CN113595057B - 一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法 - Google Patents

一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法，该装置包括：若干串联的子模块；每个所述子模块都包括并联的半桥子模块和储能子模块；通过控制所述半桥子模块实现所述子模块的投切。控制方法用于柔性直流输电系统，基于前述装置实现，包括：确定需投入的所述子模块数量；采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入/或切出的子模块。本发明能降低故障对电网的功率冲击，提高柔性直流输电系统的故障穿越能力。本发明可以广泛在电力系统储能技术领域中应用。

Description

一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统储能技术领域，特别是关于一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法。
背景技术
为加强柔性直流输电系统的有功功率调节能力，充分发挥柔性直流输电系统参与电网支撑的作用，柔性直流输电系统用储能装置具有重要的研究意义和广泛的应用前景。
柔性直流输电系统用储能装置的主要具有以下三点作用：(1)柔性直流输电是新能源并网的有效方式，通过将储能装置应用于柔性直流输电系统可有效平抑新能源固有的波动特性对电网的不利影响。(2)通过将储能装置应用于柔性直流输电系统可降低故障对电网造成的功率冲击，提高电力系统的稳定性和安全性。(3)功率盈余是威胁柔性直流输电系统安全稳定运行的重要问题，通过应用储能装置存储盈余功率，可保障系统故障穿越能力，提高柔性直流输电系统的运行可靠性。
按照储能位置的不同，存在交流侧储能、柔直阀储能和直流侧储能这三种技术路线。其中交流侧储能方案具有应用场景的局限性，不适用于海上风电经柔性直流送出的应用场景；柔直阀储能方案在柔直阀的子模块内加装储能元件，大大增加子模块体积和造价，且电池消防隐患、寿命无法和换流阀匹配等问题突出。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法，其能降低故障对电网的功率冲击，提高柔性直流输电系统的故障穿越能力。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置，其包括：
若干串联的子模块；
每个所述子模块都包括并联的半桥子模块和储能子模块；
通过控制所述半桥子模块实现所述子模块的投切。
优选的，所述半桥子模块包括：
桥臂，由第一开关模块和第二开关模块串联构成；所述桥臂的中点引出第一连接线；
位于所述第一连接线与所述第二开关模块之间并联有旁路开关和转折晶闸管；
第一直流电容，与所述桥臂并联。
优选的，所述第一开关模块和第二开关模块均由开关管和与所述开关管反并联的二极管构成。
优选的，所述储能子模块包括：
多个串联的储能元件；
所述多个串联的储能元件的一端经并联的第一开关和第一电阻连接至所述第一直流电容的一端；所述多个串联的储能元件的另一端与所述第一直流电容的另一端连接。
优选的，所述并联的第一开关和第一电阻与所述第一直流电容的一端之间串联有第一熔断器；所述多个串联的储能元件的另一端与所述第一直流电容的另一端之间串联有第二熔断器。
一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置的控制方法，用于柔性直流输电系统，所述控制方法基于上述装置实现，包括：
确定需投入的所述子模块数量；
采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入/或切出的子模块。
优选的，所述采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入和/或切出的子模块，包括：
所述第一开关模块中的开关管和所述第二开关模块中的开关管均加关断信号；
通过所述开关管的导通、关断将所述储能子模块进行充电或旁路，则为闭锁。
优选的，所述采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入和/或切出的子模块，包括：
所述第一开关模块中的开关管加开通信号，所述第二开关模块中的开关管加关断信号；
通过所述开关管的导通、关断将所述储能子模块进行充电或放电，使所述子模块输出电压为所述储能子模块两端电压，则为投入。
优选的，所述采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入和/或切出的子模块，包括：
所述第一开关模块中的开关管加关断信号，所述第二开关模块中的开关管加开通信号；
通过所述开关管的导通、关断将所述储能子模块被旁路，使所述子模块输出电压为零，则为切除。
优选的，所述子模块的投入数量不大于允许投入的子模块的上限值。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明可有效平抑新能源并网的波动性，降低故障对电网的功率冲击，提高柔性直流输电系统的故障穿越能力，具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一实施例中的柔性直流输电系统用直流侧分布式独立可控储能装置的拓扑结构示意图；
图2是本发明一实施例中的柔性直流输电系统用直流侧分布式独立可控储能装置的子模块等效电路图；
图3是本发明一实施例中的柔性直流输电系统用直流侧分布式独立可控储能装置的控制策略对应的逻辑框图；
图4是本发明一实施例中子模块处于模式1时对应的等效电路图；
图5是本发明一实施例中子模块处于模式4时对应的等效电路图；
图6是本发明一实施例中子模块处于模式2时对应的等效电路图；
图7是本发明一实施例中子模块处于模式5时对应的等效电路图；
图8是本发明一实施例中子模块处于模式3时对应的等效电路图；
图9是本发明一实施例中子模块处于模式6时对应的等效电路图；
图10是本发明一实施例中稳态运行时通过储能装置充放电进行削峰填谷平抑新能源出力波动性的仿真验证结果；其中，从上至下分别为导通模块数、放电电流、直流电压、功率、柔直桥臂电流和模块电压；
图11是本发明一实施例中受端交流系统故障下的功率盈余工况下，通过储能装置吸收盈余功率，有效抑制直流过电压，实现交流系统故障可靠穿越的仿真验证；其中，从上至下分别为放电电流、直流电压、功率、柔直桥臂电流和模块电压。
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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了充分发挥储能技术在柔性直流输电领域的作用，并弥补交流侧储能和柔直阀储能的局限性，本发明提供一种柔性直流输电系统用直流侧分布式独立可控储能装置。直流侧分布式独立可控储能装置是一种安装于直流母线上独立可控的储能装置，包括拓扑结构和控制策略。直流侧分布式独立可控储能装置的拓扑结构由子模块串联组成，子模块由半桥子模块和储能子模块并联组成，通过控制半桥子模块实现子模块的投切。直流侧分布式独立可控储能装置的控制策略包括直流电压控制环、充/放电电流控制环和剩余电能容量SOC均衡控制系统，由直流电压控制环和充/放电电流控制环确定需投入的子模块数，并采用基于排序的SOC均衡控制，确定投入/切出的子模块。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，提供一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置，该装置应用于柔性直流输电系统，并联在送端换流站与受端换流站之间。该装置包括：
若干串联的子模块SM；
每个子模块SM都包括并联的半桥子模块和储能子模块；
通过控制半桥子模块实现子模块SM的投切。
在一个优选的实施例中，如图2所示，半桥子模块包括：桥臂，由第一开关模块S1和第二开关模块S2串联构成；桥臂的中点引出第一连接线；位于第一连接线与桥臂的端部之间并联有旁路开关K1和转折晶闸管T1。
具体为：第一开关模块S1和第二开关模块S2串联后，与第一直流电容C1并联；旁路开关K1和转折晶闸管T1与第二开关模块S2并联。
上述实施例中，第一开关模块S1和第二开关模块S2均由开关管和与开关管反并联的二极管构成。具体为：第一开关模块S1包括开关管IGBT1和与开关管反并联的二极管VD1，第二开关模块S2包括开关管IGBT2和与开关管反并联的二极管VD2。
在一个优选的实施例中，储能子模块B1包括：多个串联的储能元件；多个串联的储能元件的一端经第一开关K2、第一电阻R1和第二开关K3连接至第一直流电容C1的一端；多个串联的储能元件的另一端与第一直流电容C1的另一端连接。第一电阻R1和第二开关K3串联后与第一开关K2并联。
优选的，第一开关K2、第一电阻R1和第二开关K3与第一直流电容C1的一端之间串联有第一熔断器F1；多个串联的储能元件的另一端与第一直流电容C1的另一端之间串联有第二熔断器F2。
上述实施例中，储能元件为电池模组或者超级电容单元；储能元件之间采用线缆连接，线缆的杂散电感(μH级)远大于柔直模块的杂散电感(nH级)，导致IGBT关断过程中尖峰电压远超IGBT器件过压能力，因此设计第一直流电容C1以减小IGBT器件承受的尖峰电压。
在本发明的一个实施例中，提供一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置的控制方法，该控制方法基于前述柔性直流输电系统用储能装置实现，用于柔性直流输电系统，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1、确定需投入的子模块SM数量；具体的，由直流电压控制环和充/放电电流控制环确定需投入的子模块SM数。
步骤2、采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入/或切出的子模块SM。
具体的，本发明通过三种工作状态分别阐述子模块SM的投入或切出控制方法。
工作状态1：第一开关模块S1中的开关管和第二开关模块S2中的开关管均加关断信号；通过开关管的导通、关断将储能子模块进行充电或旁路，则为闭锁。
具体为：IGBT1和IGBT2均加关断信号。工作状态1对应两种工作模式，分别为模式1和模式4。对于模式1，如图4所示，VD1导通，电流经过VD1向储能子模块充电。对于模式4，如图5所示，VD2导通，电流经过VD2将储能子模块旁路。工作状态1为非正常工作状态，称为“闭锁状态”。
工作状态2：第一开关模块S1中的开关管加开通信号，第二开关模块S2中的开关管加关断信号；通过开关管的导通、关断将储能子模块进行充电或放电，使子模块输出电压为储能子模块两端电压，则为投入。
具体为：IGBT1加开通信号，IGBT2加关断信号。工作状态2对应两种工作模式，分别为模式2和模式5。对于模式2，如图6所示，VD1处于导通状态，IGBT1处于关断状态，电流经过VD1向储能子模块充电。对于模式5，如图7所示，IGBT1处于导通状态，VD1承受反向电压而处于关断状态，电流经过IGBT1使储能子模块放电。在工作状态2下，储能子模块总被接入主电路中充电或放电，子模块输出电压为储能子模块两端电压ub。称工作状态2为“投入状态”。
工作状态3：第一开关模块S1中的开关管加关断信号，第二开关模块S2中的开关管加开通信号；通过开关管的导通、关断将储能子模块被旁路，使子模块输出电压为零，则为切除。
具体为：IGBT1加关断信号，IGBT2加开通信号。工作状态3对应两种工作模式，分别为模式3和模式6。对于模式3，如图8所示，IGBT2处于导通状态，而VD2承受反向电压，电流经过IGBT2将储能子模块旁路。对于模式6，如图9所示，VD2处于导通状态，IGBT2处于关断状态，电流经过VD2将储能子模块旁路。在工作状态3下，储能子模块总被旁路，既不参与充电也不参与放电，储能子模块输出电压为0。称工作状态3为“切除状态”。
上述实施例中，直流电压控制环是一个PI控制环节，其输入为柔性直流输电系统直流电压的最大值Udcmax和实际值Udc，其输出为允许投入的储能子模块的上限值nmax。
上述实施例中，充/放电电流控制环是一个PI控制环节，其输入为充电电流的参考值iref和实际值icharge，输出为子模块的投入数量nconduct；
上述实施例中，子模块的投入数量nconduct应不大于允许投入的子模块的上限值nmax。
上述实施例中，SOC均衡控制系统对子模块的SOC值从大到小进行排序，例如SOC值最大的子模块排序为1，以此类推。基于此确定投入/切出的子模块：当执行放电时，投入排序为1，2，……，nconduct的子模块，当执行充电时，投入排序为N-nconduct+1，N-nconduct+2，……，N的子模块。
为了进一步验证本发明的有效性和可行性，通过以下实施例对本发明作进一步说明：
在电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建±500kV柔性直流输电系统模型和柔性直流输电系统用直流侧分布式独立可控储能装置模型。并对以下两种工况进行仿真验证：
(1)工况一：稳态运行时通过储能装置充放电进行削峰填谷平抑新能源出力波动性。
(2)工况二：受端交流系统故障时，通过储能装置吸收盈余功率，有效抑制直流过电压，实现交流系统故障可靠穿越。
如图10所示，稳态运行时通过增加投入运行的子模块，使得储能装置端间电压大于直流电压Udc，电流流出储能装置，储能装置处于放电状态；通过减小投入运行的子模块，使得储能装置端间电压小于直流电压Udc，电流电流储能装置，储能装置处于充电状态。
如图11所示，受端交流系统故障后，发生功率盈余，直流电压升高，通过减小子模块的投入量，电流流入储能装置，储能装置处于充电状态，有效缓解柔性直流输电系统的功率盈余问题，抑制直流过电压，实现交流系统故障的可靠穿越。
由上述实施例可知，本发明可有效平抑新能源并网的波动性，降低送端故障对受端电网的功率冲击，提高柔性直流输电系统的故障穿越能力，具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置，其特征在于，包括：
若干串联的子模块；
每个所述子模块都包括并联的半桥子模块和储能子模块；
通过控制所述半桥子模块实现所述子模块的投切；
所述半桥子模块包括：
桥臂，由第一开关模块和第二开关模块串联构成；所述桥臂的中点引出第一连接线；
位于所述第一连接线与所述第二开关模块之间并联有旁路开关和转折晶闸管；
第一直流电容，与所述桥臂并联；
所述储能子模块包括：
多个串联的储能元件；
所述多个串联的储能元件的一端经并联的第一开关和第一电阻连接至所述第一直流电容的一端；所述多个串联的储能元件的另一端与所述第一直流电容的另一端连接；
所述并联的第一开关和第一电阻与所述第一直流电容的一端之间串联有第一熔断器；所述多个串联的储能元件的另一端与所述第一直流电容的另一端之间串联有第二熔断器。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述第一开关模块和第二开关模块均由开关管和与所述开关管反并联的二极管构成。
3.一种柔性直流系统用直流侧可控储能装置的控制方法，用于柔性直流输电系统，其特征在于，所述控制方法基于如权利要求1或2所述装置实现，包括：
确定需投入的所述子模块数量；
采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入/或切出的子模块。
4.如权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入和/或切出的子模块，包括：
所述第一开关模块中的开关管和所述第二开关模块中的开关管均加关断信号；
通过所述开关管的导通、关断将所述储能子模块进行充电或旁路，则为闭锁。
5.如权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入和/或切出的子模块，包括：
所述第一开关模块中的开关管加开通信号，所述第二开关模块中的开关管加关断信号；
通过所述开关管的导通、关断将所述储能子模块进行充电或放电，使所述子模块输出电压为所述储能子模块两端电压，则为投入。
6.如权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述采用基于排序的剩余电能容量SOC均衡控制，确定投入和/或切出的子模块，包括：
所述第一开关模块中的开关管加关断信号，所述第二开关模块中的开关管加开通信号；
通过所述开关管的导通、关断将所述储能子模块被旁路，使所述子模块输出电压为零，则为切除。
7.如权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述子模块的投入数量不大于允许投入的子模块的上限值。
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