CN115102205B - 采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置 - Google Patents

采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置 Download PDF

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Abstract

一种采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置，包括电网侧反并联晶闸管阀组、电网侧快速机械开关、储能侧反并联晶闸管阀组、储能侧快速机械开关、储能双向换流器、电池组、负荷侧电流互感器；电网侧反并联晶闸管阀组与电网侧快速机械开关并联后接在电网与负荷之间，储能双向换流器的一端与电池组连接，储能侧反并联晶闸管阀组与储能侧快速机械开关并联后接在负荷和储能双向换流器的交流端口之间，电池组接入储能双向换流器的直流端口，负荷侧电流互感器串联接入负荷侧用电回路。本发明采用晶闸管并网速度快，用快速机械开关分闸，不需要等待晶闸管电流过零关断；既可保证切换速度，又能从逻辑上避免储能装置向电网放电。

Description

采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储 能装置
技术领域
本发明涉及电化学储能技术领域，具体是一种采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置。
背景技术
迄今为止，由于电力系统缺乏有效地大量储存电能的手段，发电、输电、配电与用电必须同时完成，这就要求系统始终处于动态的平衡状态中，瞬间的不平衡就可能导致安全稳定问题。大功率逆变器的出现为储能电源和各种可再生能源与交流电网之间提供了一个理想的接口。从长远的角度看，由各种类型的电源和逆变器组成的储能系统可以直接连接在配电网中用户负荷附近，构成分布式电力系统，通过其快速响应特性，迅速吸收用户负荷的变化，从根本上解决电力系统的控制问题。
可用在电力系统中的储能电源种类繁多，比较常见的有超导储能(SMES)、电池储能(BESS)、飞轮储能、超级电容器储能、抽水储能、压缩空气储能等。在各种类型的储能电源当中，电池储能系统是一种比较适合电力系统使用的储能电源，具有技术相对成熟、容量大、安全可靠、无污染、噪声低、环境适应性强、便于安装等优点。
但是电池储能系统在实施的过程中普遍采用机械开关进行并网、离网操作，切换速度慢(几十ms)，对于芯片、汽车制造、医院等敏感负荷来说，上述切换时间已经带来显著影响和巨大的经济损失，因此，现有电池储能装置无法满足敏感、重要负荷供电可靠性要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置，包括电网侧反并联晶闸管阀组、电网侧快速机械开关、储能侧反并联晶闸管阀组、储能侧快速机械开关、储能双向换流器、电池组、负荷侧电流互感器；其中电网侧反并联晶闸管阀组与电网侧快速机械开关并联后接在电网与负荷之间，储能双向换流器的一端与电池组连接，储能侧反并联晶闸管阀组与储能侧快速机械开关并联后接在负荷和储能双向换流器的交流端口之间，电池组接入储能双向换流器的直流端口，负荷侧电流互感器串联接入负荷侧用电回路。
进一步的，电网电压正常、储能系统充电完毕时，电网侧快速机械开关闭合，电网侧反并联晶闸管阀组、储能侧反并联晶闸管阀组、储能侧快速机械开关全部关断，由电网为负荷供电，储能双向换流器运行于“闭锁模式”；
电网电压正常、储能系统充电未完成时，电网侧快速机械开关、储能侧快速机械开关闭合，电网侧反并联晶闸管阀组、储能侧反并联晶闸管阀组关断，由电网为负荷供电，且储能双向换流器运行于“充电模式”，为电池组充电，电池组充电完成后，断开储能侧快速机械开关，双向换流器进入“闭锁模式”；
储能系统充电完毕检测到电网电压中断或暂升、暂降等异常，向电网侧快速机械开关发出分闸信号，检测到负荷侧电流互感器流过电流为零后，向储能侧反并联晶闸管阀组发出触发信号，同时向储能侧快速机械开关发出合闸命令，检测到储能侧快速机械开关合闸到位后，停止储能侧反并联晶闸管阀组触发信号，储能双向换流器从“闭锁模式”切换到“放电模式”，为负荷供电；
储能系统充电过程中检测到电网电压中断或暂升、暂降等异常，向电网侧快速机械开关发出分闸信号，同时将储能双向换流器工作模式从“充电模式”切换到“闭锁模式”，检测到负荷侧电流互感器流过电流为零后，再将储能双向换流器工作模式从“闭锁模式”切换到“放电模式”，为负荷供电；
由储能双向换流器为负荷供电时，储能侧快速机械开关导通，电网侧反并联晶闸管阀组、电网侧快速机械开关、储能侧反并联晶闸管阀组全部关断；
检测到电网电压恢复正常后，向储能侧快速机械开关发出分闸信号，检测到负荷侧电流互感器流过电流为零后，向电网侧反并联晶闸管阀组发出触发信号，同时向电网侧快速机械开关发出合闸命令，检测到电网侧快速机械开关合闸到位后，停止电网侧反并联晶闸管阀组触发信号。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
1、用晶闸管并网速度快，是微秒级；
2、用快速机械开关分闸，不大于3ms，不需要等待晶闸管电流过零关断；
3、正常运行时，电流从快速机械开关流过，运行损耗几乎为零；
4、可治理电压暂升、暂降、中断等多种暂态电压质量问题，提高敏感、重要负荷的供电可靠性；
5、控制逻辑严谨，既保证了切换速度，又能够从逻辑上避免储能装置向电网放电。
附图说明
图1为本发明一种采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置的结构示意图；
图2为本发明一种典型实施案例的电气接线图；
图3为本发明中储能双向换流器的工作模式和控制逻辑图；
图4为本发明一种采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置的工作流程图。
图中：1、电网侧反并联晶闸管阀组，2、电网侧快速机械开关，3、储能侧反并联晶闸管阀组，4、储能侧快速机械开关，5、储能双向换流器，6、电池组，7、负荷侧电流互感器。
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的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，本发明实施例提供一种采用双路复合开关进行并离网快速切换的储能装置，包括电网侧反并联晶闸管阀组1、电网侧快速机械开关2、储能侧反并联晶闸管阀组3、储能侧快速机械开关4、储能双向换流器5、电池组6、负荷侧电流互感器7；其中电网侧反并联晶闸管阀组1与电网侧快速机械开关2并联后接在电网与负荷之间，储能双向换流器5的一端与电池组6连接，储能侧反并联晶闸管阀组3与储能侧快速机械开关4并联后接在负荷和储能双向换流器5交流端口之间，电池组6接入储能双向换流器5的直流端口，负荷侧电流互感器7串联接入负荷侧用电回路。
下面以一个具体应用实例进行说明：
电网额定电压380V/220V，三相四线制，50Hz，上级配电变压器1000kVA，负荷为汽车厂汽车制造厂焊接车间敏感、重要用电设备800kW，加装储能装置1MW/0.5MWh，储能装置采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换。
如图2所示，本实施例电网侧反并联晶闸管阀组1、储能侧反并联晶闸管阀组3均选用株洲中车TMTC1000-16型晶闸管模块，具有1200V阻断电压和1000A半波通流能力，采用反并联接线方式。
本实施例电网侧快速机械开关2、储能侧快速机械开关4均选用BMG-3.6D/2500型快速机械开关，额定电压3.6kV，额定电流2500A，额定短路关合电流31.5kA，分闸、合闸时间均小于3ms，机械寿命高达6000次。BMG系列高速真空旁路开关配用了永磁模块，电磁驱动的操作机构，分合闸控制信号均采用光信号，避免了机械节点带来的延时。真空灭弧室与操作机构前后布置组成统一的整体，使机构操作性能与灭弧室所需性能更吻合，减少不必要的传动环节，降低了能耗，大大降低了故障点，使性能更可靠。本开关配用小型化，系列化专用陶瓷真空断路器灭弧室，采用新型触头材料，使触头回路电阻低、耐磨损、电寿命长。同时灭弧室还具有耐压水平高，截流水平低，开断能力强，可靠性高等优点。灭弧原理：本开关配用的灭弧室具有较高真空度。断路器在正常分闸或短路开断时，动、静触头在操作机构带动下运动并在其间产生电弧，由于特殊设计，产生的纵向磁场控制电弧在触头表面均匀移动燃烧，维持较低的电弧电压，当电弧电流自然过零时，残留的离子、电子和蒸汽在电磁场作用下，很快复合或凝聚在触头表面和屏蔽罩上。灭弧室断口的绝缘强度很快恢复，从而使电弧熄灭，达到分断目的。储能过程：由外部提供电源给电源模块，再由电源模块对储能电容充电。当储能完成后，储能电容保持浮充状态。合闸动作：开关处于分闸状态，储能完成后通过远方操作使电容对合闸线圈快速放电，合闸电磁铁动铁芯被吸合，通过永磁驱动器带动传动机构，开关完成合闸动作。分闸动作：开关处于合闸状态，储能完成后通过远方操作使电容对分闸线圈快速放电，分闸电磁铁动铁芯被吸合，通过永磁驱动器带动传动机构，开关完成分闸动作。
本实施例储能双向换流器5采用基于三相桥式电压源换流器(VSC)的一级变换拓扑结构，型号PCS-400/1000，额定容量1000kVA，两电平拓扑结构，开关频率4kHZ，交流输出电压380V/50Hz，电压、电流波形畸变率小于2％，直流电压范围200V～700V，效率大于95％。储能双向换流器5可根据控制系统指令控制其有功功率输出。为实现有功功率调节功能，电池储能系统应能接收并实时跟踪执行监控系统发送的有功功率控制信号，根据并网侧电压、系统控制指令等信号自动调节有功输出，确保其最大输出功率不超过给定值。储能双向换流器5除并网运行模式外，具有孤岛运行模式，即按照设定的条件脱离主网，在容量范围内为部分负荷提供符合电网电能质量要求的电能。双向储能逆变器具有直流过压、欠压保护、过流保护、输入反接保护、交流欠压/过压保护、过载保护、过热保护、过/欠频保护、三相不平衡保护及报警、交流反相序保护和报警功能。储能双向换流器5内部包括采用可关断器件(本实施例为IGBT)及其反并联二极管、直流支撑电容器、软启动回路、输出LC滤波EMC电路、连接电抗器等。
本实施例储能双向换流器5控制策略如图3所示，采用基于同步旋转坐标系的PI控制策略，其中Ua、Ub、Uc为储能双向换流器5并网点电压采样信号，Ia、Ib、Ic为储能双向换流器5交流输出侧电流采样信号，上述信号经过abc/dq变换得到的电压、电流信号Ud、Uq、Id、Iq在稳态模式下都是直流量，便于控制，Udc为储能双向换流器5直流端口电压，L为储能双向换流器5并联连接电抗器的电感值。储能双向换流器5在充电模式下，直流电压目标值有效，为U* dc；在放电模式下，交流电压目标值有效，为U* sm(对应于交流相电压的峰值，如380/220V系统，本处目标值应为√2*380/√3＝310V)。
abc\dq为三相静止坐标系向dq旋转坐标系的坐标变换计算，如式(1)所示，dq\abc为dq旋转坐标系向三相静止坐标系的坐标变换计算，如式(2)所示，θ为节点(1)电压的相位，单位为角度。
功能选择开关K1的1端接入比例积分计算器PI1的输出端，2端接入比例积分计算器PI2的输出端，3端接入加法器S1的输入“+”输入端。功能选择开关K2的1端接入比例积分计算器PI3的输出端，2端接入常数(本实例为0)，3端接入加法器S2的输入“+”输入端。功能选择K3串联接入PWM信号调制单元输出端口与储能双向换流器功率器件V1～V6的控制端口之间。
储能双向换流器5充电模式下，控制回路的选择开关K1、K2切换至“充电模式”，控制开关K3闭合，直流电压测量值Udc与直流电压参考值U*dc的差值进行比例积分(PI1)计算，输出值作为内环解耦控制环节d轴电流目标值i*d，将内环解耦控制环节q轴电流目标值i*q直接设置为0。内环解耦控制环节输出的d轴电压目标值u*d、q轴电压目标值u*q进入dq/abc反变换环节，输出的三相电压目标值U*a、U*b、U*c经PWM调制后输出PWM触发信号至功率器件。
储能双向换流器5放电模式下，控制回路的选择开关K1、K2切换至“放电模式”，控制开关K3闭合，d轴电压测量值Ud与d轴电压目标值U*sm的差值进行比例积分(PI2)计算，输出值作为内环解耦控制环节d轴电流目标值i*d，q轴电压测量值Uq与q轴电压目标值0的差值进行比例积分(PI3)计算，输出值作为内环解耦控制环节q轴电流目标值i*q。内环解耦控制环节输出的d轴电压目标值u*d、q轴电压目标值u*q进入dq/abc反变换环节，输出的三相电压目标值U*a、U*b、U*c经PWM调制后输出PWM触发信号至功率器件。
储能双向换流器5闭锁模式下，控制开关K3断开，无论选择开关K1、K2处于“充电模式”还是“放电模式”，控制回路不再输出PWM触发信号。
本实施例电池组6采用磷酸铁锂电池，采用1P100S×10组合，总容量1MW/0.5MWh，与储能双向换流器5采用电缆连接。
本实施例负荷侧电流互感器7选用BH0.66-40I 1000/5型电流互感器，额定变比1000/5A，每相1台，串联接入负荷侧供电回路，输出信号接至储能控制系统。
电网电压正常时、储能系统充电完毕时，电网侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关2合闸，电网侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组1、储能侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组3、储能侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关4全部断开，由电网为负荷供电，PCS-400/1000型储能双向换流器5运行于“闭锁模式”；
电网电压正常时、储能系统充电未完成时，电网侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关2、储能侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关4导通，电网侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组1、储能侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组3关断，由电网为负荷供电，且PCS-400/1000型储能双向换流器5运行于“充电模式”，为磷酸铁锂电池组6充电。磷酸铁锂电池组6充电完成后，断开储能侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关4，PCS-400/1000型储能双向换流器5进入“闭锁模式”。
磷酸铁锂电池组6充电完毕后检测到电网电压中断或暂升、暂降等异常，向电网侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关2发出分闸信号，检测到负荷侧BH0.66-40I 1000/5型电流互感器7流过电流为零后，向储能侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组3发出触发信号，同时向储能侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关4发出合闸命令，检测到储能侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关4合闸到位后，停止储能侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组3触发信号。PCS-400/1000型储能双向换流器5从“闭锁模式”切换到“放电模式”，为负荷供电。
磷酸铁锂电池组6充电过程中检测到电网电压中断或暂升、暂降等异常，向电网侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关2发出分闸信号，同时将PCS-400/1000型储能双向换流器5工作模式从“充电模式”切换到“闭锁模式”，检测到负荷侧BH0.66-40I 1000/5型电流互感器7流过电流为零后，再将PCS-400/1000型储能双向换流器5工作模式从“闭锁模式”切换到“放电模式”，为负荷供电。
由PCS-400/1000型储能双向换流器5为负荷供电时，储能侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关4合闸，电网侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组1、电网侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关2、储能侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组3全部关断。
检测到电网电压恢复正常后，向储能侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关4发出分闸信号，检测到负荷侧BH0.66-40I 1000/5型电流互感器7流过电流为零后，向电网侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组1发出触发信号，同时向电网侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关2发出合闸命令，检测到电网侧BMG-3.6D/2500型快速机械开关2合闸到位后，停止电网侧反并联晶闸管TMTC1000-16阀组1触发信号。PCS-400/1000型储能双向换流器5从“放电模式”切换到“闭锁模式”，停止为负荷供电。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置，其特征在于：包括电网侧反并联晶闸管阀组（1）、电网侧快速机械开关（2）、储能侧反并联晶闸管阀组（3）、储能侧快速机械开关（4）、储能双向换流器（5）、电池组（6）、负荷侧电流互感器（7）；其中电网侧反并联晶闸管阀组（1）与电网侧快速机械开关（2）并联后接在电网与负荷之间，储能双向换流器（5）的一端与电池组（6）连接，储能侧反并联晶闸管阀组（3）与储能侧快速机械开关（4）并联后接在负荷和储能双向换流器（5）的交流端口之间，电池组（6）接入储能双向换流器（5）的直流端口，负荷侧电流互感器（7）串联接入负荷侧用电回路；
储能系统充电过程中检测到电网电压中断或暂升、暂降等异常，向电网侧快速机械开关（2）发出分闸信号，同时将储能双向换流器（5）工作模式从“充电模式”切换到“闭锁模式”，检测到负荷侧电流互感器（7）流过电流为零后，再将储能双向换流器（5）工作模式从“闭锁模式”切换到“放电模式”，为负荷供电；
由储能双向换流器（5）为负荷供电时，储能侧快速机械开关（4）导通，电网侧反并联晶闸管阀组（1）、电网侧快速机械开关（2）、储能侧反并联晶闸管阀组（3）全部关断；
检测到电网电压恢复正常后，向储能侧快速机械开关（4）发出分闸信号，检测到负荷侧电流互感器（7）流过电流为零后，向电网侧反并联晶闸管阀组（1）发出触发信号，同时向电网侧快速机械开关（2）发出合闸命令，检测到电网侧快速机械开关（2）合闸到位后，停止电网侧反并联晶闸管阀组（1）触发信号。
2.根据权利要求1所述的一种采用反并联晶闸管和快速机械开关进行并离网快速切换的储能装置，其特征在于：
电网电压正常、储能系统充电完毕时，电网侧快速机械开关（2）闭合，电网侧反并联晶闸管阀组（1）、储能侧反并联晶闸管阀组（3）、储能侧快速机械开关（4）全部关断，由电网为负荷供电，储能双向换流器（5）运行于“闭锁模式”；
电网电压正常、储能系统充电未完成时，电网侧快速机械开关（2）、储能侧快速机械开关（4）闭合，电网侧反并联晶闸管阀组（1）、储能侧反并联晶闸管阀组（3）关断，由电网为负荷供电，且储能双向换流器（5）运行于“充电模式”，为电池组（6）充电，电池组（6）充电完成后，断开储能侧快速机械开关（4），双向换流器（5）进入“闭锁模式”；
储能系统充电完毕检测到电网电压中断或暂升、暂降等异常，向电网侧快速机械开关（2）发出分闸信号，检测到负荷侧电流互感器（7）流过电流为零后，向储能侧反并联晶闸管阀组（3）发出触发信号，同时向储能侧快速机械开关（4）发出合闸命令，检测到储能侧快速机械开关（4）合闸到位后，停止储能侧反并联晶闸管阀组（3）触发信号，储能双向换流器（5）从“闭锁模式”切换到“放电模式”，为负荷供电。
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