[发明专利]一种两级充放电系统

摘要

一种两级充放电系统，属于双向功率变换系统，解决现有两级充放电系统容量小、功率支撑时间短和运行模式简单的问题。本发明包括双向交直流变流器、控制器和N台双向直流变流器，双向交直流变流器通过直流母线和N台双向直流变流器输入端并联，N台双向直流变流器输出端分别用于连接N组电池，控制器包括模式判断模块、孤岛运行模块、并网放电模块、并网充电模块、分段恒流充电模块和恒流恒压充电模块，控制器生成驱动信号分别送至双向交直流变流器和N台双向直流变流器。本发明系统容量大、工作模式丰富、可靠性高，可实现孤岛运行、并网放电、并网充电、分段恒流充电和恒流恒压充电五种工作模式，适用于兆瓦级功率储能系统应用。

主权项

1.一种两级充放电系统，包括双向交直流变流器、控制器和N台双向直流变流器，双向交直流变流器通过直流母线和N台双向直流变流器输入端并联，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(6+2N)路驱动信号送至N台双向直流变流器，N台双向直流变流器输出端分别用于连接N组电池，N＝1～10，其特征在于：A.所述控制器包括模式判断模块、孤岛运行模块、并网放电模块、并网充电模块、分段恒流充电模块和恒流恒压充电模块；(1)模式判断模块进行下述操作：(1.1)置工作模式变量n＝0，第i组电池充电次数计数值j_i＝0，i＝1～N；(1.2)周期性判断模式输入变量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)将模式输入变量m的值赋给工作模式变量n；(1.4)判别工作模式变量n：n＝1，转孤岛运行模块；n＝2，转并网放电模块；n＝3，转并网充电模块；n＝4，转分段恒流充电模块；n＝5，转恒流恒压充电模块；(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，c、初始三相交流电流i_sa，b，c以及初始直流母线电压u_sdc、第i台初始电池电压u_sbati和第i台初始电池电流i_sbati进行滤波，得到三相交流电压u_a，b，c、三相交流电流i_a，b，c、直流母线电压u_dc、第i组电池电压u_bati、第i台输出电池电流i_bati，i＝1～N；(2.2)利用计数器获得相角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；(2.3)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，c、三相交流电流i_a，b，c变换为同步旋转坐标系下交流有功电压u_d、交流无功电压u_q、交流有功电流i_d、交流无功电流i_q；(2.4)计算有功电压误差e_vd：e_vd＝311V-u_d；(2.5)计算有功电流参考值i_d^*：i_d^*＝K_vpde_vd+K_vid∫e_vddt；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；(2.6)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d^*-i_d；(2.7)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_iddt；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；(2.8)计算无功电压误差e_vq：e_vq＝0-u_q；(2.9)计算无功电流参考值i_q^*：i_q^*＝K_vpqe_vq+K_viq∫e_vqdt；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；(2.10)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q^*-i_q；(2.11)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；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；(2.12)将同步旋转坐标系下的u_rd和u_rq变换为三相静止坐标系下的a相调制电压u_ra、b相调制电压u_rb、c相调制电压u_rc；(2.13)生成等效的a相空间矢量调制信号u′_ra、b相空间矢量调制信号u′_rb、c相空间矢量调制信号u′_rc：ura′urb′urc′=uraurburc+uz111;]]>其中，零序分量u_z＝-[max(u_ra，u_rb，u_rc)+min(u_ra，u_rb，u_rc)]/2；max和min分别为求最大值和求最小值的运算函数；(2.14)生成驱动信号：将u′_ra、u′_rb、u′_rc分别与频率为3kHz，幅值为1的三角载波信号相比较，当u′_ra大于三角载波信号瞬时值时，输出第一路驱动信号，当u′_ra低于三角载波信号瞬时值时，输出第二路驱动信号；当u′_rb大于三角载波信号瞬时值时，输出第三路驱动信号，当u′_rb低于三角载波信号瞬时值时，输出第四路驱动信号；当u′_rc大于三角载波信号瞬时值时，输出第五路驱动信号，当u′_rc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；(2.15)计算直流母线电压误差e_vdc：e_vdc＝700V-u_dc-K_batii_bati；其中，荷电状态比例系数K_bati＝SOC_i/50000；SOC_i为第i组电池荷电状态，由各组电池在充放电时给出；(2.16)计算第i台双向直流变流器的输出电池电流参考值i_bati^*：i_bati^*＝K_vpdce_vdc+K_vidc∫e_vdcdt；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；(2.17)计算第i台双向直流变流器的电池电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati^*-i_bati；(2.18)计算第i台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；(2.19)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(5+2i)路驱动信号，当u_rdci低于锯齿波信号瞬时值时，输出第(6+2i)路驱动信号；将生成的第(5+2i)、第(6+2i)路驱动信号送至第i个双向直流变流器；(3)并网放电模块进行下述操作：(3.1)与步骤(2.1)相同；(3.2)对三相交流电压u_a，b，c进行锁相，得到相位信号θ，送至第一信号发生模块；(3.3)与步骤(2.3)相同；(3.4)计算有功电流参考值i_d^*：i_d^*＝P^*/u_d；其中，电网调度的有功功率给定值P^*为0～250kW；(3.5)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d^*-i_d；(3.6)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_iddt；(3.7)计算无功电流参考值i_q^*：i_q^*＝-Q^*/u_d；其中，电网调度的无功功率给定值Q^*为0～250kVar；(3.8)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q^*-i_q；(3.9)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；(3.10)与步骤(2.12)～步骤(2.19)相同；(4)并网充电模块进行下述操作：(4.1)与步骤(3.1)～步骤(3.9)相同；但步骤(3.4)和步骤(3.7)中P^*、Q^*改为负值；(4.2)与步骤(2.12)～步骤(2.19)相同；(5)分段恒流充电模块进行下述操作：(5.1)与步骤(3.1)～步骤(3.3)相同；(5.2)计算直流母线电压误差e_vdc：e_vdc＝700V-u_dc；(5.3)计算有功电流参考值i_d^*：i_d^*＝K_vpdce_vdc+K_vidc∫e_vdcdt；(5.4)计算有功电流误差e_id：e_id＝i_d^*-i_d；(5.5)计算有功调制电压u_rd：u_rd＝K_ipde_id+K_iid∫e_id dt；(5.6)计算无功电流参考值i_q^*：i_q^*＝-Q^*/u_d；(5.7)计算无功电流误差e_iq：e_iq＝i_q^*-i_q；(5.8)计算无功调制电压u_rq：u_rq＝K_ipqe_iq+K_iiq∫e_iqdt；(5.9)与步骤(2.12)～步骤(2.14)相同；(5.10)判断第i组电池电压u_bati是否到达其设定的充电截止电压u_bati^*，是则置j_i＝j_i+1；否则j_i值不变；u_bati^*由电池手册给出；(5.11)判断是否j＝5，是则充电完成，结束；否则转步骤(5.12)；(5.12)计算第i组电池充电电流参考值i_bati^*：若j_i＝0，则i_bati^*＝i_batini^*，i_batini^*为电池充电电流，由电池手册给出；若j_i＝1，则i_bati^*＝0.7i_batini^*；若j_i＝2，则i_bati^*＝0.5i_batini^*；若j_i＝3，则i_bati^*＝0.3i_batini^*；若j_i＝4，则i_bati^*＝0.1i_batini^*；(5.13)计算第i组电池充电电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati^*-i_bati；(5.14)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；(5.15)与步骤(2.19)相同；(6)恒流恒压充电模块进行下述操作：(6.1)与步骤(3.1)～步骤(3.3)相同；(6.2)与步骤(5.2)～步骤(5.9)相同；(6.3)判断第i组电池电压u_bati是否小于其充电截止电压u_bati^*，是则进行步骤(6.4)，否则进行步骤(6.6)，u_bati^*＝500～650V；(6.4)计算第i组电池充电电流误差e_ibati：e_ibati＝i_batini^*-i_bati；(6.5)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；转步骤(6.10)；(6.6)计算第i组电池电压误差e_vbati：e_vbati＝u_bati^*-u_bati；(6.7)计算第i组电池电流参考值i_bati^*：i_bati^*＝K_vpbate_vbati+K_vibat∫e_vbatidt；其中，5.62×10^-3≤电池电压比例系数K_vpbat≤6.79×10^-3；0.19≤电池电压积分系数K_vibat≤0.23；(6.8)计算第i组电池电流误差e_ibati：e_ibati＝i_bati^*-i_bati；(6.9)计算第i台双向直流变流器调制电压u_rdci：u_rdci＝K_ipbate_ibati+K_iibat∫e_ibatidt；(6.10)与步骤(2.19)相同；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N台双向直流变流器结构相同，每台双向直流变流器采用双向Buck/Boost变流器。