CN119420017A - 一种含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统 - Google Patents

一种含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，涉及供电系统的技术领域，包括：交流母线、系统电源、储能装置、柴油发电机、重要负载和不重要负载；系统电源包含常用电源和备用电源，分别通过开关连接至交流母线；储能装置由混合储能系统、三相逆变器、滤波单元和储能开关组成，连接至交流母线；柴油发电机通过并网开关接入母线；负载分为重要负载和不重要负载，系统具备常用电源‑储能并联、备用电源‑储能并联、储能供电、柴油发电机‑储能并联四种可切换状态，以确保电力稳定供应。

Description

一种含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统
技术领域
本发明涉及供电系统的技术领域，具体而言，涉及一种含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统。
背景技术
随着电力系统和用电设备的广泛应用，供电连续性和稳定性在许多重要场景(如数据中心、医院、工业控制等)中具有重要的意义。特别是在电网供电失效的情况下，能够及时切换至应急电源，保障重要负载的持续运行，是现代供电系统的关键要求。为此，传统的供电系统通常采用单一的备用电源(如柴油发电机)或储能装置来满足紧急供电需求。
现有技术具有以下缺陷：
单一应急电源易受负载波动影响：传统的应急供电系统大多采用柴油发电机作为主要备用电源，但柴油发电机启动和调整功率的速度相对较慢，无法迅速响应突发的负载变化，容易造成供电不足或过载。
储能装置的瞬时供电能力有限：单独的储能装置(如锂电池)虽然可以在短时间内承担负载供电，但频繁的高功率充放电会加速电池老化，缩短使用寿命。而超级电容虽有快速响应能力，但储能容量小，难以提供长期的电力支撑。
切换过程中的电流冲击大：在常用电源和备用电源之间切换时，由于电压幅值和相角的不同，容易出现较大的冲击电流，给电网和负载带来瞬间冲击，可能会影响设备的安全和稳定性。
缺乏灵活的控制策略：现有应急电源系统在并网或孤网运行模式之间缺乏高效的切换控制，容易导致系统供电的不连续或不稳定，无法灵活应对不同的供电状态。
因此，为克服现有技术中的上述缺陷，有必要设计一种含有混合储能装置和柴油发电机的双重应急电源供电系统，能够有效实现快速响应、无缝切换、减少电流冲击、延长电池寿命，并确保在电网故障或电源切换过程中对重要负载的持续供电。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种包含混合储能装置和柴油发电机的双重应急电源供电系统，以确保在常用电源失效时对重要负载的连续、稳定供电。
本发明的技术方案是：提供了一种含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，该供电系统包括：交流母线、系统电源、储能装置、柴油发电机、重要负载和不重要负载；
系统电源包括：常用电源、备用电源、常用电源开关和备用电源开关；常用电源和备用电源均为电网电源，两者分别通过常用电源开关和备用电源开关连接至交流母线；
储能装置包括：混合储能系统、三相逆变器、滤波单元和储能开关；混合储能系统依次经过三相逆变器、滤波单元和储能开关连接到交流母线；
柴油发电机包括：柴油发电机组和柴油发电机并网开关；柴油发电机组通过柴油发电机并网开关接入交流母线；
供电系统还包括：重要负载开关和不重要负载开关；重要负载通过重要负载开关接入交流母线，不重要负载通过不重要负载开关接入交流母线；
供电系统有四种可以切换的工作状态：常用电源-储能并联工作状态、备用电源-储能并联工作状态，储能供电工作状态，柴油发电机-储能并联工作状态；其中储能供电工作状态为过渡状态，当各电源的故障情况满足相应条件，其他三种状态会互相切换，在状态切换过程中均会有一定时间处于储能供电工作状态，储能装置提供短暂电力支持；
所述混合储能系统包括锂电池和超级电容，超级电容承担负载的高频功率部分，锂电池承担负载的低频功率部分，两者建立的能量分配策略为：
为了控制锂电池提供负载功率的低频部分，对直流侧电流给定值idc_ref进行低通滤波，得到锂电池输出电流给定值如下式所示：
其中，fL是低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子；
超级电容输出电流给定值为直流侧电流给定值idc_ref减去锂电池输出电流给定值如下式所示：
上述任一项技术方案中，进一步地，所述供电系统具有控制原则，包括：
单独使用电网电源：禁止常用电源和备用电源并联供电；
优先使用电网电源：柴油发电机作为常用电源和备用电源都发生故障时的紧急电源，如常用电源和备用电源有一路正常则不会开启柴油发电机；
优先使用常用电源：两路电网电源中优先使用常用电源供电；
储能供电系统常时工作：储能供电系统始终处于工作状态，起到改善电能质量和电源切换间隙紧急供电的作用；
重要负载优先原则：在柴油发电机应急供电时，需要断开不重要负载以保证柴油发电机对重要负载的正常供电。
上述任一项技术方案中，进一步地，常用电源-储能并联工作状态切换为其他工作状态的逻辑及过程包括：
当常用电源和储能系统正常工作时，系统默认保持在此状态；若常用电源故障、备用电源正常，则断开常用电源开关，闭合备用电源开关，系统进入备用电源-储能并联工作状态；若常用电源故障、备用电源故障，则断开常用电源开关，启动柴油发电机，断开不重要负载开关，系统先进入较长时间的储能供电工作状态，待柴油发电机电压启动完成且与储能输出电压同步时，合闸柴油发电机开关，系统再进入柴油发电机-储能并联工作状态。
上述任一项技术方案中，进一步地，备用电源-储能并联工作状态切换为其他工作状态的逻辑及过程包括：
若常用电源已恢复正常，则断开备用电源开关，再闭合常用电源开关，系统恢复到常用电源-储能并联工作状态；若常用电源未恢复正常的情况下，备用电源也检测到故障，则要断开备用电源开关，启动柴油发电机，断开不重要负载开关，待到柴油发电机启动完成且与储能输出电压同步时，系统进入柴油发电机-储能并联工作状态。
上述任一项技术方案中，进一步地，柴油发电机-储能并联工作状态切换为其他工作状态的逻辑及过程包括：
若常用电源恢复正常，则断开柴油发电机开关，闭合常用电源开关，进入常用电源-储能并联工作状态；若常用电源未恢复正常，备用电源恢复正常，则断开柴油发电机开关，闭合备用电源开关，进入备用电源-储能并联工作状态。
上述任一项技术方案中，进一步地，储能装置中三相逆变器具有多种控制模式，以适应不同的工作状态，三相逆变器的控制模式包括：
PQ控制模式：当混合储能装置与电网或柴油发电机并联时，三相逆变器默认采用PQ控制策略，在PQ控制模式下，逆变器根据有功功率P的参考值和无功功率Q的参考值来控制输出电流，其中无功功率给定值Q设为0，保证储能装置仅向系统提供有功功率；当储能装置需要充电时，P的参考值设定为储能装置的充电功率，逆变器则根据该充电功率进行控制；
动态负载平衡模式：当储能装置与柴油发电机并联且不需要充电时，储能装置主要用于平滑负载功率波动，此时，有功功率P的给定值根据交流侧电压与额定电压的差值以及交流侧频率与额定频率的差值通过比例环节计算得出，通过这种方式，当电网或发电机的电压或频率偏离额定值时，储能装置可以适时补充功率，平衡系统负载；
VF控制模式：在储能装置独立运行时，逆变器采用VF控制模式来维持系统的电压和频率稳定，VF模式下，交流侧频率反馈控制逆变器的有功功率输出，交流侧电压反馈控制无功功率输出，确保孤网状态下系统频率和电压的恒定。
本发明的有益效果是：
本发明增强了系统的供电可靠性：通过两级应急电源设计，实现电网故障时的无缝切换，确保重要负载的稳定供电；
提升动态响应能力：混合储能装置中超级电容承担高频功率需求，锂电池承担低频部分，使系统能快速响应负载突变，保障电压和频率的稳定；
延长电池寿命：通过合理的功率分配，减少锂电池的瞬时功率输出波动，避免频繁充放电，从而延长电池使用寿命；
降低切换过程中的电流冲击：在不同电源切换时，储能装置输出电压幅值和相角自动同步调整，有效降低电流冲击，保护设备安全；
提高系统的灵活性和能量利用率：采用多种逆变器控制模式，系统可以在并网、孤网等多种状态下工作，充分利用电能资源。
附图说明
本发明的上述和附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的供电系统拓扑结构图；
图2是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的混合储能系统电路拓扑图；
图3是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的供电系统四个工作状态的切换逻辑示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的初始工作状态为常用电源-储能并联状态切换控制流程图；
图5是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的初始工作状态为备用电源-储能并联状态切换控制流程图；
图6是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的初始状态为柴油发电机-储能并联状态切换控制流程图；
图7是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的混合储能及其逆变器控制框图；
图8是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的储能装置单独供电负载突变波形图；
图9是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的常用电源-储能并联切换到储能单独供电波形图；
图10是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的常用电源-储能并联直接切换到备用电源-储能波形图；
图11是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的常用电源-储能并联经幅值相角调整切换到备用电源-储能并联波形图；
图12是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的柴油发电机与储能装置功率分配；
图13是根据本发明的一个实施例的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统的柴油发电机-储能并联状态负载增减波形。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本实施例提供了一种含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，该供电系统包括：交流母线、系统电源、储能装置、柴油发电机、重要负载和不重要负载。
系统电源包括：常用电源、备用电源、常用电源开关和备用电源开关。
储能装置包括：混合储能系统、三相逆变器、滤波单元和储能开关。
柴油发电机包括：柴油发电机组和柴油发电机并网开关。
供电系统还包括：重要负载开关和不重要负载开关。
常用电源和备用电源均为电网电源，常用电源和备用电源分别通过常用电源开关和备用电源开关连接至交流母线。
如图2所示，混合储能系统由锂电池和超级电容构成，混合储能系统依次经过三相逆变器、滤波单元和储能开关连接到交流母线；考虑到锂电池和超级电容两种储能方式的优缺点，由超级电容承担负载的高频功率部分，锂电池承担负载的低频功率部分，理由为：超级电容具有快速充放电的特性，适合承担负载的高频功率部分，当负载出现突变(例如负载突然增加或减少)时，超级电容能够迅速响应，瞬间输出或吸收所需的电流，这样可以有效缓冲负载变化对系统的影响，避免锂电池频繁输出大电流；锂电池更适合长期稳定输出，因此在负载的低频功率部分由锂电池承担，提供稳定的功率支持，在本实施例中直流侧电流的给定值通过低通滤波器处理后，得到锂电池的输出电流，这样确保锂电池承担的主要是平稳的低频负载，从而减少频繁变化对电池寿命的影响。
柴油发电机组通过柴油发电机并网开关接入交流母线，当电网电源都失效时，柴油发电机作为最后的紧急供电来源。
重要负载通过重要负载开关接入交流母线，不重要负载通过不重要负载开关接入交流母线；考虑到柴油发电机和混合储能装置的容量有限，为避免柴油发电机和储能装置过载，保证其对负载正常供电。依据负载的重要程度，将负载分为重要负载和不重要负载，其分别通过重要负载开关和不重要负载开关与母线连接。在常用电源或备用电源供电时，不重要负载开关闭合，保证重要负载和不重要负载都能正常供电。在柴油发电机供电时，不重要负载开关断开，保证柴油发电机不过载。
为保证供电系统的有效运转，设立含混合储能和柴油发电机两级应急电源的双电源供电系统的控制原则，如下：
单独使用电网电源：禁止常用电源和备用电源并联供电；
优先使用电网电源：柴油发电机作为常用电源和备用电源都发生故障时的紧急电源，如常用电源和备用电源有一路正常则不会开启柴油发电机；
优先使用常用电源：两路电网电源中优先使用常用电源供电；
储能供电系统常时工作：储能供电系统始终处于工作状态，起到改善电能质量和电源切换间隙紧急供电的作用；
重要负载优先原则：在柴油发电机应急供电时，需要断开不重要负载以保证柴油发电机对重要负载的正常供电。
如图3-6所示，在上述控制原则下，供电系统有四种可以切换的工作状态：常用电源-储能并联工作状态、备用电源-储能并联工作状态，储能供电工作状态，柴油发电机-储能并联工作状态；其中储能供电工作状态为过渡状态，其他三种状态互相切换过程中均会有一定时间处于储能供电工作状态，三种状态的切换的逻辑及过程如下：
常用电源-储能并联工作状态：当常用电源和储能系统正常工作时，系统默认保持在此状态；若常用电源故障、备用电源正常，则断开常用电源开关，闭合备用电源开关，系统进入备用电源-储能并联工作状态；若常用电源故障、备用电源故障，则断开常用电源开关，启动柴油发电机，断开不重要负载开关，系统先进入较长时间的储能供电工作状态，待柴油发电机电压启动完成且与储能输出电压同步时，合闸柴油发电机开关，系统再进入柴油发电机-储能并联工作状态。
备用电源-储能并联工作状态：若常用电源已恢复正常，则断开备用电源开关，再闭合常用电源开关，系统恢复到常用电源-储能并联工作状态；若常用电源未恢复正常的情况下，备用电源也检测到故障，则要断开备用电源开关，启动柴油发电机，断开不重要负载开关，待到柴油发电机启动完成且与储能输出电压同步时，系统进入柴油发电机-储能并联工作状态。
柴油发电机-储能并联工作状态：若常用电源恢复正常，则断开柴油发电机开关，闭合常用电源开关，进入常用电源-储能并联工作状态；若常用电源未恢复正常，备用电源恢复正常，则断开柴油发电机开关，闭合备用电源开关，进入备用电源-储能并联工作状态。
如图7所示，由于超级电容承担负载的高频功率部分，锂电池承担负载的低频功率部分，两者需要建立能量分配策略：
直流侧电流给定值idc_ref由直流侧电压给定值udc_ref和直流侧电压实际值udc之差通过PI环节(比例-积分控制)得到。为了控制锂电池提供负载功率的低频部分，对直流侧电流给定值idc_ref进行低通滤波，得到锂电池输出电流给定值如下式所示：
其中，fL是低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子。
超级电容输出电流给定值为直流侧电流给定值idc_ref减去锂电池输出电流给定值如下式所示：
通过对锂电池和超级电容输出电流的分配，能够避免锂电池输出功率突变，有利于延长锂电池寿命，且可以使得储能装置有较良好的动态响应性能。
储能装置中三相逆变器具有多种控制模式，以适应不同的工作状态，确保储能系统能够在并网、并联柴油发电机以及孤网运行时维持系统稳定，三相逆变器的控制模式包括：
PQ控制模式：当混合储能装置与电网或柴油发电机并联时，三相逆变器默认采用PQ控制策略，在PQ控制模式下，逆变器根据有功功率P的参考值和无功功率Q的参考值来控制输出电流，其中无功功率给定值Q设为0，保证储能装置仅向系统提供有功功率，从而实现能量的高效利用，当储能装置需要充电时，P的参考值设定为储能装置的充电功率，逆变器则根据这个充电功率进行控制。
动态负载平衡模式：当储能装置与柴油发电机并联且不需要充电时，储能装置主要用于平滑负载功率波动，此时，有功功率P的给定值根据交流侧电压与额定电压的差值以及交流侧频率与额定频率的差值通过比例环节计算得出，通过这种方式，当电网或发电机的电压或频率偏离额定值时，储能装置可以适时补充功率，平衡系统负载。
VF控制模式：在储能装置独立运行时，逆变器采用VF控制模式来维持系统的电压和频率稳定，VF模式下，交流侧频率反馈控制逆变器的有功功率输出，交流侧电压反馈控制无功功率输出，从而确保孤网状态下系统频率和电压的恒定。
为了验证混合储能装置能量分配的性能，在MATLAB/Simulink平台上搭建仿真模型进行实验验证。如图8所示是储能装置单独供电负载突变波形。其中(a)是直流母线电压波形，(b)是直流母线电流波形，(c)是锂电池输出电流波形，(d)是超级电容输出电流波形，(e)是直流总功率波形，(f)是锂电池输出功率波形，(g)是超级电容输出功率波形。
在0～1s时间段，负载功率为0，此时锂电池和超级电容输出电流均为0。在1s时，负载电流从0增加到150A，由于超级电容承担负载的高频电流部分，锂电池承担负载的低频电流部分，超级电容输出电流迅速增加至150A，并立即回落至0，而锂电池输出电流则逐渐从0增加到150A。
在3s时，负载电流从150A阶跃到300A，超级电容输出电流从0迅速增加至150A并立即回落至0，而锂电池输出电流从150A逐渐增加至300A。在5s时，负载电流从300A阶跃到150A，超级电容输出电流从0迅速降至-150A，开始吸收功率，并立即回升至0，而锂电池输出电流逐渐从300A降低至150A。
可以看出，当负载功率出现变化时，超级电容发挥其快充快放的优点，可以瞬时输出或吸收一部分负载功率，能够避免负载功率变化时，锂电池的输出功率出现剧烈变化，从而能够有效的延长锂电池的使用寿命。而超级电容容量较小，负载变化结束后，利用锂电池储能容量较大的优点，由锂电池承担负载的稳态功率。仿真证明了混合储能系统功率分配控制策略的有效性，能够发挥两种储能方式各自的优点。
如图9所示是在常用电源与储能装置并联运行时，常用电源发生故障切换到混合储能单独供电的波形。其中(a)是常用电源电压波形，(b)是负载侧电压波形，(c)是负载侧电流波形，(d)是储能装置输出电压波形，(e)是储能装置输出电流波形，(f)是储能装置直流侧电流波形，(g)是储能装置直流侧电压波形，(h)是锂电池输出电流波形，(i)是超级电容输出电流波形。
在常用电源发生故障前，系统处于常用电源-储能并联工作状态，负载有功功率为4.5kW，无功功率为1kVar。混合储能装置工作在并网模式，储能装置输出的三相交流电压与常用电源电压的幅值和相位保持一致，储能装置仅有较小的充电电流。常用电源输出电流等于负载电流和储能装置充电电流之和。常用电源的CA线电压在t＝0.4s时发生电压跌落故障，如图(a)所示。在故障发生后4.2ms系统检测到常用电源故障，并停止常用电源晶闸管驱动信号。在故障发生后10ms，检测到常用电源晶闸管完全断开，系统切换到储能装置单独供电工作状态。
在常用电源断开后，储能装置的输出电流增加至等于负载电流，负载完全由储能装置供电。在常用电源故障后，储能装置直流侧电流由接近0A增加至9A。锂电池承担输出功率的低频部分，其输出电流谐波较小。超级电容承担输出功率的高频部分，在储能装置功率突增的瞬间，超级电容输出电流出现一个尖峰，进入稳态后，超级电容输出谐波电流。在切换过程中，储能装置直流电压基本没有变化。
含储能和柴油发电机两级应急电源的双电源供电系统在正常工作时，系统工作在常用电源-储能并联工作状态，储能装置工作在并网模式。常用电源发生故障后，常用电源开关断开，为了缩短负载的断电时间，储能装置在常用电源开关断开后，切换到孤网模式，储能装置单独给负载供电。由于储能装置容量有限，如备用电源正常，需尽快将储能装置与备用电源并联。如此时直接将备用电源与储能装置并联，由于备用电源电压幅值和相角与储能装置有差别，会出现较大的冲击电流。为降低备用电源投入时的冲击，储能装置调整输出电压的相位和幅值至与备用电源一致，随后合闸备用电源开关，储能装置切换至并网模式，系统进入备用电源-储能并联工作状态。
常用电源的电压如下式所示：
备用电源的电压如下式所示：
常用电源故障断开后，储能装置进入单独供电状态，为减少常用电源断开后对负载的冲击，储能装置输出电压的幅值和相角和常用电源保持一致，所以下式成立：
此时储能装置输出电压与备用电源电压存在一定的幅值和相角差，如储能装置直接与备用电源并联，则会出现较大的冲击电流。在常用电源故障后，储能装置直接并联备用电源的仿真计算如图10所示。其中(a)是常用电源电压波形，(b)是备用电源电压波形，(c)是负载侧电压波形，(d)是负载侧电流波形，(e)是储能装置输出电压波形，(f)是储能装置输出电流波形，(g)是储能装置直流侧电压波形，(h)是储能装置输出电压标幺值波形，(i)是储能装置输出电压相角波形。
备用电源电压幅值为常用电源幅值的1.1倍，且备用电源电压相角落后常用电源电压相角15°。负载有功功率为4.5kW，无功功率为1kVar。常用电源在t＝0.1s时发生了电压跌落故障，常用电源开关断开，随即储能装置输出电流增加至负载电流，储能装置单独给负载供电。为了减少常用电源故障断开的冲击，储能装置输出电压的幅值和相角与常用电源一致。在t＝0.3s时，储能装置直接与备用电源并联。由于储能装置与备用电源并联瞬间，储能装置输出电压与备用电源电压存在一定的幅值差和相角差，负载电压和电流出现了较大的冲击，且储能装置冲击电流峰值达到了210A。
在储能装置与备用电源并联后，储能装置重新切换到并网运行模式，输出电压的幅值和相角在t＝0.305s时突变至与备用电源一致。可见，储能装置单独给负载供电时，如不调整输出电压幅值和相角，直接与备用电源并联，会给供电系统带来较大的冲击。
为了消除储能装置与备用电源并联时刻的冲击，则储能装置输出电压的幅值和相角需要在并联备用电源时调整至与备用电源一致。储能装置单独供电的时间为Tcn，则储能装置单独供电阶段，其输出电压幅值和相角的变化率如下式所示：
如图11所示是储能装置调整幅值和相角后与备用电源并联的波形图。其中(a)是负载电压波形，(b)是负载侧电流波形，(c)是储能装置输出电压波形，(d)是储能装置输出电流波形，(e)是储能装置直流侧电压波形，(f)是储能装置输出电压标幺值波形，(g)是储能装置输出电压相角波形。
备用电源电压幅值同样为常用电源幅值的1.1倍，且备用电源电压相角同样落后常用电源电压相角15°。常用电源也是在0.1s时刻发生电压跌落故障，故障发生后，常用电源断开，储能装置单独供电，备用电源在0.3s时刻与储能装置并联。在0.1s至0.3s期间，储能装置输出电压的幅值和相角逐渐变化至与备用电源一致。储能装置与备用电源并联时的冲击电流峰值减小到了20A，且负载电流电压在并联时刻未发生明显突变，减少了负载受到的冲击。且储能装置单独供电期间，其输出电压的幅值和相角的变化率较小，对负载影响较小。由此可见，在常用电源断开后，调整储能装置输出电压的幅值和相角与备用电源保持一致，可以明显的降低储能装置与备用电源并联时的冲击。
如图12所示为柴油发电机与储能装置并联运行时的功率分配图，在(0-t1)时间段，系统由常用电源供电，储能装置与常用电源并联，且不输出功率。在t1时刻，常用电源发生故障，且备用电源故障，常用电源开关断开，(t1-t2)时间段，负载仅由储能装置供电，同时柴油发电机空载启动。在t2时刻，柴油发电机启动完成，储能装置与柴油发电机并联。在(t2-t3)时间段，负载功率逐渐由储能装置承担切换为由柴油发电机承担。在(t3-t4)时间段，负载功率完全由柴油发电机承担，储能装置一直和柴油发电机并联。在t4时刻，负载突增，相应的，柴油发电机输出功率增加，由于柴油发电机的加载过程比储能装置的加载过程更长，在柴油发电机的功率未完全提升至负载功率时，储能装置补充输出柴油发电机输出功率和负载功率的差值，处于放电状态。在t5时刻，负载突减，柴油发电机输出功率下降，由于柴油发电机减载需要时间，在柴油发电机的功率未完全降低至负载功率时，储能装置吸收柴油发电机多输出的功率，处于充电状态。
常用电源-储能并联工作状态时，常用电源发生故障，如备用电源也有故障，则系统切换到柴油发电机与储能装置并联的控制策略。切换策略与前述切换到备用电源-储能并联的策略一致。
如图13所示，其中(a)是柴油发电机转速标幺值波形，(b)是柴油发电机励磁电压标幺值波形，(c)是柴油发电机输出功率波形，(d)是储能装置输出电流波形，(e)是储能装置输出功率波形，(f)是储能装置直流侧电压波形。开始时负载功率为0，此时负载侧电压幅值和频率都处于额定值。在2s时，负载的有功功率增至415kW，无功功率增至250kVar。可以看出柴油发电机的转速从额定转速下降至0.93p.u.，相应的负载侧电压频率下降至0.93p.u.，且负载侧电压幅值下降至0.9p.u.。此时负载侧的电压幅值和频率都低于额定值，储能装置开始输出功率。同时柴油发电机开始增加有功功率和无功功率输出。负载侧电压幅值和频率逐渐增至额定值的过程中，储能装置的输出功率功率逐渐减小。在7s时，负载侧的电压幅值和频率重新回到额定值，此时储能装置的输出功率为零。在8s时，负载的有功功率下降至207kW，无功功率下降至125kVar。此时柴油发电机的转速从额定转速上升至1.03p.u.，相应的负载侧电压频率上升至1.03p.u.，且负载侧电压幅值上升至1.05p.u.。此时负载侧电压幅值和频率都高于额定值，储能装置开始吸收功率。同时柴油发电机开始降低有功功率和无功功率输出。负载侧电压幅值和频率逐渐降低至额定值的过程中，储能装置的吸收功率逐渐减小。在11s时，负载侧电压幅值和频率重新回到额定值，此处储能装置的输出功率恢复至零。在负载波动的过程中，混合储能装置直流侧电压值基本不变。
综上所述，本发明提出了一种含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，所述供电系统包括：交流母线、系统电源、储能装置、柴油发电机、重要负载和不重要负载。
系统电源包括：常用电源、备用电源、常用电源开关和备用电源开关；常用电源和备用电源均为电网电源，两者分别通过常用电源开关和备用电源开关连接至交流母线。
储能装置包括：混合储能系统、三相逆变器、滤波单元和储能开关；混合储能系统依次经过三相逆变器、滤波单元和储能开关连接到交流母线。
柴油发电机包括：柴油发电机组和柴油发电机并网开关；柴油发电机组通过柴油发电机并网开关接入交流母线。
供电系统还包括：重要负载开关和不重要负载开关；重要负载通过重要负载开关接入交流母线，不重要负载通过不重要负载开关接入交流母线。
供电系统有四种可以切换的工作状态：常用电源-储能并联工作状态、备用电源-储能并联工作状态，储能供电工作状态，柴油发电机-储能并联工作状态；其中储能供电工作状态为过渡状态，当各电源的故障情况满足相应调节，其他三种状态会互相切换，在状态切换过程中均会有一定时间处于储能供电工作状态，储能装置提供短暂电力支持。
所述混合储能系统包括锂电池和超级电容，超级电容承担负载的高频功率部分，锂电池承担负载的低频功率部分，两者建立的能量分配策略为：
为了控制锂电池提供负载功率的低频部分，对直流侧电流给定值idc_ref进行低通滤波，得到锂电池输出电流给定值如下式所示：
其中，fL是低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子。
超级电容输出电流给定值为直流侧电流给定值idc_ref减去锂电池输出电流给定值如下式所示：
在本发明中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本发明的原理进行说明，并非意在对本发明进行限制。
尽管参考附图详地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (6)

1.一种含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，其特征在于，所述供电系统包括：交流母线、系统电源、储能装置、柴油发电机、重要负载和不重要负载；
系统电源包括：常用电源、备用电源、常用电源开关和备用电源开关；常用电源和备用电源均为电网电源，两者分别通过常用电源开关和备用电源开关连接至交流母线；
储能装置包括：混合储能系统、三相逆变器、滤波单元和储能开关；混合储能系统依次经过三相逆变器、滤波单元和储能开关连接到交流母线；
柴油发电机包括：柴油发电机组和柴油发电机并网开关；柴油发电机组通过柴油发电机并网开关接入交流母线；
供电系统还包括：重要负载开关和不重要负载开关；重要负载通过重要负载开关接入交流母线，不重要负载通过不重要负载开关接入交流母线；
供电系统有四种可以切换的工作状态：常用电源-储能并联工作状态、备用电源-储能并联工作状态，储能供电工作状态，柴油发电机-储能并联工作状态；其中储能供电工作状态为过渡状态，当各电源的故障情况满足相应条件，其他三种状态会互相切换，在状态切换过程中均会有一定时间处于储能供电工作状态，储能装置提供短暂电力支持；
所述混合储能系统包括锂电池和超级电容，超级电容承担负载的高频功率部分，锂电池承担负载的低频功率部分，两者建立的能量分配策略为：
为了控制锂电池提供负载功率的低频部分，对直流侧电流给定值idc_ref进行低通滤波，得到锂电池输出电流给定值如下式所示：
其中，fL是低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子；
超级电容输出电流给定值为直流侧电流给定值idc_ref减去锂电池输出电流给定值如下式所示：
2.如权利要求1所述的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，其特征在于，所述供电系统具有控制原则，包括：
单独使用电网电源：禁止常用电源和备用电源并联供电；
优先使用电网电源：柴油发电机作为常用电源和备用电源都发生故障时的紧急电源，如常用电源和备用电源有一路正常则不会开启柴油发电机；
优先使用常用电源：两路电网电源中优先使用常用电源供电；
储能供电系统常时工作：储能供电系统始终处于工作状态，起到改善电能质量和电源切换间隙紧急供电的作用；
重要负载优先原则：在柴油发电机应急供电时，需要断开不重要负载以保证柴油发电机对重要负载的正常供电。
3.如权利要求1所述的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，其特征在于，所述常用电源-储能并联工作状态切换为其他工作状态的逻辑及过程包括：
当常用电源和储能系统正常工作时，系统默认保持在此状态；若常用电源故障、备用电源正常，则断开常用电源开关，闭合备用电源开关，系统进入备用电源-储能并联工作状态；若常用电源故障、备用电源故障，则断开常用电源开关，启动柴油发电机，断开不重要负载开关，系统先进入较长时间的储能供电工作状态，待柴油发电机电压启动完成且与储能输出电压同步时，合闸柴油发电机开关，系统再进入柴油发电机-储能并联工作状态。
4.如权利要求1所述的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，其特征在于，所述备用电源-储能并联工作状态切换为其他工作状态的逻辑及过程包括：
若常用电源已恢复正常，则断开备用电源开关，再闭合常用电源开关，系统恢复到常用电源-储能并联工作状态；若常用电源未恢复正常的情况下，备用电源也检测到故障，则要断开备用电源开关，启动柴油发电机，断开不重要负载开关，待到柴油发电机启动完成且与储能输出电压同步时，系统进入柴油发电机-储能并联工作状态。
5.如权利要求1所述的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，其特征在于，所述柴油发电机-储能并联工作状态切换为其他工作状态的逻辑及过程包括：
若常用电源恢复正常，则断开柴油发电机开关，闭合常用电源开关，进入常用电源-储能并联工作状态；若常用电源未恢复正常，备用电源恢复正常，则断开柴油发电机开关，闭合备用电源开关，进入备用电源-储能并联工作状态。
6.如权利要求1所述的含混合储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统，其特征在于，所述储能装置中三相逆变器具有多种控制模式，以适应不同的工作状态，三相逆变器的控制模式包括：
PQ控制模式：当混合储能装置与电网或柴油发电机并联时，三相逆变器默认采用PQ控制策略，在PQ控制模式下，逆变器根据有功功率P的参考值和无功功率Q的参考值来控制输出电流，其中无功功率给定值Q设为0，保证储能装置仅向系统提供有功功率；当储能装置需要充电时，P的参考值设定为储能装置的充电功率，逆变器则根据该充电功率进行控制；
动态负载平衡模式：当储能装置与柴油发电机并联且不需要充电时，储能装置主要用于平滑负载功率波动，此时，有功功率P的给定值根据交流侧电压与额定电压的差值以及交流侧频率与额定频率的差值通过比例环节计算得出，通过这种方式，当电网或发电机的电压或频率偏离额定值时，储能装置可以适时补充功率，平衡系统负载；
VF控制模式：在储能装置独立运行时，逆变器采用VF控制模式来维持系统的电压和频率稳定，VF模式下，交流侧频率反馈控制逆变器的有功功率输出，交流侧电压反馈控制无功功率输出，确保孤网状态下系统频率和电压的恒定。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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