CN111308913A - 一种大容量电池储能电站半实物仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量电池储能电站半实物仿真建模方法，步骤包括：搭建含大容量电池储能电站的电网一次系统模型；选定目标储能变流器，将其输出的各类电压、电流关联至GTAO的指定端口与PCS控制模块相连；将目标储能变流器各断路器四者的控制信号及IGBT通断控制脉冲关联至GTDI的指定端口与PCS控制模块对应端口相连。将目标储能变流器收到的来自GTDI的控制信号和触发脉冲复制给其余各个储能变流器。本发明能够实现一个储能变流器控制模块控制多个储能变流器的半实物仿真，同时大大减少了大容量电池储能电站半实物仿真建模所需接口和储能变流器控制模块数量，应用前景广泛。

Description

一种大容量电池储能电站半实物仿真建模方法

技术领域

本发明涉及大容量电池储能电站技术，具体涉及一种大容量电池储能电站半实物仿真建模方法。

背景技术

储能系统对功率及能量的时空迁移能力是解决间歇性新能源功率输出波动性、间歇性等固有问题的有效措施，并随着风力发电、光伏发电等新能源技术的广泛普及应用而获得快速发展。相对于飞轮、抽水蓄能、压缩空气、超级电容等储能方式，电池储能电站具有储能密度大、选址灵活、安装便捷、可四象限平滑稳定运行等优点，在国内已进入广泛建设阶段，电源侧、负荷侧电池储能电站均有不小的建设规模。电网侧电池储能电站具有参与电网削峰填谷、频率调节、无功支撑和紧急控制等功能，大规模建设后可有效提升系统运行的灵活性、稳定性、经济性和清洁度，近年来在相关政策引导下迅猛发展，江苏、湖南、河南、青海等多地地方政府和电网企业都在积极布局和推动电网侧储能电站建设。

电池储能电站采用脉冲宽度调制变流技术实现四象限运行，受制于绝缘栅双极型晶体管IGBT容量和电气耐受性能限制，储能领域工程中单个PCS功率水平不高，以致大容量电池储能站须由数量众多的PCS并联构成。PCS电气模块可通过仿真软件建模，但由于PCS控制策略为厂家私有、且参差不齐，并考虑到PCS控制策略对电池储能站运行特性具有决定性作用，目前建立功率变流单元仿真模型最有效可靠的方法是半实物仿真，其中的实物指的是PCS控制模块，为电池储能站工程实际使用的同型号产品。但若为每个PCS均配置一个控制模块实物，则对于大容量电池储能电站而言，需要的控制模块实物数量巨大，一方面经济性差，另一方面实时数字仿真仪RTDS也很难具备足够的外部接口，方案可操作性极低，急需对PCS控制模块功能复用。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种大容量电池储能电站半实物仿真建模方法，本发明能够实现一个储能变流器控制模块控制多个储能变流器的半实物仿真，同时大大减少了大容量电池储能电站半实物仿真建模所需接口和储能变流器控制模块数量，应用前景广泛。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种大容量电池储能电站半实物仿真建模方法，实施步骤包括：

1）在实时数字仿真器RTDS的模型编辑界面RSCAD上搭建含大容量电池储能电站的电网一次系统模型；

2）在所述电网一次系统模型中选定一台储能变流器作为目标储能变流器，将目标储能变流器的交流侧三相电压、交流侧三相电流、电池堆侧的直流侧正负电压关联至高速模拟量输出板卡GTAO的指定端口，然后通过外部回路与储能变流器控制模块相连；

3）将目标储能变流器的交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器四者的控制信号，以及12个IGBT通断控制脉冲关联至高速数字量输入板卡GTDI的指定端口，然后通过硬接线与储能变流器控制模块对应端口相连。

4）将目标储能变流器收到的来自高速数字量输入板卡GTDI的控制信号和触发脉冲复制给其余各个储能变流器，实现一台储能变流器控制模块控制多台储能变流器运行的半实物仿真。

可选地，步骤1）中搭建含大容量电池储能电站的电网一次系统模型包括：等效成无穷大系统的电网系统、电网系统等效阻抗、10kV母线以及电池储能电站，所述电网系统通过电网系统等效阻抗与10kV母线相连，所述电池储能电站包括多个储能变流器，且每一个储能变流器连接有一个电池堆，其中电池堆用实时数字仿真器RTDS的软件模型库中的直流电源模型，所述储能变流器为基于IGBT的三电平结构储能变流器，且所述电池储能电站下辖各储能变流器通过干式变连接至10kV母线，实现各储能变流器的并联连接。

可选地，步骤2）的详细步骤包括：

2.1）在所述电网一次系统模型中选定一台储能变流器作为目标储能变流器，将目标储能变流器的交流侧三相电压、交流侧三相电流、电池堆侧的直流侧正负电压关联至高速模拟量输出板卡GTAO的指定端口；

2.2）将目标储能变流器的交流侧三相电压、电池堆侧的直流侧正负电压对应的高速模拟量输出板卡GTAO的指定端口通过硬接线连接至功率放大器，并设置高速模拟量输出板卡GTAO的参数使得功放输出准确放映目标储能变流器的交流侧三相电压、电池堆侧的直流侧正负电压的值；

2.3）将目标储能变流器的交流侧三相电压、电池堆侧的直流侧正负电压对应的功率放大器输出端子通过硬接线连接至储能变流器控制模块对应端子；

2.4）将目标储能变流器的交流侧三相电流直接通过硬接线连接至储能变流器控制模块对应端子。

可选地，步骤3）的详细步骤包括：

3.1）将目标储能变流器的交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器四者的控制信号，以及12个IGBT通断控制脉冲关联至高速数字量输入板卡GTDI的指定端口；

3.2）将目标储能变流器的交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器四者的控制信号，以及12个IGBT通断控制脉冲对应的高速数字量输入板卡GTDI的指定端口通过硬接线连接至储能变流器控制模块对应端子；

3.3）修改高速数字量输入板卡GTDI的电源供给结构，储能变流器控制模块输出的脉冲信号为15V有源信号，输出的断路器控制信号为干接点，将输出的脉冲信号、断路器控制信号二者对应的高速数字量输入板卡GTDI端子分开相互独立，前者直接开入高速数字量输入板卡GTDI的输出端子，后者供给24V直流电压后输入对应交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器的控制端；

可选地，步骤4）的详细步骤包括：

4.1）将高速数字量输入板卡GTDI接收的所有控制信号和控制脉冲进行复制，分别复制给除目标储能变流器的之外的各储能变流器的控制信号和控制脉冲的对应接点；

4.2）通过CAN通讯线将储能变流器控制模块连接至上位机，并在上位机上运行储能变流器控制模块的驱动程序；

4.3）运行实时数字仿真器RTDS的模型编辑界面RSCAD上的大容量电池储能站模型，待10kV母线带电后，在上位机上启动储能站运行，并设置储能站功率指令值，实现储能站的带负荷运行仿真。

可选地，步骤4.2）中的上位机为笔记本电脑。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明通过搭建含大容量电池储能电站的电网一次系统模型，选定目标储能变流器，将其输出的各类电压、电流关联至GTAO的指定端口与PCS控制模块相连；将目标储能变流器各断路器四者的控制信号及IGBT通断控制脉冲关联至GTDI的指定端口与PCS控制模块对应端口相连。将目标储能变流器收到的来自GTDI的控制信号和触发脉冲复制给其余各个储能变流器，能够实现一个储能变流器控制模块控制多个储能变流器的半实物仿真，同时大大减少了大容量电池储能电站半实物仿真建模所需接口和储能变流器控制模块数量，应用前景广泛。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例中搭建含大容量电池储能电站的电网一次系统模型。

具体实施方式

如图1所示，本实施例大容量电池储能电站半实物仿真建模方法的实施步骤包括：

1）在实时数字仿真器RTDS（Real Time Digital Simulator, 简称RTDS）的模型编辑界面RSCAD上搭建含大容量电池储能电站的电网一次系统模型；

2）在电网一次系统模型中选定一台储能变流器作为目标储能变流器，将目标储能变流器的交流侧三相电压、交流侧三相电流、电池堆侧的直流侧正负电压关联至高速模拟量输出板卡GTAO的指定端口，然后通过外部回路与储能变流器控制模块相连；

3）将目标储能变流器的交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器四者的控制信号，以及12个IGBT通断控制脉冲关联至高速数字量输入板卡GTDI的指定端口，然后通过硬接线与储能变流器控制模块对应端口相连。

4）将目标储能变流器收到的来自高速数字量输入板卡GTDI的控制信号和触发脉冲复制给其余各个储能变流器，实现一台储能变流器控制模块控制多台储能变流器运行的半实物仿真。

如图2所示，本实施例步骤1）中搭建含大容量电池储能电站的电网一次系统模型包括：等效成无穷大系统的电网系统、电网系统等效阻抗、10kV母线以及电池储能电站，电网系统通过电网系统等效阻抗与10kV母线相连，电池储能电站包括n个储能变流器（PCS1～PCSn），且每一个储能变流器连接有一个电池堆（例如储能变流器PCS1接有一个电池堆BS1，以此类推），其中电池堆用实时数字仿真器RTDS的软件模型库中的直流电源模型，储能变流器为基于IGBT的三电平结构储能变流器，且电池储能电站下辖各储能变流器通过干式变连接至10kV母线，实现各储能变流器的并联连接。大容量电池储能电站接入电网10kV系统，仿真建模时，为每一段10kV母线配置一个储能变流器控制模块，供下辖各储能变流器复用。当然，在精度要求不高或离故障点比较远等情况下，一个电池储能电站也可仅配置一个储能变流器控制模块。将其中一台储能变流器（如储能变流器1）交流侧三相电压、交流侧三相电流、直流侧正负电压（BS侧）关联至指定高速模拟量输出板卡GTAO端口，然后通过外部回路与储能变流器控制模块相连，其中交、直电压信号需经过功率放大器，电流信号不需要经过功率放大器；将储能变流器交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器等控制信号、12个IGBT通断控制脉冲关联至指定高速数字量输入板卡GTDI端口，然后通过硬接线与储能变流器控制模块对应端口相连；然后在RTDS模型，让同一10kV母线下辖各储能变流器共用该储能变流器1的控制信号和控制脉冲，实现多储能变流器的同步运行。

在基于RTDS的仿真平台（RTDS平台）中，储能变流器控制模块与RTDS之间交互信息包括交流侧三相电压、交流侧三相电流、直流侧正负电压（相对中性点）以及交流侧断路器、直流正极断路器、直流负极断路器、充电回路断路器等控制信号、12个IGBT通断控制脉冲。其中，模拟量信号由RTDS模型（含大容量电池储能电站的电网一次系统模型）经过高速模拟量输出板卡GTAO（Gigabit Transceiver Analogue Output Card）外设输出至储能变流器控制模块，控制信号和脉冲由储能变流器控制模块产生并经高速数字量输入板卡GTDI外设输入至RTDS模型。功能简述如下：储能变流器控制模块收到启动指令后，根据RTDS模型输出的储能变流器交流侧电压、直流侧电压信号，依次输出交流侧断路器、直流负极断路器、充电回路断路器、直流正极断路器控合信号至RTDS模型，然后控分充电回路断路器，实现储能变流器模块并网；并网后，根据下发的功率指令，结合交流侧电压和交流侧电流，计算出触发脉冲发送至RTDS模型实现储能变流器的快速响应。从储能变流器控制模块的运行原理可以看出，只要储能变流器交流侧电压、电流、直流侧电压和功率指令相同，储能变流器控制模块的输出脉冲就是相同的。本实施例中电池储能站接入变电站10kV系统，若变电站10kV系统并列运行，则电池储能电站所有的并联储能变流器交流侧电压源完全相同，若忽略干式变、互感器的性能不一致性，由于各储能变流器控制策略完全一致，可认为各储能变流器控制模块的输出结果具有同步性。即使变电站10kV分列运行，一般分成2～3段，则每一段10kV母线上并联的所有储能变流器可认为具有很好的同步性。因此，对于大容量电池储能电站而言，可以采用储能变流器控制模块功能复用、高速数字量输入板卡GTDI输入信号复制的方式实现半实物仿真。

本实施例中，在电网一次系统模型中选定第一台储能变流器PCS1作为目标储能变流器，此外也可以根据需要选择其他储能变流器作为目标储能变流器，其原理与本实施例相同，故在此不再赘述。

本实施例中，步骤2）的详细步骤包括：

2.1）在电网一次系统模型中选定一台储能变流器作为目标储能变流器，将目标储能变流器的交流侧三相电压、交流侧三相电流、电池堆侧的直流侧正负电压关联至高速模拟量输出板卡GTAO的指定端口；

2.2）将目标储能变流器的交流侧三相电压、电池堆侧的直流侧正负电压对应的高速模拟量输出板卡GTAO的指定端口通过硬接线连接至功率放大器，并设置高速模拟量输出板卡GTAO的参数使得功放输出准确放映目标储能变流器的交流侧三相电压、电池堆侧的直流侧正负电压的值；

2.3）将目标储能变流器的交流侧三相电压、电池堆侧的直流侧正负电压对应的功率放大器输出端子通过硬接线连接至储能变流器控制模块对应端子；

2.4）将目标储能变流器的交流侧三相电流直接通过硬接线连接至储能变流器控制模块对应端子。

本实施例中，步骤3）的详细步骤包括：

3.1）将目标储能变流器的交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器四者的控制信号，以及12个IGBT通断控制脉冲关联至高速数字量输入板卡GTDI的指定端口；

3.2）将目标储能变流器的交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器四者的控制信号，以及12个IGBT通断控制脉冲对应的高速数字量输入板卡GTDI的指定端口通过硬接线连接至储能变流器控制模块对应端子；

3.3）修改高速数字量输入板卡GTDI的电源供给结构，储能变流器控制模块输出的脉冲信号为15V有源信号，输出的断路器控制信号为干接点，将输出的脉冲信号、断路器控制信号二者对应的高速数字量输入板卡GTDI端子分开相互独立，前者直接开入高速数字量输入板卡GTDI的输出端子，后者供给24V直流电压后输入对应交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器的控制端；

本实施例中，步骤4）的详细步骤包括：

4.1）将高速数字量输入板卡GTDI接收的所有控制信号和控制脉冲进行复制，分别复制给除目标储能变流器的之外的各储能变流器的控制信号和控制脉冲的对应接点；

4.2）通过CAN通讯线将储能变流器控制模块连接至上位机，并在上位机上运行储能变流器控制模块的驱动程序；

4.3）运行实时数字仿真器RTDS的模型编辑界面RSCAD上的大容量电池储能站模型，待10kV母线带电后，在上位机上启动储能站运行，并设置储能站功率指令值，实现储能站的带负荷运行仿真。

本实施例中，步骤4.2）中的上位机为笔记本电脑。

综上所述，本实施例本实施例大容量电池储能电站半实物仿真建模方法提出了一种基于少量储能变流器（Power Conversion System，PCS）控制模块的大容量电池储能电站半实物仿真建模方案，基于储能变流器控制模块功能复用的思路，在实时数字仿真器（RealTime Digital Simulator, RTDS）上对高速开关量输入卡（Gigabit Transceiver DigitalIutput Card，GTDI）输入信号进行复制分发，使电池储能站同一10kV母线下连接的各储能变流器公用一个储能变流器控制模块的断路器控制信号和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）触发脉冲，实现一个储能变流器控制模块控制多个储能变流器的半实物仿真。该方案基于储能变流器控制模块功能分析，有较强的理论依据，同时大大减少了大容量电池储能电站半实物仿真建模所需接口和储能变流器控制模块数量，应用前景广泛。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大容量电池储能电站半实物仿真建模方法，其特征在于实施步骤包括：

1）在实时数字仿真器RTDS的模型编辑界面RSCAD上搭建含大容量电池储能电站的电网一次系统模型；

2）在所述电网一次系统模型中选定一台储能变流器作为目标储能变流器，将目标储能变流器的交流侧三相电压、交流侧三相电流、电池堆侧的直流侧正负电压关联至高速模拟量输出板卡GTAO的指定端口，然后通过外部回路与储能变流器控制模块相连；

3）将目标储能变流器的交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器四者的控制信号，以及12个IGBT通断控制脉冲关联至高速数字量输入板卡GTDI的指定端口，然后通过硬接线与储能变流器控制模块对应端口相连；

4）将目标储能变流器收到的来自高速数字量输入板卡GTDI的控制信号和触发脉冲复制给其余各个储能变流器，实现一台储能变流器控制模块控制多台储能变流器运行的半实物仿真。

2.根据权利要求1所述的大容量电池储能电站半实物仿真建模方法，其特征在于，步骤1）中搭建含大容量电池储能电站的电网一次系统模型包括：等效成无穷大系统的电网系统、电网系统等效阻抗、10kV母线以及电池储能电站，所述电网系统通过电网系统等效阻抗与10kV母线相连，所述电池储能电站包括多个储能变流器，且每一个储能变流器连接有一个电池堆，其中电池堆用实时数字仿真器RTDS的软件模型库中的直流电源模型，所述储能变流器为基于IGBT的三电平结构储能变流器，且所述电池储能电站下辖各储能变流器通过干式变连接至10kV母线，实现各储能变流器的并联连接。

3.根据权利要求2所述的大容量电池储能电站半实物仿真建模方法，其特征在于，步骤2）的详细步骤包括：

2.1）在所述电网一次系统模型中选定一台储能变流器作为目标储能变流器，将目标储能变流器的交流侧三相电压、交流侧三相电流、电池堆侧的直流侧正负电压关联至高速模拟量输出板卡GTAO的指定端口；

2.2）将目标储能变流器的交流侧三相电压、电池堆侧的直流侧正负电压对应的高速模拟量输出板卡GTAO的指定端口通过硬接线连接至功率放大器，并设置高速模拟量输出板卡GTAO的参数使得功放输出准确放映目标储能变流器的交流侧三相电压、电池堆侧的直流侧正负电压的值；

2.3）将目标储能变流器的交流侧三相电压、电池堆侧的直流侧正负电压对应的功率放大器输出端子通过硬接线连接至储能变流器控制模块对应端子；

2.4）将目标储能变流器的交流侧三相电流直接通过硬接线连接至储能变流器控制模块对应端子。

4.根据权利要求1所述的大容量电池储能电站半实物仿真建模方法，其特征在于，步骤3）的详细步骤包括：

3.1）将目标储能变流器的交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器四者的控制信号，以及12个IGBT通断控制脉冲关联至高速数字量输入板卡GTDI的指定端口；

3.2）将目标储能变流器的交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器四者的控制信号，以及12个IGBT通断控制脉冲对应的高速数字量输入板卡GTDI的指定端口通过硬接线连接至储能变流器控制模块对应端子；

3.3）修改高速数字量输入板卡GTDI的电源供给结构，储能变流器控制模块输出的脉冲信号为15V有源信号，输出的断路器控制信号为干接点，将输出的脉冲信号、断路器控制信号二者对应的高速数字量输入板卡GTDI端子分开相互独立，前者直接开入高速数字量输入板卡GTDI的输出端子，后者供给24V直流电压后输入对应交流侧断路器、直流侧正极断路器、直流侧负极断路器、充电回路断路器的控制端。

5.根据权利要求1所述的大容量电池储能电站半实物仿真建模方法，其特征在于，步骤4）的详细步骤包括：

4.1）将高速数字量输入板卡GTDI接收的所有控制信号和控制脉冲进行复制，分别复制给除目标储能变流器的之外的各储能变流器的控制信号和控制脉冲的对应接点；

4.2）通过CAN通讯线将储能变流器控制模块连接至上位机，并在上位机上运行储能变流器控制模块的驱动程序；

4.3）运行实时数字仿真器RTDS的模型编辑界面RSCAD上的大容量电池储能站模型，待10kV母线带电后，在上位机上启动储能站运行，并设置储能站功率指令值，实现储能站的带负荷运行仿真。

6.根据权利要求5所述的大容量电池储能电站半实物仿真建模方法，其特征在于，步骤4.2）中的上位机为笔记本电脑。

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