CN115498666A - 大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法及系统，方法包括：获取PCS离网稳定运行参数和电池簇信息并判断链式储能系统能否离网启动；当判定能离网启动时，由电池侧为储能变流器充电，以定交流电压、频率控制模式启动；控制储能变流器的交流电压和频率达到离网稳定运行参数，实现链式储能系统解锁运行；当链式储能系统离网稳定运行后作为离网测试电源，获取电网适应性及故障穿越能力的测试参数并进行各项测试。本发明为中压等级离网测试电源应用，一键自动离网启动，极大减少人为干预操作，确保储能系统安全、稳定运行；实现一键自动测试功能，提供复合标准要求的电网适应性及故障穿越能力测试所需的波形。

Description

大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统控制技术领域，更具体，涉及大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法及系统。
背景技术
新能源作为绿色能源在整个能源体系中的比重快速增加，而1MW及以上的大容量储能系统大规模应用可有效降低昼夜峰谷差，提升电网稳定性、灵活性和电能质量水平，促进新能源大规模接入电网，很好的解决了日益凸显的大规模新能源消纳问题。其中，大容量电池储能电站，具备建设周期短、占地面积小、布点灵活等优势，可满足调度毫秒级响应需求，实现电力辅助服务、需求侧管理等快速响应与切除，在电网中具备广泛的应用前景。
级联型储能变流器(Power Conversion System，PCS)可无需变压器直接接入中压电网而有效减少功率损耗，能够根据容量要求级联相应模块数量，单机容量大，具有多模块冗余、安全性高等优点，且级联型储能系统在PCS在低开关频率下取得较好的谐波特性，运行效率较高。
中压级联型大容量储能系统多集成在集装箱内，通过车载或船载等多种移动方式下，可以更灵活更便捷的作为风电机组等被测设备测试电源使用，主要用于向被测风电机组提供电网适应性测试及故障穿越能力所需要的电压波形，该电压的幅值、频率和波形都可根据需要进行调节并满足标准要求。现有技术“一种带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源及方法”(CN104868503B)公开一种带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源及测试方法，提供一种超级电容与锂电池联合储能、自带大功率模拟负载、三相桥逆变器和Buck/Boost变换器组合的储能逆变电源系统，应用于风电机组测试电源装置，完成风电场并网前各系统的调试工作。现有技术中仅适用于交流380V的电压等级，并且只能测试一套风电机组，而面向中压系统逆变10kV的测试电源均为非链式储能系统；并且模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的中压测试电源需要稳定的电网电压支撑，且由于测试系统中的被控设备众多，工况转变快速，增加了人工操作的难度，尤其在作为测试电源提供测试操作时，集中了大量的目标值转换、模式切换等操作，操作人员操作强度大。
现阶段工程应用较为广泛的储能系统接入方案仍为低压并联汇集升压储能接入技术，以满足储能电站容量/功率需求，即以低压储能系统为基础，在低压侧构建公共交流母线，汇集升压接入电网。但低压并联汇集技术存在电能转换效率偏低问题，在黑启动过程难以保证调度指令同时响应，易出现功率震荡问题，而大容量中压链式储能技术，单机容量可达数十兆瓦，则很好的解决了上述问题，系统转换效率较高，响应一致性较好。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法及系统，作为面向10kV等中电压等级的离网测试电源应用的控制方法，实现一套储能系统测试多个风电机组等低压负载，通过处于中压馈线位置的电压调节，模拟电网故障更真实；中压链式储能系统一键自动离网启动，极大减少人为干预操作，确保储能系统安全、稳定运行；实现一键自动测试功能，提供复合标准要求的电网适应性及故障穿越能力测试所需的波形。
本发明采用如下的技术方案。
本发明一方面提出了一种大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，包括：
步骤1，获取储能变流器离网稳定运行参数；
步骤2，获取电池管理系统中的电池簇信息；根据电池簇信息判断链式储能系统能否离网启动；当判定链式储能系统能离网启动时，进入步骤3，否则重复步骤2；
步骤3，当接收到链式储能系统离网启动指令时，由电池侧为储能变流器充电，并按照定交流电压、频率控制模式进行启动；并且控制储能变流器的交流电压和频率达到离网稳定运行参数，实现链式储能系统的解锁运行；
步骤4，当链式储能系统离网稳定运行后作为离网测试电源，获取电网适应性及故障穿越能力的测试参数并进行各项测试。
优选地，步骤1中，离网稳定运行参数包括：交流电压目标值，频率目标值。
优选地，步骤2中，电池簇信息包括：电池簇总电压，电池簇总电流，电池簇荷电状态，电池簇健康状态，电池簇最大充电功率，电池簇最大放电功率，电池簇通信状态，电池簇故障状态，电池与储能变流器功率模块的连接开关状态。
优选地，步骤3包括：
步骤3.1，根据电池簇信息判断链式储能系统是否处于就绪状态，即电池簇与储能变流器功率模块的连接开关处于闭合状态且所有电池簇电压达到启动电压，则合上所有储能变流器功率模块的预充开关，由电池簇为功率模块充电，链式储能系统从停运状态转换为直流侧预充状态；否则，重复步骤3.1；
步骤3.2，当储能变流器功率模块的电容电压满足充电完成条件时，即储能变流器功率模块电容电压达到充电完成电压，则闭合储能变流器功率模块的连接开关，链式储能系统从直流侧预充状态转换为直流侧连接状态；
步骤3.3，当储能变流器功率模块的电容电压达到充电完成电压并持续10 秒且无故障时，则开断储能变流器功率模块的预充开关，链式储能系统从直流侧连接状态转换为直流侧运行状态；
步骤3.4，当储能变流器功率模块处于直流侧运行状态10秒且无故障时，则闭合交流侧离网出线开关及交流旁路开关，链式储能系统从直流侧运行状态转换为闭锁状态；
步骤3.5，当储能变流器功率模块满足解锁条件时自动解锁，控制储能变流器的交流电压和频率达到离网稳定运行参数，链式储能系统从闭锁状态转换为解锁状态。
进一步，步骤3.5中，解锁条件包括：储能变流器功率模块就绪，交流进线开关闭合，交流侧旁路开关闭合，直流侧连接开关闭合，相控就绪，无故障跳闸，储能变流器处于闭锁状态。
优选地，步骤4中，测试参数包括：用于指示电网适应性及故障穿越能力的试验电压幅值、速率、测试时间。
各项电网适应性测试中，离网稳定运行的链式储能系统为被测设备提供测试电源，采集被测设备的实际输出值；将实际输出值与测试参数进行比对，比对结果由试验人员向监控系统下发。
优选地，控制方法还包括：
步骤5，各项测试结束后，链式储能系统保持定交流电压、频率输出。
本发明另一方面还提出了一种大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制系统，用于实现大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法。
控制系统包括多个储能链节，各储能链节之间采用链式结构进行连接；
其中，每个储能链节包括：1个储能变流器功率模块、1簇储能电池及对应的电池管理系统；1簇储能电池的输出侧连接储能变流器功率模块的直流侧，电池管理系统对储能电池进行控制。
控制系统还包括：并网开关柜，离网开关柜，启动柜；
其中，并网开关柜的一端接入母线并网点，离网开关柜的一端输出离网测试电源，并网开关柜的另一端接启动柜的一端和离网开关柜的另一端，启动柜的另一端与每相上的储能链节相连；
启动柜包括：带电阻预充回路；带电阻预充回路用于功率模块交流侧充电。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
本发明提出的基于中压链式储能系统的离网测试电源控制系统，集成了电池含电池管理系统(Battery Management System，BMS)、PCS、冷却系统、消防系统，其中，由PCS各功率模块带电池簇，后级联模式，通过设计离网回路，提供满足标准的电网适应性测试及故障穿越能力的测试电源，为被测设备模拟更真实的电网故障。通过功能复用，节省了一套测试电源的硬件成本。
本发明提出的中压链式储能系统适用于同时为多个AC10kV等中电压等级风电机组提供离网测试电源，由于直接采用中压因此模拟电网故障更真实。
本发明还提出的基于中压链式储能系统的离网测试电源控制方法，实现链式储能系统的一键离网解锁运行，极大减少人为干预操作，从根本上降低人为误操作的可能性。实现了中压链式储能系统一键解锁运行，过程无需人为干预，安全稳定；离网电源输出，一键输出预制波形；使用中压链式储能做离网测试电源应用，是一种创新应用。
本发明针对电网适应性及故障穿越功能测试，对测试电源提出更高的操作要求，满足GB/T 36994-2018标准的电网电网适应性及故障穿越能力测试所需的波形，提供了一键测试功能，输出满足设计要求的波形，提高测试电源的稳定性、准确性及易用性。
本发明提出的控制方法在电网适应性或故障穿越能力测试结束后，自动转为维持稳定的交流电压/频率输出，此过程无需人为干预，提升整个系统易用性与安全性。
附图说明
图1是本发明提出的一种大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法的流程图；
图2是本发明提出的一种大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制系统的结构图；
图3是本发明提出的一种大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制系统中PCS功率模块与电池簇连接拓扑结构图；
图4是本发明实施例中作测试电源提供测试流程图；
图2、3中的附图标记说明如下：
100-储能链节；101-1簇储能电池；102-储能变流器的功率模块；
1-并网开关柜；2-离网开关柜；3-启动柜；
QF0-第一断路器；QF1-第二断路器；QF2-第三断路器；
QE0-第一接地开关；QE1-第二接地开关；QE2-第三接地开关；
QS1-第一隔离开关；R-预充回路中的电阻；
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
本发明一方面提出了一种大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，如图1，包括：
步骤1，获取储能变流器离网稳定运行参数。
PCS离网稳压运行参数是解锁运行的必要参数，由运行操作人员由监控系统下发，详见表1。
表1 PCS离网稳压运行参数
序号 参数名称 参数描述
1 Uac_ref 交流电压目标值
2 F_ref 频率目标值
本实施例中，离网稳定运行参数包括：交流电压目标值，频率目标值。值得注意的是本领域技术人员可以根据测试场景选择不同的离网稳定运行参数，本实施例中的选择是一种非限制性的较优选择。
步骤2，获取电池管理系统中的电池簇信息；根据电池簇信息判断链式储能系统能否离网启动；当判定链式储能系统能离网启动时，进入步骤3，否则重复步骤2。
电池簇信息是判断储能系统是否具备离网启动的条件之一，由PCS与BMS 系统通讯获得，采用modbus/IEC104通讯协议。电池簇信息详见表2。
序号 参数名称 参数描述
1 BCMS_U 电池簇总电压
2 BCMS_I 电池簇总电流
3 BCMS_SOC 电池簇SOC
4 BCMS_SOH 电池簇SOH
5 BCMS_Pmax_char 电池簇最大充电功率
6 BCMS_Pmax_dischar 电池簇最大放电功率
7 BCMS_comm_status 电池簇通信状态
8 BCMS_fault_status 电池簇故障状态
9 BCMS_br_status 电池簇连接开关状态
表2 BMS系统电池簇信息
本实施例中，电池簇信息包括：电池簇总电压，电池簇总电流，电池簇荷电状态，电池簇健康状态，电池簇最大充电功率，电池簇最大放电功率，电池簇通信状态，电池簇故障状态，电池与储能变流器功率模块的连接开关状态。值得注意的是本领域技术人员可以根据测试场景选择不同的电池簇信息，本实施例中的选择是一种非限制性的较优选择。
步骤3，当接收到链式储能系统离网启动指令时，由电池侧为储能变流器充电，并按照定交流电压、频率控制模式进行启动；并且控制储能变流器的交流电压和频率达到离网稳定运行参数，实现链式储能系统的解锁运行。
具体地，步骤3包括：
步骤3.1，根据电池簇信息判断链式储能系统是否处于就绪状态，即电池簇与储能变流器功率模块的连接开关处于闭合状态且所有电池簇电压达到启动电压，则合上所有储能变流器功率模块的预充开关，由电池簇为功率模块充电，链式储能系统从停运状态转换为直流侧预充状态；否则，重复步骤3.1；
步骤3.2，当储能变流器功率模块的电容电压满足充电完成条件时，即储能变流器功率模块电容电压达到充电完成电压，则闭合储能变流器功率模块的连接开关，链式储能系统从直流侧预充状态转换为直流侧连接状态；
步骤3.3，当储能变流器功率模块的电容电压达到充电完成电压并持续10 秒且无故障时，则开断储能变流器功率模块的预充开关，链式储能系统从直流侧连接状态转换为直流侧运行状态；
步骤3.4，当储能变流器功率模块处于直流侧运行状态10秒且无故障时，则闭合交流侧离网出线开关及交流旁路开关，链式储能系统从直流侧运行状态转换为闭锁状态；
步骤3.5，当储能变流器功率模块满足解锁条件时自动解锁，控制储能变流器的交流电压和频率达到离网稳定运行参数，链式储能系统从闭锁状态转换为解锁状态。
进一步，步骤3.5中，解锁条件包括：储能变流器功率模块就绪，交流进线开关闭合，交流侧旁路开关闭合，直流侧连接开关闭合，相控就绪，无故障跳闸，储能变流器处于闭锁状态。
其中，预充开关是导通电池与功率模块连接的回路上串联的充电电阻，通过充电电阻限制充电电流，避免直充。连接开关用于旁路预充电阻，使得电池与模块直接连接。
本发明还提出的基于中压链式储能系统的离网测试电源控制方法，实现链式储能系统的一键离网解锁运行，极大减少人为干预操作，从根本上降低人为误操作的可能性。实现了中压链式储能系统一键解锁运行，过程无需人为干预，安全稳定；离网电源输出，一键输出预制波形；使用中压链式储能做离网测试电源应用，是一种创新应用。
步骤4，当链式储能系统离网稳定运行后作为离网测试电源，获取电网适应性及故障穿越能力的测试参数并进行各项测试。
电网适应性及故障穿越能力测试所需参数详见表3。
表3电网适应性及故障穿越能力测试参数
Figure BDA0003802530110000081
Figure BDA0003802530110000091
Figure BDA0003802530110000101
电网适应性测试是为被测设备提供测试电源，按需输出电压频率等所需必要参数，用于上述各项试验目标值，由试验人员由监控系统下发。
本实施例中，测试参数包括：用于指示电网适应性及故障穿越能力的试验电压幅值、速率、测试时间。值得注意的是本领域技术人员可以根据测试场景选择不同的测试参数，本实施例中的选择是一种非限制性的较优选择。
各项电网适应性测试中，离网稳定运行的链式储能系统为被测设备提供测试电源，采集被测设备的实际输出值；将实际输出值与测试参数进行比对，比对结果由试验人员向监控系统下发。
本发明针对电网适应性及故障穿越功能测试，对测试电源提出更高的操作要求，满足GB/T36994-2018标准的电网电网适应性及故障穿越能力测试所需的波形，提供了一键测试功能，输出满足设计要求的波形，提高测试电源的稳定性、准确性及易用性。
以电压连锁故障为例，收到电压联锁故障测试启动后，自动完成电压联锁试验内容，过程无需人为干涉。所述方法包含以下步骤，如附图4所示：
①收到电压联锁测试启动，将交流电压控制到输出电压起始值，并维持电压起始值持续时间。
②交流电压阶跃至输出电压第一阶跃值，并维持输出电压第一阶跃值值持续时间。
③交流电压阶跃至输出电压第二阶跃值，并维持输出电压第二阶跃值值持续时间。
④交流电压控制至输出电压终止值。
⑤按此流程完成所需测试小项。
⑥电网适应性或故障穿越能力测试结束后，自动转为维持稳定的交流电压/ 频率输出。
进一步，控制方法还包括：步骤5，各项测试结束后，链式储能系统保持定交流电压、频率输出。
本发明提出的控制方法在电网适应性或故障穿越能力测试结束后，自动转为维持稳定的交流电压/频率输出，此过程无需人为干预，提升整个系统易用性与安全性。
本发明另一方面还提出了一种大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制系统，用于实现大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法。
控制系统包括多个储能链节，如图2所示，每相上各储能链节100之间采用链式结构进行连接。
其中，如图2，每个储能链节包括：1个储能变流器的功率模块、1簇储能电池及对应的电池管理系统；如图3所示，1簇储能电池101的输出侧连接储能变流器的功率模块102的直流侧，电池管理系统对储能电池101进行控制。
其中，电池系统作为PCS稳定电压源，用于功率模块的直流侧充电，通过启动柜，离网开关柜，输出稳定的10kV交流电压/频率输出。
如图2，控制系统还包括：并网开关柜1，离网开关柜2，启动柜3；
其中，并网开关柜的一端接入10kV母线并网点，离网开关柜的一端进行 10kV离网输出，输出的是10kV离网测试电源，并网开关柜的另一端接启动柜的一端和离网开关柜的另一端，启动柜的另一端接各相上的储能链节；
并网开关柜1包括：第一断路器QF0，第一接地开关QE0；
离网开关柜2包括：第二断路器QF1，第二接地开关QE1；
启动柜3包括：第三断路器QF2，带电阻R预充回路，第一隔离开关QS1，第三接地开关QE2；
其中，带电阻预充回路，用于功率模块交流侧充电；启动柜三相出线通过电抗器与每相上的储能链节相连。
从图2可以看出，被控设备众多，工况转变快速，增加了人工操作的难度，尤其在作为测试电源提供测试操作时，集中了大量的目标值转换、模式切换等操作，操作人员操作强度大，因此本发明提出了一种储能系统作为离网测试电源应用的控制方法，启动后自动完成电网适应性及故障穿越能力电源测试全过程。
本发明提出的基于中压链式储能系统的离网测试电源控制系统，集成了电池含电池管理系统(Battery Management System，BMS)、PCS、冷却系统、消防系统，其中，由PCS各功率模块带电池簇，后级联模式，通过设计离网回路，提供满足标准的电网适应性测试及故障穿越能力的测试电源，为被测设备模拟更真实的电网故障。通过功能复用，节省了一套测试电源的硬件成本。
本发明提出的中压链式储能系统适用于同时为多个AC10kV等中电压等级风电机组提供离网测试电源，由于直接采用中压因此模拟电网故障更真实。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，其特征在于，
所述控制方法包括：
步骤1，获取储能变流器离网稳定运行参数；
步骤2，获取电池管理系统中的电池簇信息；根据电池簇信息判断链式储能系统能否离网启动；当判定链式储能系统能离网启动时，进入步骤3，否则重复步骤2；
步骤3，当接收到链式储能系统离网启动指令时，由电池侧为储能变流器充电，并按照定交流电压、频率控制模式进行启动；并且控制储能变流器的交流电压和频率达到离网稳定运行参数，实现链式储能系统的解锁运行；
步骤4，当链式储能系统离网稳定运行后作为离网测试电源，获取电网适应性及故障穿越能力的测试参数并进行各项测试。
2.根据权利要求1所述的大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，其特征在于，
步骤1中，离网稳定运行参数包括：交流电压目标值，频率目标值。
3.根据权利要求1所述的大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，其特征在于，
步骤2中，电池簇信息包括：电池簇总电压，电池簇总电流，电池簇荷电状态，电池簇健康状态，电池簇最大充电功率，电池簇最大放电功率，电池簇通信状态，电池簇故障状态，电池与储能变流器功率模块的连接开关状态。
4.根据权利要求1所述的大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，其特征在于，
步骤3包括：
步骤3.1，根据电池簇信息判断链式储能系统是否处于就绪状态，即电池簇与储能变流器功率模块的连接开关处于闭合状态且所有电池簇电压达到启动电压，则合上所有储能变流器功率模块的预充开关，由电池簇为功率模块充电，链式储能系统从停运状态转换为直流侧预充状态；否则，重复步骤3.1；
步骤3.2，当储能变流器功率模块的电容电压满足充电完成条件时，即储能变流器功率模块电容电压达到充电完成电压，则闭合储能变流器功率模块的连接开关，链式储能系统从直流侧预充状态转换为直流侧连接状态；
步骤3.3，当储能变流器功率模块的电容电压达到充电完成电压并持续10秒且无故障时，则开断储能变流器功率模块的预充开关，链式储能系统从直流侧连接状态转换为直流侧运行状态；
步骤3.4，当储能变流器功率模块处于直流侧运行状态10秒且无故障时，则闭合交流侧离网出线开关及交流旁路开关，链式储能系统从直流侧运行状态转换为闭锁状态；
步骤3.5，当储能变流器功率模块满足解锁条件时自动解锁，控制储能变流器的交流电压和频率达到离网稳定运行参数，链式储能系统从闭锁状态转换为解锁状态。
5.根据权利要求4所述的大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，其特征在于，
步骤3.5中，解锁条件包括：储能变流器功率模块就绪，交流进线开关闭合，交流侧旁路开关闭合，直流侧连接开关闭合，相控就绪，无故障跳闸，储能变流器处于闭锁状态。
6.根据权利要求1所述的大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，其特征在于，
步骤4中，测试参数包括：用于指示电网适应性及故障穿越能力的试验电压幅值、速率、测试时间。
7.根据权利要求6所述的大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，其特征在于，
各项电网适应性测试中，离网稳定运行的链式储能系统为被测设备提供测试电源，采集被测设备的实际输出值；将实际输出值与测试参数进行比对，比对结果由试验人员向监控系统下发。
8.根据权利要求7所述的大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，其特征在于，
所述控制方法还包括：
步骤5，各项测试结束后，链式储能系统保持定交流电压、频率输出。
9.大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制系统，用于实现权利要求1至8任一项所述的大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制方法，其特征在于，
所述系统包括多个储能链节，各储能链节之间采用链式结构进行连接；
其中，每个储能链节包括：1个储能变流器功率模块、1簇储能电池及对应的电池管理系统；1簇储能电池的输出侧连接储能变流器功率模块的直流侧，电池管理系统对储能电池进行控制。
10.根据权利要求9所述的大容量中压链式储能系统作离网测试电源控制系统，其特征在于，
所述系统还包括：并网开关柜，离网开关柜，启动柜；
其中，并网开关柜的一端接入母线并网点，离网开关柜的一端输出离网测试电源，并网开关柜的另一端接启动柜的一端和离网开关柜的另一端，启动柜的另一端与每相上的储能链节相连；
启动柜包括：带电阻预充回路；带电阻预充回路用于功率模块交流侧充电。
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