CN111786401A - 高压体系百兆瓦级电池储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高压体系百兆瓦级电池储能系统及优化、控制方法，包括多相式结构，所述多相式结构的每一相自上而下分为多层空间；每层空间内设置有电池模块；电池模块连接H桥变换器的直流端；每一相上的H桥变换器级联而成。本发明单相储能设备容量大，多相并联可构成百兆瓦级电池储能电站，电站结构简单，协调控制容易，控制环路模型与耦合低、不易引发系统稳定性问题。控制系统分层少，信息传递延时小，响应速度快。储能系统可无变压器直挂10～35kV电网，系统整体效率高。通过链式变换器可对电池堆进行分割管控，安全性好，电池堆小，堆内环流小。
Description
技术领域
本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种高压体系百兆瓦级电池储能系统。
背景技术
目前，日趋严峻的能源危机和环境污染问题备受关注，世界各国都在大力发展大规模可再生能源发电，以求构建高效、清洁的未来智慧能源网。高比例大规模风光电源接入电网促使电网侧电池储能电站已进入百MW级时代并向GW级迈进，对其安全性、运行效率和动态特性均提出了更高的要求。
储能功率变换系统(Power Conversion System,PCS)是电池堆与电网的接口。PCS的常规拓扑结构是低压三相两电平变换电路，单个容量在500kW左右。百MW级储能电站由数量众多的PCS经多级变压器升压后并入高压电网。在这样的储能电站中，一方面，对于500kW电池堆来讲，由于其由近万个电池芯串并联组成，电池芯的不一致性导致并联环流，引发电池堆发热、燃烧，使得电池堆的安全性低下。另一方面，电池堆中环流损耗、常规PCS开关频率高及变压器的大量使用，降低了并网系统的效率。此外，PCS单台容量太小，组成百兆瓦级大容量储能电站时需要数百台储能设备并联，电站结构复杂，设备间协调控制困难，控制指令需经多级信息系统传递，严重影响了系统的响应速度。亟需一种新型的高压大功率变换系统应对百兆瓦级电池储能系统挑战。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高压体系百兆瓦级电池储能系统。
根据本发明提供的一种高压体系百兆瓦级电池储能系统，包括多相式结构，所述多相式结构的每一相自上而下分为多层空间；每层空间内设置有电池模块；电池模块连接H桥变换器的直流端；每一相由H桥变换器级联而成。
优选地，所述多层空间为相互隔离的空间，每层内的电池模块相互隔离。
优选地，还包括升压变压器和输电杆塔，级联的H桥变换器通过高压电缆接入升压变压器，升压变压器接入输电杆塔。
优选地，还包括缓冲单元，H桥变换器的直流侧通过缓冲单元与电池模块相连，缓冲单元将电池模块和H桥变换器隔离。
优选地，升压变压器的二次侧为星型连接并将中性点接地，H桥变换器的中性点也接地。
优选地，所述升压变压器包括三组存在相位差的三相电压。
根据本发明提供的一种基于上述系统的高压体系百兆瓦级电池储能优化方法，包括如下步骤：
通过计算在不同模块数设计下系统的效率与可靠性，并绘制出效率、可靠性与模块数的关系曲线，根据系统的设计指标要求并结合效率、可靠性曲线，得到最优的模块数设计。
根据本发明提供的一种上述系统的高压体系百兆瓦级电池储能控制方法，包括如下步骤：
上层控制步骤：对各台链式电池储能系统进行协调控制，通过各台设备的SOC值计算其所承担有功功率；
下层控制步骤：对单台链式电池储能系统进行控制，且各台并联链式电池储能系统的控制策略均相同。
优选地，所述下层控制包括SOC均衡控制、模块故障控制、电网不对称或故障下的控制和功率解耦控制。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明单相储能设备容量大，可达12MW左右，9相并联即可构成百兆瓦级电池储能电站，电站结构简单，协调控制容易，控制环路模型与耦合低、不易引发系统稳定性问题。
2、本发明的控制系统分层少，信息传递延时小，响应速度快。
3、本发明储能系统可无变压器直挂10～35kV电网，系统整体效率高。通过链式变换器可对电池堆进行分割管控，安全性好，电池堆小，堆内环流小。
4、本发明设计空间布局合理，占地面积小，建造成本低，方便维修，同时能够保证储能系统安全性的设计需求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的高压体系百兆瓦级电池储能系统具体实施建设时的设计图
图2为本发明的高压体系百兆瓦级电池储能系统结构原理图；
图3为本发明的高压体系百兆瓦级电池储能系统的优化设计流程图。
图4为本发明的高压体系百兆瓦级电池储能系统整体控制框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图4所示，根据本发明提供一种所提高压体系百兆瓦级电池储能系统的实施建设方案。其核心思想是将所提高压体系百兆瓦级电池储能系统建造成水泥塔式多层建筑，将电池模块放置在水泥结构房间内，使电池模块间彼此隔离，房间内包括了电池系统的消防设施等，并通过缓冲单元与水泥墙体将电池模块与变换器模块隔离。其由9相级联H桥子模块串组成，每相相差40度，采用星型接线。每个H桥子模块链接的电池模块电压小于1500伏，该电池模块仅仅由电池芯串联组成，每相容量最大可达12MW左右，9相即可构成百MW级应用。同一相的电池模块与变换器模块均在垂直方向上层叠放置，从塔顶到塔底部为链式电池储能系统的一相。九相并联时储能塔在垂直方向上共有9列。系统输出通过高压电缆接入35kV/220kV升压变压器，变压器220kV侧通过架空线路接入输电杆塔，变压器可以是一个双绕组变压器，也可以为一个四绕组移相变压器。电池堆和变换器之间加入缓冲单元，其可以是一个电抗器，也可以是一个DC/DC变换器，用于优化电池组的出口电压、抑制电池组充放电电流的二倍频脉动。
参照图2，为本发明一实施例中基于链式电池储能系统并联的高压体系百兆瓦级储能系统结构图，单相链式电池储能系统的最大容量可达12MW，因此9相并联即可构成百兆瓦级应用。链式电池储能系统的每一相由N个功率模块级联而成，每个功率模块主要由H桥功率器件及其驱动电路、母线电容、直流熔断器、电池侧预充电装置组成。在H桥功率模块直流侧通过高压电缆与电池模块进行连接。链式变换器在交流侧通过滤波电感L、断路器直接接入35kV电网，并通过四绕组移相变压器升压接入220kV电网，图中vsa、vsb、vsc为电网电压，vk为第k相链式电池储能系统的输出电压，ik为第k相链式电池储能系统的输出电流(此例中k＝1、2、3…9)，变换器的中性点接地。图中变压器为四绕组的移相变压器，其可以提供三组存在相位差的三相电压以消除低次谐波，降低开关频率，提高系统效率。原边绕组为△型连接，副边三个绕组均为Y型连接，且中性点接地。由于变压器和9相的中性点均接地，可以对每相进行单独控制、保护。具体实施时，链式电池储能系统的并联台数及单台容量可根据具体要求变化。
参照图3，为本发明一实施例中高压体系百兆瓦级电池储能系统的优化设计流程图，通过计算在不同模块数设计下系统的效率与可靠性，并绘制出效率、可靠性与模块数的关系曲线，根据系统的设计指标要求并结合效率、可靠性曲线进行综合评估，以得到最优的模块数设计。
参照图4，为本发明一实施例中高压体系百兆瓦级电池储能系统整体控制框图。整个控制策略分两层：1)上层控制为各相链式电池储能系统的协调控制，通过各相设备的SOC计算其所承担有功功率，并对单相链式电池储能系统进行有功、无功解耦控制，上层控制与上级监控系统互联；2)下层控制为单相链式电池储能系统的相内SOC均衡控制、模块故障控制、电池模块主动热管理控制。
本发明高压体系百兆瓦级电池储能系统的控制策略的上层控制为各台链式电池储能系统的协调控制，通过各台设备的SOC计算其所承担有功功率。各台设备承担的有功功率值可通过式(1)计算，式中P为整个系统的充放电功率，SOCk为第k相并联设备的SOC值，可通过式(2)计算，其中Nk为第k相的正常工作模块数，SOCkj为第k相第j个功率模块的SOC值(j＝1,2,…Nk)。
本发明高压体系百兆瓦级电池储能系统的控制策略的下层控制为单相链式电池储能系统的相内SOC均衡控制、功率模块故障控制、电池模块主动热管理控制，且各台并联链式电池储能系统的控制策略均相同，此处以第一台链式电池储能系统为例，描述其控制策略。通过功率解耦控制产生调制波
链式电池储能系统相内SOC均衡控制、模块故障时的功率均衡控制以及电池模块的主动热管理控制均可通过在原调制波上叠加相应控制产生的交流信号实现(即
)，以改变相应模块的输出电压，进而改变其输出功率。在电池模块主动热管理控制可通过实时检测电池温度Tb和电池温度变化量△Tb，并据此实时分配其承担功率P1j,图中vb1j、ib1j、rb1j分别为第一相第j个电池模块的电压、电流和内阻，Ploss为其损耗功率。具体实施时9相链式电池储能系统控制策略相同，且可独立控制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种高压体系百兆瓦级电池储能系统，其特征在于，包括多相式结构，所述多相式结构的每一相自上而下分为多层空间；每层空间内设置有电池模块；电池模块连接H桥变换器的直流端；每一相由H桥变换器级联而成。
2.根据权利要求1所述的高压体系百兆瓦级电池储能系统，其特征在于，所述多层空间为相互隔离的空间，每层内的电池模块相互隔离。
3.根据权利要求1所述的高压体系百兆瓦级电池储能系统，其特征在于，还包括升压变压器和输电杆塔，级联的H桥变换器通过高压电缆接入升压变压器，升压变压器接入输电杆塔。
4.根据权利要求1所述的高压体系百兆瓦级电池储能系统，其特征在于，还包括缓冲单元，H桥变换器的直流侧通过缓冲单元与电池模块相连，缓冲单元将电池模块和H桥变换器隔离。
5.根据权利要求3所述的高压体系百兆瓦级电池储能系统，其特征在于，升压变压器的二次侧为星型连接并将中性点接地，H桥变换器的中性点也接地。
6.根据权利要求3所述的高压体系百兆瓦级电池储能系统，其特征在于，所述升压变压器包括三组存在相位差的三相电压。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的高压体系百兆瓦级电池储能系统的高压体系百兆瓦级电池储能优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过计算在不同模块数设计下系统的效率与可靠性，并绘制出效率、可靠性与模块数的关系曲线，根据系统的设计指标要求并结合效率、可靠性曲线得到最优的模块数设计。
8.一种基于权利要求1-6任一项所述的高压体系百兆瓦级电池储能系统的高压体系百兆瓦级电池储能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
上层控制步骤：对各台链式电池储能系统进行协调控制，通过各台设备的SOC值计算其所承担有功功率；
下层控制步骤：对单台链式电池储能系统进行控制，且各台并联链式电池储能系统的控制策略均相同。
9.根据权利要求8所述的高压体系百兆瓦级电池储能控制方法，特征在于，所述下层控制包括SOC均衡控制、模块故障控制、电网不对称或故障下的控制和功率解耦控制。
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| 毛苏闽，蔡旭: "大容量链式电池储能功率调节系统控制策略", 《电网技术》 * |
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Application publication date: 20201016 Assignee: SHENZHEN HOPEWIND ELECTRIC Co.,Ltd. Assignor: SHANGHAI JIAO TONG University Contract record no.: X2022980001442 Denomination of invention: High voltage 100 megawatt battery energy storage system Granted publication date: 20210413 License type: Common License Record date: 20220210 |
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Application publication date: 20201016 Assignee: Shanghai Zhonglv New Energy Technology Co.,Ltd. Assignor: SHANGHAI JIAO TONG University Contract record no.: X2024980003752 Denomination of invention: High voltage system hundred megawatt level battery energy storage system Granted publication date: 20210413 License type: Common License Record date: 20240401 |