【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池储能，尤其是风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法。
技术介绍
1、海上风电直流送出与并网方式，从大的方面看，可分为海上风电交流汇集直流送出并网、海上风电基地多端直流送出与并网到多电压等级直流电网接入技术，随着关键电力电子装备技术的成熟与成本的降低，开始从示范工程向商业化应用推进。
2、由于风速变化，风电机组容易引起电网电压和功率波动问题，以及由其带来的无功电压控制和电能质量问题。需要通过常规电源的调节和储能系统来平衡。电池储能不受地域与地质条件限制，安装灵活，实施便捷，是新能源发电领域中储能应用的主要形式。将大容量电池储能系统与风电机组结合，可以有效抑制或缓解风电的波动性，减小风电对电网的影响。
3、电池储能的应用中，储能变流器(pcs)实现储能系统和电网间能量双向流动，是将储能电池接入电力系统的关键设备，其性能直接影响着储能系统效用和指标。功率转换系统拓扑结构则直接决定了电池储能系统(battery energy storage system-bess)的电气结构和集成方式。在当前功率器件性能和电池特性的约束条件下，不同的拓扑结构可以实现的电池储能系统容量等级各不相同。电池储能应用中，利用电路拓扑结构的模块化来降低电池串并联的规模，从而细化电池管理和功率控制的粒度。降低电池筛选和组配的难度，也增加了电池对管理和控制的手段。
4、从功率级数来看，pcs有单级和双级之分；从拓扑来讲，当前主流的应用和研究集中在两电平、三电平和多电平结构。其中多电平又分为级联h桥和模块
5、常规两电平储能pcs的研究和应用已经趋于成熟，目前大多数储能工程pcs采用两电平结构，考虑到效率因素，以单级式两电平的应用为主。受电池串联规模的制约，两电平储能pcs均采用低压并网，因此单机容量较小，从几个kw到mw，其中绝大多数不超过500kw。两电平储能pcs多采用lcl滤波改善并网电流质量同时降低成本和体积，环路阶数高，控制复杂，且在多机并联时容易产生稳定性问题。
6、三电平储能变流器需要对注入直流中性点的平均直流电流进行控制以取得对上下电池组的均衡。在相同的器件条件下，三电平储能变流器可以得到比两电平储能变流器更高的输出电压和更高的容量，直接输出电压可以达到数kv，单机容量可达约3mw，适合单机容量需求较大的场合。
7、级联h桥(cascaded h bridge-chb)和模块化多电平(modular multilevelconverter-mmc)结构有高度模块化的特点，具备优良的输出特性和独特的电压扩展方式。基于上述两种结构的pcs控制粒度为一个储能单元，可从电路控制的角度促进电池的梯次利用。在某一储能单元故障时将其旁路可实现冗余容错运行。通过对不同储能单元的差别化控制，该结构还可以现实储能电池的相内均衡和相间均衡。
8、mmc拓扑最早应用于柔性直流输电领域。储能型模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter based battery energy storage system-mmc-bess)将mmc与储能结合，其研究引起了国内外的关注，在规模化电池储能中是非常有前景的拓扑结构。国内外对于mmc-bess尚在逐步展开，现有研究主要集中在调制方法、功率控制，电池均衡、两级式的电容电压平衡、环流控制、消除电池电流波动、直流故障保护与处理等方面。目前mmc-bess多处于研究和示范工程阶段，对mmc-bess的研究和应用有待深入展开。
9、另一种直流侧储能的方式是直流直挂储能，储能装置直接安装在直流侧。直流直挂储能的相关研究较少，目前尚没有直流直挂装置的工程应用案例。
10、目前，交流储能中低压储能变流器并联升压方案最为成熟，工程中应用最多；级联h桥(cascaded h bridge-chb)的交流直挂式方案不经过变压器把储能系统直接接入中压电网，减小了损耗并降低了成本，研究比较成熟，工程应用也有突破。
11、与直流直挂储能技术最接近的现有技术是mmc-bess(模块化多电平电池储能系统)。
12、mmc(模块化多电平)拓扑最早应用于柔性直流输电方面。mmc-bess作为mmc与电池储能的结合，虽然与柔性直流输电同为模块化多电平的结构，在技术方面与mmc有很多相同之处，但其子模块电路结构不同，模块数量差异巨大，在调制方法、子模块均衡、主电路电压等级与参数设计、模块控制方面等有其特殊之处。mmc-bess有两种布置电池的形式：在公共直流母线集中布置和子模块中分散布置。
13、与储能装置直接安装在直流侧的直流直挂储能相比，电池分散布置的mmc-bess的储能装置集成在mmc子模块内部，即mmc子模块由一个半桥和一个储能装置组成，而储能装置既可以直接与子模块电容并联，也可以通过一个双向dc/dc变换器与子模块电容并联。在这种拓扑中，mmc是一个三端口网络，能量可以在直流侧、交流侧和电池之间任意传输，在提供交流和直流一体化储能功能的同时，还可起到交直流互联、能量缓冲和维持电网稳定的作用。由于这种拓扑中，交流侧和电池之间连接，因此mmc的电池侧存在脉动较大的倍频电流，对电池寿命产生不利影响，需在电池侧串联电感进行滤波。
14、由于半桥mmc无法有效处理公共直流母线侧故障，在高压直流断路器尚不成熟的情况下，借助交流侧断路器切断直流故障电流几乎成为目前mmc-hvdc处理直流侧故障唯一经济可行的手段。为此研究人员提出了全桥mmc、箝位双子模块mmc、混合mmc等多种解决方案。通过对多种混合拓扑在dc故障处理能力、功率器件、效率等方面做评估和对比，半桥拓扑和其他拓扑的混合可以取得较好的性能。目前，有研究人员对基于全桥和半桥混合mmc-bess公共直流母线故障时的运行控制进行了原理性验证。
15、规模化电池储能应用中的仍存在一些问题：多pcs并联系统的动态响应特性目前仍难以描述，其与电网的交互影响也不明确，适合规模化(百mw级)应用的电池储能技术尚不成熟。
16、随着pcs并联台数的增加，会衍生出多种稳定性问题，主要包括：由于变压器漏抗及线路阻抗等原因，多台pcs与电网产生关联耦合构成复杂的高阶电路结构，此时pcs的谐振特性会发生改变，在原有谐振尖峰的基础上会另外在高、低频处产生谐振尖峰，传统控制策略难以对其抑制，造成各台pcs输出电流谐波含量增加，严重情况下甚至会造成pcc点电压发生谐振导致整个储能系统停机。
17、单级式mmc-bess的电池侧与交流侧存在连接，工频和两倍工频频率脉动不可避免，对电池寿命带来不利影响，需在电池和子模块之间加入较大的电感来消除低频振荡电流，增加了成本。
18、mmc-bess的拓扑中，电池储能高度耦合在mmc子模块中，一旦电池发生故障，则可能导致换流器停运。并且，mmc换流器本体共有3个相单元，每个相单元由上桥臂与下桥臂组成，每个桥臂内都需要配备储能装置，这就大大增加了储能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，能用于海上风电的控制，其特征在于：所述方法以直接并联于风电直流输电线路正负极间的直流直挂储能装置作为电流源，所述方法包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，其特征在于：所述直流直挂储能装置由多个子模块串联而成，串联子模块的数量为N；所述子模块包括电池储能单元和与之相连的半桥功率单元，还包括接入电池储能单元的滤波电感；串联后的子模块经并网电感与直流母线连接；所述电池储能单元用于电能的存储和释放；半桥功率单元的半桥结构的上桥臂为上管，下桥臂为下管；
3.根据权利要求2所述的风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，其特征在于：步骤S2中的滤波采用一阶低通滤波；一阶低通滤波器传递函数以公式表述为
4.根据权利要求3所述的风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，其特征在于：步骤S3中，储能系统所需提供或吸收的电流以公式表述为
5.根据权利要求3所述的风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，其特征在于：所述子模块
6.根据权利要求3所述的风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，其特征在于：所述并网电感的设计方法采用以下方法：
7.根据权利要求3所述的风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，其特征在于：半桥结构的上管包括开关管T1，下管包括开关管T2；
...【技术特征摘要】
1.风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，能用于海上风电的控制，其特征在于：所述方法以直接并联于风电直流输电线路正负极间的直流直挂储能装置作为电流源，所述方法包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，其特征在于：所述直流直挂储能装置由多个子模块串联而成，串联子模块的数量为n；所述子模块包括电池储能单元和与之相连的半桥功率单元，还包括接入电池储能单元的滤波电感；串联后的子模块经并网电感与直流母线连接；所述电池储能单元用于电能的存储和释放；半桥功率单元的半桥结构的上桥臂为上管，下桥臂为下管；
3.根据权利要求2所述的风电功率平抑的储能系统功率控制和短路故障保护方法，其特征在于：步骤s2中的滤波采用一阶低通滤波；一阶低通滤波器传递函数以...
【专利技术属性】
技术研发人员：晁武杰，邓超平，凌志斌，黄均纬，戴立宇，李智诚，张伟骏，王金柯，乔鑫，
申请(专利权)人：国网福建省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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