基于载波同步的储能变流器离网并联电路及其控制方法

技术领域

本发明属于储能变流器控制技术领域，具体涉及一种基于载波同步的储能变流器离网并联电路及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

当储能变流器由于容量不够需要多台并联运行时或采用多个储能变流器模块组成更大容量时都会涉及到多个储能变流器并联离网运行的问题。通常的做法是先将储能变流器交流侧和直流侧进行电气隔离以消除变流器运行时的载波环流，然后采用一定的控制方式减小变流器之间的基波环流以达到各个储能变流器离网运行时输出功率均衡的目的。

以上方法虽然能有效抑制储能变流器离网运行时的环流，但是由于需要变压器进行电气隔离，因此使储能变流器的成本上升，装置的体积增大，严重影响了储能系统组建的灵活性。同时变压器的使用降低了储能变流器系统效率，增加了能源的浪费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于载波同步的储能变流器离网并联电路及其控制方法，本发明主要用来解决多个储能变流器在采用交流侧和直流侧直接并联离网运行时输出存在环流的问题，该方法能有效减小不同储能变流器之间的载波和基波环流，实现多个变流器电流均衡输出的目的。

根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种基于载波同步的储能变流器离网并联电路，采用如下技术方案：

基于载波同步的储能变流器离网并联电路，包括多台储能变流器，其中，多台所述储能变流器包括一台主机储能变流器和多台从机储能变流器；

所述主机储能变流器的三相交流侧和其他储能变流器的三相交流侧并联，每台所述储能变流其的直流侧和其他储能变流器的直流侧并联；

所述主机储能变流器的主机控制单元通过互联线与其他储能变流器的控制单元连接在一起；所述互联线连接的信号分为载波同步信号、频率同步信号、启停同步信号以及通讯信号。

进一步地，所述储能变流器包括依次连接的断路器、LCL滤波单元以及逆变功率单元；所述断路器、LCL滤波单元以及逆变功率单元均与控制单元连接；

所述储能变流器采用一字型三电平拓扑。

进一步地，所述载波同步信号通过主机控制单元的EXTSYNCOUT端口向所有储能变流器发出；

所述载波同步信号的上升沿触发所有储能变流器的控制单元的PWM模块比较单元计数器，从而保证所有从机储能变流器与主机储能变流器载波信号的同步。

进一步地，所述频率同步信号通过主机控制单元向所有从机储能变流器发出，所有从机储能变流器获取频率同步信号提取相位以及频率信息实现从机储能变流器和主机储能变流器基波信号的同步，所有储能变流器在频率同步信号的基础上进行频率下垂控制实现有功功率的均分。

进一步地，所述启停同步信号通过主机控制单元向所有从机储能变流器发出；

所述启停同步信号的上升沿作为并联的所有储能变流器的启动或停止的触发信号，从而保证所有从机储能变流器和主机储能变流器同时启动或停止。

根据一些实施例，结合第一方案所述的基于载波同步的储能变流器离网并联电路，本发明的第二方案提供了一种基于载波同步的储能变流器离网并联电路的控制方法，采用如下技术方案：

基于载波同步的储能变流器离网并联电路的控制方法，包括：

采用载波同步的方式消除储能变流器并联运行时的载波环流；

针对储能变流器离网并联电路，采用有功调压无功调频的双环下垂控制方式抑制基波环流。

进一步地，所述载波同步包括基于载波同步信号控制储能变流器的载波信号同步，具体为：

从机储能变流器的控制单元获取主机储能变流器的主机控制单元发发出的载波同步信号，以所述载波同步信号的上升沿作为从机储能变流器的控制单元 PWM模块比较单元计数器的触发信号，控制从机储能变流器和主机储能变流器载波信号的同步。

进一步地，所述载波同步还包括利用频率同步信号控制所有储能变流器的基波信号同步以及利用启停同步信号控制所有储能变流器同时启动或停止；

所述利用频率同步信号控制所有储能变流器的基波信号同步，具体为：从机储能变流器的控制单元获取主机储能变流器的主机控制单元发出的频率同步信号，提取频率同步信号的相位以及频率信息控制从机变流器的基波信号与主机储能变流器的基波信号同步；

所述利用启停同步信号控制所有储能变流器同时启动或停止，具体为：从机储能变流器的控制单元获取主机储能变流器的主机控制单元发出的启停同步信号，以所述启停同步信号的上升沿作为启动或停止的触发信号，控制从机储能变流器与主机储能变流器同时启动或停止。

进一步地，针对储能变流器离网并联电路，采用有功调压无功调频的双环下垂控制方式抑制基波环流，包括：

获取变流器内感侧三相电流和变流器输出三相电压，并分别对变流器内感侧三相电流和变流器输出三相电压进行dq变换，得到内感侧电流的d轴分量和 q轴分量以及输出电压的d轴分量和q轴分量；

获取内感侧电流的d轴分量与有功下垂系数的乘积、给定电压以及输出电压的d轴分量的差值并进行PI运算；PI运算完成后再对PI运算结果和内感侧电流的d轴分量与d轴电感电流反馈系数的乘积的差值进行PI运算，得到d轴调节电压；

获取输出电压的q轴分量与零向电压的差值并进行PI运算，PI运算完成后再对PI运算结果和内感侧电流的q轴分量与q轴电感电流反馈系数的乘积的差值进行PI运算，得到q轴调节电压；

将d轴调节电压和q轴调节电压进行dq逆变换，并结合载波同步信号，得到PWM三相控制信号。

进一步地，针对储能变流器离网并联电路，采用有功调压无功调频的双环下垂控制方式抑制基波环流，还包括：

获取变流器内感侧三相电流、变流器输出三相电压和变流器输出负载电流，并分别对变流器内感侧三相电流、变流器输出三相电压以及变流器输出负载电流进行dq变换，得到内感侧电流的d轴分量和q轴分量、输出电压的d轴分量和q轴分量以及输出负载电流的d轴分量和q轴分量；

获取内感侧电流的d轴分量与有功下垂系数的乘积、给定电压、输出负载电流的d轴分量与虚拟阻抗系数的乘积以及输出电压的d轴分量的差值并进行 PI运算；PI运算完成后再对PI运算结果和内感侧电流的d轴分量与d轴电感电流反馈系数的乘积的差值进行PI运算，得到d轴调节电压；

获取输出电压的q轴分量、输出负载电流的q轴分量与虚拟阻抗系数的乘积以及零向电压的差值并进行PI运算，PI运算完成后再对PI运算结果和内感侧电流的q轴分量与q轴电感电流反馈系数的乘积的差值进行PI运算，得到q轴调节电压；

将d轴调节电压和q轴调节电压进行dq逆变换，并结合载波同步信号，得到PWM三相控制信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过在储能变流器离网并联系统中引入载波同步技术取代传统的隔离变压器，不仅抑制了载波环流而且降低系统成品和体积，提高了系统效率。本发明采用有互联线的下垂控制并联均流方式相比无互联线的下垂控制方式提高了储能变流器离网并联系统的功率均分的精度。另外本发明通过引入虚拟阻抗的方式提高了储能变流器离网并联系统的稳定性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例所述的单台储能变流器拓扑图；

图2是本发明实施例所述的两台储能变流器并联拓扑图；

图3是本发明实施例所述的储能变流器离网并联下垂控制框图；

图4是本发明实施例所述的引入虚拟阻抗后储能变流器离网并联控制框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图2所示，本实施例提供了一种基于载波同步的储能变流器离网并联电路，包括多台储能变流器，其中，多台所述储能变流器包括一台主机储能变流器和多台从机储能变流器；

所述主机储能变流器的三相交流侧和其他储能变流器的三相交流侧并联，每台所述储能变流其的直流侧和其他储能变流器的直流侧并联；

所述主机储能变流器的主机控制单元通过互联线与其他储能变流器的控制单元连接在一起；所述互联线连接的同步信号分为载波同步信号、频率同步信号、启停同步信号以及通讯信号。

其中，所述主机储能变流器和从机储能变流器的结构相同，包括依次连接的断路器、LCL滤波单元以及逆变功率单元；所述断路器、LCL滤波单元以及逆变功率单元均与控制单元连接；

所述储能变流器采用一字型三电平拓扑。

具体地，所述载波同步信号通过主机控制单元的EXTSYNCOUT端口向所有储能变流器发出；

所述载波同步信号的上升沿触发所有储能变流器的控制单元的PWM模块比较单元计数器，从而保证所有从机储能变流器与主机储能变流器载波信号的同步。

所述频率同步信号通过主机控制单元向所有从机储能变流器发出，所有从机储能变流器获取频率同步信号提取相位以及频率信息实现从机储能变流器和主机储能变流器基波信号的同步，所有储能变流器在频率同步信号的基础上进行频率下垂控制实现有功功率的均分。

所述启停同步信号通过主机控制单元向所有从机储能变流器发出；

所述启停同步信号的上升沿作为并联的所有储能变流器的启动或停止的触发信号，从而保证所有从机储能变流器与主机储能变流器同时启动或停止。

具体地实施例中，包括：

储能变流器离网并联系统拓扑

单台储能变流器采用1字型三电平拓扑，采用LCL滤波方式，控制单元采用TI公司的DSP数字控制芯片，具体如图1所示：

多台储能变流器的交流侧ABC和直流侧分别直接并联，多台储能变流器控制单元通过互联线连接在一起，如图2所示(图2以两台储能变流器并联为例)：

互联线连接同步信号分为载波同步信号、频率同步信号、启停同步信号以及通讯信号。

需要说明的是，每台储能变流器都有一个控制单元，多台储能变流器并联会指定一台储能变流器作为系统主机储能变流器，主机控制单元就是该系统主机储能变流器的控制单元。

载波同步信号：方波信号，由主机控制单元DSP的EXTSYNCOUT端口发出，所有从机储能变流器接收此信号，并以此信号上升沿作为DSP芯片PWM 模块比较单元计数器触发信号，从而保证所有储能变流器载波信号的同步。

频率同步信号：50Hz方波信号，由主机控制单元DSP发出，所有从机储能变流器接收并捕捉此信号，经过处理提取其中相位以及频率信息，从而保证所有储能变流器基波信号的同步。并且所有储能变流器在此信号基础上进行频率下垂控制，已达到有功功率的均分。

启停同步信号：方波信号，由主机控制单元DSP发出，所有从机储能变流器接收此信号，并联系统储能变流器均以此信号的上升沿作为启动或停止的触发信号，从而保证所有储能变流器同时启动或停止，防止出现带负载启动由于负载过大而导致过流保护的情况。

通讯信号：CAN通讯，用于储能变流器之间的信息交互。

实施例二

如图3-图4所示。本实施例提供了一种基于载波同步的储能变流器离网并联电路的控制方法，包括：

采用载波同步的方式消除储能变流器并联运行时的载波环流；

针对储能变流器离网并联电路，采用有功调压无功调频的双环下垂控制方式抑制基波环流。

进一步地，所述载波同步包括基于载波同步信号控制储能变流器的载波信号同步，具体为：

从机储能变流器的控制单元获取主机储能变流器的主机控制单元发发出的载波同步信号，以所述载波同步信号的上升沿作为从机储能变流器的控制单元 PWM模块比较单元计数器的触发信号，控制从机储能变流器和主机储能变流器载波信号的同步。

进一步地，所述载波同步还包括利用频率同步信号控制所有储能变流器的基波信号同步以及利用启停同步信号控制所有储能变流器同时启动或停止；

所述利用频率同步信号控制所有储能变流器的基波信号同步，具体为：从机储能变流器的控制单元获取主机储能变流器的主机控制单元发出的频率同步信号，提取频率同步信号的相位以及频率信息控制从机变流器的基波信号与主机储能变流器的基波信号同步；

所述利用启停同步信号控制所有储能变流器同时启动或停止，具体为：从机储能变流器的控制单元获取主机储能变流器的主机控制单元发出的启停同步信号，以所述启停同步信号的上升沿作为启动或停止的触发信号，控制从机储能变流器与主机储能变流器同时启动或停止。

进一步地，针对储能变流器离网并联电路，采用有功调压无功调频的双环下垂控制方式抑制基波环流，包括：

获取变流器内感侧三相电流和变流器输出三相电压，并分别对变流器内感侧三相电流和变流器输出三相电压进行dq变换，得到内感侧电流的d轴分量和 q轴分量以及输出电压的d轴分量和q轴分量；

获取内感侧电流的d轴分量与有功下垂系数的乘积、给定电压以及输出电压的d轴分量的差值并进行PI运算；PI运算完成后再对PI运算结果和内感侧电流的d轴分量与d轴电感电流反馈系数的乘积的差值进行PI运算，得到d轴调节电压；

获取输出电压的q轴分量与零向电压的差值并进行PI运算，PI运算完成后再对PI运算结果和内感侧电流的q轴分量与q轴电感电流反馈系数的乘积的差值进行PI运算，得到q轴调节电压；

将d轴调节电压和q轴调节电压进行dq逆变换，并结合载波同步信号，得到PWM三相控制信号。

进一步地，针对储能变流器离网并联电路，采用有功调压无功调频的双环下垂控制方式抑制基波环流，还包括：

获取变流器内感侧三相电流、变流器输出三相电压和变流器输出负载电流，并分别对变流器内感侧三相电流、变流器输出三相电压以及变流器输出负载电流进行dq变换，得到内感侧电流的d轴分量和q轴分量、输出电压的d轴分量和q轴分量以及输出负载电流的d轴分量和q轴分量；

获取内感侧电流的d轴分量与有功下垂系数的乘积、给定电压、输出负载电流的d轴分量与虚拟阻抗系数的乘积以及输出电压的d轴分量的差值并进行 PI运算；PI运算完成后再对PI运算结果和内感侧电流的d轴分量与d轴电感电流反馈系数的乘积的差值进行PI运算，得到d轴调节电压；

获取输出电压的q轴分量、输出负载电流的q轴分量与虚拟阻抗系数的乘积以及零向电压的差值并进行PI运算，PI运算完成后再对PI运算结果和内感侧电流的q轴分量与q轴电感电流反馈系数的乘积的差值进行PI运算，得到q轴调节电压；

将d轴调节电压和q轴调节电压进行dq逆变换，并结合载波同步信号，得到PWM三相控制信号。

具体地实施例中，包括：

储能变流器离网并联系统均流控制

在采用载波同步技术后只需对基波环流进行控制，本发明采用有功调压无功调频的下垂控制方式来抑制基波环流，具体见控制框图3所示。

储能变流器离网采用在dq旋转坐标系下双环控制策略，其中外环为电压环，来稳定输出电压。内环为电流环，来增加系统稳定性。图中Uabc为变流器输出电压，ILabc为变流器内电感侧电流，K1和K3分别为有功下垂系数和无功下垂系数，具体需根据实际均流情况进行调试，Udref为给定电压，K2和K4分别为 d轴电感电流反馈系数和q轴电感电流反馈系数。

储能变流器离网并联系统阻抗控制

储能变流器离网并联系统下垂控制策略与并联系统阻抗决定，本发明所采用有功调压无功调频的下垂控制方式是基于并联系统阻抗为阻性的前提。但并联系统的阻抗与系统联结以及变流器控制参数等有关，为确保并联系统阻抗为阻性，本发明在控制系统中引入阻性虚拟阻抗，具体如图4所示，图中虚框处为引入的虚拟阻抗，Ilaod_abc为变流器输出负载电流，R为虚拟阻抗系数，具体需根据系统调试设定，ILq与K3相乘后得到θ′，θ′就是下垂的角度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。