CN115513935A - 一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法、装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法、装置。该方法包括：获取储能系统所有子模块的故障状态，根据各相子模块数量、各相故障子模块数量、各相子模块最低数量确定系统是否具备冗余条件；若系统具备冗余条件，则旁路故障子模块，并提高各相非故障子模块的调制比；若系统不具备冗余条件，则闭锁储能系统，防止硬件损坏；子模块故障被旁路成功后，控制器存储当前旁路状态字，保证控制器断电重启或控制器切换后，依然知道故障模块处于旁路状态；控制器设置“单元旁路复位”、“单元旁路清除”两个遥控，在储能变流器停机修复故障子模块后，传动“单元旁路复位”、“单元旁路清除”两个遥控，将控制器中保存的旁路状态字清除。

Description

一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法、装置

技术领域

本申请涉及储能系统控制技术领域，特别是涉及一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法、装置。

背景技术

新能源装机容量将迎来大规模的迅速攀升，但新能源发电具有严重的随机性和波动性，一旦大规模新能源发电接入电网，其带来的频繁功率波动将导致电力系统有功出力与负荷之间动态不平衡，对电力系统的安全稳定带来严峻的挑战。

电池储能装置，响应速度快、短时功率吞吐能力强，具有双向调节和精准跟踪的能力，可在新能源发电场发挥“削峰填谷”的关键性作用，对新能源发电的功率波动进行有效控制，保障电力系统可安全稳定运行。

在储能系统中，不同类型的储能元件通过功率转换系统相连接，其中链式拓扑以其模块化的结构，较高的电压等级和等效开关频率等优点在实际应用中有着良好的应用前景。

高压级联式储能系统采用链节间串联结构，即子模块串联结构，若系统链节数留出一定裕量，每个链节配置旁路开关或旁路功率器件，系统正常运行时，根据控制需要投入需要数量的链节；系统中部分链节故障时，切除故障链节，系统冗余运行，使系统在保证装置安全的前提下，最大程度提高利用率，降低因储能系统故障导致的新能源装置离网的概率。

因此，单一链节的故障情况下的在线隔离故障链节、实现储能系统冗余控制是必须实现的关键技术。

现有技术1公开了一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制系统，提出一种基于端口电压状态判别的直挂式储能变流器冗余控制方法，系统某部分链节出现故障时，旁路故障链节，并维持交流侧输出的电压稳定与平衡，且在冗余过程中无功率缺额与短时停机，实现了无缝切换，减小系统因部分链节发生故障而停机带来的损失。其中，在步骤2中通过自主判别定位完成故障功率模块或电池组的故障状态判定与定位；步骤3-5中完成系统冗余能力以及额定功率调整需求的判定，并根据故障程度以及系统运行需求，对系统额定功率进行在线调节，完成系统冗余运行控制，实现健康运行状态以及冗余状态的无缝切换。

现有技术1的不足之处在于，其利用期望输出脉冲调制信号与功率模块端口输出电压的关系进行故障判断，未对子模块的故障状态进行锁存，储能系统未解锁而模块电池簇存在故障时，不能在解锁前获取模块故障状态，解锁投入模块后再旁路会导致不必要的波动。

本发明相较于现有技术1的改进之处在于，在解锁前综合子模块的所有故障信息，包括锁存的故障状态，避免故障子模块被误投入，导致系统波动；此外，采用故障模块数量统计方法确定系统冗余能力，较利用模块额定电压、电流及功率关系判断系统冗余能力，更为简洁明了；效果为在高压级联储能系统应用中，通过故障判别、模块冗余判断、故障模块切除、故障状态锁存环节，及时准确对故障子模块切除，避免系统不必要的波动。

现有技术2公开了一种中压直挂式储能系统及其在线冗余控制方法，系统包括并网开关G1、交流预充电阻R、交流预充旁路开关G2、输入三相电抗器L，级联子模块单元；所述子模块单元包括旁路模块、功率模块、电池簇；当系统并网，封锁所用功率模块的脉冲式，系统处于并网模式；当出现交流侧故障，或者超出冗余运行能力时，系统处于故障模式，封锁所有功率模块脉冲，断开 G1；当系统出现某一单元故障时，系统进入冗余运行模式提出的中压直挂式储能系统转换效率高，能满足大规模储能技术的快速发展需求；同时通过中压直挂式储能在线冗余模块的投入与切除，能够提高直挂式储能系统的可靠性。

现有技术2的不足之处在于，并未对故障子模块进行锁存，控制器重启或切换后，可能会重新投入故障子模块，导致不必要的控制波动；模块故障后，需封锁所有模块脉冲，清除电流后旁路故障模块再重新启动，系统切换过程长达10ms。

本发明相较于现有技术2的改进之处在于，对故障子模块状态进行锁存，保证子模块故障未清除时，不会被误投入控制系统，防止不必要的波动；子模块故障状态置位后，一个控制周期(us级)即可判定系统冗余状态，若满足冗余状态，可几个控制周期内完成旁路操作，锁定切换过程。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够有效提升高压级联储能装置利用率，避免因子模块故障意外停运的高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法、装置。

第一方面，本申请提供一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，包括：

步骤1，获取储能系统所有子模块的状态；

步骤2，一旦发现异常，则将子模块置位为故障状态；

步骤3，根据所获取的所有子模块的故障状态，判断系统是否具备冗余条件；

步骤4，若系统具备冗余条件，则对故障子模块执行旁路，若系统不具备冗余条件，则闭锁储能系统。

优选地，在步骤1中，所述子模块的状态包括子模块的电池簇状态、子模块的各个功率电子器件状态。

优选地，在步骤3中，确定系统是否具备冗余条件的方法为：

根据故障信息判断旁路开关V1是否故障，判定系统是否具备冗余条件：

若旁路开关故障，则系统不具备冗余条件；

若旁路开关未故障，则根据系统定值每一相的子模块数量N、子模块最低数量N_L及故障子模块数量M_j，判定系统是否具备冗余条件：

若三相中的每一相的子模块数量N减去相应相的故障子模块数量M_j均大于等于该相的子模块最低数量N_L，则系统具备冗余条件；

若三相中的任一相的子模块数量N减去相应相的故障子模块数量M_j小于该相的子模块最低数量N_L，则系统不具备冗余条件。

优选地，在步骤4中，若系统具备冗余条件，则在将故障子模块执行旁路的同时，提高相应相的非故障子模块的调制比。

优选地，将相应相的非故障子模块的调制比从N_L/N提高到N_L/(N-M_j)。

优选地，在步骤4中，若系统具备冗余条件，且故障子模块被旁路成功后，则将所述故障子模块的故障状态锁存。

优选地，将所述故障子模块的故障状态锁存包括：将旁路状态字保存到控制器中。

优选地，所述模块故障旁路控制方法包括：

步骤5，控制器检测是否收到“单元旁路复位”、“单元旁路清除”遥控；

步骤6，若控制器收到所述“单元旁路复位”、“单元旁路清除”遥控，则将控制器中保存的旁路状态字清除；

步骤7，储能控制器恢复子模块故障前的运行状态，包括：解除对故障子模块的旁路；恢复非故障子模块的调制比为N_L/N。

第二方面，本申请提供一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制装置，其特征在于，

所述模块故障旁路控制装置包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器以根据权利要求1至8中的任一项所述的高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法来执行计算机程序。

优选地，所述模块故障旁路控制装置包括：

子模块状态获取模块，用于获取储能系统所有子模块的状态；

逻辑判断执行模块，用于判断系统是否具备冗余条件，若系统具备冗余条件，则对故障子模块执行旁路，若系统不具备冗余条件，则闭锁储能系统；

数据存储模块，用于锁存子模块的故障状态；

遥控命令设置模块，用于接受传送的“单元旁路复位”、“单元旁路清除”遥控，以清除子模块的故障状态。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：

1)根据计算出的冗余状况来选择性地决策是否继续运行，从而在保证装置安全的前提下，最大程度保证储能装置的正常运行，提升装置的可利用率；

2)旁路部分故障子模块后，提高各相非故障子模块的调制比为原来的 N/(N-M_j)倍，从而维持储能系统输出交流电压的稳定；

3)锁存故障子模块的故障状态，保证控制器断电重启或控制器切换后，依然知道故障模块处于旁路状态；在子模块故障被修复前，故障子模块不被误投入，保证装置的最优工作状态；

4)实施高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法的模块故障旁路控制装置同样具有上述有益效果。

可以理解，上述提供一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制装置所能达到的有益效果，可以参考上述如第一方面所述的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法中的有益效果，在此不予赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为高压级联储能装置的拓扑结构图；

图2为一个实施例中的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

图1为高压级联储能装置的结构图，其中，电网的三个相线分别连接有三相链式储能桥臂，每相链式储能桥臂中均具有多个功率子模块，每个功率子模块均包括子功率模块器件和电池簇模块，并在链节端口处配置IGBT管V1，若该管导通，则该链节被旁路。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，包括步骤S110至步骤S180。

S110、获取储能装置中所有子模块的故障状态。

其中，子模块的故障状态，包括电池簇故障、功率器件故障、功率器件的触发回路故障等等，任何器件的故障或异常均置位该子模块故障状态。

S120、根据所获取的所有子模块的故障状态，判断是否有子模块故障，若无，则继续检测，系统正常运行；若有子模块故障，则转至步骤S130。

S130、根据子模块的故障状态，判断系统是否具备冗余条件。

其中，根据故障信息判断旁路开关V1是否故障，判定系统是否具备冗余条件：

若旁路开关故障，则系统不具备冗余条件；

若旁路开关未故障，则根据所获取的所有子模块状态，统计各相故障子模块数量M_j，根据系统定值各相子模块数量N、各相子模块最低数量N_L及故障子模块数量M_j，判定系统是否具备冗余条件：

若三相子模块数量N减去该相故障子模块数量M_j均大于等于各相子模块最低数量N_L，即，可以使切除故障的子模块仍继续运行，则判定系统具备冗余条件，转至S145；

若任一相子模块数量N减去该相故障子模块数量M_j小于各相子模块最低数量N_L，故障子模块被切除后，系统不能维持正常运行状态，则判定系统不具备冗余条件，转至S140。

S140、立即闭锁储能系统，防止故障范围扩大，引起外部电力系统失稳或设备损坏。

S145、将所有故障的子模块旁路IGBT管V1导通，隔离所有故障子模块。

S150、提高各相非故障子模块的调制比，从N_L/N提高到N_L/(N-M_j)，以维持储能系统输出交流电压的稳定，保证装置继续运行。

S155、锁存故障子模块的故障旁路状态，包括：将旁路状态字保存到控制器中。

S160、控制器检测是否收到“单元旁路复位”即“单元旁路清除”两个遥控命令，若是，则转至S170；若否则继续检测；

S170、清除控制器中保存的旁路状态字。

S180、储能控制器恢复子模块故障前的运行状态，并继续监测所有子模块的故障状态。

步骤S180具体包括：关断故障后重新投入子模块的旁路IGBT管，使子模块投入系统中；根据控制需要给各个子模块发调制波；撤销原各相非故障子模块的调制比为原来的N/(N-M_j)倍操作，恢复原该相非故障子模块的调制比为 N_L/N。

在一个实施例中，提供了一种控制器，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器以上述各方法实施例中的步骤来执行计算机程序。

在一个实施例中，提供了一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制装置，包括：

子模块状态获取模块，用于获取储能系统所有子模块故障状态；

逻辑判断执行模块，用于判断系统是否具备冗余条件，若系统具备冗余条件，则对故障子模块执行旁路，若系统不具备冗余条件，则闭锁储能系统；

数据存储模块，用于锁存子模块的故障状态，以防止故障子模块被再次投入；

遥控命令设置模块，用于接受传送的“单元旁路复位”、“单元旁路清除”遥控，及时清除子模块的故障状态。

优选地，“单元旁路复位”、“单元旁路清除”遥控是由运行人员给出的。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机存储器中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。

以上所述实施例仅表达了本申请的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，其特征在于，所述模块故障旁路控制方法包括：

步骤1，获取储能系统所有子模块的状态；

步骤2，一旦发现异常，则将子模块置位为故障状态；

步骤3，根据所获取的所有子模块的故障状态，判断系统是否具备冗余条件；

步骤4，若系统具备冗余条件，则对故障子模块执行旁路，若系统不具备冗余条件，则闭锁储能系统。

2.根据权利要求1所述的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，其特征在于，

在步骤1中，所述子模块的状态包括子模块的电池簇状态、子模块的各个功率电子器件状态。

3.根据权利要求1所述的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，其特征在于，

在步骤3中，确定系统是否具备冗余条件的方法为：

根据故障信息判断旁路开关V1是否故障，判定系统是否具备冗余条件：

若旁路开关故障，则系统不具备冗余条件；

若旁路开关未故障，则根据系统定值每一相的子模块数量N、子模块最低数量N_L及故障子模块数量M_j，判定系统是否具备冗余条件：

若三相中的每一相的子模块数量N减去相应相的故障子模块数量M_j均大于等于该相的子模块最低数量N_L，则系统具备冗余条件；

若三相中的任一相的子模块数量N减去相应相的故障子模块数量M_j小于该相的子模块最低数量N_L，则系统不具备冗余条件。

4.根据权利要求3所述的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，其特征在于，

在步骤4中，若系统具备冗余条件，则在将故障子模块执行旁路的同时，提高相应相的非故障子模块的调制比。

5.根据权利要求4所述的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，其特征在于，

将相应相的非故障子模块的调制比从N_L/N提高到N_L/(N-M_j)。

6.根据权利要求1所述的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，其特征在于，

在步骤4中，若系统具备冗余条件，且故障子模块被旁路成功后，则将所述故障子模块的故障状态锁存。

7.根据权利要求6所述的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，其特征在于，

将所述故障子模块的故障状态锁存包括：将旁路状态字保存到控制器中。

8.根据权利要求7所述的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法，其特征在于，

所述模块故障旁路控制方法包括：

步骤5，控制器检测是否收到“单元旁路复位”、“单元旁路清除”遥控；

步骤6，若控制器收到所述“单元旁路复位”、“单元旁路清除”遥控，则将控制器中保存的旁路状态字清除；

步骤7，储能控制器恢复子模块故障前的运行状态，包括：解除对故障子模块的旁路；恢复非故障子模块的调制比为N_L/N。

9.一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制装置，其特征在于，

所述模块故障旁路控制装置包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器以根据权利要求1至8中的任一项所述的高压级联储能系统的模块故障旁路控制方法来执行计算机程序。

10.根据权利要求9所述的一种高压级联储能系统的模块故障旁路控制装置，其特征在于，

所述模块故障旁路控制装置包括：

子模块状态获取模块，用于获取储能系统所有子模块的状态；

逻辑判断执行模块，用于判断系统是否具备冗余条件，若系统具备冗余条件，则对故障子模块执行旁路，若系统不具备冗余条件，则闭锁储能系统；

数据存储模块，用于锁存子模块的故障状态；

遥控命令设置模块，用于接受传送的“单元旁路复位”、“单元旁路清除”遥控，以清除子模块的故障状态。

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