一种储能黑启动系统及其控制方法与流程

1.本发明主要涉及储能技术领域，具体涉及一种储能黑启动系统及其控制方法。


背景技术：

2.黑启动是指电网因故障停止电力供应，发电厂与外部电网脱开且机组全部停运的情况下，完全利用厂内的本地电源为厂用电供电，燃机负载换相逆变器、励磁及各类泵负荷从厂用母线取电，进而拖动燃机转动、点火直至运行在额定转速，从而实现机组自启动并逐步恢复电网供电范围，最终实现整个电网供电恢复。
3.水电机组和抽水蓄能机组都具备自启动能力，是传统黑启动电源的首选，然而季节气候以及地理环境对两者的影响都比较大。在水资源匮乏区域或者枯水期，将缺乏足够水量完成黑启动过程。分布式发电有作为黑启动电源的可能性，但也易受天气环境的影响，在特殊情况下无法作为保障黑启动电源。因此，燃气电厂作为电力系统中的重要电源点，有启动速度快、辅机设备少、靠近负荷中心等优点，且受自然条件限制最小，仍是黑启动的主力电源。
4.目前已知具备黑启动功能的燃机多为e级以下中小型燃机，对启动电源容量要求不高，多采用蓄电池组或柴油发电机作为黑启动电源。6b系列燃气轮机可采用柴油机作为启动装置，通过配置蓄电池供电的直流盘车棘轮泵、直流润滑油泵、黑启动逆变器(点火器电源)，即使在不配备柴油发电机的情况下，仍可独自实现从低速盘车到高速盘车一直到点火加速的一系列黑启动过程。7f、9e、9f燃机都配备较大功率的变频器或中压启动电机来辅助燃气轮机在脱扣前能高速盘车，需要较大容量的黑启动电源。9e燃机电源需求容量一般在5mw以内，可采用柴油发电机作为黑启动电源给辅机供电。f级燃机黑启动电源需求一般大于5mw，部分机组甚至超过10mw，如果用柴油发电机进行f级燃机黑启动，将面临多台协同困难、维护费用高、日常利用率低、增加风险源等问题。当前储能系统作为一个优质的双向可调节电源在机组厂用电侧实施接入，而本身储能系统也作为一个电源通过直流侧电池获取能量，具备自启动能力，在峰值运行功率与储备电量满足的前提下，储能系统可作为燃机黑启动过程中辅机运行的电源。
5.储能系统主要由电化学储能单元和整流器组成。储能系统与发电厂系统的连接方式一般采用低压并联即多个pcs并联形成一个储能单元，可实现稳压及充放电动作，并通过升压变压器与厂用6kv母线相连，储能辅助燃机黑启动的工作原理大致如下：当电厂处于全黑状态时，采用储能系统零起升压启动全黑系统的策略，投入储能系统并以一定增速控制厂用母线电压由零升至额定电压，并完成对燃气轮机主变预充电，然后启动辅机，最后启动sfc，拖动燃气轮机到空载转速，并完成并网和线路合闸。
6.在储能系统辅助燃气黑启动过程中，储能系统必须维持整个黑启动过程中机组的电压与频率的维度，以保证燃机黑启动顺利启动。目前用于辅助燃机黑启动的储能系统采用的控制结构主要有主从控制、对等控制以及分层控制。而用于辅助燃机黑启动的储能系统采用的控制模式主要有集中控制模式、分布式控制模式以及分散式控制模式。
7.目前储能系统在辅助燃气式电厂黑启动的过程中，储能系统将面临以下问题：
8.(1)sfc功率间歇性快速波动
9.在启动初期，sfc采用脉冲换相方式驱动燃机加速旋转，在换相阶段，其电流降至0，转矩和功率存在较大的波动，表现为间歇性的功率突升突降，于储能系统而言，间歇性的功率突升突降相当于连续的加载、减载。因此，储能系统应具备更好的动态调节性能。
10.(2)无功功率消耗大
11.黑启动期间sfc和励磁系统都需要消耗大量的无功功率。储能pcs视在功率最大和一般为1.1倍额定功率，储能系统在辅助燃气式电厂黑启动的过程中，大量的无功功率消耗会影响储能系统的最大有功输出能力；除此之外，黑启动阶段，储能系统处于离网控制状态，受无功-电压下垂关系的影响，无功功率会造成较大的电压波动和偏移。因此，储能系统应具备更好的电压控制能力。
12.(3)负荷冲击电流大
13.由于厂用电负荷中存在大量的变压器以及泵类负荷，直接投入会造成6至10倍的过流。储能系统需要承担容量相对较小的变压器励磁电流和未配置变频器的泵类设备启动电流的冲击。因此，储能系统应具备更强的抗冲击能力。
14.(4)pcs多机并联稳定性差
15.储能系统由多个储能单元并联组成，在黑启动过程中，系统处于离网控制状态，pcs处于电源模式并联且控制方法通常采用下垂控制、vsg等方法，pcs并联运行时容易出现振荡、环流、功率分配不均等问题。
16.而现有储能系统的控制结构和控制模式，对于解决储能系统辅助燃气式电厂黑启动的问题存在一定缺陷，具体为：
17.若采用主从控制结构，整个储能系统中只有一台pcs作为主控制单元，向储能系统提供频率和电压的支撑，由于单台pcs的容量有限，导致采用主从控制结构的储能系统控制范围有限，但整个系统稳定运行又依赖主控制单元。因此，采用主从控制结构的储能系统稳定性和可靠性受到上述因素的影响。
18.若采用等对等控制结构，储能系统只能实现频率和电压的有差控制，因此采用对等控制结构的储能系统鲁棒性较差，储能系统辅助燃机黑启动过程中存在负荷冲击，采用此结构将导致储能系统失稳。
19.针对储能系统控制结构存在的上述问题，目前采用的解决方法是采用分层控制结构，即一次控制和二次控制，其控制策略为每一层控制独立完成控制任务并通过通信通道向下层控制传达命令，且在向下控制传达命令时不影响系统的稳定性。一次控制，作为最底层控制，通常采用线性下垂控制方法，线性动态特性良好，动态响应速度快，实现有差调节；二次控制通常依靠通信系统，将电压、频率传输至储能控制系统，储能控制系统发控制指令至各pcs进行调节，补偿一次控制产生的电压、频率的稳态误差，实现误差调节。一般情况下，一次控制采用分散控制方式、二次控制采用集中控制模式，由于集中控制模式依赖于通信系统，因此储能系统的稳定性和可靠性存在一定的问题。


技术实现要素：

20.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一
种实现储能系统自身厂用电供电的储能黑启动系统及其控制方法。
21.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
22.一种储能黑启动系统，包括第一pcs组、第二pcs组、构网型控制器和同期开关，所述第一pcs组配置有对应的第一母线，所述第一pcs组通过第一开关与第一母线相连，所述第一pcs组通过同期开关与发电厂供电母线相连，所述第一母线与储能系统母线相连；所述第二pcs组通过第二开关与发电厂供电母线相连，所述第一pcs组、第二pcs组、同期开关、第一开关和第二开关均与所述构网型控制器相连；所述构网型控制器根据发电厂供电母线的状态信息来控制所述同期开关的通断以及第一pcs组的输出，使得储能系统母线跟踪发电厂供电母线的电压以实现快速同期。
23.优选地，所述构网型控制器与第一pcs组通过光纤或网线连接；其中第一pcs组的工作模式分为并网模式和离网模式；当发电厂供电母线对应电网出现故障时，储能系统结合并网点频率检测和幅值检测的结果，来控制同期开关的通断以实现并网模式和离网模式的主动切换。
24.优选地，所述构网型控制器根据第一pcs组所连接的第一母线的电压，来调节第一pcs组的频率、电压和相位，使得储能系统母线跟踪所述发电厂供电母线的电压并实现快速同期。
25.本发明还公开了一种基于如上所述的储能黑启动系统的控制方法，包括分散一次控制和分散二次控制，其中一次分散控制采用频率电压dpc控制策略，以实现储能系统自动平均分配有功负荷功率和无功负荷功率；
26.二次分散控制采用频率电压dsc控制策略，以使得储能系统的输出频率和输出电压在预定范围内；
27.在频率电压dsc控制策略中添加低通滤波器，实现频率电压dpc控制策略与频率电压dsc控制策略之间的动态解耦。
28.优选地，其中频率电压dpc控制策略依据下垂控制模型进行设计，频率电压dpc控制策略数学表达式如式(1)、式(2)所示：
29.f
pri
(pi)＝f
max-mipiꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0030]vpri
(qi)＝v
max-niqiꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0031]
式(1)中，f
pri
(pi)表示储能系统频率与储能系统输出有功功率的一次控制函数关系，f
max
表示储能系统频率的上限，pi表示储能系统输出有功功率，mi表示频率dpc控制系数；
[0032]
其中储能系统频率与储能系统输出有功功率呈现线性关系；通过设置不同的f
max
和mi实现储能系统的频率dpc控制的初始点和频率dpc控制系数，将所有的一次频率dpc控制参数设置一致，实现储能系统自动平均分配黑启动过程中的有功负荷功率；
[0033]
式(2)中，v
pri
(qi)表示储能系统电压与储能系统输出无功功率的一次控制函数关系，v
max
表示储能系统电压的上限，qi表示储能系统输出无功功率，ni表示电压dpc控制系数；
[0034]
其中储能系统电压与储能系统输出无功功率呈现线性关系；通过设置不同的v
max
和ni实现储能系统的电压dpc控制的初始点和电压dpc控制系数，将所有的一次电压dpc控制参数设置一致，实现储能系统自动平均分配黑启动过程中的无功负荷功率。
[0035]
优选地，其中频率电压dsc控制策略为有差调节方式，其中频率电压dsc控制策略包括频率dsc控制和电压dsc控制，其中频率dsc控制具体为：
system，功率转换系统组)、第二pcs组、构网型控制器和同期开关，第一pcs组配置有对应的第一母线，第一pcs组与第一母线相连，第一母线通过同期开关与发电厂供电母线相连，第一母线通过第一开关与储能系统母线相连；第二pcs组通过第二开关与发电厂供电母线相连，第一pcs组、第二pcs组、同期开关、第一开关和第二开关均与构网型控制器相连；构网型控制器根据发电厂供电母线的状态信息来控制同期开关的通断以及第一pcs组的输出，使得储能系统母线跟踪发电厂供电母线的电压以实现快速同期。
[0053]
在具体应用时，其中选取一套pcs组作为第一pcs组进行特殊设计，作为储能系统自身厂用电的电源，如图1中的pcs1-pcs4，同时，为特殊设计的pcs组设计了一段380v母线，如图1中的380v母线3，380v母线3经隔离变压器后，与储能系统380v厂用母线相连，最终实现对储能系统自身厂用电供电；
[0054]
其中pcs1-pcs4作为第一pcs组，连接在同一台箱变下，其中pcs1和pcs2并联输出至380v母线1，380v母线1上增加两个开关，k1和k3，其中k1为同期开关，k1用于连接箱变低压侧与母线1，k3用于连接380v母线3与母线1；
[0055]
其中pcs3和pcs4并联输出至380v母线2，380v母线2上增加两个开关，k2和k4，其中k2用于连接箱变低压侧与母线2，k4用于连接380v母线3与母线2；380v母线3经隔离变与储能系统380v厂用母线连接；开关k1、k2、k3和k4均通过构网型控制器统一控制；
[0056]
pcs5-pcsm为常规组，其结构同pcs特殊组结构相似但不设类似于k1、k2、k3和k4的开关，pcs5-pcsm并联输出至380v母线4，经开关k5和箱变后与6kv母线连接；
[0057]
储能系统通过各380v母线与发电厂的6kv母线连接，实现黑启动；
[0058]
构网型控制器切换pcs特殊组的控制模式，根据储能系统厂用电容量，灵活控制pcs特殊组内的开关，实现储能系统自身厂用电供电。
[0059]
其中各pcs组连接方式沿用目前主流的低压并联方式，接入厂用母线，实现储能系统辅助燃气式电厂黑启动；构网型控制器支持基于系统自趋优的储能黑启动频率电压控制策略；构网型控制器具备电压源特性，内置功率同步，能够实现等效惯量和系统强度支撑，强弱电网自适应等特征，构网型控制器能够在黑启动形成的无源网络运行环境下，具备支撑储能系统接入的能力。
[0060]
其中构网型控制器与各pcs组通过光纤或网线连接，构网型控制器用于切换各pcs组的工作模式，各pcs组的工作模式分为并网模式和离网模式。当电网出现故障时，储能系统结合并网点频率检测和幅值检测的结果，实现第一pcs组的并网模式与离网模式的主动切换，切换过程平滑、无冲击。具体地，储能系统通过检测并网点的频率、电压幅值，当储能系统连接到发电厂电网时，其切换到并网模式的条件之一是发电厂电网状态正常，电压、频率等参数稳定。当电网状态异常、电压波动、频率偏离或者故障发生时，储能系统应及时切换到离网模式，避免对电网造成不良影响。
[0061]
其中构网型控制器通过跟踪箱变低压侧电压与第一pcs组所连接的母线电压(母线1、2)，调节pcs组的频率、电压和相位，使得与第一pcs组相连的储能系统厂用母线跟踪所述箱变的低压侧电压并实现快速同期；快速同期使得并网不受电压幅值、电压相位、频率和开关合闸时间分散性的影响。
[0062]
具体地，各pcs组主要负责将电池组输送的直流电转换为交流电，并将其接入到电网中。第一pcs组需要对输出的电压、频率和相位等参数进行精确的控制和调节，以确保其
与电网的协同运行和优化控制，其调节方法主要包括以下几个方面：
[0063]
1、电压控制：pcs组可以通过增大或缩小输出电压的幅值，来控制电池组向电网输送的电能量大小。电压调节通过pwm(pulse width modulation)技术或spwm(sinusoidal pulse width modulation)技术来实现，同时还可以根据电网状态和负载需求，自动调整电压值，以实现电网调节、负荷平衡等目的。
[0064]
2、频率控制：pcs组可以通过改变输出电流中的频率，来控制输出功率的大小和方向。频率调节采用pll(phase-locked loop)技术或pll+pi(proportional-integral)控制器来实现，其原理是将输入和输出的信号进行频率比较，并根据比较结果来生成反馈信号，然后对反馈信号进行控制，使得输出频率精确匹配电网频率，从而实现输出功率的稳定调节。
[0065]
3、相位控制：pcs组需要保证电池组输出电流的相位与电网同步，以避免电网负荷出现跳闸等情况。为了实现相位控制，pcs组一般采用pll+pi控制器来实现。其原理是将输入和输出的信号进行相位比较，并根据比较结果来生成反馈信号，然后对反馈信号进行控制，使得输出相位与电网相位保持同步，从而实现电流的正常输送和调节。
[0066]
储能系统跟踪箱变低压侧电压与pcs组所连接的母线电压；通过上述控制使得母线电压和箱变低压侧电压出现波动时，能够在很短时间内恢复到稳态状态，即实现快速同期。
[0067]
其中构网型控制器对所有pcs组进行协调与控制，实现整个储能系统输出电压、频率的二次控制，是控制策略的硬件基础。构网型控制器与同期开关通过硬接线连接，控制同期开关进行同期检测。当检测到箱变低压侧电压与pcs组所连接的母线电压满足同期条件后，闭合箱变低压侧与pcs组所连接的母线间的厂用母线进线开关，完成同期合闸；开关在并网同期前处于分断状态。
[0068]
本发明通过特殊设计第一pcs组来实现储能系统自供电，摆脱了对储能系统自身用电系统对外界电源的依赖，根据储能系统厂用电容量，灵活控制pcs特殊组内的开关，实现储能系统自身厂用电供电；由于第一pcs组解决了储能系统自身厂用电供电问题，第二pcs组能够通过零起升压能够有效解决厂用电恢复过程中因变压器和泵类负荷产生的过流问题，有效地抵抗变压器励磁电流和泵类设备启动电流的冲击。
[0069]
如图2和图4所示，本发明实施例还提供一种如上所述的储能黑启动系统的控制方法，基于分层控制思想，主要分为分散一次控制(decentralized primary control，dpc)和分散二次控制(decentralized secondary control，dsc)；
[0070]
采用典型的分层控制思想，其中一次分散控制采用频率电压dpc控制策略，以实现储能系统自动平均分配有功负荷功率和无功负荷功率；
[0071]
二次分散控制采用频率电压dsc控制策略，以使得储能系统的输出频率和输出电压在预定范围内；
[0072]
然后通过在频率电压dsc控制策略中添加低通滤波器，实现频率电压dpc控制策略与频率电压dsc控制策略之间的动态解耦，减弱两者之间的内部联系，避免两者控制同时动作可能引起的动态稳定性问题。
[0073]
具体地，频率电压dpc控制策略依据下垂控制模型进行设计，系统频率与储能输出有功功率呈线性关系，系统电压与储能输出无功功率呈线性关系，系统频率和电压调节具
有良好的动态特性，频率电压dpc控制策略数学表达式如式(1)、式(2)所示：
[0074]fpri
(pi)＝f
max-mipiꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0075]vpri
(qi)＝v
max-niqiꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0076]
式(1)中，f
pri
(pi)表示储能系统频率与储能系统输出有功功率的一次控制函数关系，f
max
表示储能系统频率的上限，pi表示储能系统输出有功功率，mi表示频率dpc控制系数(通常为常数)。由式(1)可知，储能系统频率与储能系统输出有功功率呈现线性关系；通过设置不同的f
max
和mi实现储能系统的频率dpc控制的初始点和频率dpc控制系数，将所有的一次频率dpc控制参数设置一致，则可实现储能系统自动平均分配黑启动过程中的负荷功率；
[0077]
式(2)中，v
pri
(qi)表示储能系统电压与储能系统输出无功功率的一次控制函数关系，v
max
表示储能系统电压的上限，qi表示储能系统输出无功功率，ni表示电压dpc控制系数(通常为常数)。由式(2)可知，储能系统电压与储能系统输出无功功率呈现线性关系；通过设置不同的v
max
和ni实现储能系统的电压dpc控制的初始点和电压dpc控制系数，将所有的一次电压dpc控制参数设置一致，则可实现储能系统自动平均分配黑启动过程中的无功负荷功率。
[0078]
由上可知，频率电压dpc控制策略是一种有差调节方式，储能系统的频率和电压会随之有功负荷和无功负荷的增加而降低，进而影响整个系统的频率和电压质量。为此，采用频率电压dsc控制策略来提升储能系统的频率和电压质量，具体过程如下：
[0079]
以频率的控制为例，当黑启动带负荷的过程中，仅采用频率dpc控制，则储能系统的输出频率会随着负荷的增加而降低。因此，需要频率的dsc控制，以提升储能系统的频率，其dsc控制策略如图3所示：
[0080]
初设f
max
设置为f
1,ref
，对应图3中的曲线1#；当负荷为时p
avr
，对应的实际频率为c点f
real
，通过整体抬升dpc频率-功率控制曲线，并维持频率dpc控制系数mi不变，调整f
max
增加，将dpc频率-功率控制曲线从曲线1#调为曲线2#，在有功功率保持不变的情况下，将储能系统的频率提升至a点，即储能系统的频率f
1,ref
大于f
real
。随着负荷的不同，通过频率dsc控制策略动态调整频率dpc控制曲线，保证储能系统的输出频率在额定频率附近。
[0081]
其中电压dsc控制策略类似频率dsc控制策略，具体实现过程参照频率dsc控制策略进行。
[0082]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0083]
在具体应用时，频率电压dpc控制策略对应的控制框图如图2所示，频率控制部分的表达式如式(1)所示，电压控制部分的表达式如式(2)所示：
[0084]fpri
(pi)＝f
max-mipiꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0085]vpri
(qi)＝v
max-niqiꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0086]
具体地，频率dpc控制系数mi＝(f
max-f
min
)/p
imax
，f
max
、f
min
为储能系统频率的上限和下限，pi和p
imax
表示储能单元i的输出有功功率和输出有功功率最大值；
[0087]
电压dpc控制系数ni＝(v
max-v
min
)/q
imax
，v
max
、v
min
为储能系统电压的上限和下限，qi和q
imax
表示储能单元i的输出无功功率和输出无功功率最大值；
[0088]
由式(1)-(2)可知，在频率电压dpc控制中，频率dpc控制系数mi和电压dpc控制系
数ni为常数，储能系统频率与储能系统单元输出有功功率呈线性关系，储能系统电压与储能系统单元输出无功功率呈线性关系，储能系统频率和电压调节具有良好的动态特性。
[0089]
但是一次控制在调节系统频率和电压时是有差调节，因此引入二次控制，以使系统频率和电压维持在允许范围内。
[0090]
频率电压dsc控制策略对应的控制框图如图2所示，频率控制部分的表达式如式(3)所示，电压控制部分的表达式如式(4)所示：
[0091]fsec
(α,f
iref
)＝α(f
0-f
iref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0092]vsec
(β,v
iref
)＝β(v
0-v
iref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0093]
上述两式中，f0为额定频率，f
iref
为目标频率，v0为额定电压，v
iref
为目标电压，α、β为增益系数。
[0094]
通过选择合适的增益系数α和β，确保系统的频率和电压维持在允许的范围内。
[0095]
上述控制策略仅利用本地信息实现控制，整个控制策略无需借助构网型控制器和通信网络即可实现频率电压dpc与dsc控制。但是，频率电压dpc控制与dsc控制间的动态耦合性较强。因此，在频率电压dsc控制中设计了低通滤波器，实现频率电压dpc控制与dsc控制间的动态解耦。具体地，将上述频率电压dpc控制与dsc控制相结合，同时考虑动态解耦，对应的整体控制策略的表达式如式(5)和式(6)所示：
[0096]firef
＝f
pri
(pi)+f
sec
(α,f
iref
)/(1+t1s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0097]viref
＝v
pri
(qi)+v
sec
(β,v
iref
)/(1+t2s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0098]
综上，由式(1)-(6)可知，上述整体控制策略无需构网型控制器和通信网络，仅利用本地信息即可实现频率电压的二次控制，进而极大地降低了整个控制策略的复杂度，避免了通信延迟和通信安全问题带来的系统可靠性隐患。
[0099]
上述储能系统的分层控制，并采用时间解耦实现分散的分层控制，由式(5)、式(6)可得基于系统自趋优的储能黑启动频率电压控制策略的静态特性方程，如式(7)、式(8)所示：
[0100][0101][0102]
其中，fi为频率，vi为电压；当系统稳定时，fi＝f
iref
，qi＝q
iref
，无需依靠储能控制系统和通信系统可实现储能辅助燃机黑启动过程中频率、电压的二次调节、以及有功、无功分配的优化，最终实现了频率和电压的自趋优，降低了整个控制过程的复杂度。
[0103]
整个控制策略对应的动态特性分析包括为实现频率电压dpc、dsc控制的动态解耦并保留频率电压dpc控制策略良好的动态特性，在频率电压协调dsc控制策略中设计时间常数分别为t1和t2的低通滤波器。
[0104]
由式(7)、式(8)可知，基于系统自趋优的储能黑启动频率电压控制策略的动态特性描述如式(9)、式(10)：
[0105]
[0106][0107]
储能系统辅助燃气式电厂黑启动的过程是一个快速暂态过程，|s|很大，则储能系统辅助燃气式电厂黑启动的过程是一个快速暂态过程，|s|很大，则式(9)、式(10)可以化简为式(1)和式(2)的形式，在暂态过程中，频率dpc控制系数和电压dpc控制系数与式(1)、式(2)近似。因此，基于系统自趋优的储能黑启动频率电压控制策略的动态特性仍然由式(1)、式(2)决定。
[0108]
时间常数t1的引入使得电压dpc控制系数ni变为原来的有效避免ni电压dpc控制系数增大而导致的动态问题。时间常数t2的引入使得频率dpc控制系数mi减小为因此，时间常数t2影响了暂态特性，有利于暂态负荷的分配，实现dpc控制和dsc控制动态解耦，并维持黑启动过程中电压的良好动态特性防止失稳。
[0109]
通过上述的控制方法，使得储能系统具备良好的电压控制能力，消除无功功率消耗对储能系统最大有功输出的影响，减小储能系统处于离网控制状态下无功功率因无功-电压下垂关系造成的电压波动和偏移；通过上述方法使得储能系统具备良好的频率控制能力，有效解决了pcs并联运行时容易出现振荡、环流、功率分配不均等问题。
[0110]
本发明通过构网型控制器切换pcs特殊组(对应第一pcs组)的控制模式，根据储能系统厂用电容量，灵活控制pcs特殊组内的开关，实现储能系统自身厂用电供电，在电厂全黑状态下，关键设备快速恢复厂用电，确保储能系统安全稳定地正常工作；其中pcs常规组(对应第二pcs组)能够有效解决厂用电恢复过程中因变压器和泵类负荷产生的过流问题，有效地抵抗变压器励磁电流和泵类设备启动电流的冲击。
[0111]
本发明针对频率控制，在不依赖网型控制器和通信系统的前提下，通过设计分散自趋优有功控制策略实现有功控制和系统的自趋优运行；通过设计分散自趋优无功控制策略实现无功控制和系统的无功分配优化；基于局部反馈的本地控制，实现频率电压的一、二次协调控制，无需依赖构网型控制器和通信网络，从而降低整个控制系统的复杂度；能够协调储能系统单元按其容量等比例分配有功负荷，此外还实现了储能系统单元的即插即用；有效解决了有效解决了pcs并联运行时容易出现振荡、环流、功率分配不均等问题；消除了无功功率消耗对储能系统最大有功输出的影响，减小储能系统处于离网控制状态下无功功率因无功-电压下垂关系造成的电压波动和偏移；通过一次、二次控制在时间尺度上的解耦，减弱了二者的内部联系，并且保留了频率电压协调一次控制良好的动态特性。
[0112]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种储能黑启动系统，其特征在于，包括第一pcs组、第二pcs组、构网型控制器和同期开关，所述第一pcs组配置有对应的第一母线，所述第一pcs组通过第一开关与第一母线相连，所述第一pcs组通过同期开关与发电厂供电母线相连，所述第一母线与储能系统母线相连；所述第二pcs组通过第二开关与发电厂供电母线相连，所述第一pcs组、第二pcs组、同期开关、第一开关和第二开关均与所述构网型控制器相连；所述构网型控制器根据发电厂供电母线的状态信息来控制所述同期开关的通断以及第一pcs组的输出，使得储能系统母线跟踪发电厂供电母线的电压以实现快速同期。2.根据权利要求1所述的储能黑启动系统，其特征在于，所述构网型控制器与第一pcs组通过光纤或网线连接；其中第一pcs组的工作模式分为并网模式和离网模式；当发电厂供电母线对应电网出现故障时，储能系统结合并网点频率检测和幅值检测的结果，来控制同期开关的通断以实现并网模式和离网模式的主动切换。3.根据权利要求1或2所述的储能黑启动系统，其特征在于，所述构网型控制器根据第一pcs组所连接的第一母线的电压，来调节第一pcs组的频率、电压和相位，使得储能系统母线跟踪所述发电厂供电母线的电压并实现快速同期。4.一种基于权利要求1或2或3所述的储能黑启动系统的控制方法，其特征在于，包括分散一次控制和分散二次控制，其中一次分散控制采用频率电压dpc控制策略，以实现储能系统自动平均分配有功负荷功率和无功负荷功率；二次分散控制采用频率电压dsc控制策略，以使得储能系统的输出频率和输出电压在预定范围内；在频率电压dsc控制策略中添加低通滤波器，实现频率电压dpc控制策略与频率电压dsc控制策略之间的动态解耦。5.根据权利要求4所述的储能黑启动系统的控制方法，其特征在于，其中频率电压dpc控制策略依据下垂控制模型进行设计，频率电压dpc控制策略数学表达式如式(1)、式(2)所示：f
pri
(p
i
)＝f
max-m
i
p
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)v
pri
(q
i
)＝v
max-n
i
q
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式(1)中，f
pri
(p
i
)表示储能系统频率与储能系统输出有功功率的一次控制函数关系，f
max
表示储能系统频率的上限，p
i
表示储能系统输出有功功率，m
i
表示频率dpc控制系数；其中储能系统频率与储能系统输出有功功率呈现线性关系；通过设置不同的f
max
和m
i
实现储能系统的频率dpc控制的初始点和频率dpc控制系数，将所有的一次频率dpc控制参数设置一致，实现储能系统自动平均分配黑启动过程中的有功负荷功率；式(2)中，v
pri
(q
i
)表示储能系统电压与储能系统输出无功功率的一次控制函数关系，v
max
表示储能系统电压的上限，q
i
表示储能系统输出无功功率，n
i
表示电压dpc控制系数；其中储能系统电压与储能系统输出无功功率呈现线性关系；通过设置不同的v
max
和n
i
实现储能系统的电压dpc控制的初始点和电压dpc控制系数，将所有的一次电压dpc控制参数设置一致，实现储能系统自动平均分配黑启动过程中的无功负荷功率。6.根据权利要求5所述的储能黑启动系统的控制方法，其特征在于，其中频率电压dsc控制策略为有差调节方式，其中频率电压dsc控制策略包括频率dsc控制和电压dsc控制，其中频率dsc控制具体为：
初设f
max
设置为f
1,ref
，当负荷为时p
avr
，对应的实际频率为f
real
，整体抬升dpc频率-功率曲线，并维持频率dpc控制系数m
i
不变，增加f
max
，从而调整dpc频率-功率曲线；在有功功率保持不变的情况下，提升储能系统的频率，使得储能系统的频率f
1,ref
大于f
real
；随着负荷的不同，通过频率dsc控制策略动态调整频率dpc频率-功率曲线，保证储能系统的输出频率在额定频率附近。7.根据权利要求6所述的储能黑启动系统的控制方法，其特征在于，其中频率dsc控制和电压dsc控制对应的表达式为：f
sec
(α,f
iref
)＝α(f
0-f
iref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)v
sec
(β,v
iref
)＝β(v
0-v
iref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中f0为额定频率，f
iref
为目标频率，v0为额定电压，v
iref
为目标电压，α、β为增益系数。8.根据权利要求7所述的储能黑启动系统的控制方法，其特征在于，综合分散一次控制和分散二次控制后，并在频率电压dsc控制策略中添加低通滤波器，得到频率电压整体控制的表达式为：f
iref
＝f
pri
(p
i
)+f
sec
(α,f
iref
)/(1+t1s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)v
iref
＝v
pri
(q
i
)+v
sec
(β,v
iref
)/(1+t2s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中t1和t2分别为低通滤波器的时间常数。

技术总结
本发明公开了一种储能黑启动系统及其控制方法，其中系统包括第一PCS组、第二PCS组、构网型控制器和同期开关，第一PCS组配置有对应的第一母线，第一PCS组通过第一开关与第一母线相连，第一PCS组通过同期开关与发电厂供电母线相连，第一母线与储能系统母线相连；第二PCS组通过第二开关与发电厂供电母线相连，第一PCS组、第二PCS组、同期开关、第一开关和第二开关均与构网型控制器相连；构网型控制器根据发电厂供电母线的状态信息来控制同期开关的通断以及第一PCS组的输出，使得储能系统母线跟踪发电厂供电母线的电压以实现快速同期。本发明实现了储能系统自身厂用电供电，有效解决厂用电恢复过程中因变压器和泵类负荷产生的过流问题。过流问题。过流问题。


技术研发人员：张俊峰 卢卓兴 赵春太 刘灼光 谢辉军 芮执伟 张兴桥
受保护的技术使用者：广州市兆能有限公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/16