CN103997046A - 箱式储能变电站储能单元投切控制方法 - Google Patents

箱式储能变电站储能单元投切控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种箱式储能变电站储能单元投切控制方法，取消了电容器柜用双向逆变器替代，通过储能单元实现功率因数补偿，提高电能质量，从而可以取消双路电源、储能电源供电，当设检修时，可以利用储能单元供电，使电源不间断，持续可靠供电；在夏季用电高峰，可以利用储能单元补充电网电能，给用户供电，同时还可以接入太阳能、风能电源存入储存电能，节能环保，此外，当接入电源中断时，储能单元给重要设备持续供电，在重要设备的场合下，作为应急电源使用。

Description

箱式储能变电站储能单元投切控制方法
技术领域
本发明涉及一种箱式变电站，尤其涉及一种具有储能装置的箱式变电站中储能装置的投切控制方法。
背景技术
箱式变电站是一种高压开关设备、配电变压器和低压配电装置，按一定接线方案排成一体的工厂预制户内、户外紧凑式配电设备，即将高压受电、变压器降压、低压配电等功能有机地组合在一起，安装在一个防潮、防锈、防尘、防鼠、防火、防盗、隔热、全封闭、可移动的钢结构箱体内，机电一体化，全封闭运行，特别适用于城网建设与改造，是继土建变电站之后崛起的一种崭新的变电站。箱式变电站适用于矿山、工厂企业、油气田和风力发电站，它替代了原有的土建配电房，配电站，成为新型的成套变配电装置。
目前箱式变电站大都由高压进线柜、高压计量柜、高压出线柜、变压器、低压进线柜、低压补偿柜、低压出线柜构成，其中低压补偿柜利用电容器投切进行补偿电网中的感性电流，降低线路损耗，提高线路输电能力，并提高电网的功率因数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种利用储能单元来代替双路电源接入，利用储能装置的四象限运行原理代替电容柜进行功率补偿的箱式变电站中储能单元的投切控制策略；即实现一种利用储能单元实现储能箱式变电站下用电负荷不间断供电代替双路供电和检修停电、及柴油发电机中功能的投切控制策略。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：箱式储能变电站储能单元投切控制方法，计量柜和低压配电柜之间低压母排上经过双向逆变器接入有储能单元，所述双向逆变器与低压母排之间设有接触器，所述双向逆变器与储能单元之间设有电池投切开关，储能单元输出状态信号至电池管理系统，所述电池管理系统输出驱动信号至电池投切开关；
箱式储能变电站设有电能管理系统，所述电能管理系统采集高压侧电压信号、高压侧开关状态信号、高压侧电路信号、低压侧电压信号、低压侧开关信号、无功电流信号、负荷电压信号、负荷电流信号、电池输出电流信号，并输出控制信号至接触器，所述双向逆变器与双向逆变器控制器通讯，所述双向逆变器控制器与电能管理系统通讯；
基于上述系统设置以下工作模式：
(1)交流充电模式：当储能单元电量不足，用电低谷时，利用市电对储能单元进行储能充电；
(2)离网放电模式：当高压断电，储能单元放电至低压母线；
(3)并网放电模式：接受调度中心指令：用电高峰期，储能单元放电至低压母线；
(4)无功补偿模式：在高压正常供电下，互感器检测电能质量，进行无功补偿调节。
箱式储能变电站设有新能源并与储能单元连接，所述的新能源接入点连接光伏发电装置和/或风力发电装置，所述储能单元和新能源接入点之间设有新能源投切开关，系统还设有直流充电模式：当高压正常供电，光伏/风能发电优先接入直流母线给电池充电。
箱式储能变电站开始工作时，检测电网是否正常工作，若否，则进入离网放电模式，若是，则由电网供电，用电负载正常运行；
用电负载正常运行时，若系统检测储能单元储能为充足，则再判断低压侧功率因数是否过低，若是，则进入无功补偿模式；若系统检测储能单元储能为不足，则会对储能单元进行充电，若此时为用电高峰时间段，则进入直流充电模式，若此时为用电低峰时间段，则进入交流充电模式。
电能管理系统通过储能装置、低压负荷和线路保护测控实时监控设备运行状态，当线路保护测控监测到低压母线上PCC点断开后，电能管理系统即可判断微电网进入储能装置离网放电模式。
所述的具有无功补偿模式4种工作状态，当前级直流电源能量充足时，逆变器向电网输送有功的同时输送感性无功或容性无功，当前级直流电源能量不足时，逆变器可从电网吸收有功而向电网输送感性无功或容性无功。
所述无功补偿模式4种工作状态：
当Uo超前UN，并网电流超前电网电压，功率因数角即有功功率此时逆变器工作在逆变状态，系统向电网输送有功电流和容性无功电流；
当Uo滞后UN，并网电流超前电网电压，功率因数角即有功功率 Q＝UI sin＞0，即此时前级直流电流能量不足，系统需要从电网吸收有功功率维持系统运行，与此同时系统向电网输出容性无功电流；
当Uo超前UN，并网电流滞后电网电压，功率因数角即有功功率 此时系统向电网输送有功电流和感性无功电流；
当Uo滞后UN，并网电流滞后电网电压，功率因数角即有功功率此时逆变器工作于无功补偿状态，系统从电网吸收有功功率维持系统运行，与此同时系统向电网输出感性无功电流。
所述的投切控制系统还设有温度传感器、湿度传感器、通信单元和报警单元，所述温度传感器、湿度传感器实时将温度和湿度信号输送至控制器，当温度和湿度超过预设阀值时，则通过通信单元发送至远端管理站点，并输出报警信号至报警单元。
本发明取消电容器柜用双向逆变器替代，通过储能单元实现功率因数补偿，提高电能质量，从而可以取消双路电源、储能电源供电，当设检修时，可以利用储能单元供电，使电源不间断，持续可靠供电；在夏季用电高峰，可以利用储能单元补充电网电能，给用户供电，同时还可以接入太阳能、风能电源存入储存电能，节能环保，此外，当接入电源中断时，储能单元给重要设备持续供电，在重要设备的场合下，作为应急电源使用。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为箱式储能变电站结构示意图；
图2为箱式储能变电站控制原理框图；
图3为箱式储能变电站电路示意图；
图4(a)输出有功的同时释放电容性无功；
图4(b)吸收有功的同时释放电容性无功；
图4(c)输出有功的同时释放感性无功；
图4(d)吸收有功的同时释放感性无功；
图5为双向逆变器无功控制框图；
图6为双向逆变器无功控制策略框图；
图7为并网运行时系统能力流动示意图；
上述图中的标记均为：1、高压进线柜；2、变压器；3、计量柜；4、储能装置；5、低压配电柜；41、断路器；42、电流互感器；43、接触器；44、双向逆变器；45、储能单元；46、新能源接入点；
图7中虚线箭头为光伏出力小于蓄电池充电需求时；点划线箭头为光伏出力大于蓄电池充电需求，或者蓄电池放电时；实线箭头为光伏出力方向。
具体实施方式
在能源越来越紧张、对供电的要求越来越高的时期，储能箱式变电站是在智能电网与新能源时代发展下，以此在传统箱变基础上设计多功能、智能化储能箱式变电站，不仅可以保障供电可靠性、安全性，将太阳能、风能发电接入变电站，在用电紧张地区可以起到削峰填谷，在偏远地区可以保障供电持续性。同时为工厂重要设备提供紧急电源。储能箱式变电站能够结合当前电网中存在的无功功率问题，在不增加无功补偿柜的基础上，让其具备在向电网输出有功功率的同时还能向电网输出无功功率，不但提高并网逆变器利用率、降低设备成本，同时还能提高电网功率因数，优化电网供能质量。
参见图1可知，箱式储能变电站结构依次高压进线柜、变压器、计量柜、储能室和低压配电柜，其中高压进线柜连接高压电网，变压器将进行电压转换，计量柜进行电能统计，低压配电柜用于将电流输送至低压电网，计量柜和低压配电柜之间通过低压母排连接。
储能室接入在低压母排上，储能室包括储能单元(储能单元可以是电池组)、新能源接入点、直流母排、双向逆变器、接触器、电流互感器和断路器，储能单元和新能源接入点均接入到直流母排上，直流母排依次经双向逆变器、接触器、电流互感器和断路器接入到低压母排，实现储能无功补偿。
上述新能源接入点可以连接光伏发电装置和/或风力发电装置，这样可以充分利用可再生资源，并能供间接实现新能源并网发电的功能。
参见图3可知，箱式储能变电站设有电能管理系统(EMS)，储能室内设有电池管理系统(BMS)，电能管理系统在整个系统中起到中心监控的作用，可以实现对整个系统状态监控及电能质量管理，EMS系统有高速运行PLC为控制器和实时的监控界面。通过电流互感器和电流霍尔元件采样到电流信号接入控制器和电压信号接入，以及开关状态信号，通过电路开关状态，执行逻辑程序中设备运行的各种模式，由EMS发出指令，双向逆变器在各种模式之间切换。并通过计算视在功率、有功功率、无功功率、电池信息，由EMS内部程序调节电路电能质量，以及给电池充放电。另外还可以通过通讯接受电网调度中心指令进行电能配送。
EMS智能检测将测量、控制、监测、保护等进行一体化的融合设计。可以集小型化的智能发电、线路、变电、配电、用电和调度与一体。采用数字化保护测控一体化装置，采用直接对常规互感器采样的方式完成电压、电流的测量；断路器、刀闸位置等开关量信息通过硬接点直接采集；断路器的跳合闸通过硬接点直接控制方式完成。具备IEC61850协议的以太网通信方式与监控系统相连。
如图2所述，箱式储能变电站控制原理框图，电能管理系统采集高压侧电压信号、高压侧开关状态信号、高压侧电路信号、低压侧电压信号、低压侧开关信号、无功电流信号、负荷电压信号、负荷电流信号、电池输出电流信号，并输出控制信号至接触器，控制储能单元的投切与否。双向逆变器与双向逆变器控制器通讯，双向逆变器控制器与电能管理系统通讯，并且与电池管理系统利用can通讯，电能管理系统设有无线通讯单元与外部进行通讯。此外在直流母排与新能源接入点之间设有新能源投切开关，电能管理系统输出控制信号至新能源投切开关，控制是否有通过新能源对储能单元进行充电。
此外电能管理系统还设有温度传感器、湿度传感器、通讯单元和报警单元，温度传感器、湿度传感器将变电站内环境和器件的温度状态信号输送至控制器，控制器将信号经通讯单元发送至远端管理站点，远端管理站点则可实时关注到每个箱式变电站的状态，当系统出现异常时，控制器输出报警信号至报警单元，发出警报，提醒行人远离变电站，同时发出异常状态信号至远端管理站点，以便工作人员及时维护。
基于上述系统设置以下工作模式：
(1)交流充电模式：当储能单元电量不足，用电低谷时，利用市电对储能单元进行储能充电；
(2)离网放电模式：当高压断电，储能单元放电至低压母线；
(3)并网放电模式：接受调度中心指令：用电高峰期，储能单元放电至低压母线；
(4)无功补偿模式：在高压正常供电下，互感器检测电能质量，进行无功补偿调节。
(5)直流充电模式：当高压正常供电，光伏/风能发电优先接入直流母线给电池充电
当电能管理系统开始工作时，系统控制程序流程图主要通过EMS、逆变器控制器、BMS实现各种模式的切换运行
如图2所示，检测电网是否正常工作，若否，则进入离网放电模式，若是，则由电网供电，用电负载正常运行；
用电负载正常运行时，若系统检测储能单元储能为充足，则再判断低压侧功率因数是否过低，若是，则进入无功补偿模式；若系统检测储能单元储能为不足，则会对储能单元进行充电，若此时为用电高峰时间段，则进入直流充电模式，若此时为用电低峰时间段，则进入交流充电模式。
本发明控制方法能够做到并网、离网无缝切换，微网并网运行时，当计划检修或配电网出现故障时，微网将切换至离网运行模式，储能的快速控制可以缩短系统电压及频率的过渡时间，实现模式的灵活切换。微网离网运行时，当接收到并网调度指令，微网将切换至并网运行模式，快速准确的电网状态检测以及电压同步控制可以减少并网冲击，实现模式的平稳切换。
电能管理系统通过储能装置、低压负荷和线路保护测控实时监控设备运行状态，当线路保护测控监测到低压母线上PCC点断开后，电能管理系统(EMS)即可判断微电网进入储能装置离网运行，此时立即向储能装置下达指令将对应主电源的控制模式切换到V/F控制，并根据线路保护测控实时检测到电压和频率值，实时调整储能装置电源出力以维持低压母线上电压和频率稳定，同时通过负荷检测和检测储能装置当前负荷运行情况，以此判断当前情况下储能装置电源最大出力与负荷需求与之匹配。
如图5、6所示，在储能箱式变电站中储能单元可以将将直流电源的能量以有功的形式并入电网的同时还能对电网中的无功电流分量进行补偿的功能，既可发出感性无功电流，又可发出容性无功电流。在提高并网逆变器利用率的同时，提高电网功率因数和电网供能质量。
在实际电网中，无功电流以感性无功或容性无功的方式存在，同时并网逆变器的前级直流电源可能存在能量充足与不足的情况。所以该系统存在着以下4种工作状态，当前级直流电源能量充足时，逆变器向电网输送有功的同时输送感性无功或容性无功，当前级直流电源能量不足时，逆变器可从电网吸收有功而向电网输送感性无功或容性无功。
下面同样以单相为例来分析并网逆变器工作于不同状态时，逆变器输出电压、电网电压、并网电流之间相位关系。如下图为系统工作在不同状态下的向量图。
在三相逆变系统中，并网逆变器直流侧的电压必须要高于与电网连接的交流侧电压，这样才能控制逆变器的能量输出从而控制并网电流。直流侧储能电容可以从前级直流电源或电网中获得有功能量，用以来维持逆变器直流端电压的稳定。
如图4(a)中，Uo超前UN，并网电流超前电网电压，功率因数角即有功功率此时逆变器工作在逆变状态，系统向电网输送有功电流和容性无功电流。
如图4(b)中，Uo滞后UN，并网电流超前电网电压，功率因数角即有功功率Q＝UI sin＞0，即此时前级直流电流能量不足，系统需要从电网吸收有功功率维持系统运行，与此同时系统向电网输出容性无功电流。
如图4(c)中，Uo超前UN，并网电流滞后电网电压，功率因数角即有功功率此时系统向电网输送有功电流和感性无功电流。
如图4(d)中，Uo滞后UN，并网电流滞后电网电压，功率因数角即有功功率此时逆变器工作于无功补偿状态，系统从电网吸收有功功率维持系统运行，与此同时系统向电网输出感性无功电流。
因此有功无功潮流的大小和方向均可控，PCS的四象限运行可以实现能量在直流电池侧和交流电网侧的双向传输，同时可以实现网侧功率因数的控制。
如图7所示，由于系统具有新能源接入点，在储能箱式变电站中储能单元可接入新能源(以光伏发电为例)，即可以形成光伏电池—电网—蓄电池混合供电不间断逆变电源的系统，各个模块通过直流母线连接进行电能的传递。电能管理系统(EMS)用于整个系统的电能协调管理与控制。光伏发电系统发出的电能经光伏变流器存入锂电池后，由交流变流器分时并入电网或直接供给用户使用，有日照时间，光伏系统将电能存入电池，储能电池存满后光伏系统会自动限制功率输出。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.箱式储能变电站储能单元投切控制方法，其特征在于：计量柜和低压配电柜之间低压母排上经过双向逆变器接入有储能单元，所述双向逆变器与低压母排之间设有接触器，所述双向逆变器与储能单元之间设有电池投切开关，储能单元输出状态信号至电池管理系统，所述电池管理系统输出驱动信号至电池投切开关；
箱式储能变电站设有电能管理系统，所述电能管理系统采集高压侧电压信号、高压侧开关状态信号、高压侧电路信号、低压侧电压信号、低压侧开关信号、无功电流信号、负荷电压信号、负荷电流信号、电池输出电流信号，并输出控制信号至接触器，所述双向逆变器与双向逆变器控制器通讯，所述双向逆变器控制器与电能管理系统通讯；
基于上述系统设置以下工作模式：
(1)交流充电模式：当储能单元电量不足，并在用电低谷时，利用市电对储能单元进行储能充电；
(2)离网放电模式：当PCC处电压跌落时，储能单元通过双向逆变器，交流电转换为直流电，放电至低压母线；
(3)并网放电模式：接受调度中心指令：用电高峰期，储能单元放电至低压母线；
(4)无功补偿模式：在高压正常供电下，无功电流互感器检测电能质量，进行无功补偿调节。
2.根据权利要求1所述的箱式储能变电站储能单元投切控制方法，其特征在于：箱式储能变电站设有新能源并与储能装置连接，所述的新能源接入点连接光伏发电装置和/或风力发电装置，所述储能装置和新能源接入点之间设有新能源投切开关，系统还设有直流充电模式：优先使用光伏/风能发电接入给电池充电。
3.根据权利要求2所述的箱式储能变电站储能单元投切控制方法，其特征在于：箱式储能变电站开始工作时，检测电网是否正常工作，若否，则进入离网放电模式，若是，则由电网供电，用电负载正常运行；
用电负载正常运行时，若系统检测储能单元储能为充足，则再判断低压侧功率因数是否过低，若是，则储能装置进入无功补偿模式；若系统检测储能单元储能为不足，则会对储能单元进行充电，若此时为用电高峰时间段，则进入直流充电模式，若此时为用电低峰时间段，则进入交流充电模式。
4.根据权利要求3所述的箱式储能变电站储能单元投切控制方法，其特征在于：电能管理系统通过储能装置、低压负荷和线路保护测控实时监控设备运行状态，当线路保护测控监测到低压母线上PCC点断开后，电能管理系统即可储能装置离网放电模式。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的箱式储能变电站储能单元投切控制方法，其特征在于：所述的无功补偿模式4种工作状态，当前级直流电源能量充足时，逆变器向电网输送有功的同时输送感性无功或容性无功，当前级直流电源能量不足时，逆变器可从电网吸收有功而向电网输送感性无功或容性无功。
6.根据权利要求5所述的箱式储能变电站储能单元投切控制方法，其特征在于：所述无功补偿模式具有4种工作状态：
当Uo超前UN，并网电流超前电网电压，功率因数角即有功功率 此时逆变器工作在逆变状态，系统向电网输送有功电流和容性无功电流；
当Uo滞后UN，并网电流超前电网电压，功率因数角即有功功率 Q＝UI sin＞0，即此时前级直流电流能量不足，系统需要从电网吸收有功功率维持系统运行，与此同时系统向电网输出容性无功电流；
当Uo超前UN，并网电流滞后电网电压，功率因数角即有功功率 此时系统向电网输送有功电流和感性无功电流；
当Uo滞后UN，并网电流滞后电网电压，功率因数角即有功功率 此时逆变器工作于无功补偿状态，系统从电网吸收有功功率维持系统运行，与此同时系统向电网输出感性无功电流。
7.根据权利要求6所述的箱式储能变电站储能单元投切控制方法，其特征在于：所述的投切控制系统还设有温度传感器、湿度传感器、通信单元和报警单元，所述温度传感器、湿度传感器实时将温度和湿度信号输送至控制器，当温度和湿度超过预设阀值时，则通过通信单元发送至远端管理站点，并输出报警信号至报警单元。
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