CN114362199B - 基于无源滤波电路的statcom集成储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统及其控制方法，所述STATCOM集成储能系统集成了现有的新能源场站储能系统和大容量STATCOM系统，其中，STATCOM集成储能系统的每条换流链路由一个功率模块或多个功率模块级联构成，功率模块包括依次并联连接的储能子模块、无源滤波电路和全桥子模块；其中通过加入无源滤波电路，使得整个STATCOM集成储能系统能够在实现常规新能源场站动态无功功率补偿功能的同时，控制储能子模块与交流系统之间交换有功功率，实现动态有功功率平抑。

Description

基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统及其控制方法

技术领域

本发明属于集成储能系统领域，特别涉及一种基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统及其控制方法。

背景技术

随着双碳目标的提出，大规模新能源开发将成为未来构建新型电力系统、实现双碳目标的必然路径。大规模新能源接入交流电网后，由于风能和光能的随机性和波动性，以及风电与光伏机组无惯量、弱阻尼的特征，会对电网造成较大的功率和频率扰动；此外，变流器与电网相互作用会导致宽频振荡等新兴稳定性问题，造成机组跳闸乃至设备损坏，危及电网的安全稳定运行。为了克服上述问题，大规模新能源场站配置无功补偿装置和大规模储能装置成为未来大规模新能源开发的常态。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统及其控制方法。

本发明的一种基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统，包括呈星形连接或呈三角形连接的三相换流链路；

所述三相换流链路中的每条换流链路由一个功率模块或多个功率模块级联构成，所述功率模块包括依次并联连接的储能子模块、无源滤波电路和全桥子模块；

其中所述无源滤波电路包括：第一滤波电感Ls、第二滤波电感L₂、第三滤波电感L₀、第一滤波电阻R₀、第二滤波电阻R₂和滤波电容C₂；

第二滤波电感L₂和所述滤波电容C₂串联构成二倍频滤波支路，用于过滤二倍频谐波；

所述第一滤波电感L_S、所述第一滤波电阻R₀和所述第二滤波电阻R₂串联构成等效支路，所述等效支路与所述二倍频滤波支路并联，其中，所述第二滤波电阻R₂为所述二倍频滤波支路的等效电阻；所述第一滤波电感Ls用于阻隔开关频率上的高频电流；所述第一滤波电阻R₀用于阻尼所述储能子模块与所述全桥电容之间的低频震荡；

所述第三滤波电感L₀连接所述储能子模块和所述二倍频滤波支路，用以实现对所述储能子模块二倍频谐波分流的控制。

进一步地，所述储能子模块包括依次串联连接的储能电池、隔离开关QS、熔断器FU和软启动电路，其中所述软启动电路与所述第三滤波电感L₀连接。

进一步地，

所述软启动电路包括隔离开关KM和与所述隔离开关KM并联的启动电阻Rc；

所述储能电池包括多个串联的电池组。

进一步地，所述全桥子模块包括两相四桥臂，在所述两相之间并联有支撑电容C_H；

所述支撑电容C_H与所述第二滤波电阻R2并联。

进一步地，

所述全桥子模块的每个所述桥臂由全控型电力电子器件构成，全控型电力电子器件包括桥臂开关管以及与所述桥臂开关管反并联的续流二极管；所述四桥臂包括第一桥臂S₁、第二桥臂S₂、第三桥臂S₃和第四桥臂S₄；

所述第一桥臂S₁中的桥臂开关管和第二桥臂S₂中的桥臂开关管串联构成所述全桥子模块的第一相，其中，所述第一桥臂S₁的桥臂开关管的第二端连接所述第二桥臂S₂的桥臂开关管的第一端作为所述全桥子模块的第一端；

所述第三桥臂S₃中的桥臂开关管和所述第四桥臂S₄中的桥臂开关管串联构成所述全桥子模块的第二相，其中，所述第三桥臂S₃的桥臂开关管的第二端连接所述第四桥臂S₄的桥臂开关管的第一端作为所述全桥子模块的第二端，所述第一桥臂S₁的桥臂开关管的第一端连接所述第三桥臂S₃的桥臂开关管的第一端，所述第二桥臂S₂的桥臂开关管的第二端连接所述第四桥臂S₄的桥臂开关管的第二端。

进一步地，所述桥臂开关管为门极可关断晶闸管、大功率晶体管、功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。

进一步地，所述三相换流链路中的每条换流链路均通过电抗器L并联接入新能源场站的交流母线。

本发明还提供了一种基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统的控制方法，其特征在于，包括无功控制和有功控制，其中：

所述无功控制为：通过所述全桥子模块实现功率变换后，通过控制所述全桥子模块交流侧输出电压幅值的大小或控制所述全桥子模块交流侧电流的大小，以实现全桥子模块吸收或发出满足预设要求的无功电流；

所述有功控制为：通过控制所述全桥子模块交流侧输出电压相角的大小或所述全桥子模块交流侧电流的大小，以实现控制所述储能子模块的有功功率输出。

进一步地，所述STATCOM集成储能系统的功率参考值满足公式(1)的约束：

其中：Q_ref为无功功率参考值；P_ref为有功功率参考值；S_N为额定容量；P_N为额定有功功率；

当设定的功率参考值不满足公式(1)的约束时，所述STATCOM集成储能系统降有功功率参考值运行。

进一步地，所述STATCOM集成储能系统的有功功率参考值满足公式(2)的约束：

U_dc为直流侧额定电压，U_dc_max为直流侧电压最大值，U_dc_min为直流侧电压最小值。

本发明的一种基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统，集成了现有的新能源场站储能系统和大容量STATCOM系统，其中，集成储能系统的三相换流链路中的每条换流链路由一个功率模块或多个功率模块级联构成，功率模块包括依次并联连接的储能子模块、无源滤波电路和全桥子模块；其中通过加入无源滤波电路，使得整个STATCOM集成储能系统能够在实现常规新能源场站动态无功功率补偿功能的同时，控制储能子模块与交流系统之间交换有功功率，实现动态有功功率平抑。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的三角形连接的三相换流链路；

图2示出了根据本发明实施例的星形连接的三相换流链路；

图3示出了根据本发明实施例的功率模块；

图4示出了根据本发明实施例的基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统控制结构图。

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、完整地说明，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。

如图1所示，为本发明的一种基于无源滤波电路的STATCOM(静止同步补偿器)集成储能系统，包括呈星形连接或呈三角形连接的三相换流链路；

如图1所示，为三角形连接的三相换流链路，包括并联入交流系统交流母线的A相换流链路、B相换流链路和C相换流链路；

图2为星形连接的三相换流链路，同样包括并联入交流系统交流母线的A相换流链路、B相换流链路和C相换流链路；

比较换流链路的星形连接与三角形连接，星形连接的STATCOM集成储能系统其链节所承受的相电压为系统相电压，三角形的STATCOM集成储能系统连接其链节承受的相电压为系统线电压，因此相同电压等级下，星形连接的换流链路所承受的相电压更低，所需的串联H桥数量是三角形连接的1/√3；但同等容量STATCOM集成储能系统，三角形连接对STATCOM集成储能系统额定电流要求更低。

具体在实际的静止同步补偿器设计中还存在一个最小经济容量问题，在STATCOM集成储能系统容量较小时星形连接更具有经济性。而当STATCOM集成储能系统容量较大时，由于额定电流变大，甚至达到使单个电力电子器件的电流关断能力不能满足要求的程度，此时降低换流链路的额定电流更有利于降低STATCOM集成储能系统成本，三角形连接更具经济性。应当理解的是，本领域技术人员可以根据实际应用环境，在三角形连接和星形连接中选择经济性更优的连接方案。

参见图3，三相换流链路中的每条换流链路由一个功率模块或多个功率模块(图中的SM)级联构成，功率模块包括依次并联连接的储能子模块、无源滤波电路和全桥子模块；

应当理解的是，功率模块的数量可以根据系统的容量和STATCOM集成储能系统接入交流系统的电压。

如图3所示，无源滤波电路包括：第一滤波电感Ls、第二滤波电感L₂、第三滤波电感L₀、第一滤波电阻R₀、第二滤波电阻R₂和滤波电容C₂；

第二滤波电感L₂和滤波电容C₂串联构成二倍频滤波支路，用于过滤二倍频谐波；

第一滤波电感Ls、第一滤波电阻R₀和第二滤波电阻R₂串联构成等效支路，等效支路与二倍频滤波支路并联；

其中，第二滤波电阻R₂为二倍频滤波支路的等效电阻；第一滤波电感Ls用于阻隔开关频率上的高频电流；

为了达到电池支路直流电流纹波小于额定电流5％的要求，设置第一滤波电阻R₀，用于阻尼储能子模块与全桥电容之间的低频震荡；

第三滤波电感L₀连接储能子模块和二倍频滤波支路，用以实现对电池支路二倍频谐波分流的控制。

如图3所示，储能子模块包括依次串联连接的储能电池、隔离开关QS、熔断器FU和软启动电路，其中软启动电路与第三滤波电感L₀连接。

常规的储能模块仅设有隔离开关和熔断器，软启动电路通常配置在交流并网侧，为交流软启动电路。本实施例中，储能电池包括多个串联的电池组，为了避免出电池组启动时对系统造成大的冲击，将软启动电路配置在全桥子模块的直流侧(即储能子模块的出口端)，构成直流软起动电路。

三相换流链路中的每条换流链路中还串联有电抗器L，三相换流链路中的每一相均通过电抗器L并联接入新能源场站的交流母线，即图1和图2中的交流系统中的三相交流母线(图1和图2中的粗黑线条所示)。

进一步地，软启动电路包括隔离开关KM和与隔离开关KM并联的启动电阻Rc。

具体地，述全桥子模块包括两相四桥臂，在两相之间并联有支撑电容C_H；支撑电容C_H与第二滤波电阻R₂并联。

全桥子模块的每个桥臂由全控型电力电子器件构成，包括桥臂开关管以及与桥臂开关管反并联的续流二极管；四桥臂包括第一桥臂S₁、第二桥臂S₂、第三桥臂S₃和第四桥臂S₄；

第一桥臂S₁中的桥臂开关管和第二桥臂S₂中的桥臂开关管串联构成全桥子模块的第一相，其中，第一桥臂S₁的桥臂开关管的第二端连接第二桥臂S₂的桥臂开关管的第一端作为全桥子模块的第一端；

第三桥臂S₃中的桥臂开关管和第四桥臂S₄中的桥臂开关管串联构成全桥子模块的第二相，其中，第三桥臂S₃的桥臂开关管的第二端连接第四桥臂S4的桥臂开关管的第一端作为全桥子模块的第二端，第一桥臂S₁的桥臂开关管的第一端连接第三桥臂S₃的桥臂开关管的第一端，第二桥臂S₂的桥臂开关管的第二端连接第四桥臂S₄的桥臂开关管的第二端。

进一步地，桥臂开关管为门极可关断晶闸管、大功率晶体管、功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。

如图4所示，根据本发明的一个具体实施案例，本发明的STATCOM集成储能系统，能够在实现常规新能源场站动态无功功率补偿功能的同时，控制储能子模块与交流系统之间交换有功功率，实现动态有功功率平抑。

本发明还公开了基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统的控制方法，包括无功控制策略和有功控制策略，具体地，

无功控制工作原理为：通过自换相的全桥子模块实现功率变换，再通过调节全桥子模块交流侧输出电压的幅值，或者调节全桥子模块交流侧电流的大小，就可以使全桥子模块吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的，即实现静止同步补偿器的功能。

有功控制工作原理为：STATCOM集成储能系统的功率模块在每个全桥子模块直流电容两端并联接入储能电池，利用储能电池所提供的稳定直流电压，通过调节全桥子模块交流侧输出电压的相角，或者调节全桥子模块交流侧电流的大小，从而控制储能子模块与三相交流系统间的有功功率交换，实现对本发明的STATCOM集成储能系统有功功率进行调节和储存的作用。

储能子模块的储能电池经过无源滤波电路，其直流电流完全由STATCOM集成储能系统决定，因此在STATCOM集成储能系统的有功-无功解耦控制中，其无功控制内环主要实现原有的无功功率输出控制，有功控制主要实现储能电池的有功功率输出控制。

进一步地，为了实现全桥子模块工作状态均衡，还可以引入包括总体直流电压控制、相间直流电压平衡、相单元内模块间直流电压平衡的三层电压平衡控制策略，并考虑换流器的负序抑制、环流抑制等策略，基于本发明的STATCOM集成储能系统实现更好的控制效果。STATCOM集成储能系统中的所有全桥子模块构成本实施例中的换流器。

具体地，电流控制内环通过坐标旋转，将交流电气量分解到了d轴和q轴两相旋转坐标下，并通过前馈环节实现两个维度上控制律的解耦。通过电流控制内环向电压控制外环提供i_d、i_q两个独立的被控变量，分别用于有功控制和无功控制。

STATCOM集成储能系统的换流器采用电池组无源滤波接入方案时，无功控制包括换流器无功功率控制和网侧交流电压控制，有功控制用于换流器有功功率的控制。此外，为了实现子模块直流侧电压的三层平衡控制，在有功功率的控制环节中还需增加对全局直流电压的控制。储能子模块的电池组采用无源滤波接入方案时，换流器的外环控制框图如图4所示，其中PI为PI控制器，P为有功功率，Q为无功功率，Uac为交流侧额定电压，Udc为直流侧额定电压，Q_ref为无功功率参考值；P_ref为有功功率参考值；Udc_ref为直流侧额定电压参考值，Uac_ref为交流侧额定电压参考值，Δ表示差值/变化值。

其中，根据换流器的有功、无功设计容量，在任何工作模式下，其功率参考值P_ref、Q_ref需满足如式(1)所示的约束条件。当外部设定的参考值超越下面式(1)的约束时，换流器优先降有功功率参考值运行。

其中：Q_ref为无功功率参考值；P_ref为有功功率参考值；S_N为额定容量；P_N为额定有功功率。

另外，根据STATCOM集成储能系统中储能电池的工作范围要求，换流器的有功功率工作范围还受到充电截止电压和放电截止电压的约束，即有功功率参考值还需满足式(2)所示的约束。

U_dc为直流侧额定电压，U_dc_max为直流侧电压最大值，U_dc_min为直流侧电压最小值。

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)

1.一种基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统，其特征在于，

包括呈星形连接或呈三角形连接的三相换流链路；

所述三相换流链路中的每条换流链路由一个功率模块或多个功率模块级联构成，所述功率模块包括依次并联连接的储能子模块、无源滤波电路和全桥子模块；

其中所述无源滤波电路包括：第一滤波电感L_s、第二滤波电感L₂、第三滤波电感L₀、第一滤波电阻R₀、第二滤波电阻R₂和滤波电容C₂；

第二滤波电感L₂和所述滤波电容C₂串联构成二倍频滤波支路，用于过滤二倍频谐波；

所述第一滤波电感L_S、所述第一滤波电阻R₀和所述第二滤波电阻R₂串联构成等效支路，所述等效支路与所述二倍频滤波支路并联，其中，所述第二滤波电阻R₂为所述二倍频滤波支路的等效电阻；所述第一滤波电感L_s用于阻隔开关频率上的高频电流；所述第一滤波电阻R₀用于阻尼所述储能子模块与所述全桥子模块之间的低频震荡；

所述第三滤波电感L₀连接所述储能子模块和所述二倍频滤波支路，用以实现对所述储能子模块二倍频谐波分流的控制；

所述储能子模块包括依次串联连接的储能电池、隔离开关QS、熔断器FU和软启动电路，其中所述软启动电路与所述第三滤波电感L₀连接；

所述软启动电路包括隔离开关KM和与所述隔离开关KM并联的启动电阻R_c；

所述储能电池包括多个串联的电池组；

所述全桥子模块包括两相四桥臂，在所述两相之间并联有支撑电容C_H；

所述支撑电容C_H与所述第二滤波电阻R₂并联。

2.根据权利要求1所述的基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统，其特征在于，

所述全桥子模块的每个所述桥臂由全控型电力电子器件构成，全控型电力电子器件包括桥臂开关管以及与所述桥臂开关管反并联的续流二极管；

所述四桥臂包括第一桥臂S₁、第二桥臂S₂、第三桥臂S₃和第四桥臂S₄；

所述第一桥臂S₁中的桥臂开关管和第二桥臂S₂中的桥臂开关管串联构成所述全桥子模块的第一相，其中，所述第一桥臂S₁的桥臂开关管的第二端连接所述第二桥臂S₂的桥臂开关管的第一端作为所述全桥子模块的第一端；

所述第三桥臂S₃中的桥臂开关管和所述第四桥臂S₄中的桥臂开关管串联构成所述全桥子模块的第二相，其中，所述第三桥臂S₃的桥臂开关管的第二端连接所述第四桥臂S₄的桥臂开关管的第一端作为所述全桥子模块的第二端，所述第一桥臂S₁的桥臂开关管的第一端连接所述第三桥臂S₃的桥臂开关管的第一端，所述第二桥臂S₂的桥臂开关管的第二端连接所述第四桥臂S₄的桥臂开关管的第二端。

3.根据权利要求2所述的基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统，其特征在于，

所述桥臂开关管为门极可关断晶闸管、大功率晶体管、功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于无源滤波电路的STATCOM集成储能系统，其特征在于，

所述三相换流链路中的每条换流链路均通过电抗器L并联接入新能源场站的交流母线。

5.一种如权利要求1～4中任一项所述的系统的控制方法，其特征在于，

包括无功控制和有功控制，其中：

所述无功控制为：通过所述全桥子模块实现功率变换后，通过控制所述全桥子模块交流侧输出电压幅值的大小或控制所述全桥子模块交流侧电流的大小，以实现全桥子模块吸收或发出满足预设要求的无功电流；

所述有功控制为：通过控制所述全桥子模块交流侧输出电压相角的大小或所述全桥子模块交流侧电流的大小，以实现控制所述储能子模块的有功功率输出。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，

所述STATCOM集成储能系统的功率参考值满足公式(1)的约束：

，

其中：Q_ref为无功功率参考值；P_ref为有功功率参考值；S_N为额定容量；P_N为额定有功功率；

当设定的功率参考值不满足公式(1)的约束时，所述STATCOM集成储能系统降有功功率参考值运行。

7.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，

所述STATCOM集成储能系统的有功功率参考值满足公式(2)的约束：

，

U_dc为直流侧额定电压，U_{dc_max}为直流侧电压最大值，U_{dc_min}为直流侧电压最小值。