CN113595114B - 一种常规高压直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法 - Google Patents

一种常规高压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

本发明涉及一种常规高压直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法，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全桥子模块和储能子模块；通过控制所述全桥子模块实现所述子模块的投切，适应常规高压直流输电系统极性反转的应用场景。控制方法基于装置实现，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。本发明可以广泛在电力系统储能技术领域中应用。

Description

一种常规高压直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统储能技术领域，特别是关于一种常规高压直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法。
背景技术
为加强常规高压直流输电系统的有功功率调节能力，充分发挥常规高压直流输电系统参与电网支撑的作用，常规高压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。
常规高压直流输电系统用直流侧储能装置的主要具有以下两点作用：(1)在含高比例新能源的电力系统中，将直流侧储能装置应用于常规高压直流输电系统，可有效平抑新能源固有的波动特性对电力系统的不利影响。(2)通过将直流侧储能装置应用于常规高压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。
因此，如何设计常规高压直流输电系统用直流侧分布式独立可控储能装置成为目前亟需解决的技术问题，以充分发挥储能技术在常规高压直流输电领域的作用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种常规高压直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法，其能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。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种常规高压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全桥子模块和储能子模块；
通过控制所述全桥子模块实现所述子模块的投切，适应常规高压直流输电系统极性反转的应用场景。
优选的，所述全桥子模块包括：
第一桥臂，由第一、第二开关模块串联构成；所述第一桥臂的中点引出第一连接线；
第二桥臂，由第三、第四开关模块串联构成；所述第二桥臂与所述第一桥臂并联，所述第二桥臂的中点引出第二连接线；
位于所述第一连接线与所述第二连接线之间并联有旁路开关和转折晶闸管；
第一直流电容，与所述第一桥臂和所述第二桥臂并联。
优选的，所述第一至第四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、第一电阻和第二开关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；所述第一电阻和所述第二开关串联后与所述第一开关并联。
优选的，所述第一开关、第一电阻和第二开关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。
一种常规高压直流系统用直流侧可控储能控制方法，用于常规高压直流输电系统，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四开关模块中的开关管均加开通信号，所述第二开关模块中的开关管和所述第三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放电，使所述子模块输出电压为所述储能子模块两端正极性电压，则为正投入。
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：
所述第二开关模块中的开关管和所述第三开关模块中的开关管均加开通信号，所述第一开关模块中的开关管和所述第四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放电，使所述子模块输出电压为所述储能子模块两端负极性电压，则为负投入。
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和所述第二开关模块中的开关管均加开通信号，所述第三开关模块中的开关管和所述第四开关模块中的开关管均加关断信号；
或：所述第三开关模块中的开关管和所述第四开关模块中的开关管均加开通信号，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被旁路，使所述子模块输出电压为零，则为切除。
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、所述第二开关模块中的开关管、所述第三开关模块中的开关管和所述第四开关模块中的开关管均加关断信号；
当所述第一开关模块中的二极管和所述第四开关模块中的二极管导通时，所述子模块输出电压为所述储能子模块两端正极性电压；
当所述第二开关模块中的二极管和所述第三开关模块中的二极管导通时，所述子模块输出电压为所述储能子模块两端负极性电压；
此时为闭锁。
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，降低送端故障对受端电网的功率冲击，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常规高压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常规高压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常规高压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6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7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8时对应的等效电路图；
图10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11是本发明一实施例中子模块处于模式9时对应的等效电路图；
图12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13是本发明一实施例中子模块处于模式10时对应的等效电路图。
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。
本发明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，子模块由全桥子模块和储能子模块并联组成，通过控制全桥子模块实现储能子模块的投切，并可通过控制适应常规高压直流输电系统极性反转的应用场景。直流侧分布式独立可控储能装置的控制策略包括充/放电电流控制环和电池剩余容量SOC均衡控制系统，由充/放电电流控制环确定需投入的模块数，并采用基于排序的剩余电能容量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，提供一种常规高压直流系统用直流侧可控储能装置，该装置应用于常规高压直流输电系统，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都包括并联的全桥子模块和储能子模块B1；
通过控制全桥子模块实现子模块SM的投切，适应常规高压直流输电系统极性反转的应用场景。
在一个优选的实施例中，如图2所示，全桥子模块包括：第一桥臂，由第一开关模块S1、第二开关模块S2串联构成；第一桥臂的中点引出第一连接线；第二桥臂，由第三开关模块S3、第四开关模块S4串联构成；第二桥臂与第一桥臂并联，第二桥臂的中点引出第二连接线；位于第一连接线与第二连接线之间并联有旁路开关K1和转折晶闸管；第一直流电容C1，与第一桥臂和第二桥臂并联。
在本实施例中，转折晶闸管设置为两个，即并联的第一转折晶闸管T1和第二转折晶闸管T2。
其中，第一至第四开关模块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IGBT1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IGBT2反并联的二极管VD2，第三开关模块S3包括开关管IGBT3和与开关管IGBT3反并联的二极管VD3，第四开关模块S4包括开关管IGBT4和与开关管IGBT4反并联的二极管VD4。
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。相邻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，因此在本发明中采用第一直流电容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，提供一种常规高压直流系统用直流侧可控储能控制方法，该控制方法基于前述常规高压直流系统用直流侧可控储能装置实现，用于常规高压直流输电系统，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，本发明通过五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：第一开关模块中的开关管和第四开关模块中的开关管均加开通信号，第二开关模块中的开关管和第三开关模块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放电，使子模块输出电压为储能子模块两端正极性电压，则为正投入。
具体为：IGBT1和IGBT4均加开通信号，IGBT2和IGBT3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6。对于模式1，如图4所示，VD1和VD4导通，电流经过VD1和VD4向储能子模块充电。对于模式6，如图5所示，IGBT1和IGBT4导通，电流经过IGBT1和IGBT4使储能子模块放电。在工作状态1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1为“正投入”状态。
工作状态2：第二开关模块中的开关管和第三开关模块中的开关管均加开通信号，第一开关模块中的开关管和第四开关模块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放电，使子模块输出电压为储能子模块两端负极性电压，则为负投入。
具体为：IGBT2和IGBT3均加开通信号，IGBT1和IGBT4均加关断信号。工作状态2对应两种工作模式，分别为模式2和模式7。对于模式2，如图6所示，IGBT2和IGBT3导通，电流经过IGBT2和IGBT3使储能子模块放电。对于模式7，如图7所示，VD2和VD3导通，电流经过VD2和VD3向储能子模块充电。在工作状态1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“负投入”状态；“负投入”状态适用于常规高压直流输电系统极性反转的场景。
工作状态3：第一开关模块中的开关管和第二开关模块中的开关管均加开通信号，第三开关模块中的开关管和第四开关模块中的开关管均加关断信号；通过开关管的导通、关断将储能子模块被旁路，使子模块输出电压为零，则为切除。
具体为：IGBT1和IGBT2均加开通信号，IGBT3和IGBT4均加关断信号。工作状态3对应两种工作模式，分别为模式3和模式8。对于模式3，如图8所示，VD1和IGBT2导通，电流经过VD1和IGBT2将储能子模块旁路。对于模式8，如图9所示，VD2和IGBT1导通，电流经过VD2和IGBT1将储能子模块旁路。在工作状态3下，储能子模块总被旁路，子模块输出电压为0。称工作状态3为“切除”状态。
工作状态4：第三开关模块中的开关管和第四开关模块中的开关管均加开通信号，第一开关模块中的开关管和第二开关模块中的开关管均加关断信号；通过开关管的导通、关断将储能子模块被旁路，使子模块输出电压为零，则为切除。
具体为：IGBT3和IGBT4均加开通信号，IGBT1和IGBT2均加关断信号。工作状态4对应两种工作模式，分别为模式4和模式9。对于模式4，如图10所示，VD4和IGBT3导通，电流经过VD4和IGBT3将储能子模块旁路。对于模式9，如图11所示，VD3和IGBT4导通，电流经过VD3和IGBT4将储能子模块旁路。在工作状态4下，储能子模块总被旁路，子模块输出电压为0。称工作状态4为“切除”状态。
工作状态5：第一开关模块中的开关管、第二开关模块中的开关管、第三开关模块中的开关管和第四开关模块中的开关管均加关断信号；当第一开关模块中的二极管和第四开关模块中的二极管导通时，子模块输出电压为储能子模块两端正极性电压；当第二开关模块中的二极管和第三开关模块中的二极管导通时，子模块输出电压为储能子模块两端负极性电压；此时为闭锁。
具体为：IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4均加关断信号。工作状态5对应两种工作模式，分别为模式5和模式10。对于模式5，如图12所示，VD1和VD4导通，电流经过VD1和VD4向储能子模块充电，子模块输出电压为储能子模块两端电压ub。对于模式10，如图13所示，VD2和VD3导通，电流经过VD2和VD3向储能子模块充电，子模块输出电压为储能子模块两端电压-ub。称工作状态5为“闭锁”状态。
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，输出为储能子模块的投入数量nconduct。
上述实施例中，子模块SM的投入数量nconduct应不大于允许投入的子模块SM的上限值nmax。
上述实施例中，SOC均衡控制系统对储能子模块的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。
综上，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，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 (2)

1.一种基于常规高压直流系统用直流侧可控储能装置的储能控制方法，用于常规高压直流输电系统，其特征在于，所述装置包括：
若干串联的子模块；
每个所述子模块都包括并联的全桥子模块和储能子模块；
通过控制所述全桥子模块实现所述子模块的投切，适应常规高压直流输电系统极性反转的应用场景；
所述全桥子模块包括：
第一桥臂，由第一、第二开关模块串联构成；所述第一桥臂的中点引出第一连接线；
第二桥臂，由第三、第四开关模块串联构成；所述第二桥臂与所述第一桥臂并联，所述第二桥臂的中点引出第二连接线；
位于所述第一连接线与所述第二连接线之间并联有旁路开关和转折晶闸管；
第一直流电容，与所述第一桥臂和所述第二桥臂并联；
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、第一电阻和第二开关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；所述第一电阻和所述第二开关串联后与所述第一开关并联；
所述第一开关、第一电阻和第二开关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；
所述储能控制方法包括：
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；
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四开关模块中的开关管均加开通信号，所述第二开关模块中的开关管和所述第三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放电，使所述子模块输出电压为所述储能子模块两端正极性电压，则为正投入；
所述第二开关模块中的开关管和所述第三开关模块中的开关管均加开通信号，所述第一开关模块中的开关管和所述第四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放电，使所述子模块输出电压为所述储能子模块两端负极性电压，则为负投入；
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开通信号，所述第三开关模块中的开关管和所述第四开关模块中的开关管均加关断信号；
或：所述第三开关模块中的开关管和所述第四开关模块中的开关管均加开通信号，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被旁路，使所述子模块输出电压为零，则为切除；
所述第一开关模块中的开关管、所述第二开关模块中的开关管、所述第三开关模块中的开关管和所述第四开关模块中的开关管均加关断信号；
当所述第一开关模块中的二极管和所述第四开关模块中的二极管导通时，所述子模块输出电压为所述储能子模块两端正极性电压；
当所述第二开关模块中的二极管和所述第三开关模块中的二极管导通时，所述子模块输出电压为所述储能子模块两端负极性电压；
此时为闭锁；
子模块SM的投入数量不大于允许投入的子模块SM的上限值；
SOC均衡控制系统对储能子模块的SOC值从大到小进行排序，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。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述第一至第四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。
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