CN114594320A - 一种储能电站的并网性能测试平台及测试方法 - Google Patents

一种储能电站的并网性能测试平台及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种储能电站的并网性能测试平台及测试方法，包含搭建一个测试平台，测试平台包括采用10级H桥级联拓扑结构的四象限变流器、以该四象限变流器为内核的电网模拟单元以及一个电压调节范围能够覆盖储能变流器工作电压变化范围的电池模拟装置；基于搭建的测试平台模拟仿真电网扰动和高/低电压穿越，利用本发明提供的平台可以用来测试储能装置的电网适应性和故障电压穿越能力。

Description

一种储能电站的并网性能测试平台及测试方法
技术领域
本发明涉及电力储能测试领域，具体涉及一种储能电站的并网性能测试平台及测试方法。
背景技术
储能在电源侧、电网侧、用户侧拥有良好的经济效益和调节效果，近两年来得到快速发展。在电源侧，主要用于辅助火电深度调峰和自动发电控制(AGC)调频、平滑新能源出力波动、跟踪新能源电站发电曲线；在电网侧，主要用于参与***调峰、调频、调压，提升新能源消纳能力，延缓电网升级改造投资，优化电网潮流分布，提供紧急功率支撑；在用户侧，主要用于峰谷电价差套利运行、提升用电可靠性、满足多样化供电需求、支撑微网离网运行。
大规模储能设备并网对电力***安全稳定运行产生很多新的不确定影响，因此，当电网发生扰动(电压波动、频率波动或三相电压不平衡等)和短时故障时，并网运行的大规模储能***必须具备良好的电网故障穿越能力。从目前电化学储能电站的发展和现行标准分析，虽然规模化、大容量的电化学储能电站项目此起彼伏，建设较多，但对于电化学储能电站的运行特性研究较少，特别是储能电站在电网运行过程中的异常和故障状态的分析，储能电站的安全性检测、储能电站功能性验证研究还不够，目前普遍采用的还是基于设备级的运行测试，即针对储能电站的关键设备的运行测试，比如储能电池本体、储能变流器和能量管理***的运行测试。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供一种储能电站的并网性能测试平台，包括：电网模拟单元和电池模拟装置；所述电网模拟单元的输入端与电网连接，输出端与电池模拟装置连接；
所述电网模拟单元包括具有四象限变流器的结构，用于根据仿真实验要求，通过控制四象限变流器的输出进而模拟电网故障；
所述电池模拟装置用于基于电网故障时模拟被测储能电站中的电化学电池的充放电特性，进而测试所述储能电站在电网故障期间的并网性能；
其中，所述仿真实验至少包括下述中的一种或几种：电网扰动、高电压穿越和低电压穿越。
优选的，所述四象限变流器包括三相多绕组变压器和多个功率单元，所述变压器各相的每个绕组均与一个功率单元连接，所有功率单元串联。
优选的，所述各功率单元均包括一个H桥结构。
优选的，与各相连接的功率单元数量为10串联四象限变流器的各相采用10个功率单元串联。
优选的，所述控制四象限变流器的输出包括基于控制各有功功率单元的导通和关断控制输出电压幅值、频率和相位。
优选的，所述内核结构还包括：两个10kV开关柜、充电电阻柜和滤波柜；
其中一个10kV开关柜的输入端与10kV电网连接，输出端与所述充电电阻柜输入端连接；所述充电电阻柜的输出端与所述四象限变流器的输入端连接，所述四象限变流器的输出端与所述滤波柜的输出端连接；所述滤波柜的输出端与另一个10kV开关柜的输入端连接；所述另一个10kV开关柜的输出端与电池模拟装置连接此时电池模拟装置用于模拟10kV储能电池。
优选的，所述模拟电网单元还包括：两个35kV开关柜、35/10kV降压变压器和10/35kV升压变压器；
一个35kV开关柜的输出端与所述35/10kV降压变压器的输入端连接；所述35/10kV降压变压器的输出端与所述一个10kV开关柜的输入端连接；
所述另一个10kV开关柜的输出端与所述10/35kV升压变压器的输入端连接；所述10/35kV升压变压器的输出端与另一个35kV开关柜的输入端连接；
所述一个35kV开关柜的输入端与35kV电网连接；所述另一个35kV开关柜的输出端与电池模拟装置连接，此时电池模拟装置用于模拟35kV储能电池。
优选的，所述模拟电网单元还包括：10/0.4kV降压变压器；
所述一个10kV开关柜的输入端与10kV电网连接；所述另一个10kV开关柜的输出端通过所述10/0.4kV降压变压器与电池模拟装置连接，此时电池模拟装置用于模拟400V储能电池。
优选的，所述模拟电网单元还包括：旁路开关柜；
所述旁路开关柜并联于所述一个10kV开关柜的输入端和所述另一个10kV开关柜的输出端。
优选的，所述四象限变流器设置于变流器集装箱内；
所述变流器集装箱顶部具有可拆卸的风机顶盖。
优选的，所述电池模拟装置包括：断路器、多绕组变压器、三相整流单元、电感、控制器和直流断路器；
所述多绕组变压器包括多个二次绕组；每个二次绕组的一端通过断路器与模拟电网单元连接，另一端通过电感和三相整流单元的输入端连接；所述整流单元的输出端通过直流断路器与直流母线连接；
所述控制器通过光纤与各三相整流单元连接，用于向各三相整流单元发送控制信号。
优选的，所述整流单元采用PWM整流技术。
优选的，所述整流单元的每相由2个IGBT模块并联。
优选的，所述IGBT模块为300A、1700V的IGBT模块。
基于同一种发明构思，本发明还提供一种储能电站的并网性能测试方法，包括：
利用预先搭建的测试平台中的电池模拟装置模拟被测储能装置；
根据仿真实验要求，通过所述测试平台的控制电网模拟单元中的四象限变流器的输出进而模拟电网故障；
基于所述模拟电网故障，利用所述电池模拟装置模拟被测储能电站中的电化学电池的充放电特性，进而测试所述储能电站在电网故障期间的并网性能；
根据所述仿真试验结果验证所述被测储能装置的并网性能；
所述测试平台为本发明提供的一种储能电站的并网性能测试平台；所述仿真试验至少包括下述中的一种或几种：模拟电网扰动、高电压穿越和低电压穿越。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明涉及一种储能电站的并网性能测试平台及测试方法，包含搭建一个测试平台，测试平台包括采用10级H桥级联拓扑结构的四象限变流器、以该四象限变流器为内核的电网模拟单元以及一个电压调节范围能够覆盖储能变流器工作电压变化范围的电池模拟装置；基于搭建的测试平台模拟仿真电网扰动和高/低电压穿越，利用本发明提供的平台可以用来测试储能装置的电网适应性和故障电压穿越能力。
附图说明
图1为本发明的一种储能电站的并网性能测试平台结构示意图；
图2为本发明实施例中四象限变流器的拓扑结构；
图3为本发明实施例中模拟电网单元的拓扑结构；
图4为本发明实施例中10kV/3000kVA装置主回路结构图；
图5为本发明实施例中35kV/3000kVA装置主回路结构图；
图6为本发明实施例中400V/3000kVA装置主回路结构图；
图7为本发明实施例中电池模拟装置的拓扑结构；
图8为本发明实施例中整流单元的拓扑结构；
图9为本发明的一种储能电站的并网性能测试方法流程图；
图10为本发明实施例中输出电压不平衡仿真波形；
图11为本发明实施例中高电压穿越给定指令的变化曲线；
图12为本发明实施例中高电压穿越输出电压仿真波形；
图13为本发明实施例中低电压穿越给定指令的变化曲线；
图14为本发明实施例中低电压穿越输出电压仿真波形。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
本发明提供一种储能电站的并网性能测试平台，包括建立一个以四象限变流器为核心的电网模拟单元，通过控制四象限变流器的输出电压幅值、频率和相位模拟电网的扰动和电压故障，来测试储能装置的故障电压穿越能力。如图1所示，其结构包括：电网模拟单元和电池模拟装置；所述电网模拟单元的输入端与电网连接，所述电网模拟单元的输出端与电池模拟装置的输入端连接；所述电网模拟单元以四象限变流器为内核，用于根据接收的指令进行电网故障期间的仿真试验；所述电池模拟装置用于基于电网故障时模拟被测储能电站中的电化学电池的充放电特性，进而测试所述储能电站在故障期间的并网性能；其中，所述四象限变流器采用多级H桥级联结构。
本发明的四象限变流器，其输入和输出都是10kV，容量为3000kVA，每相采用多个功率单元串联，本实施例采用了10个，四象限变流器电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术，各功率单元逆变输出经串联叠加直接输出三个5773.5V的单相独立可控电源，线电压为10kV。通过脉冲宽度调制(PWM)下发信号控制多个IGBT开关元器件的导通和关断，加之电感电容等电力电子元器件的协调配合，实现控制其输出电压幅值、频率和相位，可以模拟电网的扰动和故障电压。该四象限变流器的拓扑结构如图2所示。
模拟电网单元主回路结构如图3所示，主要包括35kV输入开关柜、35/10kV降压变压器、10kV输入开关柜、充电电阻柜、四象限变流器、滤波柜、10kV输出开关柜、10/35kV升压变压器、35kV输出开关柜和旁路开关柜等。当10kV电网直接接入***的内核，通过10kV输入开关柜、充电电阻柜和四象限变流器连接，变流器输出经过滤波柜和10kV输出开关柜后接被测10kV装置时，拓扑结构如图4所示。当35kV电网通过35kV输入开关柜、35/10kV降压变压器后，接入***的10kV内核，其输出经过10/35kV升压变压器和35kV输出开关柜后接被测35kV装置时，拓扑结构如图5所示。当10kV电网直接接入***的内核，通过10kV输入开关柜、充电电阻柜和四象限变流连接，变流器输出经过滤波柜和10kV输出开关柜后，再经过10/0.4kV降压变压器和被测400V装置连接时，拓扑结构如图6所示。该模拟电网单元包含两个集装箱，其中，变流器集装箱(即第一集装箱)的长宽高尺寸为12m*2.438m*3.5m，重约35t；开关柜和压变集装箱(即第二集装箱)的长宽高尺寸为14m*2.438m*3.5m，重约37t。注，集装箱高度为3.5m，包含风机顶盖，运输过程中顶盖可拆卸，拆卸后集装箱高度约3.1m。
本发明的电池模拟装置能够模拟电化学电池的充放电特性，单台容量为1.5MVA。该模拟装置由输入断路器、多绕组变压器、整流单元、控制器和直流断路器等组成。多绕组变压器有15个二次绕组，每个二次绕组通过电感L和整流单元连接，共有15个整流单元并联在直流母线上，其拓扑结构如图7所示。整流单元的拓扑结构如图8所示，每个整流单元采用PWM整流技术，将0.38kV的交流电压整流为直流。控制器通过光纤实时发送控制信号至每个整流单元。整流单元三相输入通过电感L和多绕组变压器的二次绕组连接，每相由2个300A，1700V的IGBT模块并联，每个单元共有6个IGBT模块。这里的控制信号采用脉冲宽度调制(PWM)实现电力电子元件的导通和关断，进而实现整流功能。
实施例2
基于同一种发明构思，本发明还提供一种储能电站的并网性能测试方法，如图9所示，包括：
S1、利用预先搭建的测试平台中的电池模拟装置模拟被测储能装置；
S2、根据仿真实验要求，通过所述测试平台的控制电网模拟单元中的四象限变流器的输出进而模拟电网故障；
S3、基于所述模拟电网故障，利用所述电池模拟装置模拟被测储能电站中的电化学电池的充放电特性，进而测试所述储能电站在电网故障期间的并网性能。
这里的测试平台即为本发明提供的一种储能电站的并网性能测试平台；仿真试验至少包括下述中的一种或几种：模拟电网扰动、高电压穿越和低电压穿越。
步骤S2中根据仿真实验要求，通过所述测试平台的控制电网模拟单元中的四象限变流器的输出进而模拟电网故障的具体步骤为：
第一步：模拟电网扰动仿真试验，可以通过输出电压不平衡实现仿真。分别设置储能装置每相基准差值，假设A、C相设置为100％基准值，B相设置为跌落30％基准电压，并在预置的时间内恢复，或者等待基准电压设置为0时恢复。图10所示为在0.06s时B相跌落30％、时间持续0.1s的三相输出电压仿真波形；
第二步：输出高电压穿越仿真。能量管理平台发送的电压给定指令在0.1s是由低值变为高值，高值持续约0.1s后再经过两次阶跃减小，给定指令的变化曲线如图11所示，图12则为在该给定之情况下的输出电压仿真波形；
第三步：输出低电压穿越仿真。电压给定指令在0.1s是由高值变为零，零值持续约0.1s后再经过一次阶跃增大，经过约0.6s后再以一定斜率缓慢增大，给定指令的变化曲线如图13示，图14则为在该给定之情况下的输出电压仿真波形。
本发明中提出的储能测试平台方案的设计中以四象限变流器为内核的模拟电网单元以及能够模拟电化学电池充放电特性的电池模拟装置，可以用来测试储能装置的电网适应性和故障电压穿越能力等指标。依据每个储能电站的检测价格为160万元/站，本发明每年带来上千万元的检测和运行评价收益，同时还能节省大量的人力和设备，也将极大提高电力设备的运行安全，具有很好的经济和实用价值。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (15)

1.一种储能电站的并网性能测试平台，其特征在于，包括：电网模拟单元和电池模拟装置；所述电网模拟单元的输入端与电网连接，输出端与电池模拟装置连接；
所述电网模拟单元包括具有四象限变流器的结构，用于根据仿真实验要求，通过控制四象限变流器的输出进而模拟电网故障；
所述电池模拟装置用于基于电网故障时模拟被测储能电站中的电化学电池的充放电特性，进而测试所述储能电站在电网故障期间的并网性能；
其中，所述仿真实验至少包括下述中的一种或几种：电网扰动、高电压穿越和低电压穿越。
2.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述四象限变流器包括三相多绕组变压器和多个功率单元，所述变压器各相的每个绕组均与一个功率单元连接，所有功率单元串联。
3.根据权利要求2所述的测试平台，其特征在于，所述各功率单元均包括一个H桥结构。
4.根据权利要求2所述的测试平台，其特征在于，与各相连接的功率单元数量为10串联四象限变流器的各相采用10个功率单元串联。
5.根据权利要求2所述的测试平台，其特征在于，所述控制四象限变流器的输出包括基于控制各有功功率单元的导通和关断控制输出电压幅值、频率和相位。
6.根据权利要求2所述的测试平台，其特征在于，所述内核结构还包括：两个10kV开关柜、充电电阻柜和滤波柜；
其中一个10kV开关柜的输入端与10kV电网连接，输出端与所述充电电阻柜输入端连接；所述充电电阻柜的输出端与所述四象限变流器的输入端连接，所述四象限变流器的输出端与所述滤波柜的输出端连接；所述滤波柜的输出端与另一个10kV开关柜的输入端连接；所述另一个10kV开关柜的输出端与电池模拟装置连接此时电池模拟装置用于模拟10kV储能电池。
7.根据权利要求6所述的测试平台，其特征在于，所述模拟电网单元还包括：两个35kV开关柜、35/10kV降压变压器和10/35kV升压变压器；
一个35kV开关柜的输出端与所述35/10kV降压变压器的输入端连接；所述35/10kV降压变压器的输出端与所述一个10kV开关柜的输入端连接；
所述另一个10kV开关柜的输出端与所述10/35kV升压变压器的输入端连接；所述10/35kV升压变压器的输出端与另一个35kV开关柜的输入端连接；
所述一个35kV开关柜的输入端与35kV电网连接；所述另一个35kV开关柜的输出端与电池模拟装置连接，此时电池模拟装置用于模拟35kV储能电池。
8.根据权利要求6所述的测试平台，其特征在于，所述模拟电网单元还包括：10/0.4kV降压变压器；
所述一个10kV开关柜的输入端与10kV电网连接；所述另一个10kV开关柜的输出端通过所述10/0.4kV降压变压器与电池模拟装置连接，此时电池模拟装置用于模拟400V储能电池。
9.根据权利要求6至8任意项所述的测试平台，其特征在于，所述模拟电网单元还包括：旁路开关柜；
所述旁路开关柜并联于所述一个10kV开关柜的输入端和所述另一个10kV开关柜的输出端。
10.根据权利要求6所述的测试平台，其特征在于，所述四象限变流器设置于变流器集装箱内；
所述变流器集装箱顶部具有可拆卸的风机顶盖。
11.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述电池模拟装置包括：断路器、多绕组变压器、三相整流单元、电感、控制器和直流断路器；
所述多绕组变压器包括多个二次绕组；每个二次绕组的一端通过断路器与模拟电网单元连接，另一端通过电感和三相整流单元的输入端连接；所述整流单元的输出端通过直流断路器与直流母线连接；
所述控制器通过光纤与各三相整流单元连接，用于向各三相整流单元发送控制信号。
12.根据权利要求11所述的测试平台，其特征在于，所述整流单元采用PWM整流技术。
13.根据权利要求11所述的测试平台，其特征在于，所述整流单元的每相由2个IGBT模块并联。
14.根据权利要求13所述的测试平台，其特征在于，所述IGBT模块为300A、1700V的IGBT模块。
15.一种储能电站的并网性能测试方法，其特征在于，包括：
利用预先搭建的测试平台中的电池模拟装置模拟被测储能装置；
根据仿真实验要求，通过所述测试平台的控制电网模拟单元中的四象限变流器的输出进而模拟电网故障；
基于所述模拟电网故障，利用所述电池模拟装置模拟被测储能电站中的电化学电池的充放电特性，进而测试所述储能电站在电网故障期间的并网性能；
根据所述仿真试验结果验证所述被测储能装置的并网性能；
所述测试平台为如权利要求1至14任意项所述的一种储能电站的并网性能测试平台；所述仿真试验至少包括下述中的一种或几种：模拟电网扰动、高电压穿越和低电压穿越。
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