CN115021302A - 兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置和控制方法，包括：电抗器、并网切换开关、超级电容模块和锂电池模块；每个锂电池模块包括多个H桥逆变器；外部电网母线的三个相位与三个并网切换开关分别连接，三个并网切换开关分别与三个电抗器连接，三个电抗器分别与三个锂电池模块连接，三个电抗器还分别与三个超级电容模块连接；每个锂电池模块中的多个H桥逆变器的输出端级联后通过电抗器接入电网。该方式中，可以实现任意电压电平输出，总谐波畸变较低，还可以有效避免功率器件直接串联带来的动态均压问题。

Description

兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置和控制方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置和控制方法。

背景技术

随着经济高速发展以及高端制造产业升级，大批高新技术企业用户接入电网，这些企业由于其生产工艺设备精密，对用电电能质量要求极高，各类暂态、稳态电能质量扰动对该类设备所造成的威胁极大。尤其是对短时电能质量扰动十分敏感。这些敏感用户因电压暂降问题造成多次生产中断，直接生产损失与间接生产损失巨大，与此同时，白天与黑夜的电力需求之间的峰谷差不断加大。目前大多数城市每天的昼夜平均电力需求峰谷差已超过60%。为真正达到用电节能减排的目标，储能技术依靠器兼具电源与负荷的双重特性，也能够在在解决白天与黑夜的电力需求之间的巨大峰谷差这一矛盾上发挥作用。

然而，现有的混合储能的目标电能质量治理装置中存在下述缺陷：（1）现有多目标电能质量治理装置的设计不适用于10kV电压等级，换流器可输出的最大功率较小。（2）为大型工业用户安装治理设备时，往往需要安装多台设备，增加了安装、运行和维护的难度。（3）应用混合储能装置治理电能质量问题时，往往需要锂电池储能系统的参与，短时间内大功率的充放电易导致电池老化，缩短锂电池的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置和控制方法，以实现任意电压电平输出，总谐波畸变较低，能够有效避免功率器件直接串联带来的动态均压问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置，包括：电抗器、并网切换开关、超级电容模块和锂电池模块；每个锂电池模块包括多个H桥逆变器；外部电网的母线的三个相位与三个并网切换开关分别连接，三个并网切换开关分别与三个电抗器连接，三个电抗器分别与三个锂电池模块连接，三个电抗器还分别与三个超级电容模块连接；每个锂电池模块中的多个H桥逆变器的输出端级联后通过电抗器接入电网。

在本申请较佳的实施例中，上述超级电容模块包括：H桥逆变电路、直流电容、超级电容和升斩波变换器；超级电容与升斩波变换器并联，超级电容与H桥逆变电路的直流侧连接。

在本申请较佳的实施例中，上述锂电池模块为磷酸铁锂电池模块；锂电池模块包括：多个H桥逆变器、多个电感和多个电容，锂电池模块的H桥逆变器的直流侧与电感串联，锂电池模块的H桥逆变器的直流侧与电容并联。

第二方面，本发明实施例还提供一种兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置的控制方法，应用于上述的混合储能装置。混合储能装置用于向外提供功率；方法包括：采集超级电容端电压数据，并且确定功率需求的分配；如果超级电容端电压大于超级电容的端电压阈值，基于功率需求通过超级电容模块提供功率；如果超级电容端电压小于或等于超级电容的端电压阈值，基于功率需求通过超级电容模块和锂电池模块共同提供功率；如果超级电容端电压数据达到预先设定的下限值，基于功率需求通过锂电池模块提供功率；其中，下限值小于超级电容的端电压阈值。

在本申请较佳的实施例中，上述锂电池模块提供的功率小于或等于预先设定的功率阈值。

在本申请较佳的实施例中，上述混合储能装置还用于从电网吸收功率。

在本申请较佳的实施例中，上述方法还包括：通过超级电容模块和锂电池模块共同参与电能质量调控；响应电压暂降事件，执行采集超级电容端电压数据，并且确定功率需求分配的步骤。

在本申请较佳的实施例中，上述方法还包括：确定混合储能装置的工作模式；混合储能装置的工作模式包括：削峰填谷模式、电压质量治理模式、电流质量治理模式和待机模式；基于混合储能装置的工作模式确定混合储能装置中H桥逆变器的控制策略。

在本申请较佳的实施例中，上述确定混合储能装置的工作模式的步骤，包括：采集电网的电压数据和电流数据；基于电网的电压数据和电流数据确定混合储能装置的工作模式。

在本申请较佳的实施例中，上述方法还包括：基于电网的电压数据和电流数据确定混合储能装置的内部能量流动工况；混合储能装置的内部能量流动工况包括：超级电容模块单独吸收或发出功率、锂电池模块和超级电容模块协同充放电、锂电池模块单独吸收或发出功率。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置和控制方法，包括：电抗器、并网切换开关、超级电容模块和锂电池模块；每个锂电池模块包括多个H桥逆变器；每个锂电池模块中的多个H桥逆变器的输出端级联后通过电抗器接入电网。该方式中，可以实现任意电压电平输出，总谐波畸变较低，还可以有效避免功率器件直接串联带来的动态均压问题。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种混合储能的补偿系统原理图；

图2为本发明实施例提供的一种混合储能装置的主电路拓扑的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种的超级电容模块的电路拓扑的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种升斩波电路的控制策略的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种磷酸铁锂电池模块的电路拓扑的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种混合储能装置的控制方法的流程图；

图7为本发明实施例提供的一种恒流控制策略的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种电压质量治理控制策略的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种电压质量治理控制策略的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种电压质量检测流程的示意图；

图11为本发明实施例提供的一种电流质量检测流程的示意图；

图12为本发明实施例提供的一种储能系统工作模式切换流程的示意图；

图13为本发明实施例提供的一种超级电容-磷酸铁锂电池运行工况切换流程的示意图；

图14为本发明实施例提供的一种电池动态电压控制框图与对应动态参考电压曲线的示意图；

图15为本发明实施例提供的一种动态电压参考值修正因子选择方式的示意图。

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，下面将结合附图对本发明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。

目前，参见图1所示的一种混合储能的补偿系统原理图，图1示出了现有基于混合储能的并联型多目标电能质量治理装置的拓扑结构，该装置包括混合储能模块、逆变模块以及控制模块。能够在电网电压发生暂降/中断时保持精密敏感负载电压恒定，在电网电压正常时进行谐波补偿/无功补偿/三相不平衡补偿并提高功率因数，以较低的经济成本同时解决多种电能质量问题。然而，上述装置中存在下述缺陷：

（1）现有多目标电能质量治理装置的设计不适用于10kV电压等级，换流器可输出的最大功率较小。

（2）为大型工业用户安装治理设备时，往往需要安装多台设备，增加了安装、运行和维护的难度。

（3）应用混合储能装置治理电能质量问题时，往往需要锂电池储能系统的参与，短时间内大功率的充放电易导致电池老化，缩短锂电池的使用寿命。

基于此，近年来随着超级电容的研究不断深入，尤其是超级电容储能系统的快速响应、高功率密度等独特优势使其在电力系统中的应用逐渐受到越来越多的重视，本发明实施例提供的方案在对新能源与敏感负荷电压暂降响应特性研究的基础上，在超级电容器的应用方面做了以下工作：

本发明实施例提供的一种兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置和控制方法，阐述了混合储能装置拓扑结构、参数优化匹配、内部能量流动工况及不同工况间的切换等关键技术。在该兆瓦级补偿系统中，混合储能单元由超级电容储能和磷酸铁锂电池构成。补偿装置能够依靠大容量磷酸铁锂电池组在用电低谷期从电网吸收电能、高峰期放电向负荷供能，帮助工业用户利用峰谷电价差获取利益。同时能够治理不同类型的电能质量扰动，且得益于超级电容储能装置，整个补偿装置系统的响应时间不超过3ms，而磷酸铁锂电池则能用于补偿暂降/暂升程度较浅的电压质量短时扰动，并适当延长超级电容储能装置的电压扰动补偿时间长度。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种混合储能装置进行详细介绍。

实施例一：

本发明实施例提供一种混合储能装置，参见图2所示的一种混合储能装置的主电路拓扑的示意图，该混合储能装置包括：电抗器、并网切换开关、超级电容模块和锂电池模块；每个锂电池模块包括多个H桥逆变器；

外部电网的母线的三个相位与三个并网切换开关分别连接，三个并网切换开关分别与三个电抗器连接，三个电抗器分别与三个锂电池模块连接，三个电抗器还分别与三个超级电容模块连接；每个锂电池模块中的多个H桥逆变器的输出端级联后通过电抗器接入电网。

本实施例提供的混合储能装置是一种基于超级电容-电池储能的混合储能装置的电压暂降补偿系统。

由于系统运行功率在兆瓦级，在混合储能装置内部每相磷酸铁锂电池模块中由n个H桥逆变器的输出端级联后通过电抗器接入电网，A、B、C三相采用Y型连接方式，每个功率模块中均有磷酸铁锂电池组作为独立储能模块。

本发明实施例提供的一种混合储能装置，包括：电抗器、并网切换开关、超级电容模块和锂电池模块；每个锂电池模块包括多个H桥逆变器；每个锂电池模块中的多个H桥逆变器的输出端级联后通过电抗器接入电网。该方式，中可以实现任意电压电平输出，总谐波畸变较低，还可以有效避免功率器件直接串联带来的动态均压问题。

实施例二：

本实施例提供了一种混合储能装置，在上述实施例的基础上实现，参见图3所示的一种的超级电容模块的电路拓扑的示意图，该超级电容模块包括：H桥逆变电路、直流电容、超级电容UC和升斩波变换器；超级电容与升斩波变换器并联，超级电容与H桥逆变电路的直流侧连接。

其中，升斩波变换器是两相交错并联的Buck/Boost变换器，超级电容经两相交错并联升斩波变换器与H桥逆变器的直流侧相连，这种电路能够在传输较大功率的同时，通过将两相电路的载波移相180°，有效减小直流侧纹波。

超级电容器的升斩波电路的具体控制策略可以参见图4所示的一种升斩波电路的控制策略的示意图，采用电压、电流双闭环控制策略，其中，外环为电压环，内环为电流环。控制策略基本思想是将电流基准信号均分为每个模块的参考电流，然后补偿两相电感电流差值，输出两相开关信号。通过注入相位相差180°的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制技术）载波信号tr1、tr2，实现两相DC/DC变换器的依次导通，维持H桥直流侧电容两端电压始终在其额定值上下微小波动。

本实施例中的电池模块为磷酸铁锂电池模块，参见图5所示的一种磷酸铁锂电池模块的电路拓扑的示意图，该锂电池模块包括：多个H桥逆变器、多个电感和多个电容，锂电池模块的H桥逆变器的直流侧与电感串联，锂电池模块的H桥逆变器的直流侧与电容并联。

图5示出了每相每组磷酸铁锂电池模块的电路拓扑结构。每个电池模块由H桥逆变器、电感、电容等组成。每个储能模块具备功率的双向流动能力，使得整个级联储能系统也同样具备四象限运行能力。由电感和电容组成的LC滤波器实现滤波功能，减小电池两端的电压、电流波动，有利于对电池的检测及延长电池寿命。

实施例三：

本实施例提供了一种混合储能装置的控制方法，应用于上述的混合储能装置，混合储能装置用于向外提供功率，该方法在上述实施例的基础上实现，参见图6所示的一种混合储能装置的控制方法的流程图，该混合储能装置的控制方法包括如下步骤：

步骤S602，采集超级电容端电压数据，并且确定功率需求的分配。

本实施例中可以基于用户需求进行兆瓦级混合储能系统的参数匹配，具体可以包括功率需求匹配和能量需求匹配。

步骤S604，如果超级电容端电压大于超级电容的端电压阈值，基于功率需求通过超级电容模块提供功率。

对于功率需求匹配，在实际应用中，混合储能系统主要用于短时电能质量扰动电压暂降的治理，由于大部分电压暂降持续时间较短，因而对补偿装置的储能量要求不高，主要应能够满足负荷功率的要求。在进行电压质量治理时，装置所需提供的瞬时功率提供的瞬时功率P_{com_max}可以根据实际负荷需求得到。需提供的瞬时功率应满足如下式所示的关系：

。

其中，

为负荷在任意时间下的总功率需求。超级电容需要在暂降发生初期立即响应，满足负荷的最大功率需求。

，式中，P_UC为超级电容储能提供的功率。

步骤S606，如果超级电容端电压小于或等于超级电容的端电压阈值，基于功率需求通过超级电容模块和锂电池模块共同提供功率。

当电压暂降事件较为严重，持续时间较长时，超级电容由于本身所存储的能量不足，无法输出足够的有功功率维持逆变器直流侧电压稳定，储能系统需要协同参与治理，此时混合储能向外输出的总功率应满足最大负荷功率需求：P_hess=nP_bat+P_UC≥P_{com_max}，其中n为H桥的个数。

P_hess、P_bat分别为混合储能系统总功率、电池组各自提供的功率。另外，在匹配电池参数时，遵循限制电池最大放电电流原则，避免电池工作在过放的状态，即限制电池提供的功率不高于最大限值P_{bat_lim}，锂电池模块提供的功率小于或等于预先设定的功率阈值。

并且，限制电池的最大放电电流小于k1×I_{bat_ref}，则k1×I_{bat_ref}×U_bat≤P_{bat_lim}。因此，电池与超级电容的功率需满足：P_bat=U_bat×k1×I_{bat_ref}≤P_{bat_lim}；P_UC=P_{com_max}-nP_{bat_lim}。

其中，I_{bat_ref}为电池组的额定充放电电流，单位为A。k1为电池组的最大充放电倍率，U_bat为电池组的端电压，n为H桥逆变器的个数。

步骤S608，如果超级电容端电压数据达到预先设定的下限值，基于功率需求通过锂电池模块提供功率；其中，下限值小于超级电容的端电压阈值。

如果超级电容端电压达到了预先设定的超级电容的端电压阈值的下限值，则只通过锂电池模块提供功率，无需通过超级电容模块提供功率。

对于能量需求匹配，无论是超级电容储能还是磷酸铁锂电池储能，其体积和成本与其存储的能量是直接成比例的，故混合储能系统在应用于削峰填谷或是用于电压暂降问题的治理时，均需要从能量需求角度入手，分别分析磷酸铁锂电池与超级电容储能提供的能量在满足用户需求时应满足的条件。

此外，本实施例中的混合储能装置除了可以用于向外供电之外，还可以用于从电网吸收功率。

本实施例中可以通过超级电容模块和锂电池模块共同参与电能质量调控；还可以响应电压暂降事件，执行上述采集超级电容端电压数据，并且确定功率需求分配的步骤。

超级电容器主要实现对电压暂降的快速响应，并能够尽可能依靠超级电容单独完成电压暂降治理。治理期间内对负荷功率需求进行积分所得到的能量需求中的最大值，记为E₁，则超级电容所需提供的能量由下式确定：

。

式中，t_sag为电压暂降持续时间。另外，由于持续时间较长的电压暂降事件或者更严重的供电中断事件发生概率较小，且超级电容器相比锂电池投资成本更高，故t_sag的取值可以为5秒，即电压暂降治理时超级电容储能以瞬时大功率支撑持续时间为5秒，进而根据下式超级电容储能可提供的最大能量确定超级电容器参数：

。

其中，U_{max_UC}与U_{min_UC}分别为超级电容器的初始电压与临界电压。而对于持续时间大于5秒的电压暂降通过后文的动态电压控制方法令锂电池缓慢向负荷输出功率，实现协同治理。

此外，如果电网处于稳态，本实施例中还可以通过超级电容模块和锂电池模块为混合储能装置提供能量。

磷酸铁锂电池设计中的能量需求，即当电网处于稳态，混合储能系统中主要由磷酸铁锂电池参与削峰填谷，一般以考察时间内所需的充放电量总和作为其所需额定电量，记为E₂。

首先，根据工业用户年度负荷数据利用加权平均值法提取用户典型负荷曲线。将日发电量作为年度典型负荷曲线中该日的权值，对年度负荷数据进行加权平均得到典型日负荷功率曲线，首先统计第i天的发电量Q_i和该年总发电量Q：

。式中，Δt为采样时间间隔。

基于加权平均法则可以得到用户在第j个时间点的典型负荷数据

为:

。接入储能系统后，电网需要向负荷输入功率的方差最小为目标构建目标函数可得：

。

其中，P(j)为接入储能系统后电网需要输入的功率，通过负荷功率

与储能系统输出功率P_store(j)做差得到，即

。

P_average由电网需要输入的功率P(j)的平均值得到，即：

。

同时，需要同时满足的约束条件有：功率平衡约束、储能系统充放电功率约束、储能系统日充放电平衡约束以及储能荷电状态约束，整理如下：

。

其中，P_S为电网输入功率，P_load和P_store分别为某一时刻的负荷功率和储能系统输出功率。SOC_min和SOC_max则分别表示储能荷电状态的下限和上限。

结合上述约束条件分析可以确定储能系统在所考察的典型日负荷功率曲线内所需的充放电量总和作为其额定容量，具体计算如下：

。

式中： t₀为最大充/放电量开始时刻；t₀+nΔt为最大充/放电结束时刻；P_store(j)为储能系统的充放电功率。

此外，本实施例还提供了H桥逆变电路的控制策略，例如：确定混合储能装置的工作模式；混合储能装置的工作模式包括：削峰填谷模式、电压质量治理模式、电流质量治理模式和待机模式；基于混合储能装置的工作模式确定混合储能装置中H桥逆变器的控制策略。

用户侧储能系统在实际应用中既可以作为负荷，也可以作为电源用于削峰填谷，帮助用户获得经济效益。除此之外，还可以用于帮助用户提高电能质量，发挥多重价值，满足用户多元用电需求。而不同的用电需求相匹配的控制策略也不同。下面针对不同的运行模式简述H桥逆变电路的控制策略。

（1）削峰填谷模式：

在电网正常运行时，主要由磷酸铁锂电池储能参与削峰填谷，在电价处于低谷值充电，电价处于峰值时放电，帮助用户降低用电成本。

此时混合储能系统中的H桥逆变器均工作于恒流充放电模式下，对应控制策略可以参见图7所示的一种恒流控制策略的示意图，控制策略能够根据实际需求控制电池输出电流的参考值以实现储能系统在充电模式和放电模式间切换，而超级电容器则在充放电直至端电压达到额定值后进入待机模式，不与电网发生功率交换。

在恒流充放电控制策略中，逆变器直流侧电压视作恒定不变，以直流侧电流作为双闭环控制的外环，假定由电池向外输出功率为正方向，对电池输出电流I_bat采样，与参考额定电流值I_{bat_ref}做比较后经PI调节器得到电流参考值。电流参考值与逆变器实际输出电流i_abc的dq轴分量经PI控制器构成闭环生成指令电压信号。另外，为了在充放电的过程中维持交流电网电压稳定，并网点电压u_abc的1/n作为内环输入经派克变换与电流外环输出相加生成指令信号。最后，通过调制SPWM的脉冲控制信号控制桥式电路中IGBT（Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）的通断，实现储能变流器直流侧恒流控制。

（2）电压质量治理模式：

当储能系统检测到电网发生幅值低于90%的电压暂降或大于110%的电压暂升时，旁路开关断开，由混合储能系统通过逆变电路向敏感负荷供电。此时，超级电容器快速响应参与电压质量问题的治理，但当电压暂降持续时间较长时，超级电容本身所存储的能量不足，无法通过DC/DC变换器维持逆变器直流侧电压稳定时，锂电池储能系统将基于后文所描述的动态电压控制方法缓慢向外输出有功功率，与超级电容协同治理电压质量问题，向敏感负荷供电。

混合储能系统中的H桥逆变器可以采用如图8所示的一种电压质量治理控制策略的示意图，通过图8所示的控制算法实现对逆变器的控制，保证混合储能系统输出与电压暂降/暂升发生前电网电压一致的三相电压波形，向敏感负荷提供功率支撑。

如图8所示，采用电压电流双闭环控制策略以提高控制精度，首先将派克变换后的负载侧电压u_{L_abc}与预设的参考负载侧电压dq轴分量进行比较，比较所得到的差值经过PI调节器后可得电流参考值。电流参考值与治理装置实际输出电流i_abc的dq轴分量经PI控制器构成闭环。通过电流内环控制输出的指令电流信号和PWM调制输出脉冲信号控制H桥逆变器晶闸管的通断，达到控制储能输出三相电压的目的。

（3）电流质量治理模式：

当混合储能系统检测到电网存在较大的谐波、无功功率缺额或三相不平衡问题时，依然保持旁路开关正向导通，由电网直接给敏感负荷供电。与此同时，由于无功补偿、谐波或三相不平衡治理所需的视在功率不大，故仅需超级电容器参与治理，经逆变器向电网注入补偿电流。

参见图9所示的一种电压质量治理控制策略的示意图，图9示出了电流质量治理模式下的控制策略，混合储能系统主要对负载侧电流i_{L_abc}、超级电容模块的逆变器直流侧电压U_DC的变化进行监测。首先将派克变换后的负载侧电流经低通滤波得到dq坐标下的直流分量，若将其进行派克逆变换则可得到负载电流中的基波分量。

由于在治理的同时，需要保证逆变器直流侧电压的稳定，故混合储能装置直流侧电压也需要通过负载电流d轴分量上的PI调节器一同进行调节。最后，将负载电流减去派克逆变换后的电流基波分量及直流电容电压对应PI控制器输出，得到电流质量治理模式下的指令电流信号。进而通过PI调节器和PWM调制即可得到调制信号，驱动H桥逆变器产生相应的电流补偿量，实现谐波治理、无功补偿、三相不平衡治理。

（4）待机模式：

若电价处于平段，不需要储能系统参与充放电或储能系统的荷电状态经充放电后已经达到上限、下限时，电池管理系统将控制电池开关断开，使其与电网之间无功率交换，仅保留超级电容器始终与系统相连，以快速响应未来可能发生的扰动，而电池模组管理单元将开始应用开路电压法估计其余电池簇中各电池组的SOC值，并根据电池状态自行调节均衡电池电量，此时整个磷酸铁锂电池储能系统处于待机模式。

此外，本实施例可以通过下述步骤确定工作模式：采集电网的电压数据和电流数据；基于电网的电压数据和电流数据确定混合储能装置的工作模式。

为了保证主电路能够运行在正确的模式下，储能系统应基于合适的扰动计算方法进入不同的运行模式，执行对应模式下的控制策略，实现多模式协同运行。扰动计算主要分为两个部分，电压质量检测和电流质量检测，且先治理电压质量问题的优先级更高，若电网不存在电能质量问题，则将装置切换为充放电模式或待机模式。

（1）电压质量检测：

参见图10所示的一种电压质量检测流程的示意图，将网侧三相电压u_{s_abc}经派克变换后得到其电压幅值的大小，通过给此电压幅值设立阈值来判断是否电网发生电压暂降或电压暂升。若电压质量符合要求，则检测电流质量。

（2）电流质量检测：

参见图11所示的一种电流质量检测流程的示意图，网侧三相电流i_{s_abc}经派克变换后可以得到负序电流幅值，用于判断是否需要储能系统输出相应的补偿量以提高线路功率因数或治理三相不平衡问题。另外将经过低通滤波得到的d轴电流分量经过派克逆变换与网侧电流做差，可以得到网侧电流的谐波分量，谐波分量与电流基波相比较，则可判断用于判断谐波电流含有率是否超标。若谐波电流、无功电流均满足要求，则令储能系统运行在充放电模式或待机模式下。

基于上述描述，具体的四个工作模式切换流程可以参见图12所示的一种储能系统工作模式切换流程的示意图。

此外，对于混合储能系统功率分配控制策略设计，混合储能系统参与多种电能质量问题治理尤其是电压质量问题治理的过程中，为充分发挥超级电容快速大容量充放电的能力，降低对电池动态响应的要求，提出了基于动态电压控制的功率分配策略。

本实施例首先给出了在治理质量问题时混合储能系统内部可能的能量流动方式，并分了对应工况下混合储能的运行状态。通过混合储能剩余容量触发不同类型储能系统序列激活，实现功率分配指令的优化。进而根据可能的工况给出了有关电压基准值U_{DC_ref_H}、U_{DC_ref_L}以及超级电容端电压阈值U_{UC_L}、U_{UC_H}的设计方法。

本实施例可以基于电网的电压数据和电流数据确定混合储能装置的内部能量流动工况；混合储能装置的内部能量流动工况包括：超级电容模块单独吸收或发出功率、锂电池模块和超级电容模块协同充放电、锂电池模块单独吸收或发出功率。

针对混合储能内部的不同能量流动模式进行分析，有助于优化磷酸铁锂电池与超级电容的功率与能量分配策略。混合储能系统的内部能量流动工况可概括为：

（1）超级电容单独吸收或发出功率。在混合储能瞬时功率需求很大的深暂降补偿过程初期，与磷酸铁锂电池相比，超级电容由于具有极短时间释放大功率的能力，能更好地满足这一大功率需求，此时主要由超级电容平衡系统动态功率，而锂电池处于备用状态；

（2）磷酸铁锂电池和超级电容协同充放电。当电压暂降持续时间较长导致超级电容端电压下降过多时，需要采用电池与超级电容协同放电。这种模式下，超级电容和电池将分别响应混合储能系统目标补偿功率的高频功分量和低频分量；

（3）磷酸铁锂电池单独吸收或发出功率。当电压暂降持续时间较长时，超级电容器的电压达到限值，逐渐停止继续向外输出功率，而锂电池的输出功率则逐渐增大直至完全由锂电池向敏感负荷输送能量。另外，当系统处于稳态时，电池根据系统所处的峰谷期有计划地充电或放电，此时电池单独作用。超级电容则退出不参与响应或因剩余能量达到上/下限值时退出运行。

考虑上述混合储能系统的工况上述的运行模式，可得如图13所示的一种超级电容-磷酸铁锂电池运行工况切换流程的示意图。首先基于系统的运行状态对混合储能系统的充放电模式进行选择，当检测电网到发生电能质量问题并恒压放电时，混合储能系统实时跟踪逆变器直流侧电压基准值U_{DC_ref_H}或U_{DC_ref_L}的同时，也会根据超级电容的端电压U_UC的大小与低阈值U_{UC_L}比较，若高于低阈值，则由超级电容单独放电，低于U_{UC_L}则由锂电池和超级电容共同放电，直到U_UC达到最低临界值U_{UC_min}。同理，当混合储能系统恒压放电时，根据超级电容的端电压UUC的大小与高阈值U_{UC_H}和超级电容端电压最大值U_{UC_max}进行比较，用于判断磷酸铁锂电池与超级电容是否参与调节。

在基于动态电压控制的混合储能系统功率分配策略中，超级电容在容量处于正常范围内时，始终接入系统。当扰动事件导致直流侧电压跌落或上升时，超级电容采用恒压控制跟踪逆变器直流侧电压基准值U_{DC_ref_H}或U_{DC_ref_L}。锂电池储能同样接入电网，采用电压电流双闭环控制，实现与超级电容的协同。

由之前的分析可知，电池储能系统在扰动过程中的作用也分为三个工况，在工况1处于备用状态，在工况2开始与超级电容协同，在工况3中单独作用。三个工况的自动切换可通过电池电压外环控制中引入动态修正因子来实现，动态电压控制框图和对应的动态参考电压曲线可以参见图14所示的一种电池动态电压控制框图与对应动态参考电压曲线的示意图。

动态参考电压U_{bus_ref_d}由静态参考电压和动态修正因子U*组成，可表示为：

。

在放电和充电时，静态参考电压分别为U_{DC_ref_L}和U_{DC_ref_H}。图14还给出了放电和充电时的动态电压参考值的曲线，由图14可知，U_{DC_ref_d}的值分解为三个工况，对应在磷酸铁锂电池与超级电容协同的三个工况中U*的不同取值。不同工况之间的转换是根据不同的实时超级电容电压UUC和电池电流I_Lb判断。因此，动态电压控制可以转化为对修正因子的设计，这种方法使得电池和超级电容的协同控制变得更加简易灵活。

本实施例中还公开了动态电压参考值的设计。其中，混合储能系统内部三种工况的动态修正因子如表1所示：

（1）工况1：扰动开始时，只有超级电容动作响应。因此，此时电池参考电流I_Lbref为零。设置当U_UC不超过阈值时，U*等于一个较小的负常数α，这个常数使得电池动态参考电压大于静态电压，由于PI控制器中电压环的饱和效应，输出电池参考电流将限流环节被限制为零。此外，当电池的SoC超出正常范围时，电池将不投入运行，继续维持在工况1。

（2）工况2：在此工况下，超级电容和电池将共同响应功率需求。当U_UC超过上下阈值U_{UC_H}或U_{UC_L}时，U*的值调整为k2×(U_UC–U_{UC_H})或k2×(U_UC–U_{UC_L)}，其中k2为比例系数。U*在放电和充电中分别为正数和负数，因此U_{bus_ref_d}在放电和充电过程工况2中分别动态增加和减少。在该工况中，U_UC尚未达到其维持电压跟踪的临界值U_{UC_cri_H}和U_{UC_cri_L}。

（3）工况3：最后，电池独立响应功率需求，超级电容退出运行，避免出现过充或过放问题。当电池电流I_Lb达到预测的稳态电池电流I_{Lb_s}时，动态修正因子U*需要调整为小的正常数β。以锂电池向外放电为例，此时动态电压参考值U_{DC_ref_d}略高于静态电压参考值U_{DC_ref_L}，超级电容随着能量的下降退出运行，电池储能系统最终将逆变器直流侧电压稳定在U_{DC_ref_d}，即U_{DC_ref}附近，从而能够向交流电网提供稳定的功率支撑。

表1 动态修正因子

工况	工况 1	工况 2	工况 3
				U*	α	k 2 ×(U <sub>UC </sub>–U <sub>UC_H </sub>) 或 k 2 ×(U <sub>UC </sub>–U <sub>UC_L </sub>)	β

对于阈值选择规则，动态电压参考值三个工况的切换基于预测的超级电容的电压阈值和锂电池稳态电流，其切换逻辑过程可以参见图15所示的一种动态电压参考值修正因子选择方式的示意图，下文将给出超级电容的电压阈值和锂电池稳态电流的计算方法。

当混合储能系统检测到电网发生扰动事件后，进入恒压充电或恒压放电模式，此时超级电容器的输出功率为：

。

式中：P_UC(t₀)为超级电容在工况1中某一时刻t₀与交流系统交换的功率；U_UC(t₀)为t₀时刻超级电容两端；I_DC(t₀)表示从超级电容储能系统流入H桥逆变器直流侧的电流。

假设系统功率需求在暂态过程中保持不变，可预测下一时刻超级电容器两端电压为：

。式中：U_UC(t₀)和U_UC(t₁)分别是t=t₀和t=t₁时的超级电容电压值。

此外，在充电模式下和放电模式下，超级电容器电压临界值U_{UC_cri_H}和U_{UC_cri_L}分别表示为，即为超级电容两端电压的最大和最小限制并能够确定电池电流的上升时间为t*=t₁-t₀，超级电容器电压阈值U_{UC_H}和U_{UC_L}则可分别表示为：

。

此外，根据等效磷酸铁锂电池模型，工况3电池单独作用时的稳态电流I_{Lb_s}可以通过下式预测：

。

式中：U₀为电池开路电压，R_b为放电或充电电池内电阻，n为磷酸铁锂电池模块的数目。在瞬态过程中，电池的SoC可视作基本不变，由此U₀和R_b的值取扰动发生前的恒定值。

本发明实施例提供了改进的并联型多目标电能质量治理装置拓扑结构：磷酸铁锂电池模块采用级联H桥拓扑，超级电容经两相交错并联型Buck/Boost变换器升压后接入H桥逆变器直流侧。能够快速响应治理电能质量问题并实现在较大功率下实现能量双向流动。

本发明实施例还提供了混合储能系统功率分配控制策略：根据混合储能系统内部的能量流动工况提出了基于动态电压控制的功率分配控制策略，通过跟踪超级电容的剩余能量出发不同类型的储能系统参与治理。充分发挥了超级电容快速大功率充放电的能力，降低了对锂电池动态响应能力的要求。

本实施例中可以利用磷酸铁锂电池-超级电容混合储能系统，配合动态电压控制策略，提升了混合储能系统应对电能质量问题的响应速度，并延长了磷酸铁锂电池的使用寿命；本实施例中还可以增加治理装置的应用场景，锂电池储能在治理电能质量问题之余，也能够参与削峰填谷，帮助工业用户利用储能系统通过低储高发直接获利。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置，其特征在于，包括：电抗器、并网切换开关、超级电容模块和锂电池模块；每个所述锂电池模块包括多个H桥逆变器；

外部电网的母线的三个相位与三个所述并网切换开关分别连接，三个所述并网切换开关分别与三个所述电抗器连接，三个所述电抗器分别与三个所述锂电池模块连接，三个所述电抗器还分别与三个所述超级电容模块连接；

每个所述锂电池模块中的多个所述H桥逆变器的输出端级联后通过所述电抗器接入所述电网。

2.根据权利要求1所述的混合储能装置，其特征在于，所述超级电容模块包括：H桥逆变电路、直流电容、超级电容和升斩波变换器；

所述超级电容与升斩波变换器并联，所述超级电容与所述H桥逆变电路的直流侧连接。

3.根据权利要求1所述的混合储能装置，其特征在于，所述锂电池模块为磷酸铁锂电池模块；所述锂电池模块包括：多个H桥逆变器、多个电感和多个电容，所述锂电池模块的H桥逆变器的直流侧与所述电感串联，所述锂电池模块的H桥逆变器的直流侧与电容并联。

4.一种兼具电能质量调控功能的兆瓦级混合储能装置的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-3任一项所述的混合储能装置，所述混合储能装置用于向外提供功率；所述方法包括：

采集超级电容端电压数据，并且确定功率需求的分配；

如果所述超级电容端电压大于超级电容的端电压阈值，基于所述功率需求通过所述超级电容模块提供功率；

如果所述超级电容端电压小于或等于所述超级电容的端电压阈值，基于所述功率需求通过所述超级电容模块和所述锂电池模块共同提供功率；

如果所述超级电容端电压数据达到预先设定的下限值，基于所述功率需求通过所述锂电池模块提供功率；其中，所述下限值小于所述超级电容的端电压阈值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述锂电池模块提供的功率小于或等于预先设定的功率阈值。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合储能装置还用于从电网吸收功率。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过所述超级电容模块和所述锂电池模块共同参与电能质量调控；

响应电压暂降事件，执行所述采集超级电容端电压数据，并且确定功率需求分配的步骤。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

确定所述混合储能装置的工作模式；所述混合储能装置的工作模式包括：削峰填谷模式、电压质量治理模式、电流质量治理模式待机模式；

基于所述混合储能装置的工作模式确定所述混合储能装置中H桥逆变器的控制策略。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定所述混合储能装置的工作模式的步骤，包括：

采集电网的电压数据和电流数据；

基于所述电网的电压数据和电流数据确定所述混合储能装置的工作模式。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所述电网的电压数据和电流数据确定所述混合储能装置的内部能量流动工况；所述混合储能装置的内部能量流动工况包括：所述超级电容模块单独吸收或发出功率、所述锂电池模块和所述超级电容模块协同充放电、所述锂电池模块单独吸收或发出功率。

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