CN112531747A - 一种储能与无功补偿协调控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电系统技术领域，具体涉及一种储能与无功补偿协调控制系统及方法，包括电气测量单元、储能单元、AC/DC双向转换控制单元、储能单元支路控制断路器、无功补偿单元和无功补偿单元支路控制断路器、储能与无功补偿协调控制单元、负荷侧开关，电气测量单元的采集侧、储能单元支路控制断路器、无功补偿单元支路控制断路器与输电线路相连，AC/DC双向转换控制单元的交流侧和储能单元支路控制断路器相连，AC/DC双向转换控制单元的直流侧和储能单元连接，电气测量单元的信号侧、储能单元支路控制断路器以及AC/DC双向转换控制单元、储能单元、无功补偿单元支路控制断路器的控制侧均分别和储能与无功补偿协调控制单元相连。

Description

一种储能与无功补偿协调控制系统及方法

技术领域

本发明涉及风电系统技术领域，具体涉及一种提高风电系统的电能质量和设备的平均使用率和使用寿命的储能与无功补偿协调控制系统及方法。

背景技术

目前风电厂的储能装置和无功补偿装置都是按照各自的规律在工作，没有协调统一的工作方法；尤其是在传统无功补偿装置采用梯级开关时，无法进行柔性无功补偿时，作为容性充放电回路的储能，目前的储能装置，却无法对系统进行适当的柔性无功补偿调整和兼容；并且很大部分传统储能装置的放电电压及功率十分不稳定，长时间运行极易导致用电设备的损坏，造成损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种对储能与无功补偿设备进行协调控制，使得储能单元不但满足储能需求，还能满足无功的柔性补偿需求，且设备使用中采用了均衡分配原则，提高了风电系统的电能质量和设备的平均使用率和使用寿命的储能与无功补偿协调控制系统及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种储能与无功补偿协调控制系统，包括电气测量单元、至少三条储能单元支路、至少三条无功补偿单元支路、储能与无功补偿协调控制单元、负荷侧开关，储能单元支路上有电连接的储能单元、AC/DC双向转换控制单元、储能单元支路控制断路器，无功补偿单元支路上有电连接的无功补偿单元和无功补偿单元支路控制断路器；所述的电气测量单元的采集侧与输电线路相连，电气测量单元的信号侧和储能与无功补偿协调控制单元相连，所述的储能单元支路控制断路器的一端与输电线路相连，储能单元支路控制断路器的另一端连接AC/DC双向转换控制单元，所述的AC/DC双向转换控制单元的交流侧通过低压输电线缆和储能单元支路控制断路器相连，AC/DC双向转换控制单元的直流侧通过低压输电线缆和储能单元连接，所述的无功补偿单元支路控制断路器的一端连接输电线路，无功补偿单元支路控制断路器的另一端连接无功补偿单元，所述的储能单元支路控制断路器的控制侧、AC/DC双向转换控制单元的控制侧、储能单元的控制侧、无功补偿单元支路控制断路器的控制侧均分别通过控制通信线和储能与无功补偿协调控制单元连接，储能与无功补偿协调控制单元和负荷侧开关电性连接，负荷侧开关与输电线路相连。

所述的电气测量单元包括一组电压测量装置、一组电流测量装置、运算放大电路，所述的储能单元包括至少5个超级电容组，所述的AC/DC双向转换控制单元包括一个交流转直流装置和一个直流转交流装置，所述的无功补偿单元包括一个电容电抗器，所述的储能与无功补偿协调控制单元包括一个微型单片机及其外围电路。

所述的电压测量装置为高压电压互感器，电流测量装置为高压电流互感器，运算放大电路采用精密运算放大器，微型单片机采用带A/D转换功能引脚的单片机。

所述的电气测量单元将风电等值系统运行的电压和电流转换为低电压和小电流后送到储能与无功补偿协调控制单元进行电气量计算和分析；所述的AC/DC双向转换控制单元根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行交流与直流双向电流的转换；所述的储能单元根据储能与无功补偿协调控制单元的指令在系统电压满足时进行储能，在系统需要放电时进行放电，在系统需要进行无功补偿时进行协调作用；所述的无功补偿单元，根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行无功补偿器件的投切。

以功率潮流流向负荷侧为正，所述的储能与无功补偿协调控制单元当分析计算出的功率潮流逆向时，断开负荷侧开关，防止功率逆向流动；此时负荷端由储能单元放电独立供电；当风电系统电压高于额定电压时进行储能充电，当风电系统电压低于额定电压0V及以上时进行放电；充放电支路多少根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行，达到削峰填谷。

所述的储能与无功补偿协调控制单元根据检测到的风电系统电压情况、负荷变化情况自动进行储能与无功补偿单元的投切；储能作为无功柔性补偿的一部分，协调电容器单元投切进行柔性无功补偿，在用电负荷实时变化过程中，补偿到系统功率因数不低于0.95，系统电压在额定电压正负5％内波动，保证用户的电能质量；

实际风电系统的负载，根据用户的用电情况，负载在不断的变化过程中，有功功率也是不断变化，功率因素不断变化，无功补偿也就必须跟随系统变化，储能充放电回路电压也在不断变化，所以以潮流流向、电压波动、功率因素为约束条件时，储能与无功补偿协调控制系统也一直在进行协调调整，调整储能和无功补偿处于最佳协调工作状态。

一种储能与无功补偿协调控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、程序初始化，分别设置电气测量单元、AC/DC双向转换控制单元、储能单元、无功补偿单元所需存储的测量数据与控制数据序列存储器地址与长度；设置断路器、负荷侧开关、AC/DC双向转换控制单元和储能单元支路开关、无功补偿单元支路开关控制位置信号存储地址和控制信号地址，设置储能与无功补偿协调单元算法所需存储单元，设置历史数据查询记录存储器，设置系统通讯模式；

步骤2)、负荷实时测量与存储

分别读取与记录负荷侧开关、AC/DC双向转换控制单元和储能单元支路开关、无功补偿单元支路开关控制位置信号及负荷电流电压信号，完成设备实时数据采样并存储；

步骤3)、电流电压功率潮流信号实时计算

对三相电流电压实时采样数据，计算出三相电压电流的实时有效值和相角、实时有功功率和无功功率及功率因素，计算出三相电压的对称平衡度；

步骤4)、储能充放电支路控制

当风电系统电压高于额定电压时进行储能充电，当风电系统电压低于额定电压0V及以上时进行放电；充放电支路多少，根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行，达到削峰填谷；

步骤5)、储能与无功补偿协调控制调整

根据步骤3)根据计算的功率潮流流向与功率因素，计算无功补偿容量，可以进行充电放电的支路数，结合多个无功补偿单元的投退情况和多个储能单元的储能与放电状态，对多个无功补偿单元和多个储能单元的充电和放电状态进行协调控制调整，进行最优组合，所有储能与无功补偿协调控制调整的实时目标为调整到满足功率流向与电压和功率因素的相互约束条件，即：

式中P为系统实时负荷功率，大于零表示功率流向为正，U为系统实时负荷电压，U_N为系统负荷额定电压，cosφ为负荷实时功率因素；

此外，在满足最优组合条件时，对多个无功补偿单元和多个储能单元采用均衡利用分配原则，使用次数少的尽量早用，提高所有设备的利用率和平均寿命；

步骤6)、数据的历史存储与记录保存；

存储所有计算、调整动作的状态量及数据量，存入程序初始化设定的存储器内，供历史记录、查询使用；

步骤7)程序在线返回；

完成上述步骤后，程序在线返回到在线设置部位，进行下一次的计算与判定，如此循环，构成一种储能与无功补偿协调控制系统的协调控制调整方法。

本发明的积极效果是：本发明的电气测量单元通过对风电系统传输的三相电各个相的电流及电压进行实时采集，从而计算出功率及功率因数等电能质量参数，后将这些参数送予储能与无功补偿协调控制单元进行分析，后者再对储能单元支路、无功补偿单元支路智能控制，从而达到各个单元协调作用的目的。储能与无功补偿协调控制系统可实现对储能单元以及无功补偿单元的智能协调控制，既有效提高了系统中各设备的利用率，又可对电能质量有显著的改善；储能与无功补偿协调控制系统投入成本远低于市面上同类产品，且完全不需要人工控制，大大节省了人力物力方面的损耗，有力地呼应了可持续发展理念。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的流程示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种储能与无功补偿协调控制系统，包括电气测量单元、至少三条储能单元支路、至少三条无功补偿单元支路、储能与无功补偿协调控制单元、负荷侧开关，储能单元支路上有电连接的储能单元、AC/DC双向转换控制单元、储能单元支路控制断路器，无功补偿单元支路上有电连接的无功补偿单元和无功补偿单元支路控制断路器；电气测量单元包括三个电压测量装置、三个电流测量装置、运算放大电路，电压测量装置采用10000:1高压电压互感器，电流测量装置采用10000:1高压电流互感器，运算放大电路采用精密运算放大器，电气测量单元采集侧的电压互感器和电流互感器与输电线路相连，用以测量电量信息，三个电压互感器和三个电流互感器信号侧分别与运算放大电路连接，电气测量单元信号侧的运算放大电路将采集到的电压和电流模拟信号经过处理通过单根数据线分别传输到储能与无功补偿协调控制单元的AD采集端，储能单元支路控制断路器的一端与输电线路相连，储能单元支路控制断路器的另一端连接AC/DC双向转换控制单元，AC/DC双向转换控制单元包括一个交流转直流装置和一个直流转交流装置，AC/DC双向转换控制单元的交流侧通过低压输电线缆和储能单元支路控制断路器相连，AC/DC双向转换控制单元的直流侧通过低压输电线缆和储能单元连接，储能单元包括至少5个超级电容组。

无功补偿单元支路控制断路器的一端连接输电线路，无功补偿单元支路控制断路器的另一端连接无功补偿单元，无功补偿单元包括一个电容电抗器，储能单元支路控制断路器的控制侧、AC/DC双向转换控制单元的控制侧、储能单元的控制侧、无功补偿单元支路控制断路器的控制侧均分别通过控制通信线和储能与无功补偿协调控制单元连接，储能与无功补偿协调控制单元和负荷侧开关电性连接，负荷侧开关与输电线路相连，储能与无功补偿协调控制单元包括一个微型单片机及其外围电路，微型单片机采用带A/D转换功能引脚的单片机。

储能与无功补偿协调控制系统的前端与风电厂的三相电高压输电线路相连，其后端与负荷支路相连，风电厂包括风电系统等值电源、断路器及输电线路，负荷支路即用户的各个用电设备。

电气测量单元将风电等值系统运行的电压和电流转换为低电压和小电流后送到储能与无功补偿协调控制单元进行电气量计算和分析；AC/DC双向转换控制单元根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行交流与直流双向电流的转换；储能单元根据储能与无功补偿协调控制单元的指令在系统电压满足时进行储能，在系统需要放电时进行放电，在系统需要进行无功补偿时进行协调作用；无功补偿单元，根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行无功补偿器件的投切。

以功率潮流流向负荷侧为正，当储能与无功补偿协调控制单元分析计算出的功率潮流逆向时，断开负荷侧开关，防止功率逆向流动；此时负荷端由储能单元放电独立供电；当风电系统电压高于额定电压时进行储能充电，当风电系统电压低于额定电压一定值后进行放电；充放电支路多少根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行，达到削峰填谷。

储能与无功补偿协调控制单元根据检测到的风电系统电压情况、负荷变化情况自动进行储能与无功补偿单元的投切；储能作为无功柔性补偿的一部分，协调电容器单元投切进行柔性无功补偿，在用电负荷实时变化过程中，补偿到系统功率因数不低于0.95，系统电压在额定电压正负5％内波动，保证用户的电能质量；

实际风电系统的负载，根据用户的用电情况，负载在不断的变化过程中，有功功率也是不断变化，功率因素不断变化，无功补偿也就必须跟随系统变化，储能充放电回路电压也在不断变化，所以以潮流流向、电压波动、功率因素为约束条件时，储能与无功补偿协调控制系统也一直在进行协调调整，调整储能和无功补偿处于最佳协调工作状态。

一种储能与无功补偿协调控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、程序初始化，分别设置电气测量单元、AC/DC双向转换控制单元、储能单元、无功补偿单元所需存储的测量数据与控制数据序列存储器地址与长度；设置断路器、负荷侧开关、AC/DC双向转换控制单元和储能单元支路开关、无功补偿单元支路开关控制位置信号存储地址和控制信号地址，设置储能与无功补偿协调单元算法所需存储单元，设置历史数据查询记录存储器，设置系统通讯模式；

步骤2)、负荷实时测量与存储

分别读取与记录负荷侧开关、AC/DC双向转换控制单元和储能单元支路开关、无功补偿单元支路开关控制位置信号及负荷电流电压信号，完成设备实时数据采样并存储；

步骤3)、电流电压功率潮流信号实时计算

对三相电流电压实时采样数据，计算出三相电压电流的实时有效值和相角、实时有功功率和无功功率及功率因数，计算出三相电压的对称平衡度；

步骤4)、储能充放电支路控制

当风电系统电压高于额定电压时进行储能充电，当风电系统电压低于额定电压30V及以上时进行放电；充放电支路多少，根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行，达到削峰填谷；

步骤5)、储能与无功补偿协调控制调整

根据步骤3)根据计算的功率潮流流向与功率因数，计算无功补偿容量，可以进行充电放电的支路数，结合多个无功补偿单元的投退情况和多个储能单元的储能与放电状态，对多个无功补偿单元和多个储能单元的充电和放电状态进行协调控制调整，进行最优组合，所有储能与无功补偿协调控制调整的实时目标为调整到满足功率流向与电压和功率因素的相互约束条件，即：

式中P为系统实时负荷功率，大于零则表示功率流向为正，U为系统实时负荷电压，U_N为系统负荷额定电压，cosφ为负荷实时功率因素；

此外，在满足最优组合条件时，对多个无功补偿单元和多个储能单元采用均衡利用分配原则，使用次数少的尽量早用，提高所有设备的利用率和平均寿命；

步骤6)、数据的历史存储与记录保存；

存储所有计算、调整动作的状态量及数据量，存入程序初始化设定的存储器内，供历史记录、查询使用；

步骤7)程序在线返回；

完成上述步骤后，程序在线返回到在线设置部位，进行下一次的计算与判定，如此循环，构成一种储能与无功补偿协调控制系统的协调控制调整方法。

Claims (7)

1.一种储能与无功补偿协调控制系统，其特征在于：包括电气测量单元、至少三条储能单元支路、至少三条无功补偿单元支路、储能与无功补偿协调控制单元、负荷侧开关，储能单元支路上有电连接的储能单元、AC/DC双向转换控制单元、储能单元支路控制断路器，无功补偿单元支路上有电连接的无功补偿单元和无功补偿单元支路控制断路器；所述的电气测量单元的采集侧与输电线路相连，电气测量单元的信号侧和储能与无功补偿协调控制单元相连，所述的储能单元支路控制断路器的一端与输电线路相连，储能单元支路控制断路器的另一端连接AC/DC双向转换控制单元，所述的AC/DC双向转换控制单元的交流侧通过低压输电线缆和储能单元支路控制断路器相连，AC/DC双向转换控制单元的直流侧通过低压输电线缆和储能单元连接，所述的无功补偿单元支路控制断路器的一端连接输电线路，无功补偿单元支路控制断路器的另一端连接无功补偿单元，所述的储能单元支路控制断路器的控制侧、AC/DC双向转换控制单元的控制侧、储能单元的控制侧、无功补偿单元支路控制断路器的控制侧均分别通过控制通信线和储能与无功补偿协调控制单元连接，储能与无功补偿协调控制单元和负荷侧开关电性连接，负荷侧开关与输电线路相连。

2.根据权利要求1所述的储能与无功补偿协调控制系统，其特征在于：所述的电气测量单元包括一组电压测量装置、一组电流测量装置、运算放大电路，所述的储能单元包括至少5个超级电容组，所述的AC/DC双向转换控制单元包括一个交流转直流装置和一个直流转交流装置，所述的无功补偿单元包括一个电容电抗器，所述的储能与无功补偿协调控制单元包括一个微型单片机及其外围电路。

3.根据权利要求2所述的储能与无功补偿协调控制系统，其特征在于：所述的电压测量装置为高压电压互感器，电流测量装置为高压电流互感器，运算放大电路采用精密运算放大器，微型单片机采用带A/D转换功能引脚的单片机。

4.根据权利要求1至3任一所述的储能与无功补偿协调控制系统，其特征在于：所述的电气测量单元将风电等值系统运行的电压和电流转换为低电压和小电流后送到储能与无功补偿协调控制单元进行电气量计算和分析；所述的AC/DC双向转换控制单元根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行交流与直流双向电流的转换；所述的储能单元根据储能与无功补偿协调控制单元的指令在系统电压满足时进行储能，在系统需要放电时进行放电，在系统需要进行无功补偿时进行协调作用；所述的无功补偿单元，根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行无功补偿器件的投切。

5.根据权利要求1至3任一所述的储能与无功补偿协调控制系统，其特征在于：以功率潮流流向负荷侧为正，所述的储能与无功补偿协调控制单元当分析计算出的功率潮流逆向时，断开负荷侧开关，防止功率逆向流动；此时负荷端由储能单元放电独立供电；当风电系统电压高于额定电压时进行储能充电，当风电系统电压低于额定电压0V及以上时进行放电；充放电支路多少根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行，达到削峰填谷。

6.根据权利要求1至3任一所述的储能与无功补偿协调控制系统，其特征在于：所述的储能与无功补偿协调控制单元根据检测到的风电系统电压情况、负荷变化情况自动进行储能与无功补偿单元的投切；储能作为无功柔性补偿的一部分，协调电容器单元投切进行柔性无功补偿，在用电负荷实时变化过程中，补偿到系统功率因数不低于0.95，系统电压在额定电压正负5％内波动，保证用户的电能质量；

实际风电系统的负载，根据用户的用电情况，负载在不断的变化过程中，有功功率也是不断变化，功率因素不断变化，无功补偿也就必须跟随系统变化，储能充放电回路电压也在不断变化，所以以潮流流向、电压波动、功率因素为约束条件时，储能与无功补偿协调控制系统也一直在进行协调调整，调整储能和无功补偿处于最佳协调工作状态。

7.一种储能与无功补偿协调控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、程序初始化，分别设置电气测量单元、AC/DC双向转换控制单元、储能单元、无功补偿单元所需存储的测量数据与控制数据序列存储器地址与长度；设置断路器、负荷侧开关、AC/DC双向转换控制单元和储能单元支路开关、无功补偿单元支路开关控制位置信号存储地址和控制信号地址，设置储能与无功补偿协调单元算法所需存储单元，设置历史数据查询记录存储器，设置系统通讯模式；

步骤2)、负荷实时测量与存储

分别读取与记录负荷侧开关、AC/DC双向转换控制单元和储能单元支路开关、无功补偿单元支路开关控制位置信号及负荷电流电压信号，完成设备实时数据采样并存储；

步骤3)、电流电压功率潮流信号实时计算

对三相电流电压实时采样数据，计算出三相电压电流的实时有效值和相角、实时有功功率和无功功率及功率因素，计算出三相电压的对称平衡度；

步骤4)、储能充放电支路控制

当风电系统电压高于额定电压时进行储能充电，当风电系统电压低于额定电压0V及以上时进行放电；充放电支路多少，根据储能与无功补偿协调控制单元的指令进行，达到削峰填谷；

步骤5)、储能与无功补偿协调控制调整

根据步骤3)根据计算的功率潮流流向与功率因素，计算无功补偿容量，可以进行充电放电的支路数，结合多个无功补偿单元的投退情况和多个储能单元的储能与放电状态，对多个无功补偿单元和多个储能单元的充电和放电状态进行协调控制调整，进行最优组合，所有储能与无功补偿协调控制调整的实时目标为调整到满足功率流向与电压和功率因素的相互约束条件，即：

式中P为系统实时负荷功率，大于零表示功率流向为正，U为系统实时负荷电压，U_N为系统负荷额定电压，cosφ为负荷实时功率因素；

此外，在满足最优组合条件时，对多个无功补偿单元和多个储能单元采用均衡利用分配原则，使用次数少的尽量早用，提高所有设备的利用率和平均寿命；

步骤6)、数据的历史存储与记录保存；

存储所有计算、调整动作的状态量及数据量，存入程序初始化设定的存储器内，供历史记录、查询使用；

步骤7)程序在线返回；

完成上述步骤后，程序在线返回到在线设置部位，进行下一次的计算与判定，如此循环，构成一种储能与无功补偿协调控制系统的协调控制调整方法。

Images