光伏发电的大规模发展，越来越多的基于可再生能源的分布式电源系统逐渐接入主动配电网。由于可再生能源随机波动性强，储能系统，尤其是电力储能系统因其控制灵活、使用方便而逐步大规模接入主动配电网，以平抑可再生能源的随机波动。电力储能系统通常可分为大容量储能的能量型储能系统和具有快速响应特性的功率型储能系统。一般而言，单一类型的储能系统适用范围受限，且无法得到高效应用。而混合储能系统由于可充分利用不同类型储能系统在技术特性上的互补性，可以满足不同负载和平抑不同能量波动的需要。基于此，除了常见得锂电池储能系统，功率型的超级电容储能系统和密度型的全钒液流电池储能系统更多地参与主动配电网的功率调节，实现了主动配电网的运行优化，助力了智能电网的建设。

而基于超级电容的并离网储能系统和基于矾液流电池的并离网储能系统存在起始电压为零的问题，因此需要0V起充预充电。目前，电力电子系统中对超级电容等0V起充预充电的技术方案主要有两种实现形式，第一种使用开关电源充电器对超级电容进行恒流预充电，第二种是将电网电压整流后用电阻限电流0V起充电。

上述两种方案存在如下缺点：

1、额外配备充电器的超级电容预充电方案增加了系统的复杂度，可靠性低。且在大容量的电力电子系统中为了快速预充，充电器不仅要满足高电压等级的充电需求，同时要满足大功率快速预充的需求。这样的高压大功率充电器多为专用充电器，市场上选择较少，成本较高且体积较大。

2、基于预充电电阻的限电流充电方案，为了实现快速预充电，系统需要额外配置大功率的功率电阻和对应的控制开关，虽然方案简单，但会增加系统功率损耗和系统散热设计压力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何利用现有的并离网储能系统，在对系统结构不做丝毫改动的基础上构造出超级电容预充电电路，并利用原有的控制系统实现并离网储能系统中超级电容的预充电，解决上述常见超级电容预充电方案存在的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种并离网储能系统的超级电容预充电电路，其特征在于：包括快速并离网开关电路、基于三相储能变流器系统的预充电重构电路和超级电容器组；

所述快速并离网开关电路为三相的双向晶闸管电路组成，包括晶闸管和晶闸管驱动电路；

所述三相储能变流器系统主要包括：三相交流断路器、直流断路器、三相LCL交流滤波电路、直流电容滤波电路、直流预充电路和三相全桥电路；

所述基于三相储能变流器系统的预充电重构电路主要包括：三相交流断路器、直流断路器、两相LCL交流滤波电路、直流电容滤波电路、直流预充电路和单相全桥不控整流电路；

所述超级电容器组是由多个超级电容器模块串并联组成，而所述超级电容器模块由多个超级电容器单体串并联后形成。

进一步，所述快速并离网开关一端连接三相电网，一端连接三相储能变流器系统的交流断路器；

所述三相交流断路器一端连接快速并离网开关，一端连接三相LCL交流滤波电路；

所述三相LCL交流滤波电路一端连接三相交流断路器，一端连接三相全桥电路的桥臂中点；

所述三相全桥电路的三个桥臂中点分别和三相LCL交流滤波电路的一端连接；

所述直流滤波电容一端挂接在三相全桥电路的共阳极端，一端挂接在三相全桥电路的共阴极端；

所述三相LCL交流滤波电路的电容中点与直流电容滤波电路的中点相连接；

所述直流断路器串联在三相储能变流器直流侧和超级电容器组之间；

所述直流预充电电路包括：直流预充电控制开关和直流预充电电阻，所述直流预充电电路并联在直流断路器两端。

进一步，本发明的技术方案基于常见的并离网储能系统提出了一种超级电容预充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

先闭合直流预充电控制开关，通过限流电阻实现超级电容器组对直流滤波电容的预充电；

采样超级电容电压和直流滤波电容电压，然后判断直流滤波电容预充电是否结束，待直流滤波电容预充电结束则闭合交流断路器和直流断路器，并断开直流预充电路控制开关；

启动恒定峰值电流预充电控制模式；

自动进入变峰值电流预充电控制模式；

判定超级电容预充电工作结束，进入待机模式；

优选地，所述恒定峰值电流预充电控制模式具体控制方法为：

1.以采样频率fs实时检测线电压Vab(t)，并据此获取对应的相位角；

2.以采样频率fs实时检测超级电容电压Vsc(t)、网侧电感电流值和机侧电感电流值IL(t)，并实时保存线电压Vab(t)在相位角0-区间内线电压Vab(t)和超级电容电压Vsc(t)的差值ΔV(t)＝Vab(t)-Vsc(t)，其中保存的压差数据分别为ΔV(0)、ΔV(1)、ΔV(2)···ΔV(n)，同步保存机测电感电流数据IL(0)、IL(1)、IL(2)···IL(n)；

3.完成上述数据采集后，对ΔV(0)、ΔV(1)、ΔV(2)···ΔV(n)这组数据进行滤波筛选，筛除掉第二次穿越过零点后的数据，并保存其他数据为ΔV(0)、ΔV(1)、ΔV(2)···ΔV(k)···ΔV(m)，其中ΔV(0)、ΔV(1)、ΔV(2)···ΔV(k-1)为第一次穿越过零点之前的数据，其中k为第一次穿越过零点时的插值，其中m为第二次穿越过零点时的插值；

4.选取步骤3中第二次穿越过零点前后共5个机侧电感电流值IL(m-2)、IL(m-1)、IL(m)、IL(m+1)和ILs(m+2)，然后用冒泡比较法得出最大的机侧电感电流值ILmax；

5.完成数据筛除后，根据公式(1)进行逆序积分计算，根据设定的机侧电感电流峰值ILref，并结合公式(1)和(2)获得晶闸管触发角关联量x，其中ΔIL为过流调整因子，L为机侧电感值；

6.根据公式α＝100x/fs获得a、b两相晶闸管的触发角α；

7.在线电压Vab(t)下一个工频周期的α相位角完成a、b两相晶闸管的触发驱动；

8.然后周期性地执行3、4、5、6和7中的工作。

优选地，所述步骤四变峰值电流预充电控制模式具体控制方法为：当

优选地，所述步骤五具体为：当α＝100k/fs≈/2，即k≈fs/200条件成立时，判定超级电容预充电工作完成，断开交流断路器和直流断路器，并封锁快速并离网开关的驱动信号，进入待机模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种并离网储能系统的超级电容预充电控制方法首先基于常见的并离网储能系统重构了预充电回路，该预充电回路对完整的并离网储能系统在电路结构上没有做出丝毫改变，充分利用原有系统中的快速并离网开关实现工频电压的暂波控制，利用系统中的LCL交流滤波器实现充电电流的高频滤波和限流，利用三相全桥电路中的反并联二极管实现整流，利用原有系统的电压采样电路、电流采样电路、晶闸管驱动电路和系统控制器实现限流控制。

上述超级电容预充电重构电路和控制方法在未增加任何额外元器件的基础上实现了并离网储能系统的超级电容预充电控制，该技术方案提高了超级电容预充电效率，简化了系统结构，降低了系统成本，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为现有常见的一种并离网储能系统电路原理示意图；

图2为本发明提供的一种并离网储能系统的超级电容预充电控制重构电路的示意图；

图3为本发明提供的一种并离网储能系统的超级电容预充电控制方法的流程框图；

图4为本发明提供的一种并离网储能系统的超级电容预充电恒定峰值电流控制算法的实现方法流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本实施例首先提供了一种并离网储能系统的超级电容预充电控制重构电路。

如图1所示为现有常见的一种并离网储能系统电路原理示意图，图2所示是本发明基于图1提供的一种并离网储能系统的超级电容预充电控制重构电路的示意图，主要包括：快速并离网开关电路、三相交流断路器、两相LCL交流滤波电路、单相全桥不控整流电路、直流断路器、直流电容滤波电路、直流预充电路和超级电容器组。

图2所示重构的超级电容预充电控制电路相较于图1电路由如下特点：1.三相快速并离网开关电路仅使用A、B两相，三相LCL交流滤波电路仅使用A、B两相，三相全桥电路仅使用A、B两相做不控整流2.有序控制快速并离网开关中A、B相晶闸管斩波线电压，进而控制超级电容的预充电电流，并有效抑制开关动作时的网侧电流幅值。

如图2所示快速并离网开关Sa一端连接a相电网，一端连接交流断路器DZ1的a相输入端子；快速并离网开关Sb一端连接b相电网，一端连接交流断路器DZ1的b相输入端子；电感L1a的一端连接交流断路器DZ1的a相输出端子，一端连接电感L2a；电感L1b的一端连接交流断路器DZ1的b相输出端子，一端连接电感L2b；电感L2a的另一端连接在单相全桥不控整流电路中第一个桥臂中点；电感L2b的另一端连接在单相全桥不控整流电路中第二个桥臂中点；交流滤波电容Ca和Cb串联后一端挂接在L1a和L2a的连接点，一端挂接在L1b和L2b的连接点。

所述单相全桥不控整流电路组成如下：反并联二极管D1的阳极与反并联二极管D2的阴极连接形成第一桥臂中点，反并联二极管D3的阳极与反并联二极管D4的阴极连接形成第二桥臂中点，二极管D1的阴极和二极管D3的阴极并联形成直流母线的正端，二极管D2的阳极和二极管D4的阳极并联形成直流母线的负端。

所述直流电容滤波电路由电容C1和C2串联组成，串联后的滤波电容阳极挂接在直流母线正端，串联后的滤波电容阴极挂接在直流母线负端，所述直流滤波电容C1、C2串联中点与所述交流滤波电容Ca、Cb中点连接在一起。

所述直流断路器DZ2的输入端子分别连接直流母线的正端和负端，所述直流断路器DZ2的输出端子分别连接超级电容组的阳极和阴极；

所述直流预充电电路由直流预充电电阻R1、R2和直流继电器Q1组成，电阻R1与直流继电器Q1的第一个常开触点串联后挂接在直流母线的正端和超级电容器组的阳极，电阻R2与直流继电器Q1的第二个常开触点串联后挂接在直流母线的负端端和超级电容器组的阴极。

本发明实施例提供了一种并离网储能系统的超级电容预充电控制方法，具体如图3和4所示，包括如下步骤：

步骤S01：控制系统下发直流预充电指令后，闭合直流预充电控制开关Q1，通过限流电阻R1和R1实现超级电容组器对直流滤波电容的预充电；待直流滤波电容电压Vdc和超级电容组电压Vsc之差(Vdc-Vsc)<5V，控制闭合交流断路器DZ1和直流断路器DZ2，并断开直流预充电路控制开关，然后进入步骤二。

步骤S02：启动恒定峰值电流预充电控制模式，优选地，所述恒定峰值电流预充电控制模式具体控制方法为：

1.以采样频率fs实时检测线电压Vab(t)，并据此获取对应的相位角；

2.以采样频率fs实时检测超级电容电压Vsc(t)、网侧电感电流值和机侧电感电流值IL(t)，并实时保存线电压Vab(t)在相位角0-区间内线电压Vab(t)和超级电容电压Vsc(t)的差值ΔV(t)＝Vab(t)-Vsc(t)，其中保存的压差数据分别为ΔV(0)、ΔV(1)、ΔV(2)···ΔV(n)，同步保存机测电感电流数据IL(0)、IL(1)、IL(2)···IL(n)；

3.完成上述数据采集后，对ΔV(0)、ΔV(1)、ΔV(2)···ΔV(n)这组数据进行滤波筛选，筛除掉第二次穿越过零点后的数据，并保存其他数据为ΔV(0)、ΔV(1)、ΔV(2)···ΔV(k)···ΔV(m)，其中ΔV(0)、ΔV(1)、ΔV(2)···ΔV(k-1)为第一次穿越过零点之前的数据，其中k为第一次穿越过零点时的插值，其中m为第二次穿越过零点时的插值；

4.选取步骤3中第二次穿越过零点前后共5个机侧电感电流值IL(m-2)、IL(m-1)、IL(m)、IL(m+1)和ILs(m+2)，然后用冒泡比较法得出最大的机侧电感电流值ILmax；

5.完成数据筛除后，根据公式(1)进行逆序积分计算，根据设定的机侧电感电流峰值ILref，并结合公式(1)和(2)获得晶闸管触发角关联量x，其中ΔIL为过流调整因子，L为机侧电感值；

6.根据公式α＝100x/fs获得a、b两相晶闸管的触发角α；

7.在线电压Vab(t)下一个工频周期的α相位角完成a、b两相晶闸管的触发驱动；

8.然后周期性地执行3、4、5、6和7中的工作。

所述7中晶闸管触发角关联量x的获取方法详细为当ILmax≤ILref，则表明预充电电流峰值小于设定的机侧电感电流峰值ILref，则基于逆序积分当

步骤S03：进入变峰值电流预充电控制模式，优选地，所述变峰值电流预充电控制模式具体控制方法为：当

步骤S04：判定超级电容预充电工作结束，进入待机模式，优选地当α＝100k/fs≈/2，即k≈fs/200条件成立时，此时超级电容的充电电流接近于零，此时判定超级电容预充电工作完成，然后断开交流断路器和直流断路器，并封锁快速并离网开关的驱动信号。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明公开的内容进行多种实施方式。应理解上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。