[发明专利]基于锂电池储能的功率转换系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于锂电池储能的功率转换系统及其控制方法。

背景技术

针对大部分可再生能源发电装置所产生的电能存在不可预测性和间歇性问题，国内外陆续开始尝试采用网架改造、风电预测技术、备用容量和大规模储能等手段来解决瓶颈问题。其中大规模储能系统以其具有动态响应特性好、寿命长、可靠性高等特点，在提高电网风电接纳能力领域为国内外所关注。同时，近年来大容量电池储能技术得到了快速发展和应用，相应的技术路线逐渐清晰，一些典型的储能电池技术已经初步具备应用于电力系统调频、调峰等诸多方面。其中锂电池因其比能量大、循环寿命长、安全性能好、可快速充放电、自放电少和无记忆效应等优点，在间歇性能源并网发电方面有很好的应用前景。

锂电池系统的广泛应用，需要一些核心技术支撑。功率转换系统(PCS)是其中重要的一项。传统功率转换系统由DC/DC、DC/AC和L滤波器组成，变流器控制采用SVPWM调制方法。电池组出力经DC/DC提升电压后，再经过DC/AC转换为三相交流输出，通过L滤波器与电网相连。现有的功率转换系统由于硬件结构和控制方法的原因，存在器件复杂、转换率低、开关损耗较大、波形失真、缺乏对电池系统保护等问题。

中国专利201110193855.7，名称为“基于锂电池和超级电容的储能并网电路及其控制方法”，提出储能并网电路及其控制思路，但没有考虑电池组SOC(荷电状态)状态，不利于对电池进行保护。其使用DC/DC设备，增加设备数量且功率很难做大，并使双向能量转换环节效率降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有功率转换系统在设备复杂、双向功率转换效率低、忽略储能电池系统保护、并网谐波滤波效果不好、缺少死区补偿等缺点，提出一种具有新的硬件结构的功率转换系统及其控制方法。

本发明功率转换系统采用的硬件结构包括锂电池系统、变流器电路、LCL滤波器、并网电路和DSP芯片，所述的锂电池系统、变流器电路、LCL滤波器顺序连接，DSP芯片连接到变流器的开关器件，用以输出控制电压。

本发明的锂电池系统采用锂电池单体串联或并联组成。根据锂电池系统的电压特性，可省去现有技术的DC/DC直流升压部分，减少设备的同时提高电能利用率。本发明采用LCL滤波器，与传统L滤波器相比，引入电容电流内环控制，增强系统稳定性，提高滤波效果，同时节约总的电感磁芯材料。本发明还加入锂电池系统SOC(电池荷电状态)检测控制策略，避免锂电池系统出现过度充电或者过度放电状态，延长储能电池组工作寿命，减少综合使用成本。采用电流反馈型补偿法对死区进行补偿，减少反馈二极管的续流产生的谐波，改善波形失真。采用SVPWM技术，每次开关切换只涉及一个器件，开关损耗小；利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单；变流器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM变流器输出电压高15％。

本发明功率转换系统的结构组成如下：

所述的锂电池系统由锂电池单体串联或并联组成。具体串联或并联方法以满足系统电压实际需求为标准。设定电网系统电压等级为u，串并联后形成的锂电池系统电压为U，U应不小于1.633倍的u。由于锂电池单体经过串并联形成的锂电池系统能够满足电网系统电压等级需求，并且具有输出电压稳定的特点，因此可以省去DC/DC升压稳压电路。锂电池系统直接连接到变流器的直流端。

所述的LCL滤波器由3组串联电感组和3个电容组成。电感两两串联为一电感组，三组电感组的一端分别接变流器三相交流输出端，三个电感组的另一端分别连接电网。3个电容的一端相互连接形成公共端，3个电容的另一端分别连接三组串联电感的公共端。在低频段，LCL滤波器的频率特性与单L滤波器是一致的，滤波电容仅影响电流的高频谐波成分，对低频尤其是基波基本没有影响；在高频段，LCL滤波器的幅值衰减速度远高于L滤波器，LCL滤波器有利于消除高次谐波。

锂电池系统的直流输出通过变流器转换为三相交流输出，变流器输出通过LCL滤波器滤波后连接到电网，采用SVPWM技术通过DSP芯片控制变流器。

本发明功率转换系统的控制方法如下：