本發(fā)明涉及混合儲能變流器領域，更具體地說，涉及一種混合儲能變流器裝置及控制方法。

背景技術：

目前的儲能技術種類繁多，但是單一的儲能技術很難同時滿足能量密度、功率密度、系統(tǒng)效率、使用壽命、成本等性能指標。抽水蓄能規(guī)模大、成本低，但是對電站地形要求苛刻，難以大規(guī)模推廣；鉛酸蓄電池技術成熟、價格低廉、安全性高，但能量密度低，質量大，而且存在環(huán)境污染；鋰離子電池能量密度大、平均輸出電壓高、自放電小、沒有記憶效應，但安全性低、大容量集成技術困難；全釩液流電池能量密度大，循環(huán)壽命長，可以大功率深度充放電，但成本高；超級電容器功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長，但儲能容量低，不適用于電網大規(guī)模儲能。因此，在電網應用中，要實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、電能質量改善和削峰填谷等多時間尺度上的功率平衡控制，儲能的發(fā)展趨勢之一是將各種儲能技術進行復合利用，以最大程度地發(fā)揮各種儲能技術的優(yōu)勢，降低儲能系統(tǒng)全壽命周期費用，提高儲能系統(tǒng)的經濟性。

現(xiàn)有技術公開了一種混合儲能用功率轉換系統(tǒng)，包含蓄電池用雙向DC/DC變換單元、超級電容用雙向DC/DC變換單元、LLCL濾波器、變壓器等。但是該變流器雙向DC/DC變換單元采用三重化結構，濾波器采用LLCL結構，變流器電路結構復雜，而且沒有考慮儲能電池的低電壓升壓問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題在于，提供一種混合儲能變流器裝置及控制方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種混合儲能變流器裝置，包括多個并聯(lián)的雙向DC/DC變換器、雙向DC/AC變換器、隔離變壓器、變流器監(jiān)控系統(tǒng)、旁路電路，其特征在于，所述雙向DC/DC變換器與雙向DC/AC變換器的直流母線連接，所述雙向DC/DC變換器分別接入全釩液流電池儲能單元、鋰離子電池儲能單元和超級電容器儲能單元，所述雙向DC/AC變換器通過隔離變壓器接入電網，所述變流器監(jiān)控系統(tǒng)通過內部高速通信總線與雙向DC/DC變換器和雙向DC/AC變換器進行實時通信，所述旁路電路配合混合儲能變流器裝置實現(xiàn)并網與離網狀態(tài)的無縫切換。

在上述方案中，所述雙向DC/DC變換器包括IGBT器件Q1、IGBT器件Q2、電容C1、電容C2、濾波電感L，儲能單元的正負極之間連接所述電容C1，儲能單元的正極經所述濾波電感L接入IGBT器件Q1的集電極和IGBT器件Q2的發(fā)射極，所述IGBT器件Q2的集電極和IGBT器件Q1的發(fā)射極分別連接至直流母線的正負極。

在上述方案中，所述雙向DC/DC變換器還包括耦合電感L2，所述耦合電感L2的公共端接入IGBT器件Q1的集電極，所述耦合電感L2的輸入端連接濾波電感L，所述耦合電感L2的輸出端連接IGBT器件Q2的發(fā)射極?？梢酝ㄟ^配置合理的電感匝比來提升混合儲能系統(tǒng)中儲能單元的電壓接入范圍、裝置效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在上述方案中，所述雙向DC/AC變換器采用三電平拓撲結構，所述雙向DC/AC變換器的直流母線正負極之間設置有濾波電容C3、濾波電容C4且接入所述雙向DC/AC變換器的輸入端，所述雙向DC/AC變換器的輸出端經由電感L3、電感L4、電感L5、電感L6、電感L7、電感L8及電容C5、電容C6、電容C7組成的LCL濾波電路后連接至交流母線上。

在上述方案中，所述變流器監(jiān)控系統(tǒng)通過串行通信接口與觸摸屏通信。觸摸屏顯示儲能單元直流側的電壓、電流和電網交流側的電壓、電流，以及整個混合儲能變流器系統(tǒng)的運行參數(shù)、報警信息和事件記錄，同時可以進行充放電啟?？刂萍霸O置電池充放電電流、充放電功率、充放電截止條件等參數(shù)。

在上述方案中，所述混合儲能變流器裝置可運行在現(xiàn)地控制模式或遠方控制模式；在現(xiàn)地控制模式下，可通過觸摸屏對儲能單元進行恒電流或恒功率充放電控制；在遠方控制模式下，可通過以太網或串口通信方式對儲能單元進行恒電流或恒功率充放電控制，通信規(guī)約采用標準的以太網MODBUS-TCP或串口MODBUS規(guī)約。

本發(fā)明還公開了一種混合儲能變流器裝置的控制方法，包括以下步驟：

1)所述混合儲能變流器裝置實時采集電網交流側三相電壓Vac，與交流電壓的參考值Vac*進行比較后經過PI調節(jié)器生成功率指令P*；

2)利用高通濾波器對功率指令P*進行濾波得到其高頻動作分量作為超級電容器儲能單元的快速功率指令Pfast*，利用低通濾波器對功率指令P*進行濾波得到其低頻動作分量作為全釩液流電池儲能單元的慢速功率指令Pslow*，再將低通濾波和高通濾波后的功率指令剩余部分作為鋰離子電池儲能單元的中速功率指令Pmid*；

3)在儲能單元的SOC較低時限制所述混合儲能變流器裝置的放電功率，達到SOC下限時儲能單元停止放電；在儲能單元的SOC較高時限制所述混合儲能變流器裝置的充電功率，達到SOC上限時儲能單元停止充電；

4)各儲能單元同時達到充電功率限值或放電功率限值時，修改所述混合儲能變流器裝置的功率指令并按照所述混合儲能變流器裝置的最大充電功率或最大放電功率進行；

5)部分儲能單元超過充電功率限值或放電功率限值時，該儲能單元的充電功率或放電功率固定在限值處，其超出部分由其它儲能單元承擔。

實施本發(fā)明的一種混合儲能變流器裝置及控制方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明采用多個雙向DC/DC變換器在直流母線并聯(lián)后經雙向DC/AC變換器接入電網的拓撲結構，可以實現(xiàn)多種儲能單元的靈活接入，并將雙向DC/DC變換器設計為耦合電感DC/DC電路結構，有效擴大了儲能單元的電壓接入范圍，提升了裝置的效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明混合儲能變流器裝置的原理框圖；

圖2是雙向DC/DC變換器的電路結構圖；

圖3是耦合電感DC/DC變換器的電路結構圖；

圖4是雙向DC/AC變換器的電路結構圖；

圖5是混合儲能變流器裝置的功率分配圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。

如圖1所示，本發(fā)明一種混合儲能變流器裝置，包括多個并聯(lián)的雙向DC/DC變換器、雙向DC/AC變換器、隔離變壓器、變流器監(jiān)控系統(tǒng)、旁路電路。

雙向DC/DC變換器與雙向DC/AC變換器的直流母線連接，雙向DC/AC變換器通過隔離變壓器接入380V電網。雙向DC/DC變換器可分別接入全釩液流電池、鋰離子電池和超級電容器等多種儲能單元，實現(xiàn)混合儲能單元不同電壓等級電源的輸入，且各儲能單元可獨立進行恒電流或恒功率充放電控制。

如圖2所示，雙向DC/DC變換器包括IGBT器件Q1、IGBT器件Q2、電容C1、電容C2、濾波電感L，儲能單元的正負極之間連接電容C1，儲能單元的正極經濾波電感L接入IGBT器件Q1的集電極和IGBT器件Q2的發(fā)射極，IGBT器件Q2的集電極和IGBT器件Q1的發(fā)射極分別連接至直流母線的正負極。當儲能單元放電時，IGBT器件Q2關斷，雙向DC/DC變換器為BOOST電路；當儲能單元充電時，IGBT器件Q1關斷，雙向DC/DC變換器為BUCK電路。

如圖3所示，對上述雙向DC/DC變換器作進一步改進，其還包括耦合電感L2，耦合電感L2的公共端接入IGBT器件Q1的集電極，耦合電感L2的輸入端連接濾波電感L，耦合電感L2的輸出端連接IGBT器件Q2的發(fā)射極。通過配置合理的耦合電感匝比，降低PWM的占空比，從而避免雙向DC/DC變換器電路占空比不宜太大的限制。另一方面，以耦合電感L2取代雙向DC/DC變換器電路中的電感后，開關管的電壓應力大大降低，可以選擇低壓大電流的開關器件，器件的通態(tài)電阻比較小，電路的效率也比較高。

如圖4所示，雙向DC/AC變換器采用三電平拓撲結構，雙向DC/AC變換器的直流母線正負極之間設置有濾波電容C3、濾波電容C4且接入雙向DC/AC變換器的輸入端，雙向DC/AC變換器的輸出端經由電感L3、電感L4、電感L5、電感L6、電感L7、電感L8及電容C5、電容C6、電容C7組成的LCL濾波電路后連接至交流母線上。相比傳統(tǒng)的兩電平結構，該雙向DC/AC變換器在較低的開關頻率下可以獲得較高的電壓波形質量，且并網濾波電感體積小、重量輕，能夠有效提高變流器的耐壓、降低輸出電流諧波和開關損耗。

變流器監(jiān)控系統(tǒng)通過內部高速CAN通信總線與雙向DC/DC變換器和雙向DC/AC變換器進行實時通信，一方面采集雙向DC/DC變換器和雙向DC/AC變換器交直流側的電壓、電流信號，另一方面實現(xiàn)對雙向DC/DC變換器和雙向DC/AC變換器的PWM控制。

變流器監(jiān)控系統(tǒng)通過串行通信接口與觸摸屏通信。觸摸屏顯示儲能單元直流側的電壓、電流和電網交流側的電壓、電流，以及整個混合儲能變流器系統(tǒng)的運行參數(shù)、報警信息和事件記錄，同時可以進行充放電啟停控制及設置電池充放電電流、充放電功率、充放電截止條件等參數(shù)。

整個混合儲能變流器可以在現(xiàn)地控制模式或遠方控制模式下運行。在現(xiàn)地控制模式下，可通過觸摸屏對混合儲能單元單獨進行恒電流或恒功率充放電控制；在遠方控制模式下，可通過以太網或串口等通信方式對混合儲能單元進行恒電流或恒功率充放電控制，通信規(guī)約采用標準的以太網MODBUS-TCP或串口MODBUS規(guī)約。

旁路電路配合混合儲能變流器裝置實現(xiàn)并網與離網狀態(tài)的無縫切換。當電網正常運行時，混合儲能變流器可自動或者接收調度指令對各直流通道進行充放電控制；當電網故障時，儲能變流器通過旁路電路由并網P/Q運行模式切換到離網V/f運行模式，通過儲能直流支路支撐逆變器直流電壓；當電網恢復正常時，混合儲能變流器通過旁路電路由離網V/f運行模式切換到并網P/Q運行模式。在混合儲能變流器裝置并/離網切換過程中，為了不中斷電源供電，需要通過旁路電路配合實現(xiàn)裝置并網與離網狀態(tài)的無縫切換。

本發(fā)明還公開了一種混合儲能變流器裝置的控制方法，包括以下步驟：

1)所述混合儲能變流器裝置實時采集電網交流側三相電壓Vac，與交流電壓的參考值Vac*進行比較后經過PI調節(jié)器生成功率指令P*。

2)采用低通濾波和高通濾波相結合的方法確定混合儲能變流器裝置中各儲能單元的功率分配：利用高通濾波器對功率指令P*進行濾波得到其高頻動作分量作為超級電容器儲能單元的快速功率指令Pfast*，利用低通濾波器對功率指令P*進行濾波得到其低頻動作分量作為全釩液流電池儲能單元的慢速功率指令Pslow*，再將低通濾波和高通濾波后的功率指令剩余部分作為鋰離子電池儲能單元的中速功率指令Pmid*。

3)在儲能單元的SOC較低時限制所述混合儲能變流器裝置的放電功率，達到SOC下限時儲能單元停止放電；在儲能單元的SOC較高時限制所述混合儲能變流器裝置的充電功率，達到SOC上限時儲能單元停止充電?；旌蟽δ茏兞髌餮b置中，過充過放都會對儲能單元造成很大的傷害，縮短儲能單元的使用壽命，因此采取上述措施能有效控制儲能單元進行充電/放電。

4)各儲能單元同時達到充電功率限值或放電功率限值時，修改所述混合儲能變流器裝置的功率指令并按照所述混合儲能變流器裝置的最大充電功率或最大放電功率進行。

5)部分儲能單元超過充電功率限值或放電功率限值時，該儲能單元的充電功率或放電功率固定在限值處，其超出部分由其它儲能單元承擔。

上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。