一种混合储能变流装置、风电变流器及控制方法与流程

1.本技术涉及新能源技术领域，具体涉及一种混合储能变流装置、风电变流器及控制方法。


背景技术：

2.随着新能源越来越受青睐，风力发电和光伏发电的应用越来越多，其中，光伏发电的光伏阵列输出的为直流电，风力发电机组输出的为交流电。
3.在风力发电中，风电变流器一般采用交流-直流-交流的电路拓扑。目前，在风力发电和光伏发电中，一般都设置储能装置。
4.储能装置与风电变流系统的耦合可以实现电网调频、风电能量的转移以及风电系统并网性能的提升等。目前主流的储能装置主要采用电化学储能电池，储能电池在参与风储联合的应用时响应速度、功率吞吐量以及寿命都要受限于储能电池的性能。这种储能方式比较单一，不能更好发挥储能的优势。


技术实现要素：

5.为了解决以上技术问题，本技术提供一种混合储能变流装置、风电变流器及控制方法，能够采用混合储能，储能方式灵活，可以更好发挥储能的优势。
6.本技术提供一种混合储能变流装置，包括：功率变换电路、切换电路和控制器；功率变换电路的第一端用于连接直流母线；功率变换电路的第二端连接切换电路的第一端；切换电路的第二端用于连接交流储能设备，切换电路的第三端用于连接直流储能设备；
7.控制器，用于控制功率变换电路工作在直流-交流模式时，控制切换电路的第一端与切换电路的第二端接通，使功率变换电路连接交流储能设备；还用于控制功率变换电路工作在直流-直流模式时，控制切换电路的第一端与切换电路的第三端接通，使功率变换电路连接直流储能设备。
8.优选地，直流母线连接风电变流器的直流侧。
9.优选地，控制器，具体用于在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路工作在直流-交流模式；目标参数包括以下中的至少一种：接收到预设调节指令、直流母线的电压、电网频率和风电变流器的功率变化率。
10.优选地，当目标参数为直流母线的电压时，控制器，具体用于在直流母线的电压大于预设电压区间的最大值时，控制功率变换电路输出交流电为交流储能设备充电；在直流母线的电压小于预设电压区间的最小值时，控制交流储能设备放电，以使功率变换电路输出直流电压来稳定直流母线的电压。
11.优选地，当目标参数为电网频率时，控制器，具体用于当电网频率的变化率超过预设值或电网频率的偏差超过预设偏差时，控制功率变换电路工作为交流储能设备充电或放电来调节电网频率。
12.优选地，当目标参数为风电变流器的功率变化率时，控制器，具体用于风电变流器
的输出功率的变化率大于预设变化率时，控制功率变换电路工作为交流储能设备充电或放电来稳定风电变流器的输出功率。
13.优选地，控制器，具体用于接收到直流母线电压维持指令、调峰指令或能量转移指令时，控制功率变换电路工作在直流-直流模式。
14.优选地，切换电路包括第一组开关和第二组开关；
15.第一组开关的两端分别连接切换电路的第一端和第二端，第二组开关的两端分别连接切换电路的第一端和第三端。
16.优选地，功率变换电路的每相包括一个半桥电路，每个半桥电路包括串联的两个可控开关管。
17.本技术还提供一种风电变流器，包括交流直流电路、直流交流电路和以上介绍的混合储能变流装置；
18.交流直流电路的输入端用于连接风力发电机，交流直流电路的输出端用于连接直流交流电路的输入端，直流交流电路的输出端用于连接交流电网；
19.混合储能变流装置中功率变换电路的第一端用于连接交流直流电路的输出端。
20.本技术还提供一种混合储能变流装置的控制方法，混合储能变流装置包括：功率变换电路、切换电路和控制器；功率变换电路的第一端用于连接直流母线；功率变换电路的第二端连接切换电路的第一端；切换电路的第二端用于连接交流储能设备，切换电路的第三端用于连接直流储能设备；
21.包括：
22.控制功率变换电路工作在直流-交流模式时，控制切换电路的第一端与切换电路的第二端接通，使功率变换电路连接交流储能设备；
23.控制功率变换电路工作在直流-直流模式时，控制切换电路的第一端与切换电路的第三端接通，使功率变换电路连接直流储能设备。
24.优选地，控制功率变换电路工作在直流-交流模式，具体包括：
25.在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路工作在直流-交流模式；目标参数包括以下中的至少一种：接收到预设调节指令、直流母线的电压、电网频率和风电变流器的功率变化率。
26.优选地，在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路工作在直流-交流模式，具体包括：
27.目标参数为直流母线的电压，在直流母线的电压大于预设电压区间的最大值时，控制功率变换电路输出交流电为交流储能设备充电；在直流母线的电压小于预设电压区间的最小值时，控制交流储能设备放电，以使功率变换电路输出直流电压来稳定直流母线的电压。
28.优选地，在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路工作在直流-交流模式，具体包括：
29.目标参数为电网频率，当电网频率的变化率超过预设值或电网频率的偏差超过预设偏差时，控制功率变换电路工作为交流储能设备充电或放电来调节电网频率。
30.优选地，在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路工作在直流-交流模式，具体包括：
31.目标参数为风电变流器的功率变化率，在风电变流器的输出功率的变化率大于预设变化率时，控制功率变换电路工作为交流储能设备充电或放电来稳定风电变流器的输出功率。
32.优选地，控制功率变换电路工作在直流-直流模式，具体包括：
33.接收到直流母线电压维持指令、调峰指令或能量转移指令时，控制功率变换电路工作在直流-直流模式。
34.由此可见，本技术具有如下有益效果：
35.本技术提供的混合储能装置，利用一套功率变换电路便可以实现对交流储能设备进行交流储能，也可以实现对直流储能设备储能。并且，该功率变换电路为双向功率变换电路，即可以将直流母线的电能输出给储能设备，也可以将储能设备的电能输送给直流母线。控制器控制功率变换电路的工作状态，可以输出交流电或直流电，具体可以通过控制功率变换电路中的可控开关管的开关状态。当功率变换电路工作在直流-交流模式时，通过控制切换电路的开关来将功率变换电路和交流储能设备接通，当功率变换电路工作在直流-直流模式时，通过控制切换电路的开关将功率变换电路和直流储能设备接通。混合储能装置既可以实现交流的储能，又可以实现直流的储能，例如在风力发电系统，可以在需要时，将交流储能或者直流储能的能量反馈至直流母线，满足风力发电系统的需求，例如调频或调峰等，从而可以稳定电网的电压、频率和功率，可以更加灵活地实现电能的双向流动。
附图说明
36.图1为本技术提供的一种风力发电系统的示意图；
37.图2为本技术实施例提供的一种混合储能变流装置示意图；
38.图3为本技术实施例提供的另一种混合储能变流装置的示意图；
39.图4为本技术实施例提供的一种风电变流器的示意图；
40.图5为本技术实施例提供的一种混合储能变流装置的控制方法的流程图。
具体实施方式
41.为了使本领域技术人员更好地理解本技术提供的技术方案，下面先介绍具体的应用场景。
42.本技术实施例提供的混合储能变流装置，不具体限定应用场景，只要有直流电源即可，利用直流电源进行储能，该直流电源的来源可以为光伏阵列，也可以为风电机组。为了方便理解，下面以混合储能变流装置在风力发电中的应用为例进行介绍。
43.参见图1，该图为本技术提供的一种风力发电系统的示意图。
44.该风力发电系统包括交流直流(acdc，alternating current direct current)电路100、直流交流(dcac，direct current alternating current)电路200；
45.其中，acdc电路100的第一端连接风力发电机，acdc电路100的第二端连接dcac电路200的第一端，dcac电路200的第二端连接变压器t。
46.acdc电路100用于将发电机输出的交流电变换为直流电输出给dcac电路200，dcac电路200用于将直流电变换为交流电，经过变压器t变压后进行并网。
47.本技术实施例提供的混合储能变流装置300应用于风力发电系统时，混合储能变
流装置300连接acdc电路100的第二端，即连接直流侧的直流母线。
48.本技术实施例提供的混合储能变流装置既可以实现交流储能，又可以实现直流储能，并且交流储能和直流储能共用一套功率变换电路，这样集成度更高，节省硬件数量，节省整个混合储能变流装置的体积，从而降低成本。
49.下面结合附图详细介绍本技术实施例提供的混合储能变流装置。
50.参见图2，该图为本技术实施例提供的一种混合储能变流装置示意图。
51.本实施例提供的混合储能变流装置，包括：功率变换电路10、切换电路20和控制器30；
52.功率变换电路10的第一端用于连接直流母线；功率变换电路10的第二端连接切换电路20的第一端；
53.切换电路20的第二端用于连接交流储能设备40，切换电路20的第三端用于连接直流储能设备50；
54.控制器30，用于控制功率变换电路10工作在直流-交流模式时，控制切换电路20的第一端与切换电路20的第二端接通，使功率变换电路10连接交流储能设备40；还用于控制功率变换电路10工作在直流-直流模式时，控制切换电路20的第一端与切换电路20的第三端接通，使功率变换电路10连接直流储能设备50。
55.例如，直流母线连接风电变流器的直流侧；交流储能设备包括电机和飞轮；其中飞轮也可以替换为液压气动储能，直流储能设备包括储能电池。
56.其中，交流储能可以采取动能储能形式，可以实现快速响应功率调节，即交流储能具有动态响应快，寿命长等优点。交流储能可以采用电机实现电能和机械能之间的转换，机械能与能量存储介质之间的能量转换，例如可以采用飞轮或液压气动储能。电机转速的闭环控制实现飞轮转速的快速调节，飞轮转速提升时，电能转化为飞轮动能即充电模式，飞轮转速降低时，飞轮的动能转化为电能的输出即放电模式。
57.电机为同步电机，或感应电机，或其他交流电机，可以实现如转速、转矩的实时调节，均具备机械能和电能的快速转变能力，从而实现交流储能模式的充电或放电。
58.直流储能具有能量单元大，可以实现功率的长时间吞吐，实现电能与直流能量存储介质之间的能量转换，存储介质可以为电化学电池、电解水制氢、电磁储能等。
59.本技术实施例提供的混合储能装置，利用一套功率变换电路便可以实现对交流储能设备进行交流储能，也可以实现对直流储能设备储能。并且，该功率变换电路为双向功率变换电路，即可以将直流母线的电能输出给储能设备，也可以将储能设备的电能输送给直流母线。控制器控制功率变换电路的工作状态，可以输出交流电或直流电，具体可以通过控制功率变换电路中的可控开关管的开关状态。当功率变换电路工作在直流-交流模式时，通过控制切换电路的开关来将功率变换电路和交流储能设备接通，当功率变换电路工作在直流-直流模式时，通过控制切换电路的开关将功率变换电路和直流储能设备接通。该混合储能装置包括的功率变换电路可以在两种工作模式中切换，从而实现两种完全不同的电路功能，合二为一，因此，电路集成度更高，节省硬件面积和体积，降低成本。
60.下面以功率变换电路为三相半桥电路为例进行介绍，参见图3，该图为本技术实施例提供的另一种混合储能变流装置的示意图。
61.其中功率变换电路包括三个桥臂，每相对应一个桥臂，每个桥臂包括串联的两个
可控开关管，如图3所示，三相功率变换电路共包括六个可控开关管，分别为1-6。控制器向功率变换电路中的可控开关管发送驱动信号，可以控制功率变换电路工作在直流-交流模式，也可以控制功率变换电路工作在直流-直流模式。
62.交流储能设备包括电机m和飞轮f为例，直流储能设备为储能电池为例。
63.本实施例中以切换电路包括第一组开关k1和第二组开关k2为例进行介绍，另外切换电路也可以为其他形式，只要可以实现通路的切换即可；
64.第一组开关k1的两端分别连接切换电路的第一端和第二端，第二组开关k2的两端分别连接切换电路的第一端和第三端。应该理解，对于三相系统来说，第一组开关k1和第二组开关k2均包括三相，并且两组开关的开关状态不可以同时闭合，可以同时断开，或者一个闭合，一个断开。例如直流储能时，k1闭合，k2断开。交流储能时，k1断开，k2闭合。
65.本实施例提供的混合储能变流装置，还包括：滤波电路；如图3所示，滤波电路包括滤波电感l。
66.滤波电路连接在功率变换电路10和切换电路20的第一端之间，例如l连接在功率变换电路10的输出端与切换电路20的第一端之间。
67.另外，功率变换电路10还包括输入电容c1，输入电容c1连接在功率变换电路10的正输入端和负输入端之间，也可以作为直流母线电容。其中直流母线的正母线为dc+，负母线为dc-，功率变换电路10的正输入端和负输入端分别连接dc+和dc-。
68.在储能电池的正端b+和负端b-之间还连接有电容c2。
69.交流侧储能模式与直流侧储能模式的切换可以直接接收上级控制器的调度，参与不同的控制场景，当上级控制器参与调频或功率平滑时下发交流储能指令，混合储能变换装置中的功率变换电路工作于交流储能模式；当上级控制器参与调峰或能量转移时下发直流储能指令，混合储能变换装置中的功率变换电路直流储能模式。其中，上级控制器例如在风力发电系统中，可以为风电变流器的控制器或者更高一级的风力发电站的控制器。
70.下面首先介绍功率变换电路工作在直流-交流模式，即功率变换电路与交流储能设备接通的情景。
71.控制器30，具体用于在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路10工作在直流-交流模式；目标参数包括以下中的至少一种：接收到预设调节指令、直流母线的电压、电网频率和风电变流器的功率变化率。该预设调节指令指示功率变换电路切换到直流-交流模式。
72.当目标参数为直流母线的电压时，控制器，具体用于在直流母线的电压大于预设电压区间的最大值时，控制功率变换电路10输出交流电为交流储能设备充电；在直流母线的电压小于预设电压区间的最小值时，控制交流储能设备放电，以使功率变换电路10输出直流电压来稳定直流母线的电压。应该理解，对于直流母线的调节，可以直接采集直流母线的电压，即功率变换电路的第一端的电压。
73.其中，预设电压区间的最大值可以根据实际保护和控制策略确定，例如可以选择直流电压的安全运行上限值。
74.当目标参数为电网频率时，控制器30，具体用于当电网频率的变化率超过预设值或电网频率的偏差超过预设偏差时，控制功率变换电路10工作为交流储能设备充电或放电来调节电网频率。
75.其中，电网频率的变化率对应惯量，电网频率的偏差对应一次调频。即，当电网频率超出惯量或一次调频死区时，启动交流储能进行充电或放电，补充惯量和频率偏差的功率差值，参与惯量调频服务。
76.当目标参数为风电变流器的功率变化率时，控制器30，具体用于风电变流器的输出功率的变化率大于预设变化率时，控制功率变换电路10工作为交流储能设备充电或放电来稳定风电变流器的输出功率。应该理解，风电变流器的输出功率的采样可以通过采集电压和电流来获得。
77.根据预设变换率参与并网功率的平滑控制、功率骤升和功率骤降。例如，可以将当前输出功率与前一时刻输出功率进行比较，当功率变化率超出预设变化率时，启动交流储能，进行充电或放电，吸收或者发出功率，即进行反向功率流动，从而实现对风电变流器的输出功率的平滑控制。
78.以上介绍的是根据目标参数进行交流储能模式的控制，下面介绍直流储能模式的控制。
79.直流储能模式的控制主要是根据上级控制的指令来控制功率变换电路工作于直流-直流模式。
80.控制器30，具体用于接收到直流母线电压维持指令、调峰指令或能量转移指令时，控制功率变换电路10工作在直流-直流模式。
81.目标参数为风电机组的能量控制，当风电限发时，通过直流储能吸收风电机组的电能缓解弃电，当风电并网时，直流储能作为并网能量的补给，提升发电量。
82.目标参数为深度调频的功率储备，直流能量通过并网逆变在互联电网线路上进行能量交换来抵消电网频率的差值。
83.目标参数为直流电压的维持，功率变换电路10为直流母线提供稳定的直流电压和功率，提供实现黑启动和交流互联电网稳定运行的直流电压和功率。
84.基于以上实施例提供的一种混合储能变流装置，本技术实施例还提供一种风电变流器，下面结合附图进行详细介绍。
85.参见图4，该图为本技术实施例提供的一种风电变流器的示意图。
86.本实施例提供的风电变流器，acdc电路100、dcac电路200和以上介绍的混合储能变流装置300；
87.acdc电路100的输入端用于连接风力发电机，acdc电路100的输出端用于连接dcac电路200的输入端，dcac电路200的输出端用于连接交流电网；
88.混合储能变流装置300中功率变换电路10的第一端用于连接acdc电路100的输出端。
89.本技术实施例提供的风电变流器，包括混合储能变流装置300，该混合储能变流装置300可以与acdc电路100和dcac电路200集成在一起，也可以独立设置。由于该风电变流器设置混合储能变流装置，既可以实现交流的储能，又可以实现直流的储能，而且可以在风力发电系统需要时，将交流储能或者直流储能的能量反馈至直流母线，满足风力发电系统的需求，例如调频或调峰等，从而可以稳定电网的电压、频率和功率，可以更加灵活地实现电能的双向流动。在需要快速响应时，可以控制功率变换电路工作在直流-交流模式，在长时间储能时，可以控制功率变换电路工作在直流-直流模式。
90.基于以上实施例提供的一种混合储能变流装置及风电变流器，本技术实施例还提供一种混合储能变流装置的控制方法，下面结合附图进行详细介绍。
91.参见图5，该图为本技术实施例提供的一种混合储能变流装置的控制方法的流程图。
92.本实施例提供的混合储能变流装置的控制方法，混合储能变流装置包括：功率变换电路、切换电路和控制器；功率变换电路的第一端用于连接直流母线；功率变换电路的第二端连接切换电路的第一端；切换电路的第二端用于连接交流储能设备，切换电路的第三端用于连接直流储能设备；
93.包括：
94.s501：控制功率变换电路工作在直流-交流模式时，控制切换电路的第一端与切换电路的第二端接通，使功率变换电路连接交流储能设备；
95.s502：控制功率变换电路工作在直流-直流模式时，控制切换电路的第一端与切换电路的第三端接通，使功率变换电路连接直流储能设备。
96.控制功率变换电路工作在直流-交流模式，具体包括：
97.在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路工作在直流-交流模式；目标参数包括以下中的至少一种：接收到预设调节指令、直流母线的电压、电网频率和风电变流器的功率变化率。
98.在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路工作在直流-交流模式，具体包括：
99.目标参数为直流母线的电压，在直流母线的电压大于预设电压区间的最大值时，控制功率变换电路输出交流电为交流储能设备充电；在直流母线的电压小于预设电压区间的最小值时，控制交流储能设备放电，以使功率变换电路输出直流电压来稳定直流母线的电压。
100.在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路工作在直流-交流模式，具体包括：
101.目标参数为电网频率，当电网频率的变化率超过预设值或电网频率的偏差超过预设偏差时，控制功率变换电路工作为交流储能设备充电或放电来调节电网频率。
102.在目标参数满足对应条件时，控制功率变换电路工作在直流-交流模式，具体包括：
103.目标参数为风电变流器的功率变化率，在风电变流器的输出功率的变化率大于预设变化率时，控制功率变换电路工作为交流储能设备充电或放电来稳定风电变流器的输出功率。
104.控制功率变换电路工作在直流-直流模式，具体包括：
105.接收到直流母线电压维持指令、调峰指令或能量转移指令时，控制功率变换电路工作在直流-直流模式。
106.由于该控制方法，既可以实现交流的储能，又可以实现直流的储能，而且可以在风力发电系统需要时，将交流储能或者直流储能的能量反馈至直流母线，满足风力发电系统的需求，例如调频或调峰等，从而可以稳定电网的电压、频率和功率，可以更加灵活地实现电能的双向流动。在需要快速响应时，可以控制功率变换电路工作在直流-交流模式，在长
时间储能时，可以控制功率变换电路工作在直流-直流模式。
107.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。