一种火电超级电容混合储能调频并网系统及方法

技术领域

本申请涉及锂电池直流高压并网领域，尤其涉及一种火电超级电容混合储能调频并网系统及方法。

背景技术

作为我国能源变革关键技术支撑之一的大规模储能技术，因为其可以为电网提供调峰、调频、应急响应等多种辅助服务，近年来受到了业内的广泛关注。由蓄电池与超级电容组成的混合储能设备，具有功率调节迅速、应用模式多样等优点。蓄电池功率调配灵活，超级电容充放电快速，混合储能系统通过换流器与火电机组相连，具备功率双向流动能力，具有功率调节迅速、应用模式多样等优点。

常规混合储能是锂电池和超级电容是并列关系，通过各自换流装置，在交流侧进行矢量合成，然后通过升压变并入火电机组6kV厂用侧，此种模式构造简单，但因为需要采用升压变，增加了设备投资与设备维护量。

发明内容

针对上述问题，提出了一种火电超级电容混合储能调频并网系统及方法，本申请的技术方案如下：

本申请第一方面提出了一种火电超级电容混合储能调频并网系统，包括：火电高压厂用降压单元（1）、锂电池高压并网单元（2）与超级电容低压并网单元（3），其中，

所述火电高压厂用降压单元（1）的火电高厂变（1-1）连接至发电机出口，所述锂电池高压并网单元（2）中锂电池储能集中换流装置（2-1）交流侧连接至所述火电高压厂用降压单元（1）的6kV交流厂用母线（1-3），所述超级电容低压并网单元（3）中低厂变（3-2）高压侧通过低厂变高压侧断路器（3-1）连接至所述火电高压厂用降压单元（1）的6kV交流厂用母线（1-3）；

所述火电高压厂用降压单元（1）用于将发电机出口20kV降压至6kV，并给所述锂电池高压并网单元（2）、所述超级电容低压并网单元（3）供电，所述锂电池高压并网单元（2）与所述超级电容低压并网单元（3）用于实现直-交电能变换，实现交直流功率相互支撑。

所述火电高压厂用降压单元（1）包括：所述火电高厂变（1-1）、高厂变低压侧断路器（1-2）与所述6kV交流厂用母线（1-3），其中，

所述火电高厂变（1-1）与所述6kV交流厂用母线（1-3）通过所述高厂变低压侧断路器（1-2）相连；

所述火电高厂变（1-1）用于将发电机出口20kV降压至6kV，所述6kV交流厂用母线（1-3）用于提供恒定交流6kV电压。

所述锂电池高压并网单元（2）包括：所述锂电池储能集中换流装置（2-1）、锂电池储能高压直流断路器（2-2）、锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）、A套锂电池储能高压侧整流装置（2-4）、A套高频变压装置（2-5）、A套锂电池储能低压侧逆变装置（2-6）、A套锂电池（2-7）、B套锂电池储能高压侧整流装置（2-8）、B套高频变压装置（2-9）、B套锂电池储能低压侧逆变装置（2-10）与B套锂电池（2-11），其中，

所述锂电池储能集中换流装置（2-1）的直流侧通过所述锂电池储能高压直流断路器（2-2）与所述锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）相连；

所述A套锂电池储能高压侧整流装置（2-4）的直流侧与所述锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）相连，所述A套锂电池储能高压侧整流装置（2-4）的交流侧与所述A套高频变压装置（2-5）相连，所述A套高频变压装置（2-5）与所述A套锂电池储能低压侧逆变装置（2-6）的交流侧相连，所述A套锂电池储能低压侧逆变装置（2-6）的直流侧与所述A套锂电池（2-7）相连；

所述B套锂电池储能高压侧整流装置（2-8）的直流侧与所述锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）相连，所述B套锂电池储能高压侧整流装置（2-8）的交流侧与所述B套高频变压装置（2-9）相连，所述B套高频变压装置（2-9）与所述B套锂电池储能低压侧逆变装置（2-10）的交流侧相连，所述B套锂电池储能低压侧逆变装置（2-10）的直流侧与所述B套锂电池（2-11）相连。

所述超级电容低压并网单元（3）包括：所述低厂变高压侧断路器（3-1）、所述低厂变（3-2）、超级电容储能集中换流装置（3-3）、超级电容储能520V直流母线（3-4）、A套超级电容储能直流断路器（3-5）、A套超级电容储能DC-DC换流装置（3-6）、A套超级电容（3-7）、B套超级电容储能直流断路器（3-8）、B套超级电容储能DC-DC换流装置（3-9）、B套超级电容（3-10），其中，

所述低厂变（3-2）低压侧与所述超级电容储能集中换流装置（3-3）的交流侧相连，所述超级电容储能集中换流装置（3-3）的直流侧与所述超级电容储能520V直流母线（3-4）相连；

所述超级电容储能520V直流母线（3-4）、所述A套超级电容储能直流断路器（3-5）、所述A套超级电容储能DC-DC换流装置（3-6）和所述A套超级电容（3-7）依次相连，所述超级电容储能520V直流母线（3-4）、所述B套超级电容储能直流断路器（3-8）、所述B套超级电容储能DC-DC换流装置（3-9）和所述B套超级电容（3-10）依次相连。

本申请第二方面提出了一种火电超级电容混合储能调频并网方法，包括：

在所述锂电池储能集中换流装置（2-1）中采用自适应有功-频率下垂控制方程，获取并调节功率调节中造成的频率波动；

在所述超级电容储能集中换流装置（3-3）采用自适应有功-直流电压下垂控制方程，维持功率调节过程中的直流电压稳定。

可选的，所述自适应有功-频率下垂控制方程的公式化表达为：

，

其中，

其中，所述锂电池自适应有功下垂系数

，

其中，

可选的，所述有功-直流电压下垂控制方程的公式化表达为：

,

其中，

其中，所述超级电容储能自适应有功下垂系数

，

其中：

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

采用锂电池与超级电容混合储能方式，具有功率调节迅速、应用模式多样等优点，在响应火电机组频率调节过程中，超级电容优先动作，响应小功率调节指令，蓄电池用来响应大功率调节指令，可以延长整个混合储能系统的使用寿命，另外，锂电池储能系统和超级电容储能系统都是通过集中换流装置实现直-交电能变换，集中换流装置采用MMC变流方案，可以实现储能系统柔性并网，实现交直流功率相互支撑。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请实施例示出的一种火电超级电容混合储能调频并网系统的结构图。

图1中包括：火电高压厂用降压单元（1）；锂电池高压并网单元（2）；超级电容低压并网单元（3）；火电高厂变（1-1）；高厂变低压侧断路器（1-2）；6kV交流厂用母线（1-3）；锂电池储能集中换流装置（2-1）；锂电池储能高压直流断路器（2-2）；锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）；A套锂电池储能高压侧整流装置（2-4）；A套高频变压装置（2-5）；A套锂电池储能低压侧逆变装置（2-6）；A套锂电池（2-7）；B套锂电池储能高压侧整流装置（2-8）；B套高频变压装置(2-9)；B套锂电池储能低压侧逆变装置(2-10)；B套锂电池(2-11)；低厂变高压侧断路器（3-1）；低厂变（3-2）；超级电容储能集中换流装置(3-3)；超级电容储能520V直流母线(3-4)；A套超级电容储能直流断路器(3-5)；A套超级电容储能DC-DC换流装置（3-6）；A套超级电容（3-7）；B套超级电容储能直流断路器(3-8)；B套超级电容储能DC-DC换流装置(3-9)；B套超级电容(3-10)。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

直流变压器（DC Transformer，DCT）是一种在直流输电中实现隔离和电压变换的关键设备，通过高频斩波、变压器隔离、高频整流来实现直流变压。

图1是根据本申请实施例示出的一种火电超级电容混合储能调频并网系统的结构图，如图1所示，该系统包括火电高压厂用降压单元（1）、锂电池高压并网单元（2）与超级电容低压并网单元（3），其中，

火电高压厂用降压单元（1）的火电高厂变（1-1）连接至发电机出口，锂电池高压并网单元（2）中锂电池储能集中换流装置（2-1）交流侧连接至火电高压厂用降压单元（1）的6kV交流厂用母线（1-3），超级电容低压并网单元（3）中低厂变（3-2）高压侧通过低厂变高压侧断路器（3-1）连接至火电高压厂用降压单元（1）的6kV交流厂用母线（1-3）；

火电高压厂用降压单元（1）用于将发电机出口20kV降压至6kV，并给锂电池高压并网单元（2）、超级电容低压并网单元（3）供电，锂电池高压并网单元（2）与超级电容低压并网单元（3）用于实现直-交电能变换，实现交直流功率相互支撑。

本申请实施例中，火电高压厂用降压单元（1）包括：火电高厂变（1-1）、高厂变低压侧断路器（1-2）与6kV交流厂用母线（1-3），其中，

火电高厂变（1-1）与6kV交流厂用母线（1-3）通过高厂变低压侧断路器（1-2）相连；

火电高厂变（1-1）用于将发电机出口20kV降压至6kV，6kV交流厂用母线（1-3）用于提供恒定交流6kV电压。

可选的，锂电池高压并网单元（2）包括：锂电池储能集中换流装置（2-1）、锂电池储能高压直流断路器（2-2）、锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）、A套锂电池储能高压侧整流装置（2-4）、A套高频变压装置（2-5）、A套锂电池储能低压侧逆变装置（2-6）、A套锂电池（2-7）、B套锂电池储能高压侧整流装置（2-8）、B套高频变压装置（2-9）、B套锂电池储能低压侧逆变装置（2-10）与B套锂电池（2-11），其中，

锂电池储能集中换流装置（2-1）的直流侧通过锂电池储能高压直流断路器（2-2）与锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）相连；

A套锂电池储能高压侧整流装置（2-4）的直流侧与锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）相连，A套锂电池储能高压侧整流装置（2-4）的交流侧与A套高频变压装置（2-5）相连，A套高频变压装置（2-5）与A套锂电池储能低压侧逆变装置（2-6）的交流侧相连，A套锂电池储能低压侧逆变装置（2-6）的直流侧与A套锂电池（2-7）相连；

B套锂电池储能高压侧整流装置（2-8）的直流侧与锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）相连，B套锂电池储能高压侧整流装置（2-8）的交流侧与B套高频变压装置（2-9）相连，B套高频变压装置（2-9）与B套锂电池储能低压侧逆变装置（2-10）的交流侧相连，B套锂电池储能低压侧逆变装置（2-10）的直流侧与B套锂电池（2-11）相连。

本申请实施例中，换流器作用为进行交-直流转换，涉及到的换流器包括锂电池储能集中换流装置（2-1）、A套锂电池（2-7）储能高压侧整流装置（2-4）、A套锂电池储能低压侧逆变装置（2-6）、B套锂电池（2-11）储能高压侧整流装置（2-8）与B套锂电池储能低压侧逆变装置（2-10），锂电池储能8.4kV直流母线（2-3）用于提供直流电压，A套高频变压装置（2-5）与B套高频变压装置（2-9）用于调节电压。

可选的，超级电容低压并网单元（3）包括：低厂变高压侧断路器（3-1）、低厂变（3-2）、超级电容储能集中换流装置（3-3）、超级电容储能520V直流母线（3-4）、A套超级电容储能直流断路器（3-5）、A套超级电容储能DC-DC换流装置（3-6）、A套超级电容（3-7）、B套超级电容储能直流断路器（3-8）、B套超级电容储能DC-DC换流装置（3-9）、B套超级电容（3-10），其中，

低厂变（3-2）低压侧与超级电容储能集中换流装置（3-3）的交流侧相连，超级电容储能集中换流装置（3-3）的直流侧与超级电容储能520V直流母线（3-4）相连；

超级电容储能520V直流母线（3-4）、A套超级电容储能直流断路器（3-5）、A套超级电容储能DC-DC换流装置（3-6）和A套超级电容（3-7）依次相连，超级电容储能520V直流母线（3-4）、B套超级电容储能直流断路器（3-8）、B套超级电容储能DC-DC换流装置（3-9）和B套超级电容（3-10）依次相连。

本申请实施例中，低厂变（3-2）将6kV交流厂用母线（1-3）的高压交流电降低，并通过超级电容储能集中换流装置（3-3）将该交流电转换为直流电，A套超级电容储能DC-DC换流装置（3-6）与B套超级电容储能DC-DC换流装置（3-9）用于实现稳压控制。

经上，本申请的有益效果如下：

本申请进一步的改进在于，采用锂电池+超级电容混合储能方式，具有功率调节迅速、应用模式多样等优点，蓄电池功率调配灵活，超级电容充放电快速，在响应火电机组频率调节过程中，超级电容优先动作，响应小功率调节指令，蓄电池用来响应大功率调节指令，可以延长整个混合储能系统的使用寿命。

本申请进一步的改进在于，采用混合储能分压并网方案，锂电池采用直流变压器直流升压后集中换流，接入6kV高压厂用系统，超级电容采用DC-DC实现稳压控制，经过统一换流并入380V低压厂用系统，此种混合储能分压并网方案可以不使用工频变压器，减少了设备投资与设备维护量。

本申请进一步的改进在于，锂电池采用直流变压器将储能设备升压至直流8.4kV，直流变压器通过高频斩波、变压器隔离、高频整流来实现直流变压，可以实现隔离和电压变换，在直流变压器中采用高频变压器，相较于功率变压器体积更小，损耗更少，易于维护。

本申请进一步的改进在于，锂电池储能系统和超级电容储能系统都是通过集中换流装置实现直-交电能变换，集中换流装置采用MMC变流方案，可以实现储能系统柔性并网，实现交直流功率相互支撑。

本申请提出的火电超级电容混合储能调频并网系统的结构已详细说明，下面具体说明本申请提出的火电超级电容混合储能调频并网方法，包括：

在锂电池储能集中换流装置（2-1）中采用自适应有功-频率下垂控制方程，获取并调节功率调节中造成的频率波动。

本申请实施例中，A套锂电池（2-7）储能高压侧整流装置（2-4）、A套高频变压装置（2-5）与A套锂电池（2-7）储能低压侧逆变装置（2-6）构成直流变压器，B套锂电池（2-11）储能高压侧整流装置（2-8）、B套高频变压装置（2-9）与B套锂电池（2-11）储能低压侧逆变装置（2-10）同样构成直流变压器。

自适应有功-频率下垂控制方程的公式化表达为：

，

其中，

其中，锂电池自适应有功下垂系数

，

其中，

通过自适应调节锂电池下垂系数，可以减少功率调节过程中的频率振荡。

在超级电容储能集中换流装置（3-3）采用自适应有功-直流电压下垂控制方程，维持功率调节过程中的直流电压稳定。

本申请实施例中，有功-直流电压下垂控制方程的公式化表达为：

,

其中，

其中，超级电容储能自适应有功下垂系数

，

其中：

本申请实施例在锂电池储能集中换流装置（2-1）采用自适应有功-频率下垂控制方案，减少因为功率调节造成的频率波动，在超级电容集中换流装置采用自适应有功-直流电压下垂控制方案，维持功率调节过程中直流电压稳定。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。