CN115276246A - 一种链式储能系统及启动控制方法 - Google Patents

一种链式储能系统及启动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种链式储能系统及启动控制方法，所述系统包括交流断路器以及相单元，所述交流断路器与交流电网连接，所述相单元与交流断路器连接，其中，所述相单元包括均为多个的功率模块、防护模块以及电池组，多个电池组分别与多个防护模块连接，多个功率模块分别与多个防护模块连接，其中，多个功率模块级联；所述电池组包括一个或多个电池簇，所述电池簇与防护模块连接。本发明可大幅简化系统启动流程，节省成本、提高系统可靠性。

Description

一种链式储能系统及启动控制方法
技术领域
本发明属于链式储能系统技术领域，特别涉及一种链式储能系统及启动控制方法。
背景技术
随着双碳目标的推进和构建以新能源为主体的新型电力系统，储能设备以其调峰、调频方面的优势，不仅可以解决新能源发电不稳定带来的电力系统问题，还能有效提高发电效率和供需平衡，成为能源领域的重要支撑技术。
其中，高压直挂链式储能拓扑方案可省去并网变压器，同时以其并网谐波小、消耗低等优势逐步成为大容量储能的发展趋势。常规方案中，该系统一般通过交/直流侧预充电路充电的方式完成启动并网，其过程繁琐，系统可靠性低。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种链式储能系统，所述系统包括交流断路器以及相单元，所述交流断路器与交流电网连接，所述相单元与交流断路器连接，其中，
所述相单元包括均为多个的功率模块、防护模块以及电池组，多个功率模块级联；其中，多个电池组分别与多个防护模块连接，多个防护模块分别与多个功率模块连接；
所述电池组包括一个或多个电池簇，所述电池簇与对应防护模块连接。
进一步地，所述防护模块包括第一防护支路以及第二防护支路，其中，
所述第一防护支路以及第二防护支路均包括串联的直流接触器KM1和熔断器FU1；
所述直流接触器KM1的一端与功率模块连接，所述熔断器FU1的一端与电池组连接。
进一步地，所述电池簇包括预充支路以及储能支路，其中，
所述预充支路的一端与储能支路的一端连接；
所述预充支路的另一端与第一防护支路中的熔断器FU1一端连接；所述储能支路的另一端与第二防护支路中的熔断器FU1一端连接。
进一步地，所述预充支路包括直流接触器KM2、直流接触器KM3以及预充电阻R1，其中，
所述直流接触器KM2的一端与预充电阻R1的一端连接；
所述直流接触器KM3的一端与直流接触器KM2的另一端连接，直流接触器KM3的另一端与预充电阻R1的另一端连接；
所述直流接触器KM3的一端还与第一防护支路中的熔断器FU1一端连接，直流接触器KM3的另一端还与储能支路的一端连接。
进一步地，所述储能支路包括电池、熔断器FU2、熔断器FU3以及断路器S1，其中，
所述熔断器FU2的一端与直流接触器KM3的另一端连接，熔断器FU2的另一端与电池的正极连接；
所述熔断器FU3的一端与电池的负极连接，熔断器FU3的另一端与断路器S1的一端连接；
所述断路器S1的另一端与第二防护支路中的熔断器FU1一端连接。
进一步地，所述功率模块为全桥结构。
进一步地，所述功率模块包括并联的第一半桥、第二半桥以及电容器C1，其中，
所述第一半桥的第一上桥臂和第一下桥臂上，以及第二半桥的第二上桥臂和第二下桥臂上，均设有全控开关模块。
进一步地，所述全控开关模块包括全控型器件T1以及二极管D1，其中，
所述二极管D1的阳极连接在全控型器件T1的阴极，二极管D1的阴极连接在全控型器件T1的阳极；
所述第一上桥臂的全控型器件T1阴极与第一下桥臂的全控型器件T1阳极连接；
所述第二上桥臂的全控型器件T1阴极与第二下桥臂的全控型器件T1阳极连接；
所述第一上桥臂的全控型器件T1阳极与第二上桥臂的全控型器件T1阳极连接，所述第一下桥臂的全控型器件T1阴极与第二下桥臂的全控型器件T1阴极连接。
另一方面，本发明还提供一种链式储能系统的启动控制方法，其中，所述系统为上述所述的系统，所述方法包括：
当接收到系统启动指令后，若系统自检无故障，则闭合所有防护模块；
在所有防护模块后均闭合状态下，采用电池簇接入方法，完成每个电池簇的接入；
在所有电池簇的接入过程完成后，闭合交流断路器，并启动功率模块调制策略，以使系统完成启动；
其中，所述电池簇接入方法包括：
闭合电池簇内的直流接触器KM2，通过电池簇内的预充电阻R1为对应功率模块的电容器C1充电；
当电容器C1电压稳定至电池簇的总直流电压后，闭合电池簇内，用于使预充电阻R1旁路的直流接触器KM3，以完成电池簇的接入。
进一步地，在电池簇接入过程中，若检测到短路或充电异常等故障，则立刻跳开电池簇内的断路器。
进一步地，
所述功率模块内的预充电容充电能量小于电池簇的能量。
进一步地，在闭合交流断路器后，系统有功和无功指令均为0。
本发明提供的一种链式储能系统及启动控制方法，可大幅简化系统启动流程，节省成本、提高系统可靠性，且通过电池簇内并簇用预充支路，实现功率模块内部的电容器的充电，可省去常规技术中电池总直流端口和交流并网点的预充电路。
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中常规的链式储能系统的电路拓扑图。
图2示出了根据本发明实施例的链式储能系统中功率模块与电池组连接的电路拓扑图。
图3示出了根据本发明实施例的功率模块的电路拓扑图。
图4示出了根据本发明实施例的链式储能方法的流程图。
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所示的，本发明提供一种链式储能系统，该系统能使用于并网及离网启动两种模式。
具体的，所述系统包括交流断路器以及相单元，所述交流断路器与交流电网（交流电网有A、B、C三相线路）连接，所述相单元与交流断路器连接。
本发明中，相单元有三个，交流断路器有三个（分别为交流断路器A、B和C），每个相单元的一端通过电感与交流断路器连接，交流断路器连接到交流电网地对应相线路上（例如三个相单元中，一个相单元通过电感LA与交流断路器A连接，交流断路器A与A相线路连接；一个相单元通过电感LB与交流断路器B连接，交流断路器B与B相线路连接；一个相单元通过电感LC与交流断路器C连接，交流断路器C与C相线路连接），每个相单元的另一端相互连接。
所述相单元包括均为多个的功率模块、防护模块以及电池组，多个电池组分别与多个防护模块连接，多个功率模块分别与多个防护模块连接，其中：
每个相单元中的多个功率模块级联（例如通过电感LA与交流断路器A连接的相单元包括功率模块A1～An,功率模块A1～An级联；通过电感LB与交流断路器B连接的相单元包括功率模块B1～Bn,功率模块B1～Bn级联；通过电感LC与交流断路器C连接的相单元包括功率模块C1～Cn,功率模块C1～Cn级联）。
图1中，每个相单元首端的功率模块还与对应电感连接（例如功率模块A1还与对应的电感LA连接；功率模块B1还与对应的电感LB连接；功率模块C1还与对应的电感LC连），三个相单元尾端的功率模块还相互连接（例如功率模块An、功率模块Bn以及功率模块Cn还相互连接）。
图1中，每个功率模块均通过防护模块连接有电池组，示例性的，例如功率模块A1通过防护模块与电池组A1连接、功率模块A2通过防护模块与电池组A2连接…功率模块An通过防护模块与电池组An连接；功率模块B1通过防护模块与电池组B1连接、功率模块B2通过防护模块与电池组B2连接…功率模块Bn通过防护模块与电池组Bn连接；功率模块C1通过防护模块与电池组C1连接、功率模块C2通过防护模块与电池组C2连接…功率模块Cn通过防护模块与电池组Cn连接。
如图2所示的，所述电池组包括一个或多个电池簇，电池簇具体数量与系统有功需求量有关，在电池簇的数量为多个时（例如电池簇1、电池簇2…电池簇N），多个所述电池簇并簇后与防护模块连接。
在本发明的实施例中，所述防护模块包括第一防护支路以及第二防护支路，其中，所述第一防护支路以及第二防护支路均包括串联的直流接触器KM1和熔断器FU1；其中，所述第一防护支路的直流接触器KM1的一端通过滤波电路P与功率模块连接，第二防护支路的直流接触器KM1的一端与功率模块连接，所述熔断器FU1的一端与电池组连接。
在本发明的实施例中，所述电池簇包括预充支路以及储能支路，其中，所述预充支路的一端与储能支路的一端连接；所述预充支路的另一端与第一防护支路中的熔断器FU1一端连接；所述储能支路的另一端与第二防护支路中的熔断器FU1一端连接。
在本发明的实施例中，所述预充支路包括直流接触器KM2、直流接触器KM3以及预充电阻R1，其中，所述直流接触器KM2的一端与预充电阻R1的一端连接；所述直流接触器KM3的一端与直流接触器KM2的另一端连接，直流接触器KM3的另一端与预充电阻R1的另一端连接；所述直流接触器KM3的一端还与第一防护支路中的熔断器FU1一端连接，直流接触器KM3的另一端还与储能支路的一端连接。
在本发明的实施例中，所述储能支路包括电池、熔断器FU2、熔断器FU3以及断路器S1，其中，所述熔断器FU2的一端与直流接触器KM3的另一端连接，熔断器FU2的另一端与电池的正极连接；所述熔断器FU3的一端与电池的负极连接，熔断器FU3的另一端与断路器S1的一端连接；所述断路器S1的另一端与第二防护支路中的熔断器FU1一端连接。
如图2所示的，当电池簇有多个时，每个电池簇中的断路器S1的另一端均与第二防护支路中的熔断器FU1一端连接，每个电池簇中的直流接触器KM3的一端均还与第一防护支路中的熔断器FU1一端连接。
在本发明的实施例中，所述功率模块为全桥结构，功率模块的内部主要包含电力电子开关器件以及支撑电容器，具体的，所述功率模块包括并联的第一半桥、第二半桥以及电容器C1，其中，所述第一半桥的第一上桥臂和第一下桥臂上，以及第二半桥的第二上桥臂和第二下桥臂上，均设有全控开关模块。
在本实施例中，所述电容器C1与对应防护模块连接，其连接的方式具体为：电容器C1的一端连接在滤波电路P上，电容器C1的另一端连接在第二防护支路的直流接触器KM1的一端，滤波电路P用于抑制对应电池簇（例如电池簇1）的电池的电流谐波，滤波电路P可以为电感、谐振电路等。
另外，在本发明的实施例中，由于多个功率模块级联，因此，第一半桥的中点与第二半桥的中点形成功率模块的级联端，即功率模块A1的第一半桥的中点与电感LA连接，功率模块A1的第二半桥的中点与功率模块A2的第一半桥的中点连接，功率模块A2的第二半桥的中点与下一个功率模块的第一半桥的中点连接…功率模块An的第二半桥的中点、功率模块Bn的第二半桥的中点以及功率模块C的第二半桥的中点相互连接。
在本发明的实施例中，如图3所示的，所述全控开关模块包括全控型器件T1以及二极管D1，其中，所述二极管D1的阳极连接在全控型器件T1的阴极，二极管D1的阴极连接在全控型器件T1的阳极；所述第一上桥臂的全控型器件T1阴极与第一下桥臂的全控型器件T1阳极连接，所述第二上桥臂的全控型器件T1阴极与第二下桥臂的全控型器件T1阳极连接；所述第一上桥臂的全控型器件T1阳极与第二上桥臂的全控型器件T1阳极连接，所述第一下桥臂的全控型器件T1阴极与第二下桥臂的全控型器件T1阴极连接。
在本发明的实施例中，全控型器件T1包括但不限于为IGBT（Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）、IGCT（Integrated Gate-CommutatedThyristor，集成门极换流晶闸管）等电力电子开关。电容器C1的两端分别连接在对应的直流接触器KM1一端。
另一方面，基于上述的系统，本发明还提供一种链式储能系统的启动控制方法，如图4所示的，所述方法包括：
开始，且接收到系统启动指令后，若系统自检无故障，则闭合所有开关单元（防护模块），若有故障，则直接结束本发明实施例的链式储能系统的启动控制；
在所有防护模块后均闭合状态下，采用电池簇接入方法，完成每个电池簇的接入；
在所有电池簇的接入过程完成后，闭合并入交流电网的交流断路器，设系统有功和无功指令均为0（即图4中，将有功、无功指令设为0）；启动功率模块调制策略（PWM开关调制策略），以使系统完成启动（即储能变流器空载启动），从而结束本发明实施例的链式储能系统的启动控制。
在本发明的实施例中，以电池簇1为例进行示例性的说明，所述电池簇接1入方法包括：
闭合电池簇1内的预充接触器（即图2中的直流接触器KM2），通过电池簇内的预充电阻R1为对应功率模块的电容器C1充电，此时电容器C1电压能由0V上升至电池簇的总直流电压，直至电压稳定（即当图3中电容器C1电压稳定至电池簇1的总直流电压），闭合预充电阻旁路接触器（即闭合图2中，电池簇1内，用于使预充电阻R1旁路的直流接触器KM3），以完成电池簇1的接入。在电池簇1接入完成后，顺控逐级完成N簇电池簇的并联接入操作。
其中，在电池簇（例如电池簇1）接入过程中，若检测到短路或充电异常等故障，则立刻跳开电池簇内的断路器（例如图2中的断路器S1）。需要说明的是，不同电池簇的能量是一致的，所述功率模块内的支撑电容（图3中的电容器C1）充电能量远小于单个电池簇的能量，因此该充电过程电池总电压不受影响。
本发明利用电池簇内固有的并簇用的预充支路，通过调整预充电阻的参数，将其应用于对应功率模块的启动过程，可省去常规技术中电池总端口和交流并网点的预充电路（例如图1中的交流侧预充电路），可大幅简化系统启动流程，节省成本、提高系统可靠性。可广泛应用于“新能源+储能”、“常规火电+储能”、智能微电网等应用场景。
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 (12)

1.一种链式储能系统，所述系统包括交流断路器以及相单元，所述交流断路器与交流电网连接，所述相单元与交流断路器连接，其中，
所述相单元包括均为多个的功率模块、防护模块以及电池组，多个功率模块级联；其中，多个电池组分别与多个防护模块连接，多个防护模块分别与多个功率模块连接；
所述电池组包括一个或多个电池簇，所述电池簇与对应防护模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种链式储能系统，其中，所述防护模块包括第一防护支路以及第二防护支路，其中，
所述第一防护支路以及第二防护支路均包括串联的直流接触器KM1和熔断器FU1；
所述直流接触器KM1的一端与功率模块连接，所述熔断器FU1的一端与电池组连接。
3.根据权利要求2所述的一种链式储能系统，其中，所述电池簇包括预充支路以及储能支路，其中，
所述预充支路的一端与储能支路的一端连接；
所述预充支路的另一端与第一防护支路中的熔断器FU1一端连接；所述储能支路的另一端与第二防护支路中的熔断器FU1一端连接。
4.根据权利要求3所述的一种链式储能系统，其中，所述预充支路包括直流接触器KM2、直流接触器KM3以及预充电阻R1，其中，
所述直流接触器KM2的一端与预充电阻R1的一端连接；
所述直流接触器KM3的一端与直流接触器KM2的另一端连接，直流接触器KM3的另一端与预充电阻R1的另一端连接；
所述直流接触器KM3的一端还与第一防护支路中的熔断器FU1一端连接，直流接触器KM3的另一端还与储能支路的一端连接。
5.根据权利要求4所述的一种链式储能系统，其中，所述储能支路包括电池、熔断器FU2、熔断器FU3以及断路器S1，其中，
所述熔断器FU2的一端与直流接触器KM3的另一端连接，熔断器FU2的另一端与电池的正极连接；
所述熔断器FU3的一端与电池的负极连接，熔断器FU3的另一端与断路器S1的一端连接；
所述断路器S1的另一端与第二防护支路中的熔断器FU1一端连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种链式储能系统，其中，所述功率模块为全桥结构。
7.根据权利要求6所述的一种链式储能系统，其中，所述功率模块包括并联的第一半桥、第二半桥以及电容器C1，其中，
所述第一半桥的第一上桥臂和第一下桥臂上，以及第二半桥的第二上桥臂和第二下桥臂上，均设有全控开关模块。
8.根据权利要求7所述的一种链式储能系统，其中，所述全控开关模块包括全控型器件T1以及二极管D1，其中，
所述二极管D1的阳极连接在全控型器件T1的阴极，二极管D1的阴极连接在全控型器件T1的阳极；
所述第一上桥臂的全控型器件T1阴极与第一下桥臂的全控型器件T1阳极连接；
所述第二上桥臂的全控型器件T1阴极与第二下桥臂的全控型器件T1阳极连接；
所述第一上桥臂的全控型器件T1阳极与第二上桥臂的全控型器件T1阳极连接，所述第一下桥臂的全控型器件T1阴极与第二下桥臂的全控型器件T1阴极连接。
9.一种链式储能系统的启动控制方法，其中，所述系统为如权利要求1-8任一项所述的系统，所述方法包括：
当接收到系统启动指令后，若系统自检无故障，则闭合所有防护模块；
在所有防护模块后均闭合状态下，采用电池簇接入方法，完成每个电池簇的接入；
在所有电池簇的接入过程完成后，闭合交流断路器，并启动功率模块调制策略，以使系统完成启动；
其中，所述电池簇接入方法包括：
闭合电池簇内的直流接触器KM2，通过电池簇内的预充电阻R1为对应功率模块的电容器C1充电；
当电容器C1电压稳定至电池簇的总直流电压后，闭合电池簇内，用于使预充电阻R1旁路的直流接触器KM3，以完成电池簇的接入。
10.根据权利要求9所述的一种链式储能系统的启动控制方法，其中，在电池簇接入过程中，若检测到短路或充电异常等故障，则立刻跳开电池簇内的断路器。
11.根据权利要求9所述的一种链式储能系统的启动控制方法，其中，
所述功率模块内的预充电容充电能量小于电池簇的能量。
12.根据权利要求9所述的一种链式储能系统的启动控制方法，其中，在闭合交流断路器后，系统有功和无功指令均为0。
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