一种储能电站非计划孤岛运行负荷分配控制设备及方法与流程

本发明属于储能带载负荷分配的，具体涉及一种储能电站非计划孤岛运行负荷分配控制设备及方法。

背景技术：

1、基于储能产业内生动力驱动，近年来，国内储能装机逆势大幅增长，如期步入规模化高速发展的快车道。高比例可再生能源的增长，储能产业迎来重大发展机遇。与此同时，城市电网受限于土地面积、夏季负荷高峰限电等诸多因素，也加快了工商业储能在电力系统的发展速度，工商业储能正在电力系统末端发挥着“压舱石”的作用。但是，在电网故障时，工商业储能电站往往伴随着电网故障而跳闸从而中断对外电力输送。即使工商业储能电站顺利从电网中解列进入孤岛运行模式，在用电高峰期，储能电站非计划性地从并网运行模式转为孤岛运行模式，突加超过其最大输出功率负荷会造成孤网电压、频率震荡，甚至出现过载而保护停机，无法起到应急供电作用。另外，市电由故障状态恢复到正常状态，一般需要运维人员倒闸操作才能切换到市电供电，涉及到储能电站并网倒闸操作流程繁琐，对运维人员专业要求较高。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种储能电站非计划孤岛运行负荷分配控制设备及方法，针对在非计划市电故障导致储能电站进入孤岛运行时出现的功率突增问题进行过载保护；同时实现市电恢复时储能电站再次自动同期并网，负荷自动投入的功能，实现无人值守，减少运营成本。

2、为达到上述目的，本发明一方面提供一种储能电站非计划孤岛运行负荷分配控制设备，所述设备包括人机交互界面hmi、能量管理系统ems、通信装置、控制系统、电压电流采集装置、第一母线、第一开关、升压变压器、第二开关、sts高速静态开关、第三开关、储能变流器pcs、第四开关、电池系统、第二母线、配电系统、信号采集控制总线、配电电流采集总线、市电电压采集线路、市电进线电流线路、第一canbus、第二canbus、通讯回路、高压熔断器、高压电压互感器和第二母线电压采集线路；

3、所述通信装置通过通讯回路分别与人机交互界面hmi、能量管理系统ems、控制系统、电池系统、储能变流器pcs和电压电流采集装置连接；

4、所述第一开关上端连接到第一母线上，下端连接到升压变压器的高压侧；所述升压变压器低压侧连接到第二开关的上端；所述第二开关的下端连接到sts高速静态开关的上端，并通过市电进线电流线路连接到电压电流采集装置，第二开关的下端与市电进线电流线路的连接位置为市电电流信号采样点ct0；

5、所述sts高速静态开关的下端连接到第二母线上；所述sts高速静态开关通过第二canbus与储能变流器pcs连接；

6、所述第三开关上端连接到第二母线上，下端连接到储能变流器pcs的上端；

7、所述储能变流器pcs下端连接到第四开关的上端；所述第四开关的下端连接到电池系统；所述电池系统通过第一canbus与储能变流器pcs连接；

8、所述高压熔断器上端连接到第一母线上，下端连接到高压电压互感器的上端；所述第一母线连接与市电电网；所述高压熔断器上端与第一母线的连接位置为第一电压采样点k1；

9、所述高压电压互感器的下端通过市电压采集线路连接到电压电流采集装置；

10、所述第二母线通过第二母线电压采集线路与电压电流采集装置连接，连接位置为第二电压采样点k2；

11、所述配电系统中包括多条负荷支路；所述负荷支路由负荷开关qf、电流互感器ct和用电负荷构成；所述负荷开关包含本体保护装置；所述负荷开关的上端与第二母线相连接，下端穿过电流互感器连接到用电负荷；

12、所述控制系统通过信号采集控制总线对第一开关、第二开关、第三开关及负荷开关进行控制；所述电压电流采集装置采集市电进线电流线路的电流信号ct0、第一电压采样点k1的电压采样信号和第二电压采样点k2点的电压采样信号，通过配电电流采集总线采集电流互感器的电流信号。

13、作为优选的技术方案，所述通讯回路包括第一通讯回路、第二通讯回路、第三通讯回路、第四通讯回路、第五通讯回路和第六通讯回路；

14、所述通信装置通过第六通讯回路与人机交互界面hmi连接，通过第四通讯回路与能量管理系统ems连接，通过第五通讯回路与控制系统连接，通过第一通讯回路与电池系统连接，通过第二通讯回路与储能变流器pcs连接，通过第三通讯回路与电压电流采集装置连接。

15、作为优选的技术方案，所述配电系统包括n条负荷支路；所述n条负荷支路的负荷开关表示为qf1-qfn；所述n条负荷开关的电流互感器的电流信号表示为ct0-ctn；

16、所述负荷开关qf1-qfn的优先等级默认为qf1≥qf2≥...≥qfn。

17、作为优选的技术方案，所述人机交互界面hmi设定负荷开关qf1-qfn投入的优先等级及投入数量i；

18、所述人机界面hmi设定储能电站孤岛运行时配电系统投入用电负荷的有功功率spi与电池系统剩余电量sqi的比值j，并设定比值j的范围；

19、所述比值j不超过储能系统的额定充放电倍率p；

20、所述配电系统投入用电负荷的有功功率spi＝√3vn2·(c1+c2+...+ci)，其中，vn2为第二母线电压，c1-ci是采集到qf1-qfi的负荷有效电流；

21、所述剩余电量sqi通过通讯方式从电池系统读取。

22、本发明另一方面提供一种储能电站非计划孤岛运行负荷分配控制方法，基于上述的一种储能电站非计划孤岛运行负荷分配控制设备，所述方法包括下述步骤：

23、在人机界面hmi设定负荷开关qf1-qfn投入的优先等级及投入数量i，并设定储能电站孤岛运行时配电系统投入用电负荷的有功功率spi与电池系统剩余电量sqi的比值j，并设定比值j的范围；

24、电压电流采集装置采集市电进线电流线路的电流信号ct0、电流互感器的电流信号、第一电压采样点k1的电压采样信号和第二电压采样点k2点的电压采样信号，并发送给通信装置；通信装置通过通讯回路将信号传输至控制系统，控制系统对接收的信号进行处理；

25、当储能电站处于正常运行时，控制系统控制第一开关、第二开关、第三开关、第四开关全部投入，控制配电系统中的各负荷开关根据用电负荷使用条件投入，控制能量管理系统ems接管储能电站的运行，通过给储能变流器pcs发送指令，进一步控制电池系统充放电；

26、当储能电站运行至某个时刻发生市电故障时，若控制系统接收到储能变流器pcs传输的市电故障关键信息，并检测到第一电压采样点k1出现超过保护范围外的三相电压波形相位角突变及频率突变信号，则控制sts高速静态开关按照立刻中断与市电电网的连接，控制储能电站转为孤岛运行状态，控制系统立刻控制第一开关、第二开关分闸，根据在人工交互界面hmi上设定的负荷开关投入数量i，保留负荷开关qf1-qfi，记录当前每个负荷开关的投入情况，跳开负荷开关qfi+1-qfn；

27、当市电故障恢复到正常，若控制系统检测到第一电压采样点k1的三相电压波形相位角及频率信号恢复正常，经过t秒延时，再次判断三相电压波形相位角及频率信号正常后，控制系统控制第一开关、第二开关合闸，同时给储能变流器pcs下发并网指令，与市电电网进行并网，恢复正常运行；

28、当配电系统故障，若控制系统检测到第二电压采样点k2的第二母线电压及频率异常，而第一电压采样点k1的三相电压波形相位角及频率信号正常，则跳开第二开关和第三开关，同时给储能变流器pcs发紧急停机指令，并发出故障报警信号；

29、当配电系统中负荷开关运行至某时刻时外部发生短路，经过t2时间后，若控制系统检测到负荷开关的本体保护装置无动作，则控制系统立刻发指令给对应的负荷开关保护跳闸，进行后备瞬时短路保护。

30、作为优选的技术方案，所述系统处于正常运行时，控制系统处于热备用状态，实时接收储能变流器pcs和电压电流采集装置传输过来的关键信号，检测配电系统中各负荷开关的投入状态，并实时计算和记录各负荷开关的有效运行功率。

31、作为优选的技术方案，所述储能系统转为孤岛运行状态时，控制系统读取电池系统当前的剩余电量，实时判断计算j值是否大于储能系统额定充放电倍率p值，若j>p，则按设定程序分级跳开i之前负荷开关，直到j小于p为止；若j≤p，不采取任何措施。

32、作为优选的技术方案，所述进行并网时，控制系统给储能变流器pcs下发并网指令，储能变流器和sts高速静态开关之间can通讯；

33、sts高速静态开关同步接收到储能变流器pcs并网指令，开始检测市电电网电压，同时控制储能变流器pcs输出改变相位与幅值，直到与市电电网相匹配时，并网成功；

34、并网成功后，控制系统根据市电故障前记录的负荷开关投入情况，将未投入的负荷开关全部投入。

35、作为优选的技术方案，所述控制系统实时检测配电系统中各负荷开关的有效电流信号为iri；

36、设负荷开关额定电流为ii，负荷开关本体保护装置的短路瞬时电流整定值为m1*ii，动作时间误差≤t1；其中，m1为负荷开关本体保护装置的瞬时短路保护整定定值，t1为动作时间误差第一阈值；

37、设控制系统的短路瞬时电流整定值为m2*ii，动作时间误差≤t2，令m2＞m1，t2＞t1，(m2-m1)/m1≤n1％，(t2-t1)/t1≤n2％；其中，m2为控制系统的瞬时短路保护整定定值，t2为动作时间误差第二阈值，n1为控制系统的后备保护定值最大限定值，n2为控制系统的动作时间误差最大限定值；

38、当负荷开关运行某时刻外部发生短路，此时iri≥m2*ii≥m1*ii，经过t2时间后，若控制系统负荷开关本体保护装置无动作，则控制系统立刻发指令给对应的负荷开关保护跳闸，进行后备瞬时短路保护。

39、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

40、1、储能电站非计划性停电时，控制系统智能地切除优先级较低的负荷，防止储能电站突加超过其最大输出功率的大负荷，造成储能电站过载保护停机。

41、2、储能电站非计划性停电时，除了接收sts高速静态开关、储能变流器pcs发出的市电电网故障信号外，还通过采集第一电压采样点和第二电压采样点的三相电压波形相位角突变及频率突变信号判断电网故障，增加了对电网故障判定的准确性。

42、3、市电电网从故障状态恢复到正常，控制系统智能地控制储能电站并网，过程无缝切换，保障在运行负荷不间断，无需人员操作，降低了运营成本；同时控制系统通过记录负荷开关切断前的状态，智能地将负荷开关恢复到停电前的状态。

43、4、控制系统具备继电保护保护功能，除各开关本体保护装置外，控制系统对负荷开关进行后备瞬时短路保护。