CN111969610A - 基于储能变流器四象限运行特性的电压功率综合控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于储能变流器四象限运行特性的电压功率综合控制系统,结合微网储能特点和用户负荷特点与要求,控制策略可分为无功滞环区间控制模式、恒功率因数模式、电压无功综合控制模式。EMS同时具备3种控制策略,具有对用户友好的HMI交互界面,切换策略简单,可以实现各种控制策略的灵活切换。EMS按照实际运行PCS数量、有功输出功率、EMS标称容量以及无功出力降额保护系数,计算出每个Qpcs(单个PCS无功功率目标值)。为保证PCS正常工作,本发明的3种控制策略(无功滞环区间控制模式、恒功率因数模式、电压无功综合控制模式)都要按照最大无功下发策略进行保护控制。
Description
技术领域
本发明涉及电压功率综合控制系统技术领域,特别是涉及一种基于储能变流器四象限运行特性的电压功率综合控制系统。
背景技术
储能变流器(Power Conversion System——PCS)可控制蓄电池的充电和放电过程,进行交直流的变换,在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。 PCS由DC/AC双向变流器、控制单元等构成。PCS控制器通过通讯接收后台控制指令,根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电,实现对电网有功功率及无功功率的调节。目前,市面上主流PCS厂家(盛宏、特锐德、新艾等)均支持变流器四象限运行功能。
目前,微网储能设备主要的商业模式为削峰填谷,即在电网峰段时间(8: 00-12:00具体时间参照当地电网公司规定)储能电站放电,减少用户从电网消耗有功功率,从而实现节约电费经济性的目的。在电网谷段时间(0: 00-8:00)储能电站充电,为下一次放电做准备。具体运行模式是一充一放,还是多充多放策略,视具体控制策略而定。很多用户除了有削峰填谷的需求,还有对电网电压的调节需求,目前大部分用户调节电压通过调节线路的无功功率来实现,手动或自动投切固定电容器,或投入SVG(静止无功发生器)。固定电容器投入或退出容易造成电压波动,额外投入SVG价格又比较昂贵。
发明内容
本发明针对现有技术存在的储能系统收益低,只调节系统有功功率(充电或放电)而不参与电压调节过程,对电网电压升高或降低甚至电压的跌落无法保护或抑制的问题和不足,提供一种基于储能变流器四象限运行特性的电压功率综合控制系统,利用储能变流器(PCS)四象限运行特性,结合EMS (能量管理系统)对储能系统控制策略进行优化。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:
本发明提供一种基于储能变流器四象限运行特性的电压功率综合控制系统,其特点在于,其包括控制仪表、EMS和储能系统,所述储能系统包括多个储能变流器PCS,所述EMS上显示有三种控制模式可供用户选择,三种控制模式包括无功滞环区间控制模式、恒功率因数模式和电压无功综合控制模式;
一、在选择的控制模式为无功滞环区间控制模式时,通过控制仪表采集母线上电网考核点的无功功率值,并将采集到的无功功率值传输至EMS, EMS进行判断:
Qset表示EMS通过计算的无功功率总和,Qsys_max表示系统允许输出无功功率总和,Count N表示系统运行的PCS数量,Spcs表示单个PCS容量,ESSPout表示储能系统有功功率输出,n表示系统无功出力降额保护系数;
EMS按照Qsys_max的允许无功的最大值平均给PCS下发无功功率目标值:若|Qset|>|Qsys_max|,Qset=Qsys_max
Qpcs=Qsysmax/Count N
若|Qset|<|Qsys_max|,EMS按照Qset的目标值平均给PCS下发无功目标:Qset=Qset
Qpcs=Qset/Count N;
二、在选择的控制模式为恒功率因数模式时,通过控制仪表采集母线上电网考核点的功率因数,并将功率因数传输至EMS,EMS进行比较功率因数与设定值,判断增加或降低给每个PCS无功目标,通过调节系统无功间接调节系统功率因数,考虑到对PCS输出功率保护,无功目标应履行以下原则:
若|Qset|>|Qsys_max|,EMS按照Qsys_max的允许无功的最大值平均给 PCS下发无功功率目标值:Qset=Qsys_max
Qpcs=Qsysmax/Count N
若|Qset|<|Qsys_max|,EMS按照Qset的目标值平均给PCS下发无功目标:Qset=Qset
Qpcs=Qset/Count N;
三、在选择的控制模块为电压无功综合控制模式时,通过控制仪表采集母线上电网考核点的电压值Usys,并将电压值Usys传输至EMS,EMS进行判断:
若Usys>Umax,Umax=Uset_max+du,Umax表示最大电压允许上限值, Uset_max表示设定电压最大值,du表示电压浮动区间电压允许值;
判定系统电压偏高,EMS计算系统所需无功参考为:
Qset=(Usys-Umax)*Kp,Kp表示电网电压无功系数;
每个PCS调节目标为:假设有N个PCS运行
Qpcsi=Qset/N+dQu,dQu表示PCS每次调节无功步长,i表示第i个PCS,
则:i#PCS无功功率总目标值为Qpcsi+Qpcs_current,Qpcs_current为 PCS当前无功功率值;
若Usys<Umin,Umin=Uset_min-du,Umin表示最小电压允许下限值, Uset_min表示设定电压最小值;
判定系统电压偏低,EMS计算系统所需无功参考为:
Qset=(Umin-Usys)*Kp
每个PCS调节目标为:假设有N个PCS运行
Qpcsi=Qset/N+dQu
则:i#PCS无功功率总目标值为Qpcs_current-Qpcsi;
若Umin-du<Usys<Umax+du
判定系统电压正常,EMS计算系统需要无功参考为:
Qset=Qsetl,Qsetl为上个EMS扫描周期所计算的无功功率目标参考值;
则每个PCS下发无功功率总目标值不变。
本发明的积极进步效果在于:
1)经济性:本发明利用PCS四象限运行特性,结合电压无功综合控制算法,实现微网储能空闲电压/无功/功率因数控制调节功能,无需另外配置 SVG/SVC,固定电容器/电抗器,实现动态调节效果。
2)实用性:本发明有着直观友好的EMS交互界面,操作简单,系统集成了无功滞环区间控制模式、恒功率因数模式、电压无功综合控制模式,满足不同用户,不同需求的无功调节方式。
3)安全性:本发明自控制过程中实时监测电池的温度和电压信息,并根据电压和温度信息进行充放电控制,从而进一步保证电池的安全。
4)系统可靠性和可用率:降低了由于供电能力和充电功率不匹配带来系统服务中断和故障的风险。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的系统拓扑结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明利用储能变流器(PCS)可以四象限运行的特性,结合EMS控制系统,实现削峰填谷的同时,又能很好的控制电网电压,从而实现电压功率综合控制的目的,无需额外增加SVG、电容器等无功调节装置。图1为本发明的系统拓扑结构图。
结合微网储能特点和用户负荷特点与要求,控制策略可分为无功滞环区间控制模式、恒功率因数模式、电压无功综合控制模式。EMS同时具备3 种控制策略,具有对用户友好的HMI交互界面,切换策略简单,可以实现各种控制策略的灵活切换。
EMS按照实际运行PCS数量、有功输出功率、EMS标称容量以及无功出力降额保护系数,计算出每个Qpcs(单个PCS无功功率目标值)。为保证 PCS正常工作,本发明的3种控制策略(无功滞环区间控制模式、恒功率因数模式、电压无功综合控制模式)都要按照最大无功下发策略进行保护控制。
一、无功滞环区间控制模式:通过EMS与储能系统结合,直接对用户负荷侧无功进行调节,通过控制仪表采集母线上电网考核点(一般是指变压器低压侧总负荷开关前端)的无功功率值,并将采集到的无功功率值传输至 EMS,与EMS内部用户设定的允许置换区间的无功目标功率范围相对比,检测到无功功率值不在允许置换区间的无功目标功率范围内时,通过下发增大或缩小PCS无功目标功率,PCS按照EMS指令增大或缩小自身的输出无功功率,实现对系统侧的无功调节(增大或缩小),直到控制系统无功功率值处于允许置换区间的无功目标功率范围内。该策略的正常运行需遵循最大无功下发策略即:
若|Qset|(EMS通过计算的无功功率总和)>|Qsys_max|(系统允许输出无功功率总和)见公式1,EMS按照Qsys_max的允许无功的最大值平均给 PCS下发无功目标。具体算法如下:
(Count N:系统运行的PCS数量,Spcs:单个PCS容量,ESSPout:储能系统有功功率输出,n:系统无功出力降额保护系数)
若:|Qset|>|Qsys_max|Qset=Qsys_max
Qpcs=Qsysmax/Count N
若|Qset|(EMS通过计算的无功功率总和)<|Qsys_max|(系统允许输出无功功率总和),EMS按照Qset的目标值,平均给PCS下发无功目标。
|Qset|<|Qsys_max|Qset=Qset
Qpcs=Qset/Count N
二、恒功率因数模式:EMS提供功率因数模式参数输入,可设定功率因数目标上限(系统默认为1或-1),功率因数目标下限。通过控制仪表采集母线上电网考核点的功率因数,当电网考核点功率因数低于目标下限时,判断系统无功为感性或容性无功,EMS计算下发功率因数目标值,结合运行PCS的数量,以及PCS最大允许发出的无功最大值,在优先保证有功调节正常的前提下,合理调节无功,使电网功率因数调节到允许的范围内。该策略的正常运行也需遵循最大无功下发策略即:
若|Qset|(EMS通过计算的无功功率总和)>|Qsys_max|(系统允许输出无功功率总和)见公式1,EMS按照Qsys_max的允许无功的最大值平均给 PCS下发无功目标。具体算法如下:
(Count N:系统运行的PCS数量,Spcs:单个PCS容量,ESSPout:储能系统有功功率输出,n:系统无功出力降额保护系数)
若:|Qset|>|Qsys_max|Qset=Qsys_max
Qpcs=Qsysmax/Count N
若|Qset|(EMS通过计算的无功功率总和)<|Qsys_max|(系统允许输出无功功率总和),EMS按照Qset的目标值,平均给PCS下发无功目标。
|Qset|<|Qsys_max|Qset=Qset
Qpcs=Qset/Count N。
三、电压无功综合控制模式:按照设定的电压进行控制,储能在保证对有功功能正常的前提下(优先保证有功出力)同时对电网侧电压进行调节与控制。EMS通过计算与调节PCS无功功率,实现并网点电压控制的目标,电力系统中一般规定Uab为控制参考电压。想要实现此类功能,先要对电网进行测试,计算电网电压无功系数Kp(kvar/V),即调节多少kvar无功能使电网电压升高或降低1V。
控制策略为:
通过控制仪表采集母线上电网考核点的电压值Usys,并将电压值Usys 传输至EMS,EMS进行判断:
若Usys>Umax,Umax=Uset_max+du,Umax表示最大电压允许上限值, Uset_max表示设定电压最大值,du表示电压浮动区间电压允许值;
判定系统电压偏高,EMS计算系统所需无功参考为:
Qset=(Usys-Umax)*Kp,Kp表示电网电压无功系数;
每个PCS调节目标为:假设有N个PCS运行
Qpcsi=Qset/N+dQu,dQu表示PCS每次调节无功步长,i表示第i个PCS,
则:i#PCS无功功率总目标值为Qpcsi+Qpcs_current,Qpcs_current为 PCS当前无功功率值;
若Usys<Umin,Umin=Uset_min-du,Umin表示最小电压允许下限值, Uset_min表示设定电压最小值;
判定系统电压偏低,EMS计算系统所需无功参考为:
Qset=(Umin-Usys)*Kp
每个PCS调节目标为:假设有N个PCS运行
Qpcsi=Qset/N+dQu
则:i#PCS无功功率总目标值为Qpcs_current-Qpcsi;
若Umin-du<Usys<Umax+du
判定系统电压正常,EMS计算系统需要无功参考为:
Qset=Qsetl,Qsetl为上个EMS扫描周期所计算的无功功率目标参考值;
则每个PCS下发无功功率总目标值不变。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是本领域的技术人员应当理解,这些仅是举例说明,本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下,可以对这些实施方式做出多种变更或修改,但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于储能变流器四象限运行特性的电压功率综合控制系统,其特征在于,其包括控制仪表、EMS和储能系统,所述储能系统包括多个储能变流器PCS,所述EMS上显示有三种控制模式可供用户选择,三种控制模式包括无功滞环区间控制模式、恒功率因数模式和电压无功综合控制模式;
一、在选择的控制模式为无功滞环区间控制模式时,通过控制仪表采集母线上电网考核点的无功功率值,并将采集到的无功功率值传输至EMS,EMS进行判断:
Qset表示EMS通过计算的无功功率总和,Qsys_max表示系统允许输出无功功率总和,Count N表示系统运行的PCS数量,Spcs表示单个PCS容量,ESSPout表示储能系统有功功率输出,n表示系统无功出力降额保护系数;
EMS按照Qsys_max的允许无功的最大值平均给PCS下发无功功率目标值:若|Qset|>|Qsys_max|,Qset=Qsys_max
Qpcs=Qsysmax/Count N
若|Qset|<|Qsys_max|,EMS按照Qset的目标值平均给PCS下发无功目标:Qset=Qset
Qpcs=Qset/Count N;
二、在选择的控制模式为恒功率因数模式时,通过控制仪表采集母线上电网考核点的功率因数,并将功率因数传输至EMS,EMS进行比较功率因数与设定值,判断增加或降低给每个PCS无功目标,通过调节系统无功间接调节系统功率因数,考虑到对PCS输出功率保护,无功目标应履行以下原则:
若|Qset|>|Qsys_max|,EMS按照Qsys_max的允许无功的最大值平均给PCS下发无功功率目标值:Qset=Qsys_max
Qpcs=Qsysmax/Count N
若|Qset|<|Qsys_max|,EMS按照Qset的目标值平均给PCS下发无功目标:Qset=Qset
Qpcs=Qset/Count N;
三、在选择的控制模块为电压无功综合控制模式时,通过控制仪表采集母线上电网考核点的电压值Usys,并将电压值Usys传输至EMS,EMS进行判断:
若Usys>Umax,Umax=Uset_max+du,Umax表示最大电压允许上限值,Uset_max表示设定电压最大值,du表示电压浮动区间电压允许值;
判定系统电压偏高,EMS计算系统所需无功参考为:
Qset=(Usys-Umax)*Kp,Kp表示电网电压无功系数;
每个PCS调节目标为:假设有N个PCS运行
Qpcsi=Qset/N+dQu,dQu表示PCS每次调节无功步长,i表示第i个PCS,
则:i#PCS无功功率总目标值为Qpcsi+Qpcs_current,Qpcs_current为PCS当前无功功率值;
若Usys<Umin,Umin=Uset_min-du,Umin表示最小电压允许下限值,Uset_min表示设定电压最小值;
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