CN115811072A - 风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，基于新型储能以及模块化多电平技术，直流储能系统接在直流母线之间，通过控制储能型子模块的投切，可实现对充/放电电流和直流电压的灵活控制；充分利用电池短时高倍率充电能力，在主网交流侧故障时全额吸收盈余功率，可取消传统造价高昂、保护配合复杂的卸荷耗能装置；采用本发明技术方案，能精准控制卸荷功率，避免传统卸荷电阻频繁投切时带来的功率波动问题，通过储能吸收风电盈余的功率，实现能量回收利用；本发明创新性采用新型储能系统用作暂态卸荷，可实现储能系统的多功能化，具有较高的实用价值与经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其是风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法。
背景技术
远海风电全直流汇集并网已经成为重要的技术发展方向，具有经济性和技术性两大优势，一方面可大幅降低海上平台的制造和安装成本，提升并网技术经济性，另一方面可改善海上风机与换流站的稳定性与可靠性技术性，保障并网系统乃至交流主网的安全稳定运行。
海上风电全直流组网系统中，当岸上交流电网发生故障，并网点电压的下跌会导致受端换流器的功率送出能力大幅减小，即风电的功率传输路径被阻断。若并网点电压幅值跌落过深，导致风电功率大于受端换流站的送出能力，此时盈余的风电功率会积累在直流线路。若盈余功率无法得到及时处理，直流电压会迅速上升，造成柔直换流站保护动作，从而会对整个直流系统的稳定运行产生严重影响。为了处理风电场的盈余功率吸收，目前一般有两类方案，交流卸荷或直流卸荷。交流卸荷只能安装在送端交流侧，不适合全直流海上风电场场景，一般采用直流卸荷。目前的直流卸荷装置多由耗能电阻串联开关器件组成，存在建设成本高、功能单一等缺点。
发明内容
本发明提出风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，基于新型储能以及模块化多电平技术，其直流储能系统接在直流母线之间，通过控制储能型子模块的投切，可实现对充/放电电流和直流电压的灵活控制。
本发明采用以下技术方案。
风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，用于海上风电全直流汇集送出的并网工程，所述并网工程包括直流风机、海上升压变压器、直流传输电缆、陆上换流站，其中直流风机的出口直流线路汇集到海上直流升压变压器，直流升压变压器出口以直流方式输送至陆上换流站，陆上换流站将直流电变换成交流电，实现与主网的并网，所述储能系统与工程直流系统传输电缆正极、负极的母线相连接，包括串联连接的储能型换流阀段、限流电抗器、启动电阻和直流快速开关；
所述储能型换流阀段包括N个含电池模块的储能型子模块，N为大于等于2的自然数；
储能系统通过控制储能型子模块的投切，控制储能系统的充/放电电流和直流电压；并以电池模块的短时高倍率充电工况，在主网交流侧故障时全额吸收盈余功率；
所述储能系统的参数设定方法包括以下步骤：
步骤S1、确定储能系统的暂态能够吸收的功率P储；确定所述储能型子模块的最少个数Nmin；确定电池模块电芯并联支路数M；
步骤S2、设当风电场电压u风下降到0.9UN以下后，风电机组将启动低电压穿越，此时按照以下输出无功电流：
式中：UN为风电场电压额定值；IN为额定电流；
步骤S3、根据有功电流的最大值公式：
得ilim为风电场输出最大电流；得到风电场的有功功率极限Pmax＝u风×id,max，确定储能系统暂态吸收功率P储，使P储≥Pmax；
步骤S4、根据新型储能系统的直流接入点电压U和功率单元的半导体器耐压水平U功率模块，确定所述储能型子模块的最少个数Nmin，使U功率模块×Nmin≥U；
步骤S5、根据储能系统暂态吸收功率P储和直流接入点电压U，确定储能系统暂态承受的卸荷电流I卸荷，使U×I卸荷≥P储；
步骤S6、根据电池模块的电芯规格A以及暂态充放电能力值A暂态，计算电池模块电芯并联支路数M，使M×A暂态≥I卸荷；
步骤S7、选择N＝(1+k)×Nmin，k为所述储能子模块冗余系数。
计算储能总容量C＝N×电池模块容量Ci；
其中有总容量C≥W，W为储能需要吸收的暂态盈余风能。
所述限流电抗器用于限制储能系统接入母线的合闸电流；
所述启动电阻和直流快速开关用于在不影响直流系统正常运行的情况下，使储能系统在线投入和在线退出；
所述储能型子模块包括功率单元、直流电容、旁路电路、滤波电感、电池模块和控制模块；
所述功率单元由功率半导体器件及其驱动电路组成；
所述功率单元包括交流侧和直流侧，直流侧正极依次串联旁路电路、滤波电感和电池模块到直流侧负极，所述直流电容并联在功率单元的直流侧两极，储能型子模块在功率单元所述交流侧依次串联；
储能系统通过控制储能型子模块的投切，控制储能系统的充/放电电流和直流电压；并以电池模块的短时高倍率充电工况，在主网交流侧故障时全额吸收盈余功率。
所述储能型子模块包括与直流电容和/或所述电池模块连接的取能电源，用于为其所在储能型子模块的功率单元和电池控制单元供电，取能电源的数量为一个或一个以上。
所述功率单元为功率半导体器件构成的两电平或三电平电路，采用全桥电路、半桥电路或全桥半桥混合电路。
所述旁路电路由开关和预充电电阻并联而成，所述电池模块由电池单体串并联而成。
所述在线投入是指在直流系统正常运行过程中，将储能系统投入运行；所述在线退出是指在不影响直流系统正常运行的情况下，将储能系统退出运行，并减小启动过程中对直流系统的冲击。
所述储能系统还包括储能控制模块、功率控制模块和与储能子模块通信的阀控单元；所述储能控制模块以光通信方式或电信号通信方式与功率控制模块通信；
所述储能控制模块接收来自阀控单元和/或功率控制模块的控制指令；
所述功率控制模块接收来自阀控单元和/或储能控制模块的控制指令；
在线投切中，在线投为在线投入，在线切为在线退出。
本发明能发挥储能风电出力波动的平抑、电网主动支撑、故障穿越功能的同时兼做暂态卸荷，取消传统造价高昂、保护配合复杂的卸荷耗能装置。通过储能吸收风电盈余的功率，实现储能系统的多功能化。实现能量回收利用，具有较高的实用价值与经济效益。
与现有技术相比，本发明提供了一种应用于海上风电全直流汇集送出直流动态卸荷的新型储能系统和参数设计方法，该新型储能系统基于新型储能以及模块化多电平技术，直流储能系统接在直流母线之间，通过控制储能型子模块的投切，可实现对充/放电电流和直流电压的灵活控制。
本发明能充分利用电池短时高倍率充电能力，在主网交流侧故障时全额吸收盈余功率，可取消传统造价高昂、保护配合复杂的卸荷耗能装置。
本发明技术方案，能精准控制卸荷功率，避免传统卸荷电阻频繁投切时带来的功率波动问题，通过储能吸收风电盈余的功率，实现能量回收利用。
本发明在储能应用于海上风电，发挥储能风电出力波动的平抑、电网主动支撑、故障穿越功能的同时，创新性采用新型储能系统用作暂态卸荷，实现储能系统的多功能化，具有较高的实用价值与经济效益。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的海上风电全直流汇集送出并网工程接入储能系统的示意图；
附图2是本发明所述储能系统的简要结构示意图；
附图3是本发明所述储能系统的详细结构示意图；
附图4是储能子模块基于半桥电路时的拓扑示意图；
附图5是储能子模块基于全桥电路时的拓扑示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例是基于海上风电全直流汇集送出并网系统，是基于直流汇集、直流传输的多电压等级海上风电直流并网技术。
风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，用于海上风电全直流汇集送出的并网工程，如图1所示，所述并网工程包括直流风机、海上升压变压器、直流传输电缆、陆上换流站，其中直流风机的出口直流线路汇集到海上直流升压变压器，直流升压变压器出口以直流方式输送至陆上换流站，陆上换流站将直流电变换成交流电，实现与主网的并网，所述储能系统与工程直流系统传输电缆正极、负极的母线相连接，如图2所示，包括串联连接的储能型换流阀段、限流电抗器、启动电阻和直流快速开关；
所述储能型换流阀段包括N个含电池模块的储能型子模块，N为大于等于2的自然数；
储能系统通过控制储能型子模块的投切，控制储能系统的充/放电电流和直流电压；并以电池模块的短时高倍率充电工况，在主网交流侧故障时全额吸收盈余功率；
所述储能系统的参数设定方法包括以下步骤：
步骤S1、确定储能系统的暂态能够吸收的功率P储；确定所述储能型子模块的最少个数Nmin；确定电池模块电芯并联支路数M；
步骤S2、设当风电场电压u风下降到0.9UN以下后，风电机组将启动低电压穿越，此时按照以下输出无功电流：
式中：UN为风电场电压额定值；IN为额定电流；
步骤S3、根据有功电流的最大值公式：
得ilim为风电场输出最大电流；得到风电场的有功功率极限Pmax＝u风×id,max，确定储能系统暂态吸收功率P储，使P储≥Pmax；
步骤S4、根据新型储能系统的直流接入点电压U和功率单元的半导体器耐压水平U功率模块，确定所述储能型子模块的最少个数Nmin，使U功率模块×Nmin≥U；
步骤S5、根据储能系统暂态吸收功率P储和直流接入点电压U，确定储能系统暂态承受的卸荷电流I卸荷，使U×I卸荷≥P储；
步骤S6、根据电池模块的电芯规格A以及暂态充放电能力值A暂态，计算电池模块电芯并联支路数M，使M×A暂态≥I卸荷；
步骤S7、选择N＝(1+k)×Nmin，k为所述储能子模块冗余系数。
计算储能总容量C＝N×电池模块容量Ci；
其中有总容量C≥W，W为储能需要吸收的暂态盈余风能。
所述限流电抗器用于限制储能系统接入母线的合闸电流；
所述启动电阻和直流快速开关用于在不影响直流系统正常运行的情况下，使储能系统在线投入和在线退出；
所述储能型子模块包括功率单元、直流电容、旁路电路、滤波电感、电池模块和控制模块；
所述功率单元由功率半导体器件及其驱动电路组成；
所述功率单元包括交流侧和直流侧，直流侧正极依次串联旁路电路、滤波电感和电池模块到直流侧负极，所述直流电容并联在功率单元的直流侧两极，储能型子模块在功率单元所述交流侧依次串联；
储能系统通过控制储能型子模块的投切，控制储能系统的充/放电电流和直流电压；并以电池模块的短时高倍率充电工况，在主网交流侧故障时全额吸收盈余功率。
所述储能型子模块包括与直流电容和/或所述电池模块连接的取能电源，用于为其所在储能型子模块的功率单元和电池控制单元供电，取能电源的数量为一个或一个以上。
所述功率单元为功率半导体器件构成的两电平或三电平电路，采用全桥电路、半桥电路或全桥半桥混合电路。
如图4、图5所示，所述旁路电路由开关和预充电电阻并联而成，所述电池模块由电池单体串并联而成。
所述在线投入是指在直流系统正常运行过程中，将储能系统投入运行；所述在线退出是指在不影响直流系统正常运行的情况下，将储能系统退出运行，并减小启动过程中对直流系统的冲击。
所述储能系统还包括储能控制模块、功率控制模块和与储能子模块通信的阀控单元；所述储能控制模块以光通信方式或电信号通信方式与功率控制模块通信；
所述储能控制模块接收来自阀控单元和/或功率控制模块的控制指令；
所述功率控制模块接收来自阀控单元和/或储能控制模块的控制指令；
在线投切中，在线投为在线投入，在线切为在线退出。
本例中，主网为交流主电网。
以上对本申请实施例所提供的一种应用于海上风电全直流汇集送出直流动态卸荷的新型储能系统和参数设计方法进行了详细介绍，对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；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申请各实施例的技术方案的范围。
Claims (7)
1.风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，其特征在于：
储能系统通过控制储能型子模块的投切，控制储能系统的充/放电电流和直流电压；并以电池模块的短时高倍率充电工况，在主网交流侧故障时全额吸收盈余功率；
所述储能系统的参数设定方法包括以下步骤：
步骤S1、确定储能系统的暂态能够吸收的功率P储；确定所述储能型子模块的最少个数Nmin；确定电池模块电芯并联支路数M；
步骤S2、设当风电场电压u风下降到0.9UN以下后，风电机组将启动低电压穿越，此时按照以下输出无功电流：
式中：UN为风电场电压额定值；IN为额定电流；
步骤S3、根据有功电流的最大值公式：
得ilim为风电场输出最大电流；得到风电场的有功功率极限Pmax＝u风×id,max，确定储能系统暂态吸收功率P储，使P储≥Pmax；
步骤S4、根据新型储能系统的直流接入点电压U和功率单元的半导体器耐压水平U功率模块，确定所述储能型子模块的最少个数Nmin，使U功率模块×Nmin≥U；
步骤S5、根据储能系统暂态吸收功率P储和直流接入点电压U，确定储能系统暂态承受的卸荷电流I卸荷，使U×I卸荷≥P储；
步骤S6、根据电池模块的电芯规格A以及暂态充放电能力值A暂态，计算电池模块电芯并联支路数M，使M×A暂态≥I卸荷；
步骤S7、选择N＝(1+k)×Nmin，k为所述储能子模块冗余系数。
计算储能总容量C＝N×电池模块容量Ci；
其中有总容量C≥W，W为储能需要吸收的暂态盈余风能。
2.根据权利要求1所述的风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，其特征在于：所述限流电抗器用于限制储能系统接入母线的合闸电流；所述启动电阻和直流快速开关用于在不影响直流系统正常运行的情况下，使储能系统在线投入和在线退出；
所述储能型子模块包括功率单元、直流电容、旁路电路、滤波电感、电池模块和控制模块；
所述功率单元由功率半导体器件及其驱动电路组成；
所述功率单元包括交流侧和直流侧，直流侧正极依次串联旁路电路、滤波电感和电池模块到直流侧负极，所述直流电容并联在功率单元的直流侧两极，储能型子模块在功率单元所述交流侧依次串联。
3.根据权利要求2所述的风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，其特征在于：所述储能型子模块包括与直流电容和/或所述电池模块连接的取能电源，用于为其所在储能型子模块的功率单元和电池控制单元供电，取能电源的数量为一个或一个以上。
4.根据权利要求2所述的风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，其特征在于：所述功率单元为功率半导体器件构成的两电平或三电平电路，采用全桥电路、半桥电路或全桥半桥混合电路。
5.根据权利要求2所述的风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，其特征在于：所述旁路电路由开关和预充电电阻并联而成，所述电池模块由电池单体串并联而成。
6.根据权利要求2所述的风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，其特征在于：所述在线投入是指在直流系统正常运行过程中，将储能系统投入运行；所述在线退出是指在不影响直流系统正常运行的情况下，将储能系统退出运行，并减小启动过程中对直流系统的冲击。
7.根据权利要求2所述的风电直流汇集送出直流动态卸荷储能系统的参数设计方法，其特征在于：所述储能系统还包括储能控制模块、功率控制模块和与储能子模块通信的阀控单元；所述储能控制模块以光通信方式或电信号通信方式与功率控制模块通信；
所述储能控制模块接收来自阀控单元和/或功率控制模块的控制指令；
所述功率控制模块接收来自阀控单元和/或储能控制模块的控制指令；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |