CN105226687A

CN105226687A - 一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构

Info

Publication number: CN105226687A
Application number: CN201410276421.7A
Authority: CN
Inventors: �林昌明
Original assignee: �林昌明
Current assignee: Xining Zhao industry new energy technology development Co., Ltd.
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2016-01-06

Abstract

本发明提供一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构及其控制策略，该拓扑结构包括相连的补偿装置和A、B、C三相电网电路；所述补偿装置为将STATCOM功能与储能系统功能相结合的装置。该拓扑结构易于向高压大功率领域扩展，同时由于其开关频率低、损耗小，与储能装置结合可以减小储能系统的容量，从而减小装置的成本和体积。

Description

一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种大规模储能系统领域的系统，具体涉及一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构。

背景技术

光伏发电系统逐渐成为化石燃料的主要替代性能源，但其能量密度低，波动性、随机性等缺点会造成光伏系统接入点的电压跌落问题和频率波动问题。

动态无功补偿装置(STATCOM)可作为光伏发电系统的无功补偿装置来解决光伏发电并网引起的电压波动和闪变问题；随着储能技术的快速发展也使储能系统(EnergyStorageSystem，ESS)成为有效抑制光伏输出功率波动的关键技术。

由于无功补偿装置和储能系统都需要采用变流器并入交流电网，现有技术大都采用单独的储能系统和动态无功补偿装置分别对大规模光伏发电进行有功和无功补偿。本发明提出的拓扑结构具有较高的功率和电压等级，更适于大规模光伏发电系统的高压大功率场合，且该拓扑结构与蓄电池组合可以同时对大规模光伏发电进行有功和无功补偿。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构，其改进之处在于：所述拓扑结构包括相连的补偿装置和A、B、C三相电网电路；

所述补偿装置为将STATCOM功能与储能系统功能相结合的装置。

进一步的，所述补偿装置包括分别通过滤波器与所述A、B、C三相电网电路连接的补偿子模块。

进一步的，所述补偿子模块包括级联的单相逆变器，所述单相逆变器通过所述单相逆变器的全控器件连接。

进一步的，所述单相逆变器包括全控器件、蓄电池和电容，所述全控器件包括两个桥臂，每个所述桥臂包括两个开关管，每个开关管包括IGBT及其反并联二极管；

所述蓄电池、电容与所述桥臂两端并联，所述的补偿子模块之间相互并联。

进一步的，所述储能系统拓扑结构的负荷控制策略为：设定光伏系统输出功率的实际值与目标值的偏差ΔP及其临界值ΔP_m，根据所述偏差ΔP与所述临界值ΔP_m判断是否需要所述补偿装置进行有功补偿，对光伏输出功率的大幅波动进行平滑，避免蓄电池频繁充放电。

进一步的，根据所述偏差ΔP与所述临界值ΔP_m判断是否需要所述补偿装置进行有功补偿包括以下步骤：

I、判断所述偏差ΔP是否超过所述临界值ΔP_m，未超过则补偿无功功率，确定内环dq轴电流参考值为

I_{d}^{*} = 0; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*};

若超过则所述蓄电池平滑所述光伏系统的输出功率波动，补偿有功功率，进入步骤II；

II、判断SOC平均值是否保持若保持则确定内环dq轴电流参考值为否则进入步骤III；

III、所述补偿装置根据所述SOC平均值与有功电流正负确定有功电流参考值，若储能系统仅放电，确定内环dq轴电流参考值为

I_{d}^{*} = \{\begin{matrix} I_{d 0}^{*}, I_{d 0}^{*} &GreaterEqual; 0 \\ 0, I_{d 0}^{*} < 0 \end{matrix}; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*}

若储能系统仅充电，确定内环dq轴电流参考值为

I_{d}^{*} = \{\begin{matrix} 0, I_{d 0}^{*} &GreaterEqual; 0 \\ I_{d 0}^{*}, I_{d 0}^{*} < 0 \end{matrix}; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*} .

IV、根据步骤I、II或III确定所述内环dq轴电流参考值后判断总补偿电流是否越限，若未越线，则确定内环dq轴电流参考值为

若越限则采取有功优先控制或无功优先控制根据并网点电压确定有功电流和无功电流的参考值，若所述并网点电压符合并网标准，采用所述有功优先控制，确定内环dq轴电流参考值为：

I_{d}^{*} = I_{d 0}^{*}; I_{q}^{*} = \{\begin{matrix} \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{d}^{* 2},} I_{q 0}^{*} > 0 \\ - \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{d}^{* 2},} I_{q 0}^{*} < 0 \end{matrix}

若所述并网点电压超出并网标准，采用所述无功优先控制，确定内环dq轴电流参考值为：

I_{d}^{*} = \{\begin{matrix} \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{q}^{* 2},} I_{d 0}^{*} > 0 \\ - \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{q}^{* 2},} I_{d 0}^{*} < 0 \end{matrix}; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*} .

进一步的，所述储能系统拓扑结构的控制策略为通过调节各补偿子模块的全控器件的输出电压幅值调节各全控器件吸收或释放的有功功率，包括：

根据所述蓄电池SOC_i(i＝1...N)与所述蓄电池平均值的差值ΔSOC_i改变各单元调制波的幅值，控制存在差异的所述全控器件对应的所述蓄电池多吸收或多释放功率，使所述蓄电池SOC_i(i＝1...N)达到所述蓄电池平均值实现各补偿子模块的蓄电池均衡控制。

进一步的，所述储能系统拓扑结构的蓄电池均衡控制策略包括：

设定光伏输出功率经平滑后的有功输出目标值P^*、光伏输出功率的实际值P、所述的有功输出目标值P^*与所述实际值P的差值为变流器输出有功功率的参考值、变流器输出有功功率实际值P_B、公共连接点电压的参考值与实际值分别为与U_PCC，各补偿子模块的蓄电池SOC的平均值

与P_B做差经PI补偿环节获得初始有功电流给定值与U_PCC做差经PI补偿环节获得初始无功电流给定值通过复合功率控制对有功功率和无功功率进行协调控制，获得有功电流指令和无功电流指令分别与并网电流i_abc的dq轴分量I_d、I_q做差，经PI控制和解耦控制后得到三相调制波通过含SOC均衡控制的移相载波调制，获得所述逆变桥中开关管的开关信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的结构包括一种将动态无功补偿装置与储能系统(STACOM/ESS)结合的补偿装置，即STATCOM与ESS使用同一个变流器，对有功和无功进行协调控制

2、本发明的结构易于向高压大功率领域扩展，同时由于其开关频率低、损耗小，与储能装置结合可以减小储能系统的容量，从而减小装置的成本和体积。

3、本发明的结构可以避免各补偿子模块中蓄电池在运行过程中可能出现的SOC不均衡问题，延长电池使用寿命。

4、本发明的结构可应用在大规模光伏发电系统中，改善大规模光伏发电的并网特性。

附图说明

图1为本实施例中适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构的示意图；

图2为本发明提供的复合功率控制的流程图；

图3为本发明提供的SOC均衡控制的结构图；

图4为本发明提供的STATCOM/ESS控制系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构，该拓扑结构包括A、B、C三相电路；每相电路由N个逆变器串联，每个逆变器直流侧电容与蓄电池并联，各相电流i_a、i_b、i_c经过滤波电感L后并入三相交流电网。

如图1所示，图1为本实施例中适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构的示意图；该拓扑结构包括相连的补偿装置和A、B、C三相电网电路；所述补偿装置是一种将STATCOM功能与储能系统功能相结合的装置，该补偿装置即可实现储能系统有功输出的功能，也可实现STATCOM装置无功补偿的功能。

补偿装置包括分别通过滤波电路与三相A、B、C电网电路相连的补偿子模块组成。所述补偿子模块包括N个级联的单相逆变器，所述单相逆变器通过所述逆变器的全控器件连接；滤波电路包括串联的电阻和电感，电感端连接电网线路，电阻端连接补偿子模块。

所述单相逆变器包括全控器件、蓄电池和电容，所述全控器件包括两个桥臂，每个所述桥臂包括两个开关管，每个开关管包括IGBT及其反并联二极管；

所述蓄电池、电容与所述桥臂两端并联，所述的补偿子模块之间想不并联。

本发明的补偿装置为STATCOM功能与储能系统功能结合的装置，储能系统由各逆变器的蓄电池组合形成，装置为多电平结构，并具备SOC均衡功能。该变流器可以实现STATCOM装置和储能系统的功能。

所述补偿装置实现STATCOM功能与储能系统功能结合的方法为：

考虑STATCOM与储能系统装置的结构相同，所述补偿装置通过不同的控制方法使这个结构分别实现STATCOM的功能和储能系统的功能。

如图2所示，图2为本发明提供的复合功率控制的流程图；所述储能系统拓扑结构的负荷控制策略包括：

定义光伏系统输出功率的实际值与目标值的偏差为ΔP，设定其临界值ΔP_m，根据偏差与临界值大小判断是否需要STACOM/ESS装置进行有功补偿，从而使其仅对光伏输出功率的大幅波动进行平滑，避免其对有功功率频繁调节而造成蓄电池频繁充放电。

具体包括以下步骤：

I、判断所述偏差ΔP是否超过所述临界值ΔP_m，未超过则补偿无功功率，即当ΔP|＜ΔP_m时，确定内环dq轴电流参考值为

若超过，即当ΔP|≥ΔP_m时，所述蓄电池平滑所述光伏系统的输出功率波动，补偿有功功率，进入步骤II；

II、当对蓄电池进行充放电控制时，需要使SOC平均值维持在允许范围之内，即：从而防止蓄电池过度充放电；

判断SOC平均值是否保持若保持则确定内环dq轴电流参考值为否则进入步骤III；

III、当或时，补偿装置根据SOC平均值大小与有功电流正负确定有功电流参考值；

若储能系统只能放电、不能充电，从而使SOC逐渐减小，此时内环dq轴电流参考值为：

I_{d}^{*} = \{\begin{matrix} I_{d 0}^{*}, I_{d 0}^{*} &GreaterEqual; 0 \\ 0, I_{d 0}^{*} < 0 \end{matrix}; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*}

I_{d}^{*} = \{\begin{matrix} 0, I_{d 0}^{*} &GreaterEqual; 0 \\ I_{d 0}^{*}, I_{d 0}^{*} < 0 \end{matrix}; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*} .

IV、受变流器功率所限，当总的补偿电流越限时，即时，需根据并网点电压的跌落程度来限定有功电流和无功电流的参考值，分别采取有功优先控制和无功优先控制。

根据步骤I、II或III确定所述内环dq轴电流参考值后判断总补偿电流是否越限，若未越线，则确定内环dq轴电流参考值为

若越限则根据并网点电压的跌落程度来限定有功电流和无功电流的参考值，分别采取有功优先控制和无功优先控制；

若并网点电压符合并网标准，即U_{PCC_min}≤U_PCC≤U_{PCC_max}时，采用所述有功优先控制，确定内环dq轴电流参考值为：

I_{d}^{*} = I_{d 0}^{*}; I_{q}^{*} = \{\begin{matrix} \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{d}^{* 2},} I_{q 0}^{*} > 0 \\ - \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{d}^{* 2},} I_{q 0}^{*} < 0 \end{matrix}

若并网点电压超出并网标准，即U_PCC≤U_{PCC_min}或U_PCC≥U_{PCC_max}，采用所述无功优先控制，确定内环dq轴电流参考值为：

I_{d}^{*} = \{\begin{matrix} \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{q}^{* 2},} I_{d 0}^{*} > 0 \\ - \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{q}^{* 2},} I_{d 0}^{*} < 0 \end{matrix}; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*};

以上，分别表示前一时刻d轴、q轴电流的给定值，I_max表示变流器可以输出的最大电流。

表示蓄电池的SOC平均值，和表示蓄电池的SOC最小值和最大值限值；

U_PCC表示并网点电压，U_{PCC_min}和U_{PCC_max}分别表示并网点电压的最小值和最大值限值。

如图3所示，图3为本发明提供的SOC均衡控制的结构图；所述储能系统拓扑结构的控制策略为通过调节各补偿子模块的全控器件的输出电压幅值调节各全控器件吸收或释放的有功功率，包括：

将蓄电池SOC_i(i＝1...N)和蓄电池平均值的差值ΔSOC_i与各全控器件调制波幅值联系，根据所述差值ΔSOC_i改变各单元调制波的幅值，使存在差异的全控器件对应的蓄电池多吸收或多释放功率，使各蓄电池SOC_i达到平均值，实现各级联单元的SOC均衡控制。

如图4所示，图4为本发明提供的STATCOM/ESS控制系统的结构图；所述储能系统拓扑结构的蓄电池均衡控制策略包括：

设定P*为光伏输出功率经平滑后有功输出目标值，P为光伏输出功率的实际值，其差值为STATCOM/ESS输出有功功率的参考值，P_B为STATCOM/ESS输出有功功率实际值，与U_PCC分别为公共连接点电压的参考值与实际值，为各级联单元蓄电池SOC的平均值；

与P_B做差经PI补偿环节得到初始有功电流给定值与U_PCC做差经PI补偿环节得到初始无功电流给定值通过复合功率控制对有功和无功功率进行协调控制，得到实际的有功电流指令和无功电流指令分别与并网电流i_abc的dq轴分量I_d、I_q做差，经PI控制和解耦控制后得到三相调制波通过含SOC均衡控制的移相载波调制，得到各个逆变桥中开关管的开关信号。

上述光伏系统输出功率的临界值指光伏系统输出功率的实际值与所设定目标值之间偏差，当这个偏差大于临界值时，说明此时的光伏输出具有较大的功率波动，需要进行平滑。临界值的设定根据光伏系统的功率等级来设定。

上述蓄电池SOC平均值的范围指的是蓄电池的安全工作区间，范围是20％～80％。

上述并网点电压的范围为标准电压的±10％。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构，其特征在于：所述拓扑结构包括相连的补偿装置和A、B、C三相电网电路；

所述补偿装置为包括STATCOM功能和储能系统功能的装置。

2.如权利要求1所述的储能系统拓扑结构，其特征在于：所述补偿装置包括分别通过滤波电路与所述A、B、C三相电网电路连接的补偿子模块。

3.如权利要求2所述的储能系统拓扑结构，其特征在于：所述补偿子模块包括级联的单相逆变器，所述单相逆变器通过所述单相逆变器的全控器件连接。

4.如权利要求3所述的储能系统拓扑结构，其特征在于：所述单相逆变器包括全控器件、蓄电池和电容，所述全控器件包括两个桥臂，每个所述桥臂包括两个开关管，每个开关管包括IGBT及其反并联二极管；

5.如权利要求2所述的储能系统拓扑结构，其特征在于：所述储能系统拓扑结构的负荷控制策略为：设定光伏系统输出功率的实际值与目标值的偏差ΔP及其临界值ΔP_m，根据所述偏差ΔP与所述临界值ΔP_m判断是否需要所述补偿装置进行有功补偿，对光伏输出功率的大幅波动进行平滑，避免蓄电池频繁充放电。

6.如权利要求5所述的储能系统拓扑结构，其特征在于：根据所述偏差ΔP与所述临界值ΔP_m判断是否需要所述补偿装置进行有功补偿包括以下步骤：

I_{d}^{*} = 0; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*};

I_{d}^{*} = \{\begin{matrix} I_{d 0}^{*}, I_{d 0}^{*} &GreaterEqual; 0 \\ 0, I_{d 0}^{*} < 0 \end{matrix}; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*}

若储能系统仅充电，确定内环dq轴电流参考值为

I_{d}^{*} = \{\begin{matrix} 0, I_{d 0}^{*} &GreaterEqual; 0 \\ I_{d 0}^{*}, I_{d 0}^{*} < 0 \end{matrix}; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*} .

I_{d}^{*} = I_{d 0}^{*}; I_{q}^{*} = \{\begin{matrix} \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{d}^{* 2},} I_{q 0}^{*} > 0 \\ - \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{d}^{* 2},} I_{q 0}^{*} < 0 \end{matrix}

I_{d}^{*} = \{\begin{matrix} \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{q}^{* 2},} I_{d 0}^{*} > 0 \\ - \sqrt{I_{\max}^{2} - I_{q}^{* 2},} I_{d 0}^{*} < 0 \end{matrix}; I_{q}^{*} = I_{q 0}^{*} .

7.如权利要求2所述的储能系统拓扑结构，其特征在于：所述储能系统拓扑结构的控制策略为通过调节各补偿子模块的全控器件的输出电压幅值调节各全控器件吸收或释放的有功功率，包括：

8.如权利要求1所述的储能系统拓扑结构，其特征在于：所述储能系统拓扑结构的蓄电池均衡控制策略包括：