一种超大规模储能系统控制保护装置的制作方法

本发明涉及电力储能技术领域，具体讲涉及一种超大规模储能系统控制保护装置。

背景技术：

储能技术发展是保障清洁能源大规模发展和电网安全经济运行的关键，其通过在电力系统中增加电能存储环节，能够有效地平抑大规模清洁能源发电接入电网带来的波动性，提高电网运行的安全性、经济性、灵活性。超大规模电池储能系统可用于大电网调峰，并且可与大规模可再生能源联合运行，可迅速对风电、光伏发电的出力做出反应，平抑可再生能源波动，保障电网实时运行安全。

目前，电池储能系统技术典型的控制保护架构由底层的电池组件bms系统、中间级的pcs现场控制和站控的能量管理系统ems组成，但该控制架构的控制对象规模较小，不适用于超大规模储能系统的控制。基于直流侧接电容的全桥chb和半桥mmc级联结构电力电子变换器在高压大容量无功补偿和柔性直流输电中得到广泛应用。将电池分散接入每个子模块的直流端，构成模块级联型电池储能系统成为近年高压超大规模储能方面的研究热点。

技术实现要素：

本发明提供了一种超大规模储能系统控制保护装置，其目的是为了控制超大规模储能系统与电网之间能量的流动，并在超大规模储能系统或与其相连的电网发生故障时，控制接入电网的开关或储能系统中各个开关管，实现对能量控制及故障保护的作用。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种超大规模储能系统控制保护装置，所述储能系统由依次连接的换流链、dc/dc变换模块、若干柔性连接模块及其对应的电池模组组成，其改进之处在于，所述装置包括：换流链控制保护模块、直流场控制保护模块和监测主机；

所述换流链控制保护模块分别与所述换流链、直流场控制保护模块和与所述储能系统接入的电网系统连接；

所述直流场控制保护模块分别与所述dc/dc变换模块、柔性连接模块和电池模组连接；

所述监测主机分别与所述换流链控制保护模块和直流场控制保护模块连接；

所述换流链控制保护模块，用于根据所述监测主机的有功调度值和无功调度值生成pwm触发控制信号控制所述换流链中各个功率模块的通断，并根据所述换流链中功率模块的荷电值确定荷电参考值，将该荷电参考值发送至所述直流场控制保护模块，其中，当所述电网系统或储能系统中的换流链发生故障时，断开所述换流链与电网系统之间的接入开关；

所述直流场控制保护模块，用于根据所述荷电参考值控制dc/dc变换模块的通断，并根据所述荷电参考值确定电池模组荷电参考值控制所述电池模组的充放电，其中，当所述储能系统中的直流场发生故障时，控制发生故障电池模组对应的柔性连接模块关断或控制与发生故障电池模组同簇的电池模组对应的柔性连接模块以及所述dc/dc变换模块关断，或控制所述储能系统接入电网系统的开关关断；

所述监测主机，用于监测所述超大规模电池储能系统的电压电流及状态信息，并将有功调度值和无功调度值实时发送至所述换流链保护模块；

所述直流场包括所述储能系统中的dc/dc变换模块、柔性连接模块和电池模组。

进一步的，所述根据所述监测主机的有功调度值和无功调度值生成pwm触发控制信号，包括：

根据有功调度值pref和无功调度值qref确定调制信号的交流参考量d轴分量vacjref_d和q轴分量vacjref_q；将调制信号的交流参考量d轴分量vacjref_d和q轴分量vacjref_q经过park反变换得到调制信号的交流参考量vacjref，并根据调制信号的交流参考量vacjref确定调制波电压；利用调制波电压与预设的三角载波信号比较产生的pwm触发控制信号控制功率模块通断；

其中，按下式确定所述调制波电压vjki_ref：

vdcjref为调制波电压的直流参考量；当k＝u时，所述桥臂为上桥臂且α＝1，当k＝d时，所述桥臂为下桥臂且α＝-1；为调制波电压的交流增量，为调制波电压的直流增量，n为换流链中的功率模块的数量。

进一步的，按下式确定所述调制信号的交流参考量d轴分量vacjref_d：

按下式确定所述调制信号的交流参考量q轴分量vacjref_q：

其中，id为交流输入电流d轴分量，ud为电网电压d轴电压分量，iq为交流输入电流q轴分量，uq为电网电压q轴分量，id、ud、iq和uq由电网系统的电压vg和交流输入电流ig经过park变换得到，kp1和ki1分别为第一参考比例系数和第一参考积分系数。

进一步的，按下式确定所述调制波电压的交流参考量vdcjref：

其中，vdc功率模块的直流电压值，kp2和ki2分别为第二参考比例系数和第二参考积分系数；karm为桥臂比例系数，v0为需要注入的零序电压分量，为电网电压与交流输入电流的相位差，为零序电压与交流输入电流的相位差，为储能系统总充电放电功率；kph为相功率比例系数；为全部功率模块的soc平均值；为第j相的所有功率模块的soc平均值；为零序电压与电网电压的相位差，iju为上桥臂电流，ijd为下桥臂电流。

进一步的，按下式确定调制波电压的交流增量

其中，为第j相k桥臂中所有功率模块的荷电状态均值，s在功率模块处于充电状态时取1，处于放电状态时取-1，ksm为修正比例系数，socjki为第j相k个桥臂第i个功率模块的荷电状态，iacjk为桥臂电流交流分量。

进一步的，按下式确定调制波电压的直流增量

其中，为第j相k桥臂中所有功率模块的荷电状态均值，s在功率模块处于充电状态时取1，处于放电状态时取-1，ksm为修正比例系数，socjki为第j相k个桥臂第i个功率模块的荷电状态，idcj为桥臂电流直流分量。

进一步的，所述根据所述换流链中功率模块的荷电值确定荷电参考值，包括：

按下式确定所述功率模块的荷电参考值socjkiref：

其中，t为当前时间，t0为所述储能装置的启动时间，socjki(t0)为第j相k桥臂第i个功率模块的起始荷电状态，k1为直流场第一比例系数，pjki(t)为第j相k桥臂第i个功率模块的功率值。

进一步的，当所述电网系统发生过压或欠压，或其负序电压分量大于负序电压阈值，则所述电网系统发生故障；

当所述换流链发生过流，或所述换流链中可运行的功率模块数量小于安全运行预设值，或所述换流链的输出电压频率大于频率阈值，则所述换流链发生故障。

进一步的，所述根据所述荷电参考值控制dc/dc变换模块及柔性连接模块的通断，包括：

根据所述荷电参考值确定dc/dc变换模块的电压参考值，将所述电压参考值与所述dc/dc变换模块的实际电压值的差经比例积分控制器产生dc/dc调制信号，将所述dc/dc调制信号与预设的dc/dc载波信号比较产生pwm触发控制信号控制dc/dc变换模块的通断；其中，按下式所述荷电参考值确定dc/dc变换模块的电压参考值vmdcdc_ref：

其中，imdcbat为第m簇dc/dc变换模块的柔性连接模块侧的直流电流值，km对应为m簇的比例系数，socjkiref为所述换流链保护模块发送的荷电参考值。

进一步的，根据所述荷电参考值确定电池模组荷电参考值控制所述电池模组的充放电，包括：

判断所述电池模组的荷电状态值是否大于所述电池模组荷电参考值，若是，则控制所述电池模组放电，若否，则控制所述电池模组充电；

其中，按下式确定电池模组荷电参考值socjkimn：

其中，kmn为第m簇中的第n个电池模组的比例系数，满足∑m,nkmn·vdcmn＝1；vdcmn为第m簇中的第n个电池模组电压值，socjkiref为所述换流链保护模块发送的荷电参考值。

进一步的，当所述储能系统中的电池模组发生过压、欠压或过流，控制与所述电池模组相连的柔性连接模块中的功率开关或机械开关断开；若无法控制与所述电池模组相连的柔性连接模块中的功率开关或机械开关断开，则控制与所述电池模组同簇的其它电池模组对应的柔性连接模块中的功率开关或机械开关及dc/dc变换模块断开；

当所述储能系统中可正常运行的电池模组数量小于电池模组安全运行预设值，则控制所述储能系统接入电网的开关断开。

进一步的，所述直流场控制保护模块与所述dc/dc变换模块、柔性连接模块及电池模组通过采用菊花链模式的高速通信光纤连接，通信协议采用电力电子网络pesnet、ethercat或者自定义的光纤分时复用协议；

所述电池模组中的bms(batterymanagementsystem电池管理系统)与bmu(basicmeasurementunit电池管理单元)之间采用can(控制器局域网络controllerareanetwork)现场总线连接。

本发明的有益效果：

本发明提供的控制保护装置采用分层式架构，能够分层针对直流场和换流链进行控制保护，可根据监测主机传来的有功调度值和无功调度值对储能装置中的换流链和直流场实时调控，并且能够在储能装置和与其相连的电网发生故障时，断开接入电网的开关或直流场中的开关。本发明提供的控制保护装置易于拓展且可以满足超大规模电池储能复杂控制要求，具有很好的实时性，且能够实现隔离故障的功能。本发明提供的控制保护装置还包括采用关键控制调节环节通信协议采用电力电子网络pesnet、ethercat或者自定义的光纤分时复用协议，可实现分布式控制器间的高同步实时控制。

附图说明

图1为本发明实施例中超大规模储能系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中超大规模储能系统的直流场的结构示意图；

图3为本发明提供的控制保护装置与超大规模储能系统的连接关系示意图；

图4为本发明提供的控制保护装置对超大规模储能系统各层级的soc调控示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明提供了一种超大规模储能系统控制保护装置，如图1所示，所述储能系统由依次连接的换流链、dc/dc变换模块、若干柔性连接模块及其对应的电池模组组成，其改进之处在于，所述装置包括：换流链控制保护模块、直流场控制保护模块和监测主机；

dc/dc变换模块、柔性连接模块及电池模组连接关系示意图如图2所示。dc/dc变换模块由dc-dc双向变换电路构成，其一端与换流链h桥的直流母线相连，一端与柔性连接模块连接。柔性连接模块优选地采用电力电子开关器件和机械开关构成，若干柔性连接模块构成开关矩阵拓扑，每个柔性连接模块与相应的电池模组相连。

如图3所示，所述换流链控制保护模块分别与所述换流链、直流场控制保护模块和与所述储能系统接入的电网系统连接；所述直流场控制保护模块分别与所述dc/dc变换模块、柔性连接模块和电池模组连接；所述监测主机分别与所述换流链控制保护模块和直流场控制保护模块连接；

所述换流链控制保护模块，如图4所示，用于根据所述监测主机的有功调度值和无功调度值生成pwm触发控制信号控制所述换流链中各个功率模块的通断，并根据所述换流链中功率模块的荷电值确定荷电参考值，将该荷电参考值发送至所述直流场控制保护模块，其中，当所述电网系统或储能系统中的换流链发生故障时，断开所述换流链与电网系统之间的接入开关；

所述直流场控制保护模块，用于根据所述荷电参考值控制dc/dc变换模块的通断，并根据所述荷电参考值确定电池模组荷电参考值控制所述电池模组的充放电，其中，当所述储能系统中的直流场发生故障时，控制发生故障电池模组对应的柔性连接模块关断或控制与发生故障电池模组同簇的电池模组对应的柔性连接模块以及所述dc/dc变换模块关断，或控制所述储能系统接入电网系统的开关关断；

所述监测主机，用于监测所述超大规模电池储能系统的电压电流及状态信息，并将有功调度值和无功调度值实时发送至所述换流链保护模块；

所述直流场包括所述储能系统中的dc/dc变换模块、柔性连接模块和电池模组。

具体的，所述根据所述监测主机的有功调度值和无功调度值生成pwm触发控制信号，包括：

根据有功调度值pref和无功调度值qref确定调制信号的交流参考量d轴分量vacjref_d和q轴分量vacjref_q；将调制信号的交流参考量d轴分量vacjref_d和q轴分量vacjref_q经过park反变换得到调制信号的交流参考量vacjref，并根据调制信号的交流参考量vacjref确定调制波电压；利用调制波电压与预设的三角载波信号比较产生的pwm触发控制信号控制功率模块通断；

其中，按下式确定所述调制波电压vjki_ref：

vdcjref为调制波电压的直流参考量；当k＝u时，所述桥臂为上桥臂且α＝1，当k＝d时，所述桥臂为下桥臂且α＝-1；为调制波电压的交流增量，为调制波电压的直流增量，n为换流链中的功率模块的数量。

具体的，按下式确定所述调制信号的交流参考量d轴分量vacjref_d：

按下式确定所述调制信号的交流参考量q轴分量vacjref_q：

其中，id为交流输入电流d轴分量，ud为电网电压d轴电压分量，iq为交流输入电流q轴分量，uq为电网电压q轴分量，id、ud、iq和uq由电网系统的电压vg和交流输入电流ig经过park变换得到，kp1和ki1分别为第一参考比例系数和第一参考积分系数。

具体的，按下式确定所述调制波电压的交流参考量vdcjref：

其中，vdc功率模块的直流电压值，kp2和ki2分别为第二参考比例系数和第二参考积分系数；karm为桥臂比例系数，v0为需要注入的零序电压分量，为电网电压与交流输入电流的相位差，为零序电压与交流输入电流的相位差，为储能系统总充电放电功率；kph为相功率比例系数；为全部功率模块的soc平均值；为第j相的所有功率模块的soc平均值；为零序电压与电网电压的相位差，iju为上桥臂电流，ijd为下桥臂电流。

具体的，按下式确定调制波电压的交流增量

其中，为第j相k桥臂中所有功率模块的荷电状态均值，s在功率模块处于充电状态时取1，处于放电状态时取-1，ksm为修正比例系数，socjki为第j相k个桥臂第i个功率模块的荷电状态，iacjk为桥臂电流交流分量。

具体的，按下式确定调制波电压的直流增量

其中，为第j相k桥臂中所有功率模块的荷电状态均值，s在功率模块处于充电状态时取1，处于放电状态时取-1，ksm为修正比例系数，socjki为第j相k个桥臂第i个功率模块的荷电状态，idcj为桥臂电流直流分量。

具体的，所述根据所述换流链中功率模块的荷电值确定荷电参考值，包括：

按下式确定所述功率模块的荷电参考值socjkiref：

其中，t为当前时间，t0为所述储能装置的启动时间，socjki(t0)为第j相k桥臂第i个功率模块的起始荷电状态，k1为直流场第一比例系数，pjki(t)为第j相k桥臂第i个功率模块的功率值。

具体的，若与所述储能系统相连的电网系统的电压有效值高于或低于阈值，或其负序电压高于负序电压阈值，且持续满足预设的判断时间，则判定所述电网系统发生过压、欠压、或其负序电压分量大于负序电压阈值为真；当所述电网系统发生过压或欠压，或其负序电压分量大于负序电压阈值，则所述电网系统发生故障；

当所述换流链发生过流，或所述换流链中可运行的功率模块数量小于安全运行预设值，或所述换流链的输出电压频率大于频率阈值，则所述换流链发生故障。

具体的，所述根据所述荷电参考值控制dc/dc变换模块及柔性连接模块的通断，包括：

根据所述荷电参考值确定dc/dc变换模块的电压参考值，将所述电压参考值与所述dc/dc变换模块的实际电压值的差经比例积分控制器产生dc/dc调制信号，将所述dc/dc调制信号与预设的dc/dc载波信号比较产生pwm触发控制信号控制dc/dc变换模块的通断；其中，按下式所述荷电参考值确定dc/dc变换模块的电压参考值vmdcdc_ref：

其中，imdcbat为第m簇dc/dc变换模块的柔性连接模块侧的直流电流值，km对应为m簇的比例系数，socjkiref为所述换流链保护模块发送的荷电参考值。

具体的，根据所述荷电参考值确定电池模组荷电参考值控制所述电池模组的充放电，包括：

判断所述电池模组的荷电状态值是否大于所述电池模组荷电参考值，若是，则控制所述电池模组放电，若否，则控制所述电池模组充电；

其中，按下式确定电池模组荷电参考值socjkimn：

其中，kmn为第m簇中的第n个电池模组的比例系数，满足∑m,nkmn·vdcmn＝1；vdcmn为第m簇中的第n个电池模组电压值，socjkiref为所述换流链保护模块发送的荷电参考值。

具体的，当所述储能系统中的电池模组发生过压、欠压或过流，控制与所述电池模组相连的柔性连接模块中的功率开关或机械开关断开；若无法控制与所述电池模组相连的柔性连接模块中的功率开关或机械开关断开，则控制与所述电池模组同簇的其它电池模组对应的柔性连接模块中的功率开关或机械开关及dc/dc变换模块断开；

当所述储能系统中可正常运行的电池模组数量小于电池模组安全运行预设值，则控制所述储能系统接入电网的开关断开。

具体的，所述直流场控制保护模块与所述dc/dc变换模块、柔性连接模块及电池模组通过采用菊花链模式的高速通信光纤连接，通信协议采用电力电子网络pesnet、ethercat或者自定义的光纤分时复用协议；

所述电池模组中的bms(batterymanagementsystem电池管理系统)与bmu(basicmeasurementunit电池管理单元)之间采用can(控制器局域网络controllerareanetwork)现场总线连接。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。