CN111917123A - 一种用于辅助调频的超级电容储能装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于辅助调频的超级电容储能装置，包括电网、三相变压器、滤波电感和桥臂模块，所述桥臂模块包括第一桥臂模块、第二桥臂模块和第三桥臂模块，所述滤波电感包括第一滤波电感、第二滤波电感和第三滤波电感。本发明还公开了用于辅助调频的超级电容储能装置的控制方法。本发明的超级电容储能装置实现超级电容子模块的在线投退与更换，便于储能和变换器的整体集成化设计；减小了开关损耗，简化了超级电容子模块均压过程，避免了大量均压环路的参数整定；在保证输出波形满足电网谐波要求的基础上节省大量开关器件。

Description

一种用于辅助调频的超级电容储能装置及控制方法
技术领域
本发明涉及储能控制领域，特别涉及一种用于辅助调频的超级电容储能装置及控制方法。
背景技术
储能装置作为一种快速可控的功率源，有效提高调频机组暂态性能，保持区域电网频率稳定，其中超级电容以物理方式存储电荷，充放电速度更快，效率更高，安全性风险低，循环寿命达50万次，在寿命周期内不需维护。
然而超级电容集成困难，高压大容量模组内部均压均流措施复杂，传统储能变流器的集中式直流母线供电结构给超级电容的应用带来了不便。链式变换器虽有助于促进子模块电压与功率均衡，但目前的研究工作主要集中于提高变换器输出电平数，减小输出波形畸变程度，当链式变换器应用于储能装置设计时，因单体储能模组容量较低，装置所需的储能模组数较多，即装置本身便具备输出大量电平数的能力。考虑到传统储能变流器的输出电流已经足以满足GB 14549-93《电能质量公用电网谐波》所示谐波要求，因此进一步增加链式变换器电平数、减小输出波形畸变的工程意义不大，且还会大幅增加开关器件的数量和电路复杂性。
在超级电容产品选择方面，传统储能变流器一般采用同一种超级电容产品，较难兼顾装置性能和储能成本，在载波移相调制的开关损耗很高，且通常需要对每个实现超级电容子模块加入均压环以实现超级电容子模块充放电均衡，控制结构复杂，还需要实时计算载波相位关系以满足电网谐波要求。现有的电平逼近调制未考虑超级电容子模块接入瞬间的内阻压降，应用于低压大容量储能、具备大量子模块数时可能会导致电流波形畸变。可见，当链式变换器应用至低压储能时，设计方法与高压直挂场合存在较大差异，需要根据低压储能的特殊应用环境提出更加符合工程关切的设计方法。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种用于辅助调频的超级电容储能装置，兼顾装置性能和储能成本选择的最优方案，本发明的另一目的是提供用于辅助调频的超级电容储能装置的控制方法。
技术方案：本发明提出了一种用于辅助调频的超级电容储能装置，包括电网、三相变压器、滤波电感和桥臂模块，其中所述桥臂模块包括第一桥臂模块、第二桥臂模块和第三桥臂模块，所述滤波电感包括第一滤波电感、第二滤波电感和第三滤波电感，所述电网与所述三相变压器输入端电连接，所述三相变压器的输出端与所述滤波电感电连接，所述第一滤波电感与所述第一桥臂模块的输入端电连接，所述第二滤波电感与所述第二桥臂模块的输入端电连接，所述第三滤波电感与所述第三桥臂模块的输入端电连接，所述第一桥臂模块的输出端、第二桥臂模块的输出端以及第三桥臂的输出端之间电连接。
每个所述桥臂模块包括超级电容子模块、半桥子模块和全桥子模块，每个所述桥臂模块中包括多个半桥子模块和多个超级电容子模块，一个所述超级电容子模块并联一个所述半桥子模块，多个所述半桥子模块依次串联构成半桥子模块系统，所述半桥子模块系统与所述全桥子模块并联。
所述全桥子模块由两个所述半桥子模块并联。
所述半桥子模块由两个绝缘栅双极型晶体管串联。
所述超级电容子模块的参数按如下步骤选择：
(一)根据超级电容放电时长确定总容量约束；
(二)根据超级电容额定功率确定总电压约束；
(三)以成本最小、级联数最小、电压偏差最小、输出电平数最多为优化目标，依次求解超级电容基本选择方案；
(四)根据(三)结果，放宽级联数要求，以储能成本最低为优化目标，再次求解超级电容选择方案。
所述(一)中总容量约束具体为：
Figure BDA0002570732800000021
式中，Esc0i为额定容量，xi和yi分别为超级电容型号i的串联数和并联数，td为额定放电时长，Pgref为变换器额定功率，k1为储能容量裕量，一般取1.5。
所述(二)中总电压约束具体为：
Figure BDA0002570732800000022
式中，ujk为j相第k个子模块输入电压，j＝a,b,c，a、b、c为电网三相，Vdcmin为最小总直流电压，k2为调制比裕量，Vg为电网电压幅值；ω为电网电压电角速度，Lg为滤波电感，n为级联数。
本发明提出了一种用于辅助调频的超级电容储能装置控制方法，具体为：将定功率并网算法的输出信号取绝对值后，送入载波层叠调制，将载波层调制的输出信号送入均压算法，均压算法的输出信号用于驱动桥臂模块中对应的半桥子模块，若某一相定功率并网算法的输出信号大于0，则驱动该相桥臂模块中的全桥子模块。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明的超级电容储能装置实现超级电容子模块的在线投退与更换，避免大量超级电容单元串、并联带来的均压均流困难，便于储能装置和变换器整体集成化设计；
(2)本发明的超级电容储能装置包括半桥子模块和全桥子模块，在保证输出波形满足电网谐波要求的基础上节省大量开关器件，节约成本；
(3)本发明的超级电容子模块选择方法，兼顾储能成本、级联数、输出电平数指标最优配置方案；
(4)本发明的控制方法中采用载波层叠的均压算法，大幅减小开关损耗，简化了超级电容子模块均压过程，避免大量均压环路的参数整定。
附图说明
图1为本发明超级电容储能装置主电路基本框图；
图2为本发明的超级电容模块选择框图；
图3为本发明的均压算法控制框图；
图4为本发明的开关信号产生框图。
具体实施方式
如图1，本发明的包括10kV电网1、星-三角变压器2、滤波电感和桥臂模块，其中桥臂模块包括第一桥臂模块3、第二桥臂模块和第三桥臂模块，滤波电感包括第一滤波电感7、第二滤波电感8和第三滤波电感9，10kV电网1与星-三角变压器2输入端电连接，星-三角变压器2的输出端与滤波电感电连接，第一滤波电感7与第一桥臂模块3的输入端电连接，第二滤波电感8与第二桥臂模块的输入端电连接，第三滤波电感9与第三桥臂模块的输入端电连接，第一桥臂模块3的输出端、第二桥臂模块的输出端以及第三桥臂的输出端之间电连接。
每个桥臂模块包括超级电容子模块5、半桥子模块4和全桥子模块6，每个桥臂模块中包括多个半桥子模块4和多个超级电容子模块5，一个超级电容子模块5并联一个半桥子模块4，多个半桥子模块4依次串联构成半桥子模块系统，半桥子模块系统与全桥子模块6并联。
半桥子模块4由两个绝缘栅双极型晶体管串联。全桥子模块6由两个半桥子模块4并联。因半桥电路与全桥及多电平电路相比所需开关管较少，尤其在级联数较多的场合大量节省所需开关管数量，符合工程关切。但半桥电路仅能输出正电平，级联半桥支路仅能模拟|ugj|的波形，为此还需在每相级联半桥支路两端并接全桥电路，以便在电网1电压负半周时输出负电平。
参见图2以说明超级电容子模块5的选择方法，i和m为两种产品型号，储能装置由某单一型号的模块构成，或者由不同型号产品组合构成，且不同型号产品的串联数和并联数往往不同。
超级电容子模块5的参数按如下步骤选择，具体为：
(一)根据超级电容放电时长确定总容量约束；
工程要求变换器以额定功率持续放电15s，得总容量约束为：
Figure BDA0002570732800000041
式中，Esc0i为额定容量，xi和yi分别为超级电容型号i的串联数和并联数，Pgref为变换器额定功率，k1为储能容量裕量，一般取1.5；
(二)根据超级电容额定功率确定总电压约束；
定义第j相链式变换器支路输出电压uoj的基波相量形式为uo、j相电网1电压ugj的相量形式为ug、j相电网1电流igj的相量形式为ig，交流侧相量关系表示为
uo＝ug+jωLgig (4)
由式(2)求得uo的幅值Vo为
Figure BDA0002570732800000042
考虑调制比工程裕量k2＝0.85，等式(2)化简为
Figure BDA0002570732800000043
式中，ujk为j相第k个子模块输入电压，Vdcmin为最小总直流电压；Vg为ug的幅值；ω为电网1电压电角速度；
采用储能模块供电时，式(6)表示为
Figure BDA0002570732800000044
式中，Usc0i为超级电容模块额定电压；
综合式(3)和(6)，链式变换器储能模块选择的基本约束如下：
Figure BDA0002570732800000051
储能模块选择是一个多约束非线性规划问题，计算过程复杂，为保证求解结果的可靠性，采用软件求解、仿真验证、结果修正的方法。
(三)以成本最小、级联数最小、电压偏差最小、输出电平数最多为优化目标，依次求解超级电容基本选择方案；
根据等式(6)所示约束条件，结合表1所示参数，在不同优化目标下得到不同产品组合方案，列举如下：
A、储能模块成本最小：选取1#模块接至1个子模块直流电压端口，选取5#模块接至2个子模块直流电压端口，选取8#模块接至2个子模块直流电压端口，选取9#模块接至18个子模块直流电压端口。此时，级联数为23，总储能模块数为69，最大电平数约47，选用开关器件AUIRGPS4070D0则总成本约26.5万元。
B、链式变换器级联数最小：选取5#模块经6次并联后分别接至8个子模块直流端口，选取12#模块接至1个直流端口。此时，级联数为9，总储能模块数为147，最大电平数为19，选用开关器件AUIRGPS4070D0则总成本约56.99万元。
C、模块额定电压偏差最小：选用同一种型号储能模块时，各子模块输入直流电压偏差最小。选取5#模块经6次并联后分别接至9个子模块直流端口。此时，级联数为9，总储能模块数为162，最大电平数为19，选用开关器件AUIRGPS4070D0则总成本约58.65万元。方案3同样也是优化目标2的一个解。
D、最大输出电平数：以H桥子模块为例。将所有子模块分成4组，各组内子模块触发脉冲相同，各组子模块输入电压和按1:3:9:27配置时用现有产品组合获得最多输出电平数。负载功率在各组间的分配关系为0.67％，3.33％，16％和80％，根据上述信息配置产品组合如下。组1：1#模块经2次并联后接至1个子模块直流端口，7#模块接至1个子模块直流端口；组2：3#模块经4次并联后接至1个子模块直流端口；组3：12#模块接至2个子模块直流端口；组4：5#模块经5次并联后接至5个子模块直流端口，10#模块经6次并联后接至1个子模块直流端口。此时，级联数为11，总储能模块数为120，最大电平数为81，选用开关器件IXGN200N60B3则总成本约64.42万元。
表1不同储能模块主要参数
型号 U<sub>sc0i</sub>/V C<sub>sc0i</sub>/F R<sub>sc0i</sub>/mΩ E<sub>sc0i</sub>/Wh 售价/元
1#模块 15 60 25 1.88 420
2#模块 75 36 50 28.1 5580
3#模块 90 10 120 11.2 2000
4#模块 150 5.8 200 18.1 3680
5#模块 160 5.8 200 20.6 3450
6#模块 16 500 1.8 17.8 1800
7#模块 28.5 300 3 33.84 6000
8#模块 48 83 9 26.5 2400
9#模块 48 165 5 52.8 3900
10#模块 64 125 8 71.1 7850
11#模块 80 94 13.5 83.5 7500
12#模块 144 55 17 158.4 16000
(四)根据(三)结果，放宽级联数要求，以储能成本最低为优化目标，再次求解超级电容选择方案。
E、适当放宽成本要求，且级联数较少：选取12#模块接至9个子模块直流端口，选取11#模块接至1个直流端口。此时，级联数为10，总储能模块数为30，最大电平数为21，选用开关器件AUIRGPS4070D0则总成本约46.28万元。
一种用于辅助调频的超级电容储能装置的控制方法，具体内容为：将定功率并网算法的输出信号取绝对值后，送入载波层叠调制，将载波层调制的输出信号送入均压算法，均压算法的输出信号用于驱动桥臂模块中对应的半桥子模块4，若某一相定功率并网算法的输出信号大于0，则驱动该相桥臂模块中的全桥子模块6。
参见图3，均压算法包括占空比记录模块、电压标幺值排序模块、占空比交换模块。实时采样各储能模组端电压并处以对应储能模组额定电压得到各储能模组端电压标幺值，将得到的各储能模组端电压标幺值降序排列，并依次记录降序电压标幺值对应的半桥电路编号得到半桥电路编号序列，当储能装置接收到放电指令时，将载波层叠调制所得各触发信号从底层到顶层依次送入半桥电路编号序列对应的各半桥电路，当储能装置接收到充电指令时，将载波层叠调制所得各触发信号从顶层到底层依次送入半桥电路编号序列对应的各半桥电路。
加入电压均衡算法后，若第k个储能模组电压的标幺值小于第k+1个储能模组电压的标幺值，则第k个储能模组的电压标幺值排序中优先级下降，对应使用的载波层数上升，即第k个半桥模块的占空比减小，该子模块的储能模组放电深度减小，促使电压恢复。同理，当储能模组充电时，若第k个储能模组电压的标幺值小于第k+1个储能模组电压的标幺值，则第k个储能模组的电压标幺值排序中优先级下降，对应使用的载波层数下降，即第k个半桥模块的占空比增加，该子模块的储能模组充电深度加大，促使电压恢复，其中，电压标幺值排序为降序排序，载波层数为升序排序。
参见图4，Qgref为变换器输出无功的给定值；θin为ug的相位；umj为并网算法的j相输出调制波；Pulse_T1j为图3中j相H桥T1j的触发信号，Pulse_T2j为T2j的触发信号；Pulse_S1kj为j相第k个级联子模块的上管S1kj的触发信号；Pulse_S2kj为j相第k个级联子模块的下管S2kj的触发信号。
矢量控制的定功率并网算法具体为：采样电网1电压ugabc，经锁相环PLL和旋转变换计算得d轴电压Vd、q轴电压Vq和锁相角θin；采样电网1电流igabc，用θin和旋转变换计算得d轴电流Id和q轴电流Iq；将给定有功Pgref除以1.5Vd，经限幅得到给定d轴电流Id *，减去Id所得差值经PI环节后加上Vd减去IqωLg得到d轴输出电压，将给定有功Qgref除以-1.5Vd，经限幅得到给定q轴电流Iq *，减去Iq所得差值经PI环节后加上Vd加上IdωLg得到q轴输出电压，将d轴输出电压和q轴输出电压经反旋转变换得到调制波um，经PWM调制得到三相桥式电路的开关触发信号。
umj经绝对值模块、CD-PWM与电压均衡算法后驱动各相链式结构的各子模块，例如取绝对值后的A相调制波|uma|用CD-PWM生成开关信号，用电压均衡算法实时确定导通子模块编号，进而在实现储能模块标幺值相同的情况下合成正弦波绝对值波形。判断umj是否大于等于零以触发链式结构的并联H桥，当umj大于等于零时T1j导通、T2j关断，即正弦波绝对值波形正向接入电网1；当umj小于零时T1j关断、T2j导通，即正弦波绝对值波形反向接入电网1。

Claims (8)

1.一种用于辅助调频的超级电容储能装置，其特征在于，包括电网(1)、三相变压器(2)、滤波电感和桥臂模块，所述桥臂模块包括第一桥臂模块(3)、第二桥臂模块和第三桥臂模块，所述滤波电感包括第一滤波电感(7)、第二滤波电感(8)和第三滤波电感(9)，所述电网(1)与所述三相变压器(2)输入端电连接，所述三相变压器(2)的输出端与所述滤波电感电连接，所述第一滤波电感(7)与所述第一桥臂模块(3)的输入端电连接，所述第二滤波电感(8)与所述第二桥臂模块的输入端电连接，所述第三滤波电感(9)与所述第三桥臂模块的输入端电连接，所述第一桥臂模块(3)的输出端、第二桥臂模块的输出端以及第三桥臂的输出端之间电连接。
2.根据权利要求1所述的用于辅助调频的超级电容储能装置，其特征在于，每个所述桥臂模块包括超级电容子模块(5)、半桥子模块(4)和全桥子模块(6)，一个所述超级电容子模块(5)并联一个所述半桥子模块(4)，多个所述半桥子模块(4)依次串联构成半桥子模块系统，所述半桥子模块系统与所述全桥子模块(6)并联。
3.根据权利要求2所述的用于辅助调频的超级电容储能装置，其特征在于，所述全桥子模块(6)由两个半桥子模块(4)并联。
4.根据权利要求2所述的用于辅助调频的超级电容储能装置，其特征在于，所述半桥子模块(4)由两个绝缘栅双极型晶体管串联。
5.根据权利要求2所述的用于辅助调频的超级电容储能装置，其特征在于，所述超级电容子模块(5)的参数按如下步骤选择：
(一)根据超级电容放电时长确定总容量约束；
(二)根据超级电容额定功率确定总电压约束；
(三)以成本最小、级联数最小、电压偏差最小、输出电平数最多为优化目标，依次求解超级电容基本选择方案；
(四)根据(三)结果，放宽级联数要求，以储能成本最低为优化目标，再次求解超级电容选择方案。
6.根据权利要求5所述的用于辅助调频的超级电容储能装置，其特征在于，所述步骤(一)中总容量约束具体为：
Figure FDA0002570732790000011
式中，Esc0i为额定容量，xi和yi分别为超级电容型号i的串联数和并联数，td为额定放电时长，Pgref为变换器额定功率，k1为储能容量裕量。
7.根据权利要求5所述的用于辅助调频的超级电容储能装置，其特征在于，所述步骤(二)中总电压约束具体为：
Figure FDA0002570732790000021
式中，ujk为j相第k个子模块输入电压，j＝a,b,c，a、b、c为电网(1)三相，Vdcmin为最小总直流电压，k2为调制比裕量，Vg为电网(1)电压幅值，ω为电网(1)电压电角速度，Lg为滤波电感，n为级联数。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的用于辅助调频的超级电容储能装置的控制方法，其特征在于，方法为：将定功率并网算法的输出信号取绝对值后，送入载波层叠调制，将载波层调制的输出信号送入均压算法，均压算法的输出信号用于驱动桥臂模块中对应的半桥子模块(4)，若某一相定功率并网算法的输出信号大于0，则驱动该相桥臂模块中的全桥子模块(6)。
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