一种基于MMC和直流集电器的STATCOM集成储能系统及其控制方法

技术领域

本发明属于集成储能系统领域，特别涉及一种基于MMC和直流集电器的STATCOM集成储能系统及其控制方法。

背景技术

传统的链式静止同步补偿器(STATCOM)集成储能系统方案如图1所示，图1示出了根据现有技术的链式STATCOM集成储能系统电路图。通过在链式STATCOM的每个全桥模块直流侧接入储能单元，使得系统既能够发出有功，又能够发出无功。同时，相比传统的并联型储能并网系统，可以省略较多的工频变压器，大幅降低占地和损耗，节约硬件成本。

但是，该方案的缺点在于：1)设计复杂，每个全桥的直流侧电压无法根据原先STATCOM的设计原则进行设计，必须充分考虑储能系统充放电过程中的电压变化，以储能电压为基础进行设计，一定程度增加模块数量。2)全桥模块的直流侧存在较大的二倍频波动，直流电容和电池的连接需要增加较大的滤波器或者DC/DC变换。3)系统可靠性较差，虽然可以设置少量的冗余单元，但是某一相冗余单元切除后，其他两相往往同时切除模块，否则造成系统三相不平衡；另外，当某一相单元继续故障或出现其他无法冗余的故障，整个系统均要停止运行。4)控制复杂，整个系统的有功、无功控制不解耦，需要充分控制有功、无功的运行范围。

因此，STATCOM集成储能系统存在的设计复杂、控制复杂和系统可靠性较差等问题越来越成为亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于MMC和直流集电器的STATCOM集成储能系统及其控制方法，以解决现有技术中STATCOM集成储能系统存在的设计复杂、控制复杂和系统可靠性较差等问题。

一种基于MMC和直流集电器的STATCOM集成储能系统，所述储能系统包括：

MMC和直流集电器；其中，所述MMC用于连接交流系统并构造直流端口，所述直流集电器连接所述MMC的直流端口并构造出多个分散的低压直流端口，用于接入储能单元。

进一步地，所述MMC和直流集电器中均设置有冗余单元，当所述的MMC和直流集电器中部分模块出现故障时，通过切除所述冗余单元，所述储能系统仍能够正常运行。

进一步地，所述MMC在设计系统的子模块数量和直流电压时只需要考虑交流系统的电压等级和有功、无功容量需求，而无需考虑储能系统的电压等级。

进一步地，所述储能系统中构造出的直流端口能够作为其他源、网、荷、储能系统的汇入接口。

进一步地，所述储能系统控制灵活，所述MMC用于控制所述储能系统的无功功率；所述直流集电器用于控制所述储能系统的有功功率，从而实现了无功和有功控制的完全解耦。

进一步地，所述MMC还用于控制所述MMC构造出的直流端口的电压，所述直流集电器还用于控制所述直流集电器构造出的分散直流端口的电压。

进一步地，所述直流集电器构造出的直流端口的额定电压由每个储能单元的电压决定；所述直流集电器中子模块采用串联的方式连接，所述直流集电器中子模块的串联数量由所述MMC的直流端口的额定电压、所述直流集电器的离散直流端口的额定电压以及冗余单元的数量共同决定。

本发明还提供一种基于MMC和直流集电器的STATCOM集成储能系统控制方法，所述控制方法包括：

S1：采集所述储能系统的有功功率与无功功率指令；

S2：根据所述有功功率指令控制直流集电器的输出电流，同时控制各个储能系统的直流电压平衡；

根据所述无功功率指令控制MMC的交流侧输出电压的相位及直流端口的电压稳定，从而控制系统与电网之间交互的无功功率；

S3：基于S1、S2步骤，所述储能系统可以实现独立地控制系统的有功功率与无功功率。

本发明具有以下有益效果：

1)MMC和直流集电器的设置使得储能变流器和STATCOM功能完全解耦，MMC中每个半桥的直流侧电压和模块数量无需考虑储能单元的电压，根据电网系统电压等级和有功、无功容量要求，进行单独设计即可；

2)直流集电器的分散直流端口不存在较大的二倍频波动，可大幅减少滤波器或者DC/DC变换；

3)储能系统可靠性较高，储能系统被分为多组，每组中也都设置了冗余单元，当某一组中储能单元故障时，可以切除冗余单元，该组仍能正常运行；当该组单元继续故障或出现其他无法冗余的故障，仅需停止该组的运行，其他组仍能正常运行；

4)储能系统控制灵活，MMC控制无功功率，直流集电器控制有功功率，无功功率和有功功率控制完全解耦；

5)MMC构造的直流端口还可以为其他源网荷储系统提供接口，大幅降低接入成本、体积和损耗。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据现有技术的链式STATCOM集成储能系统电路图；

图2示出了根据本发明实施例的STATCOM集成储能系统中MMC的电路图；

图3示出了根据本发明实施例的STATCOM集成储能系统中直流集电器的电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于模块化多电平换流器(MMC)和直流集电器的STATCOM集成储能系统及其控制方法，该储能系统及其控制方法通过各个模块之间的连接以及相互作用构成STATCOM集成储能系统及其控制方法。本发明实施例以MMC和直流集电器所组成的STATCOM集成储能系统及其控制方法为例进行示例性说明。

基于MMC和直流集电器所组成的STATCOM集成储能系统中，包括众多模块，例如MMC、直流集电器、滤波器、储能单元、交流电网和冗余单元等。为了实现储能功能，不同模块之间具有相互作用关系。

本发明实施例的基于MMC和直流集电器所组成的STATCOM集成储能系统以常见的几种模块为例进行示例性说明，示例性地以MMC、直流集电器、储能单元、交流电网和冗余单元进行说明。在STATCOM集成储能系统中，交流电网作为交流供电系统，一般由主用交流电源(一般是市电，特殊情况下可用风电等)，备用交流电源(油机发电机组或者燃气发电机组等组成。储能单元作为储存能量的元件，包括电池组储能、电磁储能和物理储能。

MMC，模块化多电平换流器，由多个结构相同的子模块(Sub-module,SM)级联构成。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和双箝位型子模块型三种。随着柔性直流输电不断向着高电压、大容量方向发展，MMC桥臂中通常需要数百个子模块级联。如图2所示，图2示出了根据本发明实施例的STATCOM集成储能系统中MMC的电路图。其中，所示的MMC共包含三相，每相电路包括上、下两个桥臂；上桥臂包含n个模块和一个电抗器分别SMap1～SMapn、Lc，下桥臂包含n个模块和一个电抗器分别SMan1～SMann、Lc。分别从MMC系统的三相上、下桥臂的中点引出端子接入三相交流系统，而三相桥臂的直流侧并联构造成统一的直流端口。MMC系统中子模块类型可以选择半桥型、全桥型及钳位双子模块等。

当系统接受到有功功率与无功功率指令后，根据系统的有功功率指令控制直流集电器的输出电流，同时控制各个储能系统的直流电压平衡，同时根据系统的无功功率指令控制MMC的交流侧输出电压的相位及直流端口的电压稳定，从而控制系统与电网之间交互的无功功率。

当MMC接收到放电信号时，MMC根据放电信号连接交流电网，将交流转换为直流后降压并构造出直流端口DC。

根据上述MMC构造出直流端口DC，用于给直流集电器提供直流端口DC，直流集电器用于能量汇集和级联升压，并将能量出送给储能单元。如图3所示，图3示出了根据本发明实施例的STATCOM集成储能系统中直流集电器的电路图，从图3中可以看出，直流集电器右端的直流端口接入上述MMC构造出直流端口DC，并构造出多个分散的、低电压的直流端口LVDC1～LVDCn，分散的、低电压的直流端口LVDC1～LVDCn不存在较大的二倍频波动，可大幅减少滤波器或者DC/DC变换。根据储能系统所需的容量大小分成多组储能系统采用多个直流集电器，每组储能系统的每个储能单元分别接入每个直流集电器所构造出的分散的、低电压的直流端口进行储存能量或提供直流。每个直流集电器包含n个子模块，图3中的每个子模块基本单元包括半桥子模块Si1-Si2包括开关管Si1和Si2和支撑电容Ci、二极管Di1和Di2，1

需要说明的是，本发明实施例的直流集电器采用半桥结构为基本单元构成，其他能够实现该功能的结构均可适用于本发明。本发明实施例的MMC构造出的直流端口也能够作为其他源、网、荷、储能系统的汇入接口。

上述MMC和直流集电器中均设置有冗余单元，用于当MMC和/或直流集电器中部分模块出现故障时，通过切除冗余单元，储能系统仍能够正常运行，当该组单元继续故障或出现其他无法冗余的故障，仅需停止该组的运行，其他组仍能正常运行。

在储能系统中，MMC控制储能系统的无功功率以及直流集电器构造出的直流端口的电压，直流集电器控制储能系统的有功功率以及直流集电器构造出的直流端口的电压。直流集电器构造出的直流端口LVDC1～LVDCn的额定电压由每个储能单元的电压决定；直流集电器之间采用串联的方式连接，直流集电器之间串联的数量由MMC构造出的直流端口DC的额定电压、直流集电器构造出的直流端口LVDC1～LVDCn的额定电压以及冗余单元的数量共同决定。

示例性地，在稳态条件下，MMC控制系统的无功功率即直流端口的电压稳定，而直流集电器控制系统有功功率和离散端口电压的平衡。当系统的无功需求增大时，此时MMC将会调节交流侧输电压的相位以增大无功功率，无功功率需求减小时同理。另一方面，当交流电网系统需要发出有功功率时，该功率指令将传输至直流集电器，直流集电器将控制电流方向为流入储能系统以吸收电网功率；当交流电网系统需要吸收有功功率时，该功率指令将传输至直流集电器，直流集电器将控制电流方向为流出储能系统以吸收电网功率。

MMC构造出的直流端口的电压和模块数量无需考虑储能模块中储能单元的电压，能够根据交流电网系统电压等级和有功、无功容量要求，能够进行单独设计，进而能够使得储能系统发出的有功功率、无功功率能够实现控制解耦。

本发明还提供一种基于MMC和直流集电器的STATCOM集成储能系统的控制方法，控制包括：

S1：采集所述储能系统的有功功率与无功功率指令；

S2：根据所述有功功率指令控制直流集电器的输出电流，同时控制各个储能系统的直流电压平衡；

根据所述无功功率指令控制MMC的交流侧输出电压的相位及直流端口的电压稳定，从而控制系统与电网之间交互的无功功率；

S3：基于上述步骤，所述储能系统可以实现独立地控制系统的有功功率与无功功率。

示例性地，当采集到充电信号时，MMC根据放电信号连接交流电网，将交流转换为直流后降压并构造出直流端口DC，每个直流集电器右端的直流端口接入上述MMC构造出直流端口DC，并构造出多个分散的、低电压的直流端口LVDC1～LVDCn，每组储能系统的每个储能单元分别接入每个直流集电器所构造出的分散的、低电压的直流端口进行储存能量或提供直流。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。