CN108649594B - 一种用于低压配网的分布式储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于低压配网的分布式储能系统，在传统三电平逆变器的基础上增加了三个双向功率开关S1、S2和S3，在所增加的元器件的基础上根据系统设计目标对新增的三个双向开关进行控制。本发明一种用于低压配网的分布式储能系统能够同时实现：谐波抑制、无功补偿、三相电压不平衡治理、中线电流治理、充电控制、放电控制等控制功能，以及现直流电池的冗余备用。

Description

一种用于低压配网的分布式储能系统

技术领域

本发明涉及智能配网技术领域，特别是一种用于低压配网的分布式储能系统。

背景技术

电能是现代社会中不可或缺的重要能源，在不同的领域中都得到了非常广泛的应用，这也使现代电网的承载非常严酷。随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器以及各种开关电源等大规模的应用，导致的负面效应也日益明显。同时，随着分布式能源的快速发展，大量的分布式新能源接入配网。这些大量的分布式新能源以风、光等为代表，具有极强的波动性和不确定性。在新能源的实际应用中，大量的波动电源接入系统，对电网的稳定运行提出了较大的挑战，对电力调度等也提出了较高要求。并且由于配网无法实现全部的分布式发电的就地消纳，也造成大量的弃风弃光现象。提高分布式能源的利用效率、提高抵压配网的自动化水平、增强配网电能质量调控能力等，是现代化配网需要重点解决的问题。特别对于配网终端，由于供电半径较大，配网特别是农村配网的末端的电压波动、谐波、三相不平衡等问题较为严重。同时，随着我国人民生活水平的提高，末端用电设备也出现了较大的变化，特别是电动汽车的发展，对配网承受大功率负荷的能力也提出了较高的要求。

传统的储能系统采用包括PCS、电池及BMS系统。储能变流器(PCS)可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS由DC/AC双向变流器、控制单元等构成。PCS控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。PCS控制器通过CAN接口与BMS通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。储能变流器(PCS)可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS由DC/AC双向变流器、控制单元等构成。PCS控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。PCS控制器通过CAN接口与BMS通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。储能PCS主要用于电池的充电和放电控制，可以对电池的充电、放电电流、功率和电压控制，充电和放电工作模式也有恒压、恒流和恒功率工作模式。

目前主流的储能技术包括物理类储能和电化学储能两类。物理类储能有：抽水蓄能、压缩空气、飞轮储能及超导储能、开放式循环气体涡轮等。电化学储能有：钠硫电池、钒电池、锂电池、铅酸电池等。其中，电化学储能技术由于具有建设周期短、运营成本低、对环境无影响等特点已经成为电网应用储能技术解决新能源接入的首选方案。新能源产业发展需求储能电池，发展新能源产业必须大力发展高安全、长寿命、高能量密度的储能电池。针对电网应用的储能电池要求大容量，市场上较多见的是锂离子电池、钠硫电池和液流电池技术。对电网储能应用，尤其是风力发电储能应用来说，全钒电池和钠硫电池是两种主要的已经被市场认可的商用技术。钒电池通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放。充电时，通过对电池的充电，将电能转化为化学能储存在不同价态的钒离子中；当发电装置不能满足额定输出功率时，电池开始放电，把储存的化学能转化为电能。钒电池的容量取决于电解液的存量，理论上来说，它的储液装置可以做得很大，而且只要不受污染，它的寿命会很长。钒电池的充、放电性能好，能够进行大功率的充电和放电，选址自由度大、占地少，可以很好地把太阳能和风能融入到住宅或者工业场所中。钒电池作为一种新型清洁能源存储装置，经过美国、日本、澳大利亚等国家的应用验证，凭借其大功率、长寿命、支持频繁大电流充放电、绿色无污染等明显技术优势，主要应用于再生能源并网发电、城市电网储能、远程供电、UPS系统、海岛应用等领域。在全球便携式储能电池市场，锂离子电池由于其在能量密度方面具有绝对优势而占据绝大部分份额。

锂离子电池是最常见的电化学储能电池，手机、笔记本电脑的电池多为锂离子电池。高能效和电力容量上的优越性也让锂离子电池的市场扩大到交通领域。小型锂电池的研发和推广已经非常成功，但是，锂电池的大型化却是困难重重，面临造价高、运行温度高和易短路等问题。虽然在锂离子电池的研发方面已经取得了实质性进展，但是还需要很多工作来延长电池的使用寿命，还要提高电池使用时的安全性并降低材料成本。从锂电池的使用量来说，电动汽车产业应该远远高于风、光电产业，而且这一趋势会保持相当长的一段时间。虽然锂电池规模过大时，在能量控制上非常复杂，但是，国家电网在风光储输一体化项目招标中仍倾向于锂离子电池。

在风能、太阳能系统所使用的储能蓄电池中，铅酸蓄电池仍占据较多的份额，这主要是铅酸蓄电池充放电效率高、耐温性能好、容量大、安全性好、成本低。风能、太阳能发电装机容量将会以很快的速度发展，铅酸蓄电池是发电系统中的重要部件，也是离网系统不可替代的部件，因此蓄电池的需求量将会迅速增加。但是，由于众所周知的环保问题，铅酸电池正面临重整河山待后生的局面。铅碳电池是从传统的铅酸电池演进出来的技术，研究人员发现，增加一点碳，能够显著提高铅酸电池的寿命。作为太阳能和风能储能的后备选项，铅酸电池能量密度高，是个不错的选择。但是，铅碳电池的推广也面临着成本问题。

电池管理系统(BMS)的主要功能为：1)准确估测SOC。准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge，即SOC)，即电池剩余电量，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池造成损伤，并随时显示混合动力汽车储能电池的剩余能量，即储能电池的荷电状态。(2)动态监测。在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性，使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外，还要建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。电池充放电的过程通常会采用精度更高、稳定性更好的电流传感器来进行实时检测，一般电流根据BMS的前端电流大小不同，来选择相应的传感器量程进行接近，以400A为例，通常采用开环原理，国内外的厂家均采用可以耐低温、高温、强震的JCE400-ASS电流传感器，选择传感器时需要满足精度高，响应时间快的特点。(3)电池间的均衡。即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。然而，现有的储能系统都具有无法参与电能质量控制的缺点。

发明内容

本发明提出了一种用于低压配网的分布式储能系统。

实现本发明的技术解决方案为：一种用于低压配网的分布式储能系统，其特征在于，包括三电平变流器、第一直流电容C1、第二直流电容C2、第一电池组B1、第二电池组B2、正电压侧功率开关S1、负电压侧功率开关S2、中性点侧功率开关SN、第一电池管理系统BMS1、第二电池管理系统BMS2、交流器控制系统以及充电切换控制系统，其中，所述三电平变流器的正电压端口P+分别与正电压侧功率开关S1的一端以及第一直流电容C1的一端连接，所述三电平变流器的负电压端口P-分别与负电压侧功率开关S2的一端以及第二直流电容C2的一端连接，所述第二直流电容C2的另一端与第一直流电容C1的另一端连接，所述三电平变流器的中性点端口N与第二直流电容C2的另一端连接，所述三电平变流器的中性点端口N同时与中性点侧功率开关SN的一端连接，所述正电压侧功率开关S1的另一端与第一电池组B1的正极连接，第一电池组B1的负极分别与中性点侧功率开关SN的另一端以及第二电池组B2的正极连接，所述第二电池组B2的负极与负电压侧功率开关S2的另一端连接，所述第一电池管理系统BMS1、第二电池管理系统BMS2分别采集第一电池组B1和第二电池组B2的电池状态传递给充电切换控制系统，所述充电切换控制系统将第一直流电容C1和第二直流电容C2两端的电压以及第一电池组B1和第二电池组B2的电池状态传递给变流器控制系统，所述变流器控制系统用于给出开关控制模式。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)实现了电池的冗余控制。在两组电池组中，如有一组电池发生故障，将该组电池组与系统分开，实现另外一组电池组和系统的正常工作。系统的稳定性和可靠性得到大幅度提升。(2)降低了系统设计难度，提高了系统灵活性。在本发明中，实现了用单组电池组的电压就可以降低到系统交流电压最高值的(1.1～1.3)/2，提高了系统的灵活性。(3)在电池组B1和电池组B2与直流电容的连接处增加了三个功率开关，这三个功率开关能够根据系统功能需求、电池的电压平衡策略、安全保护等几个层面来设计控制策略。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明一种用于低压配网的分布式储能系统的示意图。

具体实施方式

结合图1所示，本发明的用于低压配网的分布式储能系统，安装于配网变压器的低压侧或者用户的用电设备附近。采用的是低压并联接入系统，接入电压为400V。通过增加这三个功率开关实现多种控制模式，在保证系统工作性能的同时提高电池、电容等储能元器件的利用效率和使用寿命。本发明用于低压配网的分布式储能系统的具体结构为：

三电平变流器的正电压端口P+分别与正电压侧功率开关S1的一端以及第一直流电容C1的一端连接，所述三电平变流器的负电压端口P-分别与负电压侧功率开关S2的一端以及第二直流电容C2的一端连接，所述第二直流电容C2的另一端与第一直流电容C1的另一端连接，所述三电平变流器的中性点端口N与第二直流电容C2的另一端连接，所述三电平变流器的中性点端口N同时与中性点侧功率开关SN的一端连接，所述正电压侧功率开关S1的另一端与第一电池组B1的正极连接，第一电池组B1的负极分别与中性点侧功率开关SN的另一端以及第二电池组B2的正极连接，所述第二电池组B2的负极与负电压侧功率开关S2的另一端连接，所述第一电池管理系统BMS1、第二电池管理系统BMS2分别采集第一电池组B1和第二电池组B2的电池状态传递给充电切换控制系统，所述充电切换控制系统将第一直流电容C1和第二直流电容C2两端的电压以及第一电池组B1和第二电池组B2的电池状态传递给变流器控制系统，所述变流器控制系统用于给出开关控制模式。

本发明通过变流器控制系统给出开关控制模式，通过对各个功率开关的不同组合控制，实现四种工作模式，具体工作模式为：

1、工作模式1：正电压侧功率开关S1、负电压侧功率开关S2、中性点侧功率开关SN同时处于断开状态。

此时的第一电池组B1与第二电池组B2处于完全的隔离状态，即三电平变流器的工作与电池组的充放电完全的隔离。三电平变流器的直流电压与电池组的电压不发生任何关联关系。因此，在这种状体下三电平变流器与直流电容构成了传统的并联的补偿设备，实现电网的无功补偿、谐波抑制、电压波动治理、三相不平衡治理等功能。

2、工作模式2：正电压侧功率开关S1和负电压侧功率开关S2闭合，中性点侧功率开关SN断开。

此时的第一电池组B1与第二电池组B2处于串联状态，并与第一直流电容C1和第二直流电容C2并联在一起，支撑直流电压。在这种工作模式下，直流电容两端的电压与第一电池组B1和第二电池组B2的电压和相等。本实施例中的直流电容和变流器为三电平的典型结构，直流电容由电容器组C1和电容器组C2串联而成，中性点N直接连接于三相逆变桥的中性点，该结构在交流侧产生三个不同的电平输出。特别对于中性点承担着三倍于A/B/C相线的电流，因此对于电容器组而言需要承受着流经同样的电流，为了避免这么大的电流流经电池组，影响电池的寿命，所以采用该工作模式。

3、工作模式3：正电压侧功率开关S1和中性点侧功率开关SN闭合(导通)状态，负电压侧功率开关S2断开。

本工作模式下，第一电池组B1与第一直流电容C1和第二直流电容C2并联，第二电池组B2的正极第一电池组B1的负极连接，但是第二电池组B2的负极处于断开状态，因此电池组B2处于悬空状态。本工作模式下，通过控制第一直流电容C1两端的电压，对第一电池组B1进行充电或者放电。

4、工作模式4：负电压侧功率开关S2和中性点侧功率开关SN闭合，正电压侧功率开关S1断开。

本工作模式下，第二电池组B2与第二直流电容C2并联，第一电池组B1的负极与第二电池组B2的正极连接，第一电池组B1的正极处于断开状态，因此电池组B1处于悬空状态。本工作模式下，通过控制第二直流电容C2两端的电压，对第二电池组B2进行充电或者放电。

工作模式3和工作模式4，分别控制第一电池组B1和第二电池组B2工作，因此第一电池组B1和第二电池组B2互为备用，当第一电池组B1出现故障时，采用工作模式4；反之，当第二电池组B2出现故障时，采用工作模式3。因而，本发明的用于低压配网的分布式储能系统对电池组故障具有了冗余备用功能。

本发明的用于低压配网的分布式储能系统通过变流器控制模块实时监测电网中的无功、谐波以及三相不平衡量等信息，并与目标值进行比较后，将差值作采用SPWM方式生成逆变桥的控制命令。

变流器控制系统用于给出开关控制模式的具体方法为：

步骤1、采集接入交流母线的负荷电流Il或分布式储能系统侧的电流Is以及接入交流母线接入点的电压Us；

步骤2、根据采集的负荷电流Il或系统侧的电流Is以及接入点的电压Us基于瞬时无功理论实时计算出负载或系统中的谐波电流、无功电流、三相电压不平衡分量、有功需求分量及波动量；

步骤3、将步骤2中检测的数据分别与设置的参考目标值比较，将比较差值作为控制的参考量，当控制目标设定为包含有功补偿时，正电压侧功率开关S1和负电压侧功率开关S2闭合，中性点侧功率开关SN断开，并且逆变器控制系统利用传统的SPWM控制策略，根据控制参考量生成实时的三电平逆变器功率开关控制信号；同时实时检测第一电池组B1、第二电池组B2的状态，当第一电池组B1和第二电池组B2均无法正常工作时，进入工作模式1；当第一电池组B1故障，第二电池组B2正常工作时，进入工作模式4；当第一电池组B1正常工作，第二电池组B2故障时，进入工作模式3。

本发明通过增加三个功率开关实现了多种控制模式，在保证系统工作性能的同时提高电池、电容等储能元器件的利用效率和使用寿命。

本发明一种用于低压配网的分布式储能系统的工作过程为：

用于低压配网的分布式储能系统在开机后，首先通过三电平变流器进行预充电控制。此预充电控制采用小电流将直流电容器C1和C2的电压和充至与电池组B1和电池组B2相等的状态，这个过程首先要通过BMS(电池管理系统)1和BMS2将电池电压反馈给变流器控制系统，变流器控制系统实时检测电容器组C1和电容器组C2的电压，在满足电容器组C1和电容器组C2的电压和与电池组B1和电池组B2的电压和时，就控制S1和S2闭合。此时，系统进入工作模式2。

用于低压配网的分布式储能系统通过检测电网的无功、谐波或者三相不平坦分量，将这些分量与设定的目标值进行比较，比较后的差值用于控制用于低压配网的分布式储能系统产生响应的补偿分量，也可以将上述分量进行灵活的组合。同时，用于低压配网的分布式储能系统可以接受上级控制系统、人工设定或按照一定的规律产生的有功分量，将该有功分量叠加到变流器控制系统中的电压环节，通过电压环控制系统进行充电或放电，其充电或放电功率均可以实现可控。

实时检测第一电池组B1、第二电池组B2的状态，当第一电池组B1和第二电池组B2均无法正常工作时，进入工作模式1；当第一电池组B1故障，第二电池组B2正常工作时，进入工作模式4；当第一电池组B1正常工作，第二电池组B2故障时，进入工作模式3。本发明设置了两组电池管理系统BMS1和BMS2，分别用于检测第一电池组B1和第二电池组B2的电池状态，其中如果出现两组电池组状不一致时，特别是通过第一电池管理系统BMS1和第二电池管理系统BMS2无法进行均衡控制时，这就证明这两组电池组中其中的一组出现了故障，或者两组电池组都出现故障。此时，利用两组电池管理系统的数据进行电池组故障状态的预判，并利用预先设定的比较数据，给出电池状体的预判结论。当第一电池组B1和第二电池组B2均无法正常工作时，进入工作模式1；当第一电池组B1故障，第二电池组B2正常工作时，进入工作模式4；当第一电池组B1正常工作，第二电池组B2故障时，进入工作模式3。

Claims (1)

1.一种用于低压配网的分布式储能系统，其特征在于，包括三电平变流器、第一直流电容C1、第二直流电容C2、第一电池组B1、第二电池组B2、正电压侧功率开关S1、负电压侧功率开关S2、中性点侧功率开关SN、第一电池管理系统BMS1、第二电池管理系统BMS2、交流器控制系统以及充电切换控制系统，其中，所述三电平变流器的正电压端口P+分别与正电压侧功率开关S1的一端以及第一直流电容C1的一端连接，所述三电平变流器的负电压端口P-分别与负电压侧功率开关S2的一端以及第二直流电容C2的一端连接，所述第二直流电容C2的另一端与第一直流电容C1的另一端连接，所述三电平变流器的中性点端口N与第二直流电容C2的另一端连接，所述三电平变流器的中性点端口N同时与中性点侧功率开关SN的一端连接，所述正电压侧功率开关S1的另一端与第一电池组B1的正极连接，第一电池组B1的负极分别与中性点侧功率开关SN的另一端以及第二电池组B2的正极连接，所述第二电池组B2的负极与负电压侧功率开关S2的另一端连接，所述第一电池管理系统BMS1、第二电池管理系统BMS2分别采集第一电池组B1和第二电池组B2的电池状态传递给充电切换控制系统，所述充电切换控制系统将第一直流电容C1和第二直流电容C2两端的电压以及第一电池组B1和第二电池组B2的电池状态传递给变流器控制系统，所述变流器控制系统用于给出开关控制模式；

所述变流器控制系统给出的开关控制模式，具体为：

工作模式1：正电压侧功率开关S1、负电压侧功率开关S2、中性点侧功率开关SN同时处于断开状态；

工作模式2：正电压侧功率开关S1和负电压侧功率开关S2闭合，中性点侧功率开关SN断开；

工作模式3：正电压侧功率开关S1和中性点侧功率开关SN闭合状态，负电压侧功率开关S2断开；

工作模式4：负电压侧功率开关S2和中性点侧功率开关SN闭合，正电压侧功率开关S1断开；

变流器控制系统用于给出开关控制模式的具体方法为：

步骤1、采集接入交流母线的负荷电流Il或分布式储能系统侧的电流Is以及接入交流母线接入点的电压Us；

步骤2、根据采集的负荷电流Il或系统侧的电流Is以及接入点的电压Us基于瞬时无功理论实时计算出负载或系统中的谐波电流、无功电流、三相电压不平衡分量、有功需求分量及波动量；

步骤3、将步骤2中检测的数据分别与设置的参考目标值比较，将比较差值作为控制的参考量，当控制目标设定为包含有功补偿时，正电压侧功率开关S1和负电压侧功率开关S2闭合，中性点侧功率开关SN断开，并且逆变器控制系统利用SPWM控制策略，根据控制参考量生成实时的三电平逆变器功率开关控制信号；同时实时检测第一电池组B1、第二电池组B2的状态，当第一电池组B1和第二电池组B2均无法正常工作时，进入工作模式1；当第一电池组B1故障，第二电池组B2正常工作时，进入工作模式4；当第一电池组B1正常工作，第二电池组B2故障时，进入工作模式3。