CN115085354A - 一种储能型ups系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能型UPS系统及其控制方法，所述UPS系统包括：电网侧变流器、直流母线、负荷侧变流器等；所述UPS系统内部设置有控制器，所述控制器包括状态检测模块、优化调度模块和控制调节模块；所述状态检测模块用于检测UPS系统并网时的电网状态、电压及频率情况等；所述优化调度模块根据UPS系统参与电力辅助服务的功能、运行模式及性能要求，建立UPS系统参与电力辅助服务收益最大化优化调度模型；所述控制调节模块根据优化调度模块的分析计算结果，对UPS系统及相关可控对象下发控制指令，保障UPS系统按照设定要求运行。本发明能够实现自身用电峰谷调节，同时可以通过并网变流器的控制实现对电网的一次调频、二次调频、调压、需求响应等的支撑。

Description

一种储能型UPS系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种储能型UPS系统，尤其涉及一种采用在线双变换式结构、可参与电力辅助服务，即备电、一次调频、二次调频、调压和调峰的储能型UPS系统及其控制方法。

背景技术

UPS(Uninterruptible Power Supply)系统即不间断电源系统，它是一种含有储能装置、以逆变器为主要元件、主要由整流、逆变、储能和静态开关等部分组成的，具有稳压稳频输出的电源保护设备。目前UPS系统已经在现代工业生产中大量应用，尤其在数据中心和IDC机房中使用，配置UPS系统主要起到两个方面的作用：一是当电源发生故障或断电时，UPS系统可以继续稳定向IDC负荷供电，防止因市电突发故障或断电影响负荷正常工作，避免给计算机带来不可逆的危害，为负载的正常运行提供保障；二是当市电输入稳定的情况下，UPS系统将市电稳压并消除市电网上的电涌、瞬间高电压和频率偏移等现象，改善市电电能质量，为负荷提供高质量的电能，同时保护精密仪器不被损坏。

现有技术中，由于UPS系统中网侧使用的整流器为单向整流器，因此能量只能单向流动，整流器不能向电网回馈能量，只能对自身ICT负荷的用电进行峰谷调节，导致UPS系统控制灵活性差、不能参与电网的调压调频等问题；现有UPS系统一般较多采用铅酸免维护蓄电池与主机相连接，但是铅酸电池存在长期浮充的问题，存在一定的安全隐患通，现有UPS系统作为备用电源，在大量应用的同时也存在大量UPS冗余投资，已逐渐变成“沉没资产”。

发明内容

有鉴于此，本发明所解决的技术问题在于提供一种在线双变换式结构的储能型UPS系统及储能型UPS系统参与电力辅助服务的控制方法，同时在UPS系统中装置控制器，以解决现有UPS系统中存在的问题。

本发明提出的技术方案如下：

一种储能型UPS系统，所述UPS系统采用在线双变换式结构，所述UPS系统包括：

电网侧变流器、直流母线、负荷侧变流器、静态旁路支路/检修支路和交直流配电柜及其他辅助部件或材料；

所述电网侧变流器能量可双向流动，并具有并网、离网双运行模式，可根据控制要求实现有功和无功功率连续可调；所述UPS系统内部还设置有控制器，所述控制器主要包括三个功能模块，即状态检测模块、优化调度模块和控制调节模块；

所述状态检测模块用于检测UPS系统并网时的电网状态、电压及频率情况，UPS系统内变流器运行状态、UPS并网点母线电压、储能单元SOC、负荷曲线情况以及AVC等无功设备的投运率情况；所述优化调度模块根据UPS系统参与电力辅助服务的功能、运行模式及性能要求，建立UPS系统参与电力辅助服务收益最大化优化调度模型，使得UPS系统最大限度参与到调频、调压的电力辅助服务中；所述控制调节模块根据优化调度模块的分析计算结果，对UPS系统及相关可控对象下发控制指令，保障UPS系统按照设定要求运行。

进一步的，所述电网侧变流器、负荷侧变流器均采用标准化、模块化的双向变换AC/DC模块。

进一步的，所述UPS系统还包括电池，所述电池为锂离子电池、铅酸电池或钠离子电池。

进一步的，所述电网侧变流器、负荷侧变流器采取三相四桥臂三电平拓扑结构。

进一步的，所述电网侧变流器、负荷侧变流器采用单级拓扑结构，主要由双向变换AC/DC模块、交流侧LCL、交流侧主继电器及软起回路、交流侧熔断器、直流侧主继电器及软起回路、直流侧熔断器组成。

进一步的，所述电网侧变流器、负荷侧变流器采用NPC三电平技术，桥臂由I型三电平IGBT模块组成。

本发明还提出一种应用于所述的一种储能型UPS系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

1)UPS通过状态检测模块向控制器中的优化调度模块提供UPS系统参与电力辅助服务的能力和具体指标；

2)确定UPS系统参与电力辅助的品种和性能；

3)建立以UPS系统参与电力辅助服务收益最大化为目标的优化调度模型；

4)UPS系统参与电力辅助服务；

5)对所述优化调度模型进行求解；

6)确定UPS系统参与电力辅助服务的最优情况。

进一步的，所述步骤3)中，所述优化调度模型的目标函数表示为：

maxy＝∑ax^m,n+bk^m,n+cz+dq^m,n+ep+fg，

其中

式中，x^m,n表示m台UPS系统参与第n次一次调频的考核指标，a是参与单次一次调频未达到调频要求时的考核费用；k^m,n代表m台UPS系统参与第n次二次调频的考核指标，

和

分别表示UPS系统通过参加AGC服务的考核内容，即AGC机组的调节速率、调节精度、响应时间和调节容量，b是UPS系统参与单次二次调频达到规定要求时所获得的补偿收益；z代表UPS系统并网点的电压，c是并网点电压不合格时的考核费用；q^m,n代表m台无功调节设备第n次参与调压的投运率情况，d是无功调节设备的单次参与调压投运率未达标时的考核费用；p表达当供电系统大面积停电时，UPS提供的恢复系统供电服务的情况，e是当UPS系统因自身原因未能完成恢复系统供电服务时的考核费用；g表示市电电价处于峰值或较贵时，UPS系统中的储能参与负荷侧削峰填谷的情况，f是UPS系统未达到削峰填谷要求时的考核费用，y代表UPS系统参与电力辅助服务的收益。

进一步的，所述步骤4)中，所述电力辅助服务具体过程包括：

当控制器中的状态检测模块检测到电网需要一次调频时，通过控制器中的控制调节模块下发指令到UPS系统，UPS系统参与一次调频，如不参与或未达到相关标准要求将被考核；

当控制器接收到电网调度AGC指令需要二次调频时，UPS系统可积极主动参与二次调频，满足二次调频设备AGC的调节性能和可用率等要求，以此来获得补偿收益；

通过控制器的状态检测模块检测UPS系统并网点母线电压情况，UPS系统通过调节控制模块下发指令到AVC来调节并网点母线的电压合格率，当检测到并网点母线的电压未达到要求和规定，按照其合格率的缺额进行考核；

在无功调节时还需检测AVC或其他无功补偿装置的投运率，当控制器状态检测模块检测到AVC或其他无功补偿装置的投运率未达到规定要求，按照其投运率的缺额来进行考核；

在市电电价峰值或较贵时，UPS系统给负荷供电，实现负荷的供电峰谷调节，未达到规定进行考核。

所述考核的含义即为惩罚，模型中包括考核指标，不合格或没有达到要求就会有惩罚费用即考核。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出的储能型UPS系统可以充分利用己有的设备，能够实现自身用电峰谷调节，同时可以通过并网变流器的控制实现对电网的一次调频、二次调频、调压、需求响应等的支撑。

附图说明

图1为本发明的的储能型UPS系统示意图；

图2为本发明UPS系统参与电力辅助服务的控制方法图示。

具体实施方式

本发明一方面提出一种储能型UPS系统的结构，储能型不间断电源(UPS)的设计采用在线双变换式结构，如图1所示，总体上包括电网侧变流器、直流母线、负荷侧变流器、静态旁路支路/检修支路、交直流配电柜及其它必要的辅助部件或材料，电网侧变流器能量可双向流动，并具有并网、离网双运行模式，可根据控制要求实现有功和无功功率连续可调。电池系统可采用但并不限于锂离子电池、铅酸电池、钠离子电池。

在UPS系统内部设置控制器，其中控制器主要包括三个功能模块，即状态检测模块、优化调度模块和控制调节模块。状态检测模块主要的作用有：通过状态检测模块可检测到UPS系统并网时的电网状态、电压及频率情况，UPS系统内变流器运行状态、UPS并网点母线电压、储能单元SOC、负荷曲线情况、AVC等无功设备的投运率情况；优化调度模块主要的作用有：根据UPS参与电力辅助服务的功能、运行模式及性能要求，建立UPS系统参与电力辅助服务收益最大化优化调度模型，实现UPS最大限度参与到调频、调压等电力辅助服务中；控制调节模块根据优化调度模块的分析计算结果，可对UPS系统及相关可控对象，例如并网侧并网开关等下发控制指令，保障UPS系统按照设定要求运行。

其中，电网侧变流器、负荷侧变流器均采用标准化、模块化双向变换AC/DC模块，便于灵活扩容且维护方便。为了提高电网侧离网运行支撑能力和ICT负荷侧不平衡控制能力，变流器模块可以采取三相四桥臂三电平拓扑结构，具备100％三相不平衡带载能力，适应性强、可靠性高。

模块化变流器可以采用单级拓扑结构，主要由双向AC/DC、交流侧LCL、交流侧主继电器及软起回路、交流侧熔断器、直流侧主继电器及软起回路、直流侧熔断器等部分组成。

模块化变流器可以采用NPC三电平技术，桥臂由I型三电平IGBT模块组成。三电平技术在减小滤波电感，降低输出纹波方面优势明显，已经成为模块化变流器的主流方案。交流主进线为三相四线制，主电路拓扑采用三相四桥臂结构，N线由第四桥臂引出。与分裂电容中点式的三相四线制相比，此拓扑不仅可以提升直压利用率，还可以减小直流滤波电容的容量，并能够有效避免不平衡负载时，零序电流过大导致的直流电容均压不可控的风险。

交流输出滤波器采用LCL滤波器。在同等滤波效果的情况下，总感值约为单电感滤波时的三分之一。因此，可以大大减小滤波支路体积。零线电感的加入可以进一步减小输出纹波。

模块化变流器同时具备交流侧软启和直流侧软启支路，并具备三相交流熔断保护和直流熔断保护。

考虑到储能型UPS中蓄电池的功能，除了实现“备电”这一基本功能外，需要考虑蓄电池在削峰填谷、参与多种辅助服务的“储能”功能需求，对其循环寿命、充放电效率、大电流充放电能力等有较高的要求。本发明提出的储能型UPS系统为适配场景需求，可以选择磷酸铁锂电池，将铅酸电池替换为锂电池能量密度高，与铅酸蓄电池和镍镉电池相比，相同的占地面积可以配置更多的储能容量，提高了系统设计的灵活性。

本发明提出的储能型UPS系统可以充分利用己有的设备，能够实现自身用电峰谷调节，同时可以通过并网变流器的控制实现对电网的调频调压、需求响应等的支撑。

当电网正常时，静态旁路开关与手动维护旁路开关断开，能量在电网侧双向变流器——蓄电池——ICT负荷侧变流器——ICT负载供电通道上流动，给ICT负载稳定可靠的供电，同时给锂电池系统充电或进行削峰填谷、AGC辅助服务等，执行储能功能。

当电网断电或异常时，电网侧双向变流器闭锁，由蓄电池通过ICT负荷侧变流器给负载供电，执行不间断供电的功能。

当UPS设备故障，静态旁路开关闭合，市电直接给负荷供电。当UPS和静态旁路开关维护或检修时，闭合手动维护旁路开关，市电通过手动维护旁路直接给负荷供电。

本发明另一方面提出一种储能型UPS参与电力辅助服务的控制方法：UPS系统可参与系统电力辅助服务，如备电、调频、调压、黑启动和负荷侧削峰填谷。UPS系统备电主要是为保证ICT负载供电的可靠性，在此基础上，因其内部储能的充放电具有一定的电力调节能力，可以在规定的时间内响应调度指令参与电力辅助服务如调频、调压和黑启动等；此外，还可以根据用电电价的峰谷差实现自身用电的削峰填谷。

一次调频指当市电频率偏离目标频率时，UPS系统内部的储能通过电网侧变流器的控制，实现惯性响应和快速频率调节，通过快速调整有功出力减少频率偏差，此过程为储能及电网侧变流器的本地响应——自发行为。

二次调频是指UPS系统通过电力系统调度系统中的自动功率控制技术，包括自动发电控制AGC、自动功率控制APC等，根据电力调度指令，依照一定的调节速率实时调整发用电功率，防止供电系统因频率变化导致的供电问题。

UPS系统参与调压即电压控制服务，也可以说无功平衡服务；UPS系统参与电压控制服务是为保障电网电压稳定，根据调度下发的无功出力、电压等指令，通过自动电压控制AVC等方式，向电网注入或吸收无功，调整了电网的无功功率分布。

UPS系统参与黑启动电力辅助服务是指系统大面积停电时，无外界电源支持情况下，UPS系统所提供的恢复系统供电的服务。

削峰填谷是指当市电电价处于峰值或较贵时，可以优先使用UPS系统向数据中心等负荷供电，参与负荷的峰谷调节。

但当系统同时需要UPS系统参与调频、调压和负荷侧峰谷调节时，为保证系统安全可靠供电，UPS系统优先参与调频、调压。

下面详细介绍储能型UPS系统参与一次调频、二次调频、调压和负荷侧峰谷调节的控制方法，如图2所示：首先向控制器中优化管理模块提供UPS系统参与电力辅助服务的能力和具体指标，所提供的信息应满足国家有关规定并符合当地供电要求，其次确定UPS参与电力辅助的品种和性能，建立以UPS系统参与电力辅助服务收益最大化为目标的优化调度模型，

目标函数为maxy＝∑ax^m,n+bk^m,n+cz+dq^m,n+ep+fg，其中

式中，x^m,n表示m台UPS系统参与第n次一次调频的考核指标，a是参与单次一次调频未达到调频要求时的考核费用；k^m,n代表m台UPS系统参与第n次二次调频的考核指标，

和

分别表示UPS系统通过参加AGC服务的考核内容，即AGC机组的调节速率、调节精度、响应时间和调节容量。b是UPS系统参与单次二次调频达到规定要求时所获得的补偿收益；z代表UPS系统并网点的电压，c是并网点电压不合格时的考核费用；q^m,n代表m台无功调节设备第n次参与调压的投运率情况，d是无功调节设备的单次参与调压投运率未达标时的考核费用；p表达当供电系统大面积停电时，UPS提供的恢复系统供电服务的情况，e是当UPS系统因自身原因未能完成恢复系统供电服务时的考核费用；g表示市电电价处于峰值或较贵时，UPS系统中的储能参与负荷侧削峰填谷的情况，f是UPS系统未达到削峰填谷要求时的考核费用，但需要注意如同时需要参与调频、调压和负荷侧削峰填谷时，优先考虑参与调频调压；y代表UPS系统参与电力辅助服务的收益。

模型的约束条件主要包括UPS系统的备电约束、UPS系统中储能系统的有功出力约束、SOC约束、UPS系统中变流器的有功功率、无功功率约束、AGC设备的可用率等；其中决策变量可是UPS系统参与电力辅助服务的有功功率和无功功率变化。

UPS参与电力辅助的具体过程：首先，控制器中的状态检测模块将检测到电网需要一次调频时，通过控制器中的控制调节模块下发指令到UPS系统，UPS为保障系统稳定供电必须参与一次调频，如不参与或未达到相关标准要求将被考核；当控制器接收到电网调度AGC指令需要二次调频时，UPS系统可积极主动参与二次调频，满足二次调频设备AGC的调节性能指标和可用率等要求，以此来获得补偿收益；通过控制器状态模块检测UPS系统并网点母线电压情况，UPS系统通过调节控制模块下发指令到AVC来调节并网点母线的电压合格率，当检测到并网点母线的电压未达到要求和规定，按照其合格率的缺额进行考核；在无功调节时还需考虑AVC或其他无功补偿装置的投运率，当控制器状态检测模块检测到AVC等装置的投运率未达到规定要求，按照其投运率的缺额来进行考核；除此之外UPS系统中的储能在市电电价峰值或较贵时，给负荷供电，实现内部的峰谷调节，未达到规定要求进行考核。然后可利用粒子群优化算法、蚁群算法、遗传算法和LINGO软件等对优化调度模型进行求解，最终确定UPS系统参与电力辅助服务的最优情况。

以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种储能型UPS系统，其特征在于：所述UPS系统采用在线双变换式结构，所述UPS系统包括：

电网侧变流器、直流母线、负荷侧变流器、静态旁路支路/检修支路和、交直流配电柜；

所述电网侧变流器能量可双向流动，并具有并网、离网双运行模式，可根据控制要求实现有功和无功功率连续可调；

所述UPS系统内部还设置有控制器，所述控制器主要包括三个功能模块，即状态检测模块、优化调度模块和控制调节模块；

所述状态检测模块用于检测UPS系统并网时的电网状态、电压及频率情况，UPS系统内变流器运行状态、UPS并网点母线电压、储能单元SOC、负荷曲线情况以及AVC无功设备的投运率情况；所述优化调度模块根据UPS系统参与电力辅助服务的功能、运行模式及性能要求，建立UPS系统参与电力辅助服务收益最大化优化调度模型，使得UPS系统最大限度参与到调频、调压的电力辅助服务中；所述控制调节模块根据优化调度模块的分析计算结果，对UPS系统及相关可控对象下发控制指令，保障UPS系统按照设定要求运行。

2.根据权利要求1所述的一种储能型UPS系统，其特征在于：

所述电网侧变流器、负荷侧变流器均采用标准化、模块化的双向变换AC/DC模块。

3.根据权利要求1所述的一种储能型UPS系统，其特征在于：

所述UPS系统还包括电池，所述电池包括锂离子电池、铅酸电池或钠离子电池。

4.根据权利要求1所述的一种储能型UPS系统，其特征在于：

所述电网侧变流器、负荷侧变流器均采用标准化、模块化双向变换AC/DC模块，所述电网侧变流器、负荷侧变流器采取三相四桥臂三电平拓扑结构，提高电网侧离网运行支撑能力和负荷侧不平衡控制能力。

5.根据权利要求1所述的一种储能型UPS系统，其特征在于：

所述电网侧变流器、负荷侧变流器采用NPC三电平技术，桥臂由I型三电平IGBT模块组成。

6.一种应用于权利要求1-5中任一项所述的一种储能型UPS系统的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)UPS系统通过状态检测模块向控制器中的优化调度模块提供UPS系统参与电力辅助服务的能力和具体指标；

2)确定UPS系统参与电力辅助的品种和性能；

3)建立以UPS系统参与电力辅助服务收益最大化为目标的优化调度模型；

4)UPS系统参与电力辅助服务；

5)对所述优化调度模型进行求解；

6)确定UPS系统参与电力辅助服务的最优情况。

7.根据权利要求6所述的一种储能型UPS系统的控制方法，其特征在于：

所述步骤3)中，所述优化调度模型的目标函数表示为：

max y＝∑ax^m,n+bk^m,n+cz+dq^m,n+ep+fg，

其中

式中，x^m,n表示m台UPS系统参与第n次一次调频的考核指标，a是参与单次一次调频未达到调频要求时的考核费用；k^m,n代表m台UPS系统参与第n次二次调频的考核指标，

和

分别表示UPS系统通过参加AGC服务的考核内容，即AGC机组的调节速率、调节精度、响应时间和调节容量，b是UPS系统参与单次二次调频达到规定要求时所获得的补偿收益；z代表UPS系统并网点的电压，c是并网点电压不合格时的考核费用；q^m,n代表m台无功调节设备第n次参与调压的投运率情况，d是无功调节设备的单次参与调压投运率未达标时的考核费用；p表达当供电系统大面积停电时，UPS提供的恢复系统供电服务的情况，e是当UPS系统因自身原因未能完成恢复系统供电服务时的考核费用；g表示市电电价处于峰值或较贵时，UPS系统中的储能参与负荷侧削峰填谷的情况，f是UPS系统未达到削峰填谷要求时的考核费用，y代表UPS系统参与电力辅助服务的收益。

8.根据权利要求6所述的一种储能型UPS系统的控制方法，其特征在于：

所述步骤4)中，所述电力辅助服务包括：

当控制器中的状态检测模块检测到电网需要一次调频时，通过控制器中的控制调节模块下发指令到UPS系统，UPS系统参与一次调频，如不参与或未达到相关标准要求将被考核；

当控制器接收到电网调度AGC指令需要二次调频时，UPS系统可积极主动参与二次调频，满足二次调频设备AGC的调节性能指标和可用率指标的要求，以此来获得补偿收益；

通过控制器的状态检测模块检测UPS系统并网点母线电压情况，UPS系统通过调节控制模块下发指令到AVC来调节并网点母线的电压合格率，当检测到并网点母线的电压未达到要求和规定，按照其合格率的缺额进行考核；

在无功调节时检测AVC或其他无功补偿装置的投运率，当控制器状态检测模块检测到AVC或其他无功补偿装置的投运率未达到规定要求，按照其投运率的缺额来进行考核；

在市电电价峰值或较贵时，UPS系统给负荷供电，实现负荷的供电峰谷调节，未达到规定进行考核。

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