构网型高压直挂电池储能系统及方法

本发明涉及电气自动化设备，具体地，涉及一种构网型高压直挂电池储能系统及方法，尤其涉及能够实现单电感滤波的高压直挂电池储能系统电压源运行、并离网切换、黑启动等功能的控制方法。

背景技术：

1、常规电池储能系统方案受限于电池安全、成组方式及电池管理系统等技术，单机容量一般不超过0.5 mw，将多台上述电池储能系统并联组成更大容量的储能电站，最后通过升压变压器逐级升压后接入中高压电网。基于常规电池储能系统架构的储能电站中电池堆存在簇间环流较大、木桶效应明显、电池利用率低、容易引发安全性问题等缺点。另外，多台的储能变换器并联会造成储能电站结构复杂，占地面积大，电缆线路长导致寄生参数分布复杂，通信延时导致系统响应时间慢，整个电站控制系统复杂、协调控制困难，难以适应未来建设百mw级与gw级储能电站需求。

2、gb26860-2011 电力安全工作规程(发电厂和变电站电气部分) 中第3.6条及第3.7条对高低压有定义。低[电]压：用于配电的交流系统中1000v及其以下的电压等级；高[电]压：(1)通常指超过低压的电压等级。(2)特定情况下指电力系统中输电的电压等级。由此可知，高低压电器的分界线交流电压是1000伏。‌交流电压在1000伏以上被称为高压电，‌而1000伏以下则被称为低压电。‌在某些情况下，‌35千伏及以下被称为中压电。

3、黑启动功能指在电力系统或微电网因故障停运后，不依赖外部网络的帮助，通过系统内部具有自启动能力的电源或微源启动，逐步带动无自启动能力的电源或微源，最终实现整个系统或微电网的恢复过程。黑启动的实现依赖于系统内部具有自启动能力的电源或微源，这些电源或微源能够在系统全黑状态下首先启动，为系统恢复提供初始的电力支持。并离网切换涉及到微电网从并网状态向离网状态转换或从离网状态向并网状态转换的过程。这种切换过程对于保障电力系统的稳定运行和重要负载的持续供电具有重要意义。并网点对于有升压站的分布式电源，为分布式电源升压站高压侧母线或节点；对于无升压站的分布式电源，为分布式电源的输出汇总点，电源接入电网的连接点或电力用户的用电设备与电网的连接点。独立发电厂或小电力系统与相邻电力系统发生电气连接，进行功率交换的行为称为并网。

4、基于级联h桥变换器的高压直挂电池储能系统具有高度模块化的结构，便于扩容及冗余设计，且可省去工频变压器直挂高压电网，由变压器引起的损耗可被消除。将大容量电池堆以单个电池簇为单元分散接入到各h桥电路中，避免了电池推中的环流，减小了系统循环损耗同时提升了系统安全性。与传统储能系统相比，高压直挂电池储能系统实现了单机大容量化，组成大规模储能电站时所需并联台数少，减少了电站占地面积，电站结构及控制策略简单，系统响应速度快且不易引发系统稳定性问题，可满足建设大容量电池储能电站的需求。

5、高压直挂电池储能系统结合了电力电子变换器的快速响应速度，以通过模拟同步机(称为参考同步机)的运行特性来实现同步机固有的同步特性，即构网型控制，从而电网提供有功无功主动支撑。高压直挂电池储能系统结合了电力电子换流器和电池储能系统的优点，构建出具有同步机性能甚至超过传统同步发电机的性能的大容量静止同步机，对构建以新能源为主体的新型电力系统具有重要意义。高压直挂电池储能系统模块化多电平的拓扑特点，使得经过网侧滤波电感并网后电流谐波本身较小，同时高压系统中电容的成本高、可靠性低，因此高压直挂电池储能系统拓扑中并网点不存在电容滤波。然而，在传统低压系统中构网型控制中，由于网侧存在滤波电感和滤波电容，因此通过外环电压、内环电流的双闭环控制来实现并网点的电压控制，这种基于双闭环控制结构无法直接应用在高压直挂电池储能系统构网型控制中。无交流滤波电容的特性也使得并网点电压难以构建，进而使得构网型控制性能恶化且控制参数难以整定，还会引起有功无功耦合、孤岛电压谐波大以及振荡失稳等问题。

6、现有技术中，已有以下一些构网型控制方法被提出：

7、现有公开号为cn117674228a的发明专利，公开了一种构网型储能系统，分析当前储能系统运行故障出现原因，记录电能紧急事件支撑信息及发生紧急支撑时间时刻电池运行状态。从构网型储能配置和运行策略上，解决当电能发生变化时需确保电力系统稳定性的问题，该专利中同样指出了构网型储能系统在控制上需要解决的问题。

8、公开号为cn117674174b的发明专利，公开了一种构网型statcom的控制方法和系统，将构网型技术与statcom相结合，使其具备电压源特性、能够瞬时响应系统无功缺额，不影响构网设备的短路容量、转动惯量支撑性能，从而实现无功支撑场景下的低成本构网。然而statcom不具备有功输出能力，在频率支撑、黑启动运行等方面存在不足。

9、公开号为cn116316768b的发明专利，公开了一种构网型分散式储能系统，通过设置与电池一一对应的子功率变换单元，可以防止电池簇不一致性带来的簇间电压不均，自动调整各电池簇功率分配，在主动支撑电网的情况下还能充分利用分散式储能的灵活性，实现电池储能利用最大化。然而该构网型储能系统基于传统储能架构，其控制方法无法直接应用于高压直挂电池储能系统。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的难以构建并网点电压，使得构网型控制性能恶化且控制参数难以整定，引起有功无功耦合、孤岛电压谐波大以及振荡失稳等问题缺陷，本发明提供一种构网型高压直挂电池储能系统及方法。

2、根据本发明提供的一种构网型高压直挂电池储能系统及方法，所述方案如下：

3、第一方面，提供了一种构网型高压直挂电池储能系统，所述系统包括：高压直挂电池储能系统、构网型控制模块、并网点电压稳定模块；

4、所述高压直挂电池储能系统，是将系统中的电池模块接入到交直流功率变换电路的直流母线上，所述交直流功率变换电路实现将所述电池模块中的电化学能转变为电能，所述交直流功率变换电路在交流侧级联，再通过滤波电感接入中高压电网；

5、所述构网型控制模块，是通过模拟电压源或同步机特性，实现与电网自主同步，通过控制回路使得高压直挂电池储能系统体现电压源特性；

6、所述并网点电压稳定模块，根据外部系统阻抗特性和并网电压谐波特性，自适应产生稳定参数给所述构网型控制模块，从而实现所述高压直挂电池储能系统的稳定构网型控制。

7、优选地，所述高压直挂电池储能系统与各电压等级电网直接相连，包括：a相功率模块、b相功率模块及c相功率模块；每一相由n个功率模块级联而成，功率模块实现将电池模块中的电化学能转变为电能，每个功率模块包括h桥功率器件及其驱动电路、母线电容、直流熔断器、电池侧预充电装置，在功率模块直流侧通过电缆和直流侧滤波电感与电池簇进行连接，级联h桥变换器在交流侧通过滤波电感、交流侧预充电装置以及交流熔断器直接接入电网；

8、所述构网型控制模块与所述高压直挂电池储能系统的电池储能模块电连接，模拟电压源或同步机特性与电网同步。

9、优选地，所述构网型控制模块包括：有功功率-频率特性控制模块、无功功率-电压特性控制模块、虚拟导纳控制模块、自适应限流控制模块、电流内环控制模块；

10、所述有功功率-频率特性控制模块，通过一次调频环节、虚拟惯量环节和阻尼控制环节输出系统的功角，并分别调节系统的一次调频特性、惯量响应特性和频率阻尼特性；

11、所述无功功率-电压特性控制模块，通过无功电压下垂环节、内电势调节环节输出系统的内电势幅值；

12、所述虚拟导纳控制模块，模拟内电势和并网之间的虚拟阻抗特性，进行并网运行和孤岛运行虚拟阻抗策略的无缝切换，输出系统限幅前的电流指令；

13、所述自适应限流控制模块，在不同并网点电压幅值下自适应调节输出系统限幅后的电流指令；

14、所述电流内环控制模块，通过电流闭环调节并网电流跟随系统限幅后的电流指令。

15、优选地，所述有功功率-频率特性控制模块通过一次调频环节生产有功功率的指令值：

16、

17、其中， ωn为额定角频率， ωg为电网角频率， dp为一次调频下垂系数， pset为并网点有功功率设定值， pref为实际有功功率参考值， pmax为高压直挂电池储能系统最大有功功率；sgn( )表示符号函数；

18、再通过虚拟惯量环节和阻尼控制环节输出系统的功角：

19、

20、其中， j为虚拟惯量系数， s为微分算子， dd为阻尼系数， ppcc为并网点有功功率实际值。

21、优选地，当并网点电压低于低电压故障判断阈值 vth_low时，调整并网有功功率设定值为零将并网点有功功率实际值 ppcc乘以一个放大系数，通过选取系数，使暂态低电压故障时的有功回路响应特性和响应时间和稳态保持一致。

22、优选地，所述无功功率-电压特性控制模块通过无功电压下垂环节、内电势调节环节输出内电势幅值为

23、

24、其中， e为内电势幅值， ωn为额定角频率， k为内电势调节系数， s为微分算子， dq为无功电压下垂系数， vn为并网点电压额定值， vpcc为并网点电压实际值， qset为并网点无功功率设定值， qpcc为并网点无功功率实际值。

25、优选地，所述虚拟导纳控制模块在静止坐标系上实现虚拟导纳的电路方程为

26、

27、其中， rv为虚拟电阻， lv为虚拟电感， v*d为d轴电压指令， v*q为q轴电压指令， i*d为d轴电流指令， i*q为q轴电流指令， vd为d轴电压反馈值， vq为q轴电压反馈值；表示电感阻抗值；

28、电压指令 v*d= e， v*q=0，在并网状态下，电压反馈值为并网点电压的正序分量；在孤岛状态下，电压反馈值为并网点电压的实际值。

29、优选地，所述自适应限流控制模块同时考虑电流应力和电池倍率边界下电流限幅器存在的两种工况；

30、工况一，当电流限幅器输入电流的幅值超过变换器的应力，经过限幅器后输出网侧电流内环的参考值为

31、

32、其中，为经过限幅器后输出网侧电流内环的参考指令；

33、工况二，当电流限幅器输入电流没超过变换器的应力，但超出电池倍率限制形成的边界条件，即；电池倍率限制与并网点电压的幅值有关，因此需要根据并网点电压自适应调节，经过限幅器后输出网侧电流内环的参考值为

34、

35、在实现自适应电流限幅时先判断系统工作在以上何种工况，再通过各自条件进行电流限幅。

36、优选地，所述并网点电压稳定模块根据外部系统阻抗特性和并网点电压谐波特性，产生两组稳定参数分别发送给所述虚拟导纳控制模块和所述电流内环控制模块，控制系统在导电状态稳定的并网连接。

37、第二方面，提供了一种构网型高压直挂电池储能方法，所述方法包括：

38、步骤s1：通过有功功率-频率特性控制模块输出系统的功角，并通过无功功率-电压特性控制模块输出系统的内电势幅值；

39、步骤s2：由并网点电压稳定模块根据系统外部系统阻抗特性和并网点电压谐波特性，产生两组稳定参数；

40、步骤s3：通过虚拟导纳控制模块模拟内电势和并网点之间的虚拟阻抗特性，再结合并网点电压稳定模块产生的稳定参数，输出系统限幅前的电流指令；

41、步骤s4：通过自适应限流控制模块综合考虑电池倍率对系统有功限制和变换器器件应力对系统容量限制两方面，在不同并网点电压幅值下自适应调节输出系统限幅后的电流指令；

42、步骤s5：通过电压内环控制模块基于构网型控制模块输出的内电势相位角，对并网点电压进行闭环控制输出调制电压，再结合并网点电压稳定模块产生的稳定参数，从而控制高压直挂电池储能系统。

43、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

44、1、本发明可以实现高压直挂电池储能系统这一类经过单电感滤波的直挂式拓扑的构网型控制，不依赖交流侧滤波电容存在，仍可以同时实现高压直挂电池储能系统构网型控制和暂态支撑能力；

45、2、本发明通过提供的一种高压直挂电池储能系统构网型控制方法，实现了高压直挂电池储能系统呈现电压源特性，提出的并网点电压稳定控制可以根据外部阻抗特性计算输出稳定参数分别给电流内环控制模块和虚拟导纳控制模块，改善了构网型高压直挂电池储能系统的交流电压控制性能，使其可自主同步电网稳定发电运行，具有自主惯量响应和一次调频能力，电网故障时可提供短路电流支撑，具备带负荷并网转孤岛的稳定构网运行能力，可自主建立电压，具备黑启动功能，实现零起升压并对外供电；

46、3、针对传统的限流控制只考虑器件限制的矢量限幅，没有考虑电池充放电倍率的限制情形，特别是对于高电压穿越故障中，电池倍率对d轴电流的限制作用增强，若不考虑电池倍率限制很容易引起电池簇暂态过流，造成电池寿命衰减甚至直接触发bms的过流保护，本发明提出的自适应限流控制模块同时考虑电流应力和电池倍率边界下电流限幅器可以始终保证电池运行在安全边界内。

47、本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

技术特征：

1.一种构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，包括：高压直挂电池储能系统、构网型控制模块、并网点电压稳定模块；

2.根据权利要求1所述的构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，所述高压直挂电池储能系统与各电压等级电网直接相连，包括：a相功率模块、b相功率模块及c相功率模块；每一相由n个功率模块级联而成，功率模块实现将电池模块中的电化学能转变为电能，每个功率模块包括h桥功率器件及其驱动电路、母线电容、直流熔断器、电池侧预充电装置，在功率模块直流侧通过电缆和直流侧滤波电感与电池簇进行连接，级联h桥变换器在交流侧通过滤波电感、交流侧预充电装置以及交流熔断器直接接入电网；

3.根据权利要求1所述的构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，所述构网型控制模块包括：有功功率-频率特性控制模块、无功功率-电压特性控制模块、虚拟导纳控制模块、自适应限流控制模块、电流内环控制模块；

4.根据权利要求3所述的构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，所述并网点电压稳定模块根据高压直挂电池储能系统外部系统阻抗特性和并网点电压谐波特性，产生两组稳定参数分别发送给所述虚拟导纳控制模块和所述电流内环控制模块，控制高压直挂电池储能系统在导电状态稳定的并网连接。

5.根据权利要求3所述的构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，所述有功功率-频率特性控制模块通过一次调频环节生产有功功率的指令值：

6.根据权利要求5所述的构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，当并网点电压低于低电压故障判断阈值vth_low时，调整并网有功功率设定值为零将并网点有功功率实际值ppcc乘以一个放大系数，通过选取系数，使暂态低电压故障时的有功回路响应特性和响应时间和稳态保持一致。

7.根据权利要求3所述的构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，所述无功功率-电压特性控制模块通过无功电压下垂环节、内电势调节环节输出内电势幅值为

8.根据权利要求3所述的构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，所述虚拟导纳控制模块在静止坐标系上实现虚拟导纳的电路方程为

9.根据权利要求3所述的构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，所述自适应限流控制模块同时考虑电流应力和电池倍率边界下电流限幅器存在的两种工况；

10.一种构网型高压直挂电池储能方法，基于权利要求1-9任一项所述的构网型高压直挂电池储能系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明提供一种构网型高压直挂电池储能系统及方法，包括：高压直挂电池储能系统、构网型控制模块、并网点电压稳定模块；高压直挂电池储能系统将系统中的电池模块接入到交直流功率变换电路的直流母线上，交直流功率变换电路实现将电池模块中的电化学能转变为电能，交直流功率变换电路在交流侧级联，再通过滤波电感接入中高压电网；构网型控制模块实现与电网自主同步，通过控制回路使得高压直挂电池储能系统体现电压源特性；并网点电压稳定模块，根据外部系统阻抗特性和并网电压谐波特性，自适应产生稳定参数给构网型控制模块，实现高压直挂电池储能系统的稳定构网型控制。本发明能够改善交流电压控制性能，使其可自主同步电网稳定发电运行。

技术研发人员：蔡旭,吴西奇,王富文,李睿,刘畅,史先强,刘怡琳
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5