技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力电子技术和
电能质量控制技术，特别是一种级联式储能变流器检测平台及其控制方法。
背景技术
[0002]
电池技术和变流技术的不断发展使得电池储能变流装置在电力系统中产生了巨大的实用价值，电池储能变流装置可以根据调度部
门的指令快速吸收和释放电能，起到平滑
电网波动和降低电网运行损耗的作用，除了能够调节有功功率之外，还可以兼具
无功功率调节的作用，从而提高了电力系统运行的
稳定性和经济性。
[0003] 在多种电池储能变流器的拓扑结构中，级联式的方案具有谐波含量低、运行损耗低、动态响应速度快等显著优点，因此出现了多种形式的级联式储能变流器方案。如今已有人提出链式储能变流器的拓扑方案和控制方法，作为级联式储能变流器方案；其特点是级联储能变流器的功率模
块都分为交流侧和直流侧，交流测均采用H桥结构的变换器，同相的H桥依次相连，直流侧采用不同的DC-DC变换器和储能电池相连。
[0004]
现有技术主要解决的是级联式储能变流器的设计和控制的问题，对于装置调试和检验则缺乏相应的技术手段。又由于现有级联式储能变流器方案中，
电池组体积庞大、价格高昂，因此在不使用电池组的情况下完成级联式储能变流器的调试和检验，对级联式储能变流器真正实现产业化发展具有重要的现实意义。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种级联式储能变流器检测平台及其控制方法，通过模拟电池组的工作特性和模拟电网调度系统下发的遥调指令，使级联式储能变流器具备了运行所需要的外部条件，从而可以在不使用电池组的情况完成必要的调试和检测工作。
[0006] 本发明检测平台采用以下技术方案：一种级联式储能变流器检测平台，包括：
[0007] 一主
控制器，用于向待检测的级联式储能变流器的控制器发出有功指令和无功指令，模拟电网的调度指令控制级联式储能变流器从电网吸收的有功功率及无功功率，同时控制检测平台的整体工作情况；
[0008] 一多副边绕组
变压器，用于将电网的高
电压进行降压，低压侧设有多个独立的副边绕组，通过多个独立的副边绕组为若干PWM
整流器供电；
[0009] 若干PWM整流器，用于模拟电池组的工作特性，与待检测的级联式储能变流器的功率模块进行
能量交换；
[0010] 所述
主控制器通过光纤与PWM整流器相连，通过通讯
接口与待检测的级联式储能变流器的控制器相连，所述多副边绕组变压器的低压侧的多个独立的副边绕组和若干PWM整流器的交流侧一一对应相连，PWM整流器的直流侧与待检测的级联式储能变流器的功率模块的直流侧相连。
[0011] 所述主控制器内预先设置有功功率最大值PMAX和有功调节时间T1，主控制器向级联式储能变流器的控制器发出有功指令使其从电网吸收的有功功率的绝对值在T1内在PMAX与零之间线性变化。所述主控制器内预先设置无功功率最大值QMAX和无功调节时间T2，主控制器向级联式储能变流器的控制器发出无功指令使其从电网吸收的无功功率的绝对值在T2内在QMAX与零之间线性变化。
[0012] 优选的，所述PWM整流器包括电抗器、
电流传感器、桥式换流
电路及整流控制板；所述电抗器的进线侧为所述PWM整流器的交流侧，经过电流传感器与对应多副边绕组变压器的低压侧的副边绕组相连，电抗器的出线侧与桥式换流电路的
输入侧相连；整流控制板与桥式换流电路相连，与电流传感器相连；整流控制板与主控制器相连，用于控制PWM整流器的交流侧
无功电流为零，直流侧直流电压恒定。
[0013] 优选的，所述级联式储能变流器检测平台还包括：隔离
开关、主开关、旁路开关及限流
电阻，
隔离开关、主开关、限流电阻和多副边绕组变压器的高压侧依次
串联，旁路开关和限流电阻并联。
[0014] 本发明控制方法采用以下技术方案：基于上述级联式储能变流器检测平台的控制方法，包括以下步骤：
[0015] S1、启动所述级联式储能变流器检测平台和级联式储能变流器，使PWM整流器进入空载运行状态，主控制器向待检测的级联式储能变流器的控制器发出运行指令；
[0016] S2、主控制器向待检测的级联式储能变流器的控制器发出有功指令和无功指令，完成级联式储能变流器功率调节功能的测试；
[0017] S3、主控制器向若干PWM整流器直流侧发送电压变化量，若干PWM整流器根据所接收的电压变化量完成级联式储能变流器的容差能力的测试；
[0018] S4、主控制器控制某一PWM整流器直流侧的电压变化到该PWM整流器的工作区间之外，完成级联式储能变流器的电池组故障检测功能的测试。
[0019] 在一个优选方案中，所述步骤S2包括以下步骤：
[0020] S21、在主控制器内预先设置有功功率最大值PMAX和有功调节时间T1，主控制器按照线性变化的原则向级联式储能变流器的控制器发出有功指令，使级联式储能变流器从电网吸收的有功功率在0～T1的时间内从零增加到PMAX，在T1～2T1的时间内从PMAX减小到零，在2T1～3T1的时间内从零增加到-PMAX，在3T1～4T1的时间内从-PMAX减小到零；
[0021] S22、在主控制器内预先设置无功功率最大值QMAX和无功调节时间T2，主控制器按照线性变化的原则向级联式储能变流器的控制器发出无功指令，使级联式储能变流器从电网吸收的无功功率在0～T2的时间内从零增加到QMAX，在T2～2T2的时间内从QMAX减小到零，在2T2～3T2的时间内从零增加到-QMAX，在3T2～4T2的时间内从-QMAX减小到零。
[0022] 在一个优选方案中，所述步骤S3包括以下步骤：
[0023] S31、在主控制器内设置若干PWM整流器直流侧电压的变化量，所设置的变化量发至PWM整流器的整流控制板，整流控制板接收后重新计算PWM整流器直流侧电压的目标值，设置完毕后启动所述级联式储能变流器检测平台，各个PWM整流器直流侧的电压稳定在设置变化量后的电压值；
[0024] S32、返回步骤S2，并观测级联式储能变流器对有功功率和无功功率的调节效果，如果调节效果正常，则适应直流侧的电压偏差；继续通过主控制器
修改若干PWM整流器直流侧电压的目标值，模拟功率传输过程中电池组出现的电压波动，如果级联式储能变流器仍然准确跟随主控制器的有功指令和无功指令，则适应直流侧的电压波动。
[0025] 优选的，所述步骤S4包括以下步骤：
[0026] S41、返回步骤S2，并通过主控制器调节某一个PWM整流器直流侧的电压目标值，使PWM整流器直流侧电压值不断升高或者降低到该PWM整流器的工作区间之外；级联式储能变流器的控制器检测到该直流侧电压值的超限后启动旁路功能，将直流电压异常的级联式储能变流器的功率模块和同级的级联式储能变流器的功率模块一起
切除；
[0027] S42、返回步骤S2，并通过主控制器发出闭
锁指令控制某一个PWM整流器停止工作，级联式储能变流器从电网吸收的有功功率将引起PWM整流器直流侧电压的突变；级联式储能变流器的控制器检测到所述直流侧电压的突变后启动旁路功能，将直流电压异常的级联式储能变流器的功率模块和同级的级联式储能变流器的功率模块一起切除。
[0028] 与现有技术相比，本发明所提供的一种级联式储能变流器检测平台及其控制方法，具有以下优点及有益效果：可以模拟电池组的工作特性为级联式储能变流器提供能量交换的途径，包括模拟正常状态下电池的电压源特性、充放电过程中的电压波动特性和各台电池组经过长期运行后出现电压差异的特性；可以模拟电网调度系统下发的运行指令控制级联式储能变流器，包括启动指令、停止指令、有功功率指令和无功功率指令；可以模拟单台电池组出现故障来检验级联式储能变流器旁路功能和保护功能。因此，在无需安装价格高昂的电池组的情况下即可完成不同拓扑结构的级联式储能变流器的检测，促进了级联式储能变流器的标准化和产业化发展。
附图说明
[0029] 图1是本发明级联式储能变流器测试平台的拓扑结构图；
[0030] 图2是PWM整流器的拓扑结构示意图；
[0031] 图3是测试平台与级联式储能变流器完成组装后的拓扑结构图；
[0032] 图4是主控制器控制有功功率的变化过程图；
[0033] 图5是主控制器控制无功功率的变化过程图。
具体实施方式
[0034] 为了更好的理解本发明所公开的技术内容，下面结合
实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0035] 实施例
[0036] 本发明所涉及的一种级联式储能变流器检测平台，如图1所示，包括隔离开关1、主开关2、旁路开关3、限流电阻4、多副边绕组变压器5、主控制器7及若干PWM整流器6，其中隔离开关1、主开关2、限流电阻4和多副边绕组变压器5的高压侧依次串联，旁路开关3和限流电阻4并联，多副边绕组变压器5的低压侧和对应的PWM整流器6交流侧相连，PWM整流器6直流侧与待检测的级联式储能变流器的功率模块16的直流侧相连。
[0037] 所述多副边绕组变压器5将电网的高电压进行降压，通过各自独立的多个副边绕组为对应的PWM整流器6供电，为各个PWM整流器6提供幅值合适、电位隔离的三相交流电压。
[0038] PWM整流器6的作用是模拟电池组的工作特性，能够与级联式储能变流器功率模块16进行能量交换，并能够
跟踪主控制器7的指令模拟电池组运行过程中可能发生的异常现象。参见图2，所述PWM整流器6包括电抗器8、电流传感器9、桥式换流电路10、直流
支撑电容11及整流控制板12。电抗器8的进线侧为所述PWM整流器6的交流侧，经过电流传感器9与对应多副边绕组变压器5的低压侧相连，电抗器8出线侧与桥式换流电路10的输入侧相连。桥式换流电路10的
输出侧与直流支撑电容11相连，直流支撑电容11的两端为PWM整流器6的直流侧。整流控制板12与桥式换流电路10相连，与电流传感器9和直流支撑电容11两端相连，通过光纤与主控制器7相连。
[0039] 模拟电池组工作特性的原理，具体如下：PWM整流器6在整流控制板12的调节下工作，整流控制板12采集电抗器8进线侧的三相交流电压、三相交流电流和直流支撑电容11两端的直流电压。整流控制板12对PWM整流器6的控制目标为：交流侧无功电流为零，直流侧直流电压恒定。整流控制板12通过光纤与主控制器7通讯，接收主控制器7对PWM整流器6的调节指令和运行/闭锁指令，同时上传PWM整流器6的实时状态；整流控制板12将计算出的PWM驱动
信号发送至桥式换流电路10，控制PWM整流器6的工作状态与控制目标相符。
[0040] 所述主控制器7设有开出量接口、开入量接口、光纤接口、交流
采样接口和通讯接口，开出量接口与主开关2、旁路开关3的合闸、分闸线圈相连，开入量接口与隔离开关1、主开关2、旁路开关3的
位置节点相连，光纤接口通过光纤与整流控制板12相连，交流采样接口与现场的电压互感器13和电流互感器14相连，通讯接口与待检测级联式储能变流器控制器15相连。
[0041] 所述主控制器7为本发明检测平台的控制核心，通过开入量接口和开出量接口与隔离开关1、主开关2和旁路开关3的位置信号和合分闸线圈相连，控制检测平台按照设定的过程完成启动和停机；通过交流采样接口采集外部电压和电流，判断检测平台是否发生电压和电流异常，超过检测平台的安全范围则发出跳闸信号，保证检测平台安全退出；通过光纤与各个PWM整流器6相连，下发调节指令和运行/闭锁指令，使PWM整流器6按照设定的过程模拟电池组的工作特性，并接收PWM整流器6的实时状态，发生异常时则发出跳闸信号，保证检测平台安全退出；通过通讯接口与待检测级联式储能变流器相连，模拟电网调度系统下发启动、停机、有功功率和无功功率等调度指令控制待检测级联式储能变流器的运行状态。
[0042] 按上述连接关系将所述测试平台与级联式储能变流器进行组装，检测平台的输入侧接入电网，级联式储能变流器的功率模块16的直流侧与PWM整流器6的直流侧相连，同相的功率模块的交流侧串联后经过PWM整流器6的电抗器接入电网。组装完成后的效果如图3所示，检测平台和级联式储能变流器共同构成了一台电能可以双向流动的变流装置，也就是说电能可以从测试平台进入，经过级联式储能变流器回馈至电网，也可以反过来从级联式储能变流器进入，经过测试平台回馈至电网。图3中的，检测平台和储能变流器均为三相设备，即A相、B相和C相，A1-An指A相第一级到第n级功率模块，B1-Bn指B相第一级到第n级功率模块，C1-Cn是指C相第一级到第n级功率模块。
[0043] 本发明测试平台通过模拟
蓄电池的工作特性和模拟电网调度中心的遥调指令，为级联式储能变流器的运行提供了完整的外部条件，从而实现了对级联式储能变流器的检测，检测的过程包括以下几个步骤：
[0044] （1）启动检测平台和级联式储能变流器
[0045] 手动将隔离开关闭合，主控制器检测到隔离开关处于合位后测量高压是否接入，如果高压正常，则控制主开关闭合，多副边绕组变压器和PWM整流器在限流电阻的作用下完成预充电，再控制旁路开关闭合，将限流电阻切除，通过光纤向各个PWM整流器的整流控制板发出运行指令，从而使PWM整流器进入运行状态。
[0046] 此时待检测级联式储能变流器尚未开始工作，和本发明测试平台之间没有电能交换，因此各个PWM整流器其实处于空载状态，即交流侧电流几乎为零，直流侧电压稳定在预设值。
[0047] 主控制器向待检测级联式储能变流器的控制器发出运行指令，级联式储能变流器的开关闭合，功率单元体开始
输出电压，由于主控制器尚未给出有功功率和无功功率的具体指令，级联式储能变流器将工作在有功功率和无功功率都为零的状态，和本发明测试平台之间仍然没有电能交换。
[0048] （2）测试功率调节功能
[0049] 主控制器按照有功调节和无功调节的顺序依次发出有功功率和无功功率的指令，完成级联式储能变流器功率调节功能的测试，过程如下：
[0050] a.在主控制器内预先设置有功功率最大值PMAX和有功调节时间T1，则主控制器按照线性变化的原则向级联式储能变流器的控制器发出有功指令，有功功率的变化过程如图4所示。在图4中，级联式储能变流器从电网吸收的有功功率在0～T1的时间内从零增加到PMAX，在T1～2T1的时间内从PMAX减小到零，在2T1～3T1的时间内从零增加到-PMAX，在
3T1～4T1的时间内从-PMAX减小到零。由于测试平台的各个PWM整流器控制直流侧电压恒定，交流侧无功功率为零，因此PWM整流器的有功功率就由级联式储能变流器决定：当级联式储能变流器吸收有功为正值的时候，所吸收的有功功率就经过PWM整流器和多绕组变压器回馈至电网，当级联式储能变流器吸收的有功为负值的时候，有功功率就经过多绕组变压器和PWM整流器补充到级联式储能变流器。
[0051] b.在主控制器内预先设置无功功率最大值QMAX和无功调节时间T2，则主控制器按照线性变化的原则向级联式储能变流器的控制器发出无功指令，无功功率的变化过程如图5所示。在图5中，控制级联式储能变流器从电网吸收的无功功率在0～T2的时间内从零增加到QMAX，在T2～2T2的时间内从QMAX减小到零，在2T2～3T2的时间内从零增加到-QMAX，在3T2～4T2的时间内从-QMAX减小到零。由于测试平台的各个PWM整流器控制直流侧电压恒定，交流侧无功功率为零，PWM整流器在进行无功功率测试的时候与级联式储能变流器之间基本没有能量流动。
[0052] （3）模拟电池组电压差异
[0053] 电池组由于个体存在差异，长期运行后各项指标均会发生变化，对级联式储能变流器来说，影响最大的就是电池组电压会出现偏差，级联式储能变流器必须有相当的容差能力才能具备实用价值，容差能力测试的过程如下：
[0054] a.在主控制器内设置若干PWM整流器直流侧电压的变化量，该变化量可以是正值，也可以是负值，数值上应等于所模拟电池组正常情况下可能出现的最大电压偏差值。所设置的变化量通过光纤下发至整流控制板，整流控制板接收后重新计算直流侧电压的目标值，设置完毕后启动检测平台，各个PWM整流器直流侧的电压会稳定在设置了变化量后的电压值
水平。
[0055] b.返回步骤（2），再次进行功率调节功能的测试，观测级联式储能变流器对有功功率和无功功率的调节效果，如果调节效果正常，说明可以适应稳定的直流侧电压偏差；在测试过程中继续通过主控制器修改若干PWM整流器直流侧电压目标值，模拟功率传输过程中电池组出现的电压波动，如果级联式储能变流器仍然可以准确跟随有功功率和无功功率的指令，说明可以适应直流侧电压的波动。
[0056] （4）模拟电池组故障
[0057] 电池组经过长时间的使用后会出现一定的故障率，出现欠压、过压甚至无压的情况，级联式储能变流器为了保证电池组故障后持续运行，在设计时都具有一级或者两级冗余的能力，冗余功能和电池组故障检测功能的测试过程如下：
[0058] a.返回步骤（2），再次进行功率调节功能测试，测试过程中通过主控制器调节某一个PWM整流器直流侧的电压目标值，使PWM整流器直流侧电压值不断升高或者降低，一直变化到该PWM整流器能承受的工作区间之外。此时级联式储能变流器的控制器检测到该直流电压的超限后会启动旁路功能，将直流电压异常的级联式储能变流器的功率模块和同级的级联式储能变流器的功率模块一起切除。如果旁路功能正常实现则说明级联式储能变流器能正确检测直流电压的超限，并可以切除故障级联式储能变流器的功率模块。
[0059] b.返回步骤（2），再次进行功率调节功能测试，测试过程中通过主控制器发出闭锁指令控制某一个PWM整流器立刻停止工作。此时由于级联式储能变流器的功率模块失去了传输有功功率的途径，其从电网吸收的有功功率将会引起PWM直流侧电压的急剧变化，如果吸收的有功功率为正则直流电压突升，反之则突降。此时级联式储能变流器的控制器检测到该直流侧电压的突变后会启动旁路功能，将直流电压异常的级联式储能变流器的功率模块和同级的级联式储能变流器的功率模块一起切除。如果旁路功能正常实现则说明级联式储能变流器能正确检测直流侧电压的突变，并可以切除故障级联式储能变流器的功率模块。
[0060] （5）退出检测平台和级联式储能变流器
[0061] 在检测完成后，主控制器首先将有功功率和无功功率的指令都设置为零，再向级联式储能变流器的控制器发出停机指令，使其开关断开，级联式储能变流器从电网上退出；然后发出闭锁指令，控制全部PWM整流器停止工作，再向主开关和旁路开关发出分闸指令，控制主开关和旁路开关断开，使检测平台从电网退出。
[0062] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
