CN111641232B - 用于规模化储能系统的电压调节方法、装置及储能系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于规模化储能系统的电压调节方法及装置，该方法包括：获取离网运行的储能系统中各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数，并计算总无功功率和在线运行数量；根据所述总无功功率和在线运行数量计算平均无功功率，经低通滤波后获得第一调节指令；采集所述储能系统的交流电压，根据所述交流电压获得系统运行电压，并将所述系统运行电压与设定目标电压的差值使用调节器进行调节后，获得第二调节指令；将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘，获得对应的无功功率指令。利用下垂控制特性，通过无功功率间接调节电压；将运行信息作为输出指令构成部分，调节过程更柔和。

Description

用于规模化储能系统的电压调节方法、装置及储能系统

技术领域

本申请涉及电气工程技术领域，具体地涉及一种用于规模化储能系统的电压调节方法、装置及储能系统。

背景技术

储能是智能电网、能源互联网、微电网、可再生能源并网的重要组成部分和关键支撑技术。较大容量的储能系统一般由多个储能单元并联组成。每个储能单元分别配置电池、储能变流器等设备。其中，储能变流器通常作为电压源运行，建立并维持系统的电压和频率。储能系统在离网运行状态下，多台储能变流器采用下垂控制或虚拟同步发电机模式并联运行时，都遵循无功功率和电压的下垂关系，在不同输出功率下，电压会发生较大的偏移。

针对储能系统离网运行状态下，电压偏移的情况，目前的技术手段及存在的问题有：1)直接对储能变流器的运行电压进行干预。该方式调节过程中，功角扰动较大，容易造成多机振荡。2)储能变流器就地进行二次调压，设备间相互独立，多台设备并联时也容易造成多机振荡。

发明内容

本申请旨在提供一种用于规模化储能系统的电压调节方法及装置。所述电压调节方法利用离网运行状态下储能变流器的下垂控制特性，输出无功功率指令来间接控制和调节储能变流器的运行电压，降低对储能变流器的扰动；在调节过程中，将储能系统的实时运行信息作为输出指令的构成部分，使得调节过程更加柔和。

根据本申请的一方面，本申请提供一种用于规模化储能系统的电压调节方法，包括：

获取离网运行的储能系统中各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数，并计算总无功功率和在线运行数量；

根据所述总无功功率和在线运行数量计算平均无功功率，经低通滤波后获得第一调节指令；

采集所述储能系统的交流电压，根据所述交流电压获得系统运行电压，并将所述系统运行电压与设定目标电压的差值使用调节器进行调节后，获得第二调节指令；

将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘，获得对应的无功功率指令。

根据本申请的一些实施例，所述电压调节方法还包括：

将所述对应的无功功率指令分别发送至所述储能变流器，通过所述储能变流器的下垂控制特性进行电压调节。

根据本申请的一些实施例，所述在线运行状态参数的取值包括：

所述储能变流器主回路处于开关闭合且脉冲解锁状态时，所述在线运行状态参数的取值为1；否则，所述在线运行状态参数的取值为0。

根据本申请的一些实施例，所述获取离网运行的储能系统中各个储能变流器的运行无功功率和在线运行状态参数，并获得总无功功率和在线运行数量，包括：

将各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数的乘积进行相加，获得在线运行总无功功率；

将各个储能变流器的运行状态参数相加，获得在线运行数量。

根据本申请的一些实施例，将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘，获得各个储能变流器的无功功率指令，包括：

将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘后，进行限幅处理，获得所述无功功率指令。

进一步地，所述限幅处理包括：

将所述无功功率指令的值限制在1.1～2倍所述储能变流器额定功率的范围内。

根据本申请的一些实施例，所述根据所述交流电压获得系统运行电压，包括：

提取所述交流电压的正序分量获得所述系统运行电压。

根据本申请的一些实施例，所述调节系数的取值在-1.5～+1.5的范围内。

本申请还提供一种规模化电池储能系统的电压调节装置，其特征在于，包括：

通讯接口模块，获取离网运行的储能系统中各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数；

第一调节模块，用于计算总无功功率和在线运行数量，并根据所述总无功功率和在线运行数量计算平均无功功率，经低通滤波后获得第一调节指令；

电压采集模块，用于采集所述储能系统的交流电压；

第二调节模块，用于根据所述交流电压获得系统运行电压，并将所述系统运行电压与设定目标电压的差值使用调节器进行调节后，获得第二调节指令；

指令生成模块，用于将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加后，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘，获得对应的无功功率指令。

根据本申请的一些实施例，所述电压调节装置还包括：

指令输出模块，用于将所述对应的无功功率指令分别发送至所述储能变流器，通过所述储能变流器的下垂控制特性进行电压调节。

进一步地，所述第二调节模块还包括：

限幅模块，用于将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘后，进行限幅处理，获得所述无功功率指令。

根据本申请的一些实施例，所述电压调节装置包括：嵌入式装置或工控机。

本申请还提供一种规模化储能系统，包括：

如上所述的电压调节装置；

至少两个储能变流器，与所述电压调节装置相连。

根据本申请的一些实施例，所述储能变流器包括：

变流控制器，与所述电压调节装置相连，用于上传所述储能变流器的运行无功功率，并接收所述无功功率指令控制所属储能变流器进行电压调节。

根据本申请的一些实施例，所述储能变流器采用虚拟同步发电机或下垂控制策略。

本申请提供的用于规模化储能系统的电压调节装置及方法，对离网运行状态下的规模化储能系统中的各个储能变流器进行统一协调控制，利用储能变流器的下垂控制特性，通过无功功率指令来间接调节储能变流器的运行电压，从而降低对储能变流器的扰动。此外，在调节过程中，将储能系统的实时运行信息作为输出指令的构成部分，使得调节过程更加柔和，避免多机振荡。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1示出根据本申请示例实施例的电压调节方法流程图。

图2示出根据本申请示例实施例的电压调节装置组成框图。

图3示出根据本申请示例实施例的电压调节方法数据处理过程示意图。

图4示出根据本申请示例实施例的规模化储能系统示意图。

图5示出根据本申请示例实施例的储能变流器采用虚拟同步发电机模式的控制系统框图。

具体实施方式

下面将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例。提供这些实施例是为使得本申请更全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本申请概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，可能不是按比例的。附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

针对技术中存在的储能变流器之间相互独立调节、对储能变流器的运行电压进行直接干预而导致的储能变流器并联工作时的多机振荡问题，本发明人提出一种用于规模化储能系统的电压调节方法及装置，对离网运行状态下的规模化储能系统中的各个储能变流器进行统一协调控制，利用储能变流器的下垂控制特性，通过无功功率指令来间接调节储能变流器的运行电压，从而降低对储能变流器的扰动。此外，在调节过程中，将储能系统的实时运行信息作为输出指令的构成部分，使得调节过程更加柔和，避免多机振荡。

以下将结合附图，对本申请的技术方案进行详细说明。

图1示出根据本申请示例实施例的电压调节方法流程图。

储能变流器在运行过程中，输出功率变化时电压发生较大偏移，因此需要对其电压进行二次调节。为了解决现有电压调节的方法中存在的多机振荡现象，如图1所示，本申请提供一种用于规模化储能系统的电压调节方法，包括：

在步骤S110，获取离网运行的储能系统中各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数，并计算总无功功率和在线运行数量。例如，规模化的储能系统包括了n个(n≥2)储能单元，每个储能单元包括储能变流器和电池等设备。则，在所述储能系统离网运行状态下，可以通过通讯网络获取各个储能变流器的运行状态以及计算出的无功功率。

根据本申请的一些实施例，当所述储能变流器主回路处于开关闭合且脉冲解锁状态时，所述在线运行状态参数的取值设置为1。否则，所述在线运行状态参数的取值设置为0。

将各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数的乘积进行相加，可获得在线运行总无功功率。将各个储能变流器的运行状态参数相加，可获得在线运行数量。

在步骤S120，根据所述总无功功率和在线运行数量计算平均无功功率，经低通滤波后获得第一调节指令。根据计算出的所述总无功功率和在线运行数量，可以获得平均无功功率。然后，对所述平均无功功率使用低通滤波器进行低通滤波，使得指令能够缓慢变化。低通滤波器可以选择一阶低通滤波器，也可以选择二阶低通滤波器，本申请不限于此。

在步骤S130，采集所述储能系统的交流电压，根据所述交流电压获得系统运行电压，并将所述系统运行电压与设定目标电压的差值使用调节器进行调节后，获得第二调节指令。

例如，可以通过与所述储能系统相连的二次电缆采集所述交流电压。获得交流电压之后，可通过傅里叶变换提取所述交流电压的正序分量，从而获得所述系统运行电压。对所述系统运行电压与设定目标电压的差值使用调节器进行调节后，获得第二调节指令。对系统运行电压与设定目标电压值的差值使用调节器进行调节，可消除误差。所述调节器可以是比例积分调节器或比例积分微分调节器。经过第二调节器的调节，电压差值被转换为功率值。

在步骤S140，将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘，获得对应的无功功率指令。第一调节指令中包含了系统运行的实时功率信息，第二调节指令中包含了系统运行的实时电压信息。本申请中，将所有储能变流器的运行信息反馈至单台储能变流器，作为调压指令的构成部分，能够使得电压调节更加柔和。

根据本申请的一些实施例，调节系数通常采用考虑电池剩余电量(SOC)均衡等因素的综合分配策略来确定。例如，对于SOC较高的单元，在充电时分配较小的系数以减慢充电速度；在放电时分配较大的系数，以回忆放电速度，从而达到平衡各个单元SOC的目的。调节系数的取值范围可以为-1.5～+1.5。

根据本申请的一些实施例，还可以对所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘的结果进行限幅处理，获得所述无功功率指令。例如，所述限幅处理可以包括将所述无功功率指令的值限制在1.1～2倍所述储能变流器额定功率的范围内。

所述限幅处理主要考虑的是储能变流器的过载能力，一般为其额定功率P_n的x倍数，x取值范围1.1-2.0。由于储能变流器可双向运行，即功率可为正，也可为负。因此所述限幅处理的限幅范围为-xP_n～+xP_n。优选的限幅范围：-1.1P_n～+1.1P_n。例如，低于-1.1P_n时，则强制限幅为-1.1P_n，高于+1.1P_n时，则强制限幅为+1.1P_n。

通过限幅处理，在一定的功率范围内将电压完全调节回设置值，进行完全的电压调节。在超出一定的功率范围后，不再进行二次调压。这样主动允许电压偏移，可以保证外部继电保护、稳控等设备及时通过电压偏移判断出系统异常，并进行保护或稳控处理。

根据本申请的一些实施例，所述电压调节方法还可以包括，将所述对应的无功功率指令分别发送至所述储能变流器，通过所述储能变流器的下垂控制特性进行电压调节。

储能变流器采用下垂控制或虚拟同步发电机模式并联运行时，都遵循无功功率和电压的下垂关系。利用其下垂控制特性，将无功功率指令发送给各个储能变流器后，储能变流器根据下垂关系，生成电压指令，从而实现间接电压调节。

传统方案中对储能变流器的运行电压进行直接干预和调整，容易造成功角失稳和多机振荡。本申请提供的电压调节方法中，通过调整无功功率，利用无功功率-电压下垂曲线的运行工作方式，间接调整储能变流器的运行电压，对变流器的扰动小。

此外，在本申请提供的电压调节方法中，统一采集各个储能变流器的运行信息，进行汇总处理并生成与各个储能变流器相对应的无功功率指令，相对于各个储能变流器就地自主调节，能够进行整体协调、精确调节。

图2示出根据本申请示例实施例的电压调节装置组成框图。

根据本申请的一些实施例，还提供一种规模化电池储能系统的电压调节装置200，包括：通讯接口模块210、第一调节模块220、电压采集模块230、第二调节模块240、指令生成模块250。

通讯接口模块210，用于获取离网运行的储能系统中各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数。在储能系统离网运行状态下，可以通过通讯接口模块210，可以通过通讯网络获取各个储能变流器的当前运行状态，以及计算出的无功功率。

第一调节模块220，用于计算总无功功率和在线运行数量，并根据所述总无功功率和在线运行数量计算平均无功功率，经低通滤波后获得第一调节指令。根据本申请的一些实施例，低通滤波器可以选择一阶低通滤波器，也可以选择二阶低通滤波器，本申请不限于此。

电压采集模块230，用于采集所述储能系统的交流电压。例如，可以通过与所述储能系统相连的二次电缆采集所述交流电压。根据所述交流电压，可通过傅里叶变换提取所述交流电压的正序分量，从而获得所述系统运行电压。

第二调节模块240，用于根据所述交流电压获得系统运行电压，并将所述系统运行电压与设定目标电压的差值使用调节器进行调节后，获得第二调节指令。根据本申请的一些实施例，第二调节器可以是比例积分调节器或比例积分微分调节器。经过第二调节器的调节，电压差值被转换为功率值。

指令生成模块250，用于将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加后，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘，获得对应的无功功率指令。根据本申请的一些实施例，所述指令生成模块还可以包括限幅模块，用于将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，并分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘后，进行限幅处理获得所述无功功率指令。所述限幅处理可以包括将所述无功功率指令的值限制在1.1～2倍所述储能变流器额定功率的范围内。

根据本申请的一些实施例，电压调节装置200还包括指令输出模块，用于将所述对应的无功功率指令分别发送至所述储能变流器，通过所述储能变流器的下垂控制特性进行电压调节。储能变流器采用下垂控制或虚拟同步发电机模式并联运行时，都遵循无功功率和电压的下垂关系。利用其下垂控制特性，将无功功率指令发送给各个储能变流器后，储能变流器根据下垂关系，生成实时电压指令，从而实现间接电压调节。

根据本申请的一些实施例，所述电压调节装置可以是嵌入式装置，也可以是工控机，本申请不限于此。

图3示出根据本申请示例实施例的电压调节数据处理过程示意图。

如图3所示，本申请提供的电压调节方法在应用过程中，其数据处理过程为：

统一的电压调节装置，例如储能调节控制器，通讯网络获取各个储能变流器当前的在线运行状态参数S₁…S_n和交流侧无功功率率Q_{o_1}…Q_{o_n}。将各个储能变流器的在线运行状态参数相加，获得在线运行数量。n台储能变流器的交流侧无功功率Q_{o_x}乘以在线运行状态信号S_x后相加，得到在线运行总无功功率。

在线运行的总无功功率除以在线运行数量，得到在线运行平均无功功率。计算出在线运行的平均无功功率后，经低通滤波后获得第一调节指令Q_{set_base}。

采集离网储能系统的交流电压U_a,b,c，通过提取正序分量可获得系统运行电压Upcc。将系统运行电压Upcc与设定目标电压Uset的差值经电压调节器进行处理，获得第二调节指令Q_{set_sup}。

将第一调节指令Q_{set_base}与第二调节指令Q_{set_sup}相加，进而与各储能变流器的在线运行状态参数S_x和调节系数m_x相乘，并经限幅处理后，获得每台储能变流器的最终无功功率指令Q_{set_x}，通过通讯网络分别发送给各个储能变流器。

图4示出根据本申请示例实施例的规模化储能系统示意图。

如图4所示，根据本申请的示例实施例，还提供一种规模化储能系统1000包括：电压调节装置100以及至少两个储能单元200。储能单元200包括储能变流器210和电池220。其中，储能变流器采用虚拟同步发电机或下垂控制策略。电压调节装置100通过通讯网与储能单元200相连，用于获取各个储能变流器的运行功率信息，并向各个储能变流器发送无功功率指令。储能变流器210包括变流控制器，与所述电压调节装置相连，用于根据所述无功功率指令进行电压调节。电压调节装置100通过电压采集模块采集储能系统的交流母线电压。

除了变流控制器之外，所述储能变流器210还包括：二次回路及一次回路。所述一次回路用于实现功率的传输、变换及滤波；所述二次回路用于实现控制信号采样、传输及变换；所述变流控制器用于控制储能变流器，按所述的二次调频的调节指令运行。

图5示出根据本申请示例实施例的储能变流器采用虚拟同步发电机模式的控制系统框图。

储能变流器采用虚拟同步发电机控制策略时，具备一次调频、一次调压、惯性、阻尼等优良特质，对外呈现电压源型外特性，适用于离网运行的应用场合。

同步发电机的简化转子运动方程如下：

按下垂控制算法，生成电压参考值如下：

其中，P_set为有功功率设定值，由本申请提供的电压调节装置输入，P_o为实际有功功率输出值，D_p为频率有功下垂系数，J为转动惯量，θ为电角度，ω为电角速度，ω_g为额定电角速度。Q_set为无功功率设定值，Q_o为实际无功输出，D_q为无功电压下垂系数，U₀为额定电压。

根据以上公式，可形成如图5所示的控制系统框图。进一步通过电压外环、电流内环，可实现离网输出端口电压的控制，以增加系统的控制精度并限制过流，从而最终生成PWM的参考值，用于储能变流器的IGBT开关控制。

本申请提供的用于规模化储能系统的电压调节方法及装置，对规模化储能系统中的各个储能变流器进行统一协调控制，利用储能变流器的下垂控制特性，通过无功功率指令来间接调节储能变流器的运行电压，从而降低对储能变流器的扰动。此外，在调节过程中，将储能系统的实时运行信息作为输出指令的构成部分，使得调节过程更加柔和，避免多机振荡。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种用于规模化储能系统的电压调节方法，其特征在于，包括：

获取离网运行的储能系统中各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数，并计算总无功功率和在线运行数量；其中，将各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数的乘积进行相加，获得在线运行的所述总无功功率；将各个储能变流器的运行状态参数相加，获得所述在线运行数量；

根据所述总无功功率和在线运行数量计算平均无功功率，经低通滤波后获得第一调节指令；

采集所述储能系统的交流电压，根据所述交流电压获得系统运行电压，并将所述系统运行电压与设定目标电压的差值使用调节器进行调节后，获得第二调节指令；

将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘，获得对应的无功功率指令。

2.根据权利要求1所述的电压调节方法，其特征在于，还包括：

将所述对应的无功功率指令分别发送至所述储能变流器，通过所述储能变流器的下垂控制特性进行电压调节。

3.根据权利要求1所述的电压调节方法，其特征在于，所述在线运行状态参数的取值包括：

所述储能变流器主回路处于开关闭合且脉冲解锁状态时，所述在线运行状态参数的取值为1；

否则，所述在线运行状态参数的取值为0。

4.根据权利要求1所述的电压调节方法，其特征在于，将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘，获得各个储能变流器的无功功率指令，包括：

将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘后，进行限幅处理，获得所述无功功率指令。

5.根据权利要求4所述的电压调节方法，其特征在于，所述限幅处理包括：

将所述无功功率指令的值限制在1.1～2倍所述储能变流器额定功率的范围内。

6.根据权利要求1所述的电压调节方法，其特征在于，所述根据所述交流电压获得系统运行电压，包括：

提取所述交流电压的正序分量获得所述系统运行电压。

7.根据权利要求1所述的电压调节方法，其特征在于，所述调节系数的取值在-1.5～+1.5的范围内。

8.一种规模化电池储能系统的电压调节装置，其特征在于，包括：

通讯接口模块，获取离网运行的储能系统中各个储能变流器的运行无功功率和运行状态参数；

第一调节模块，用于计算总无功功率和在线运行数量，并根据所述总无功功率和在线运行数量计算平均无功功率，经低通滤波后获得第一调节指令；

电压采集模块，用于采集所述储能系统的交流电压；

第二调节模块，用于根据所述交流电压获得系统运行电压，并将所述系统运行电压与设定目标电压的差值使用调节器进行调节后，获得第二调节指令；

指令生成模块，用于将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加后，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘，获得对应的无功功率指令。

9.根据权利要求8所述的电压调节装置，其特征在于，还包括：

指令输出模块，用于将所述对应的无功功率指令分别发送至所述储能变流器，通过所述储能变流器的下垂控制特性进行电压调节。

10.根据权利要求8所述的电压调节装置，其特征在于，所述第二调节模块还包括：

限幅模块，用于将所述第一调节指令和所述第二调节指令相加，分别与各个储能变流器的在线运行状态参数和调节系数相乘后，进行限幅处理，获得所述无功功率指令。

11.根据权利要求8所述的电压调节装置，其特征在于，包括：嵌入式装置或工控机。

12.一种规模化储能系统，其特征在于，包括：

如权利要求8-11中任一项所述的电压调节装置；

至少两个储能变流器，与所述电压调节装置相连。

13.根据权利要求12所述的规模化储能系统，其特征在于，所述储能变流器包括：

变流控制器，与所述电压调节装置相连，用于上传所述储能变流器的运行无功功率，并接收所述无功功率指令控制所属储能变流器进行电压调节。

14.如权利要求12所述的规模化储能系统，其特征在于，所述储能变流器采用虚拟同步发电机或下垂控制策略。

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