一种用于混合储能的一次调频控制系统及其电力系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于混合储能的一次调频控制系统以及应用该系统的电力系统，通过升降压式变换电路的变换器及控制模块电池储能系统与超导磁储能的优点很好的结合了起来，极大地提高了储能系统对于功率和能量的控制能力。

【技术实现步骤摘要】
一种用于混合储能的一次调频控制系统及其电力系统
本专利技术涉及一种用于蓄电池和超导磁体混合储能的一次调频控制系统以及运用这种控制系统的电力系统。
技术介绍
近年来，利用大规模储能电源参与电网调频，已受业界广泛关注。调频的充放电周期在秒至分钟级，适合的储能类型有电池，如锂离子电池、铅酸电池、液流电池和钠硫电池等。电池储能系统是应用最广泛的储能系统，其能量密度较大，但功能密度较小，不能进行快速的吸收或释放能量。以电池储能为主的新型快速储能当前仍停留在示范阶段，且多用于改善风电场的联网运行性能，其广域调控效能未得到充分利用。而超导磁储能系统受自身的物理特性所约束，单独部署使用的场景有限，也有一些不足。目前还没有一种能够同时满足能量密度高且功率密度也高、响应速度快、安全可靠、生命周期长等多种要求。因此，选择两种或多种不同储能方案组成混合储能系统，令其在某些技术指标上形成互补性，则可能构造出应用更为“广谱”、性能更优越、生命周期更长、经济性和可靠性更好的储能系统。然而电池储能系统是应用最广泛的储能系统，其能量密度较大，但功能密度较小，不能进行快速的吸收或释放能量。超导磁储能系统的功率密度很高，但是能量密度是个较大的短板。二者如何结合控制是本专利技术要解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述问题，提出一种用于混合储能的一次调频控制系统，电池储能系统与超导磁储能组成的混合储能系统将二者的优点很好的结合了起来，极大地提高了储能系统对于功率和能量的控制能力。本专利技术所提出的一种用于混合储能的一次调频控制系统，其设备包括接入变流器直流母线的双向变换器，其特征在于，双向变换器为升降压式变换电路(Buck/Boost)的变换器，具体包括：-蓄电池接口电路，包括串联的第一、第二控制电路以及并联的电容，蓄电池模块输入端接入场效应管之间，输出端接入母线，组成蓄电池的充、放电模式电路；-超导磁体接口电路，包括两路分别由二极管与控制电路串联组成的支路以及并联的电容，两支路的控制电路及二极管的连接方向相反，电感线圈接入两组控制电路之间，形成超导磁体的充、放电模式电路；-控制模块，采用滑动平均滤波法来分离混合储能系统中蓄电池接口电路与超导磁体接口电路功率差值的高频部分与低频部分；上述控制电路包括全控型器件及与其并联的二极管。在没有配置混合储能装置之前，为了保持直流侧电压值的保持不变，发电侧变流器和并网变流器的有功功率必须相同，这样发电侧的功率波动就可以直接反映到并网功率之中。在加入了混合储能装置以后，发电侧变流器和并网侧变流器的功率差值可以被混合储能装置补偿，进而使得消除发电测功率波动对并网功率的影响，实现对并网功率波动的平抑，最终达到对频率进行一次调整的目的。而采用这种控制系统的电力系统至少包括一组接入发电装置和电网之间的背靠背变流器及其控制器，所述混合储能装置及其控制器接入背靠背变流器之间的直流母线。附图说明图1是本专利技术的系统配置总图。图2是本专利技术的系统结构图。图3是本专利技术的蓄电池接口电路。图4是本专利技术的超导磁体接口电路。图5是本专利技术的电池储能系统功率指令生成过程。图6是本专利技术的超导磁体控制系统框图。图7是本专利技术的电池储能控制系统框图。图8是本专利技术的不同系统配置下的频率变化图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图进一步阐述上述技术方案。图1为系统配置总图，含有混合储能系统的电力系统结构可以按此图配置。如图2中的背靠背变流器可以分别为双馈风机转子变流器、永磁同步发电机的并网变流器，这两种变流器都可以将电力系统中可再生能源发电装置，如风机，光伏电池板等，其产生的电能转换并馈入电网。控制器1是发电侧变流器控制器，这种控制器可以依据不同的控制目标来执行恒功率控制或最大功率追踪等发电运行方式，从而控制发电装置的出力。控制器2是并网侧变流器控制器，这种控制器可以根据调度的指令或按照预先制定的发电计划控制电源馈入系统的功率。由于电池-超导磁体混合储能系统中电池储能系统与超导磁体储能系统有着不同的特点，因此为了便于控制，需要针对其不同的特点设计不一样的接口电路。电池储能系统的外特性可以被看作是由一个理想电压源与内阻串联而成，所以这种组合可以直接并接到两个变流器之间的直流母线处。但是直接并联方式的受控性比较差，会使直流母线的电压大小直接决定了电池储能系统的出力。为了解决这个问题，可以采用图3、4中的方案。如图3所示，本文采用Buck/Boost型双向变换器将其连接到直流母线处，然后通过改变斩波电路占空比D来控制电池储能系统的输出功率。其中，Buck电路由VS1和VD2组成，控制输出电压uo在小于直流母线电压uC的范围内变化，在这期间电池储能系统处于释放能量的状态；VS2和VD1构成Boost电路，控制uo在大于uC的范围内变化，在这期间电池储能系统处于吸收能量的状态。电池储能系统指令功率的符号决定了接口电路工作在Buck模式或者Boost模式，这两种模式均通过调整占空比的大小改变电池释放或吸收功率的大小。如图4所示，超导磁体接口电路是由2个全控型开关和4个二极管组成，相比于电池储能系统具有电压源的性质，超导磁体则具有电流源的性质。由于超导磁体的这种性质，需要其接口电路任意时刻都会有电流通路。当VS3和VS4都开通的情况下，磁体两端电压为uC，超导磁体处于吸收能量的状态；当VS3和VS4都关断时，磁体两端电压为-uC，超导磁体处于释放能量的状态。控制全控型开关VS3、VS4的开通与关断，调整开关的占空比D，就能改变磁体的运行状态，进而控制其在一个开关周期里的平均功率，当D>0.5时，磁体吸收能量，当D<0.5时，超导磁体释放能量。对混合储能系统进行控制主要目的是明确电力系统调度要求的发电功率与发电系统实际发电功率之间的差值，然后通过对储能系统进行调控，使其补偿相应的功率差值。对混合储能系统的控制可以分为中央控制和本地控制。中央控制单元的任务是将该装置的指令功率向不同的储能单元之间进行分配；而本地控制单元的任务是控制各个接口电路的触发，进而完成对各个储能单元对各自相对应的指令进行跟踪。由于超导磁储能系统具有功率密度大、反应速度快、循环寿命长、功率突变承受能力强等特点，因此可以用来提供指令功率中高频波动部分；而电池储能系统的功率响应速度慢，不宜频繁充放电，但是储能容量比较大，所以把不平衡功率的低频部分分配给电池储能系统。因此，本专利技术的控制部分采用滑动平均滤波法来分离混合储能系统的总功率指令P0，即图2中P1和P2的差值，P0中分离的高频部分与低频部分的结果传输给超导磁储能系统和电池储能系统相对应的控制器中。滑动平均滤波法的特点是参数比较少、实现简单等，其中最重要的参数就是时间窗长度T，时间窗长度T越大，滤波的通频带就越窄，滤波结果越平滑；相反时间窗长度T越小，通频带就越宽，功率指令在经历过滤波之后，在电池储能系统之中的指令频率的最高频率就会越高。当超导磁储能系统连续工作时，由于超导磁体的容量比较小，其连续吸收或释放功率的能力会受到一定程度的影响，所以需要由超导磁体的工作状态来调整时间窗长度T的大小。T可按以下规则来进行调整：(1)当超导磁体的储能量大于设定值QS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于混合储能的一次调频控制系统，其设备包括接入变流器直流母线的双向变换器，其特征在于，所述双向变换器为升降压式变换电路(Buck/Boost)的变换器，具体包括—蓄电池接口电路，包括串联的第一、第二控制电路以及并联的电容，蓄电池模块输入端接入场效应管之间，输出端接入母线，组成蓄电池的充、放电模式电路；超导磁体接口电路，包括两路分别由二极管与控制电路串联组成的支路以及并联的电容，两支路的控制电路及二极管的连接方向相反，电感线圈接入两组控制电路之间，形成超导磁体的充、放电模式电路；控制模块，采用滑动平均滤波法来分离混合储能系统中蓄电池接口电路与超导磁体接口电路功率差值的高频部分与低频部分；所述控制电路包括全控型器件及与其并联的二极管。

【技术特征摘要】
1.一种用于混合储能的一次调频控制系统，其设备包括接入变流器直流母线的双向变换器，其特征在于，所述双向变换器为升降压式变换电路(Buck/Boost)的变换器，具体包括—蓄电池接口电路，包括串联的第一、第二控制电路以及并联的电容，蓄电池模块输入端接入场效应管之间，输出端接入母线，组成蓄电池的充、放电模式电路；超导磁体接口电路，包括两路分别由二极管与控制电路串联组成的支路以及并联的电容，两支路的控制电路及二极管...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚鑫，高桂革，吴凯，黄文，孙志伟，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海,31