CN108448644A - 一种电池储能***用虚拟同步发电机的控制方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池储能***用虚拟同步发电机的控制方法和***，该方法包括虚拟同步发电机根据电池储能***本地输出的电压和电流，计算得出电压控制参考值信号；将电压电流双闭环控制模块得出的电压调制比输送到SVPWM模块，其输出的脉冲驱动三相桥式电路的IGBT控制微电网电压；该***包括三相桥式电路的输出端连接的abc/dq坐标转换模块；所述abc/dq坐标转换模块连接电流内环模块和电压外环模块；所述电压外环模块连接虚拟同步发电机；所述电流内环模块通过SVPWM模块与锂电池储能模块连接；所述锂电池储能模块连接于三相桥式电路的输入端。本发明提供的技术方案能提高多机并联时的频率质量，有效避免由于负载频繁波动引起的频率频繁变化。

Description

一种电池储能***用虚拟同步发电机的控制方法和***
技术领域
本发明涉及无互联通信线情况下的电池储能***，具体讲涉及一种电池储能***用虚拟同步发电机的控制方法和***。
背景技术
储能技术是太阳能、风能等可再生能源发电成为主力能源需要解决的关键技术，光伏发电等具有随机性和间歇式特点，昼夜间发电量差异极大，而利用储能装置可使间歇性、波动性的新能源变得可调、可控。
目前主流的储能技术包括物理类储能和电化学储能两类。物理类储能有：抽水蓄能、压缩空气、飞轮储能及超导储能等。电化学储能有：钠硫电池、钒电池、锂电池、铅酸电池等。发展新能源产业必须大力发展高安全、长寿命、高能量密度的储能电池。针对电网应用的储能电池要求大容量，市场上较多见的是锂离子电池、钠硫电池和液流电池技术。
制约电池储能***产业发展的主要因素：一是电池本身，二是功率换流器。随着电池技术的发展，大功率换流器***成为当前研究热点，采用大功率电池储能***，可以提高电网削峰填谷的能力和接纳风电光伏的功率，符合智能电网的发展要求。
为了提高了分布式发电***和微电网的运行可靠性，国内外学者提出了虚拟同步发电机技术，该技术通过模拟同步发电机的转子运动方程、有功调频及无功调压等特性，使并网逆变器从运行机制和特性上可与传统同步发电机相媲美。当微电网或配电网发生电压频率异常事件时，能有效地为电网提供必要的有功和无功支撑，极大提高了分布式发电***和微电网的运行可靠性，特别适用于储能装置、新能源发电装置与配电网之间的连接。
现有技术中，大功率储能***功率换流器由于元器件性能限制，在扩容时，往往采用模块化并联方式。在微电网中电池储能***无互联通信线情况下实现多机并联时，频率和电压存在一定波动，特别是在风电光伏间歇性能源及负载频繁波动时，频率和电压的变化会超出允许范围。
为满足现有技术发展的需要，本发明提供了一种电池储能***用虚拟同步发电机的控制方法，实现各台电池储能***快速并入微电网，满足即插即用的要求。
发明内容
为满足现有技术发展的需要，解决大功率储能***功率换流器由于元器件性能限制，在扩容时，往往采用模块化并联方式，但是在微电网中电池储能***多机并联时，运行过程中由于电源不足投入电池储能***会出现大幅功率和频率波动，即无法实现电池储能***即插即用的问题，本发明提供了一种电池储能***中虚拟同步机控制的改进方法。
本发明提供的电池储能***用虚拟同步发电机的控制方法，其改进之处在于，根据采集的电池储能***本地输出的电压和电流，虚拟同步发电机计算出电压控制参考值信号；电压电流双闭环控制模块根据所述电压控制参考值信号得出输送到SVPWM模块的电压调制比；SVPWM模块根据电压调制比输出的脉冲驱动三相桥式电路的IGBT控制微电网电压。
进一步的，所述虚拟同步发电机的控制方法如下式((1)所示：
其中，D：下垂系数；Pe：实际输出的有功功率；H：惯性时间常数；K：无功功率控制的下垂系数；fref：频率参考值，fpcc：控制输出频率，E0和U0：分别为控制参考电压和电压初始值；Pref：功率参考值；逆变器实际输出的无功功率。
进一步的，所述下垂系数D和所述无功功率控制的下垂系数K调节频率和电压的变化：当系数增大时，多级并联电压和频率进入稳态的调整速度加快；
所述惯性时间常数H调节频率的动态变化：当H变大时，负载变化引起的频率变化放缓。
进一步的，所述虚拟同步发电机的控制方法包括有功调节和无功调节；
所述有功调节通过有功控制和虚拟惯量环节使虚拟同步发电机自发产生频率；同时，虚拟惯量环节引入自整定惯量控制；有功控制环节引入通过PLL锁相环检测微电网频率的自治二次调频，在频率越限时自发主动调整频率参考值；
所述无功调节包括：控制微电网的电压稳定，并通过无功功率与电压间的下垂曲线实现均分多机并联时无功功率。
进一步的，所述有功控制包括：根据储能***自身检测到的功率参考值和控制输出频率,按下式计算有功功率调节的机械模拟部分的功率：
其中，Pref：功率参考值；fref：频率参考值，fpcc：控制输出频率；Pm：机械功率。
进一步的，所述无功调节在无功功率调节环节引入二次调压，微电网电压超出限值时，主动调整电压参考值。
进一步的，所述虚拟同步发电机的控制过程包括：
(1)通过数字信号处理器采集电压电流信号，并将计算出的电压幅值和频率值与微电网输出电压的反馈值比较；
(2)通过电压电流双闭环控制，将比例积分运算的结果送至事件管理器；
(3)改变PWM输出占空比，并经现场可编程门阵列消抖和去毛刺后直接输给电力电子功能模块驱动电路，控制功率管的开断。
进一步的，所述数字信号处理器通过RS232通信方式与上位机建立双向通信；
所述现场可编程门阵列实时采集***工作状态信号，并控制主电路开关动作；
所述电力电子功能模块产生过流或过温保护信号时，首先经现场可编程门阵列处理，产生的低电平信号送至数字信号处理器使PWM输出闭锁，保护器件。
一种控制***，所述***包括：三相桥式电路的输出端连接abc/dq坐标转换模块；所述abc/dq坐标转换模块连接电流内环模块和电压外环模块；所述电压外环模块连接虚拟同步发电机；所述电流内环模块通过SVPWM模块与锂电池储能模块连接；
所述锂电池储能模块连接于三相桥式电路的输入端。
进一步的，所述abc/dq坐标转换模块将电池储能***本地输出的电压和电流用dq坐标系表示，并输送到电流内环模块和电压外环模块；
所述虚拟同步发电机得到的电压控制参考信号经过电压电流双闭环控制模块得出电压调制比输送到SVPWM模块；
所述SVPWM模块通过输出的脉冲驱动三相桥式电路的IGBT，实现微电网电压的控制。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1.本发明提供的技术方案在单台储能***输出功率有限，微电网电源功率不足，而必须采取多机并联的方法实现功率扩容时，模拟同步电机的机械特性，实现一次调频，二次调压；在负载功率变化时，能够实现负载的功率均分；当微电网电压和频率越限时，自治二次调频控制能够调整电压和频率到允许的范围内。
2.本发明提供的技术方案在传统的储能***控制方法多机并联，而由于负载功率的频繁波动引起频率质量变差时，通过虚拟发电机有功调节的虚拟惯量环节引入自整定惯量控制，提高多机并联时的频率质量，在微电网出现风电光伏及负荷频繁波动时，改善频率的特性，同时可以根据负载功率和变化率情况，以及考虑储能***SOC的状态调节储能***充放电功率限值同时结合设定的虚拟惯量变化曲线(随着负载功率和变化率增加，成比例减小虚拟惯量)，自适应地整定虚拟惯量，避免由于负载频繁波动引起频率的频繁变化。
3.本发明提供的技术方案采用自整定优化虚拟同步机控制的阻尼和惯量，实现多机并联快速均流，在负载功率较大时，减小惯量，在负载突变时，进一步减小惯量，实现多机并联的快速均流。使储能***之间无互联通信线也能实现电力信号交换，减小控制复杂度，任何一台储能***出现故障及时退出不会影响微电网正常运行，大大提高微电网用电的可靠性。
4、本发明提供的技术方案通过虚拟同步发电机控制，模拟有功和无功调节，以及发电机机械部分的惯量，具备了同步发电机的特性；在并网时刻，电池储能***能够检测控制频率，通过有功调节环节调整功率参考值，与测量得到的本地输出有功功率做差得出加速转矩，加速转矩经过虚拟惯量环节调节虚拟转速，最终得出储能***频率值，从而参与一次调频，保证离网运行时，微电网频率和电压的稳定性；能够实现微电网中各电池储能***之间无互联通信线间的即插即用，改善微电网多机并联时的频率特性，并且保证功率的快速均流。
附图说明
图1为本发明提供的变流器控制***示意图；
图2为本发明提供的变流器控制电路拓扑图；
图3为本发明提供的虚拟机同步控制流程图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图，以具体实施例的方式详细介绍本发明提供的技术方案。
本发明提出了一种基于虚拟同步发电机的电池储能***控制方法，能够实现各台电池储能***快速并入微电网，满足即插即用的要求；同时，通过虚拟同步发电机的惯量来改善微电网频率和电压质量。最后，采用自治二次调频调压方法，在频率和电压越限时，使其恢复到允许范围内。
本发明提供的技术方案包括一次调频，二次调频，虚拟阻抗补偿。所述控制***的硬件设备是电池储能***的DC/AC功率换流器，分别对各个AC/DC变流模块进行变流过程控制；所述各储能***之间不需要互联通信线来交换电力信号，减小控制复杂度，其中任何一台储能***出现故障直接退出运行,不会影响微电网正常运行，大大提高微电网用电可靠性。
其中，所述一次调频能根据每台储能***输出的有功功率，调节控制频率,实现多台***并联时功率均流的功能,在微电网电源功率不足时，可以随时投入所需台数的储能***，且能实现快速稳定地并入微电网,满足即插即用的要求。
所述二次调频功能在检测到频率和电压越限时，重新调整微电网电压和频率的参考值，使电压和频率恢复到允许的范围内。
如图1所示的储能电池控制***的基本结构包括：三相桥式电路左端连接的锂电池储能模块，与三相桥式电路右端连接的abc/dq坐标转换模块；abc/dq坐标转换模块连接电流内环模块和电压外环模块：所述电压外环模块连接虚拟同步发电机；所述电流内环模块通过SVPWM模块与所述锂电池储能模块连接。
所述abc/dq坐标转换模块将电池储能***本地输出的电压和电流用dq坐标系表示，并输送到电流内环模块和电压外环模块；
所述虚拟同步发电机得到的电压控制参考信号经过电压电流双闭环控制模块得出电压调制比输送到SVPWM模块；
所述SVPWM模块通过输出的脉冲驱动三相桥式电路的功率模块IGBT，实现微电网电压的控制。
本发明提供的控制算法的电路拓扑基于传统的三相桥式电路虚拟同步发电机控制方法：采集锂电池储能***本地输出的电压和电流，经过abc/dq坐标转换模块将坐标用dq坐标系表示，同时通过本发明提供的虚拟同步发电机控制算法得出电压控制参考值信号，按电压电流双闭环模块输出的电压调制比输出到SVPWM(Space Vector Pulse WidthModulation)模块，该模块输出的脉冲驱动三相桥式电路的IGBT，从而控制微电网电压。
所述虚拟同步发电机控制方法如下式所示：
其中D为下垂系数，Pe为实际输出的有功功率，在上式中将其转化成了标幺值。H为惯性时间常数，K为无功功率控制的下垂系数。fref为频率参考值，f为控制输出频率，E0和U0分别为控制参考电压和电压初始值；Pref：功率参考值；逆变器实际输出的无功功率。
D和K可以调节频率和电压变化快慢，当D和K取值变大时，多机并联电压和频率进入稳态的调整速度加快，H可以改善频率的动态变化过程，当H取值变大时，负载变化引起的频率变化变缓慢。总之，虚拟同步发电机控制计算出电压幅值和频率参考值，通过电压电流双闭环控制实现最终的控制。
图3所示的改进的虚拟同步发电机对电池储能***的控制方法由有功调节和无功调节两部分构成，通过电压电流双闭环控制，经过PWM发生器进行脉宽调制。
有功调节部分包括：二次调频、有功控制、虚拟惯量环节、自整定惯量和自发产生频率；其中，有功控制根据储能***自身检测到的有功功率和由控制输出的频率计算得到机械功率，如下式所示：
其中，Pm为机械功率。
通过虚拟惯量环节实现虚拟同步发电机的有功功率调节机械部分模拟，同时本发明还引入了自整定惯量控制，可以更好地实现储能***多机并联时的快速均流；
虚拟同步发电机的虚拟惯量环节，在微电网负载功率频繁波动时，通过引入虚拟同步发电机的惯量提高多机并联时的频率质量，避免由于负载频繁波动引起频率的频繁变化。同时根据微电网负荷情况，通过自整定惯量优化虚拟同步机控制的惯量，实现多机并联快速均流。在负载功率较大时，减小惯量，在负载突变时，进一步减小惯量。
二次调频方法采用自治二次调频方法，借鉴传统的同步发电机二次调频方法，为应用于储能***逆变器控制，通过PLL锁相环检测微电网频率，在频率越限时，自发主动调整频率参考值大小，实现微电网频率的调整，使微电网频率恢复到允许的范围内。
无功调节部分包括：二次调压和无功功率调节；
二次调压环节，在微电网电压超出限值时，主动调节电压参考值，最终使电压恢复到允许范围内。
无功功率调节部分控制微电网的电压稳定，通过无功功率与电压之间的下垂曲线关系，实现多机并联时无功功率的均分。
如图2所示的电池储能***主电路拓扑结构采用如下方案：整个变流器***实现双PWM控制，H桥电力电子功能模块及其***器件构成双向的有源整流，变流器***的电感和电容实现交流滤波功能；互感器将220V交流电压和主电路上的电流缩小到-3到3V，调理电路进一步将交流电压转变为0到3V，从而可以被数字处理器采样。
如图2所示的电池储能***的控制电路中，主控制器采用数字信号处理器，数字信号处理器以RS232通信方式与上位机建立双向通信，可以实时通过上位机设置***的工作状态，工作参数以及接收***回馈信息；数字信号处理器内置共16个数模转换通道，满足对变流器主电路的电压电流信号进行采样的要求。
图2所示的电池储能***的控制电路拓扑中的运算过程即为改进的虚拟同步机控制方法，包括：通过采样得到的电压电流信号计算得出电压幅值和频率值，与微电网输出电压的反馈值相比较，通过电压电流双环，接着比例积分运算(PI运算)的结果送至事件管理器(EV)，改变PWM输出占空比，AC/DC模块的PWM控制信号经现场可编程门阵列消抖和去毛刺后直接输给电力电子功能模块(PEBB)驱动电路，控制功率管IGBT的开断动作；
现场可编程门阵列通过内部的信号采集部件实时采集***工作状态信号，由外部I/O控制部件控制主电路开关动作；
当电力电子功能模块(PEBB)产生过流或过温保护信号时，保护信号首先送至现场可编程门阵列，经现场可编程门阵列处理后，产生一个低电平触发信号送至数字信号处理器，此时中断被触发，数字信号处理器闭锁PWM输出，起器件保护作用。
一种控制***，所述***包括：三相桥式电路的输出端连接abc/dq坐标转换模块；所述abc/dq坐标转换模块连接电流内环模块和电压外环模块；所述电压外环模块连接虚拟同步发电机；所述电流内环模块通过SVPWM模块与锂电池储能模块连接；
所述锂电池储能模块连接于三相桥式电路的输入端。
进一步的，所述abc/dq坐标转换模块将电池储能***本地输出的电压和电流用dq坐标系表示，并输送到电流内环模块和电压外环模块；
所述虚拟同步发电机得到的电压控制参考信号经过电压电流双闭环控制模块得出电压调制比输送到SVPWM模块；
所述SVPWM模块通过输出的脉冲驱动三相桥式电路的IGBT，实现微电网电压的控制。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池储能***用虚拟同步发电机的控制方法，其特征在于,根据采集的电池储能***本地输出的电压和电流，虚拟同步发电机计算出电压控制参考值信号；电压电流双闭环控制模块根据所述电压控制参考值信号得出输送到SVPWM模块的电压调制比；SVPWM模块根据电压调制比输出的脉冲驱动三相桥式电路的IGBT控制微电网电压。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机的控制方法如下式(1)所示：
其中，D：下垂系数；Pe：实际输出的有功功率；H：惯性时间常数；K：无功功率控制的下垂系数；fref：频率参考值，fpcc：控制输出频率，E0和U0：分别为控制参考电压和电压初始值；Pref：功率参考值；逆变器实际输出的无功功率。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述下垂系数D和所述无功功率控制的下垂系数K调节频率和电压的变化：当系数增大时，多级并联电压和频率进入稳态的调整速度加快；
所述惯性时间常数H调节频率的动态变化：当H变大时，负载变化引起的频率变化放缓。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机的控制方法包括有功调节和无功调节；
所述有功调节通过有功控制和虚拟惯量环节使虚拟同步发电机自发产生频率；同时，虚拟惯量环节引入自整定惯量控制；有功控制环节引入通过PLL锁相环检测微电网频率的自治二次调频，在频率越限时自发主动调整频率参考值；
所述无功调节包括：控制微电网的电压稳定，并通过无功功率与电压间的下垂曲线实现均分多机并联时无功功率。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有功控制包括：根据储能***自身检测到的功率参考值和控制输出频率,按下式计算有功功率调节的机械模拟部分的功率：
其中，Pref：功率参考值；fref：频率参考值，fpcc：控制输出频率；Pm：机械功率。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述无功调节在无功功率调节环节引入二次调压，微电网电压超出限值时，主动调整电压参考值。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机的控制过程包括：
(1)通过数字信号处理器采集电压电流信号，并将计算出的电压幅值和频率值与微电网输出电压的反馈值比较；
(2)通过电压电流双闭环控制，将比例积分运算的结果送至事件管理器；
(3)改变PWM输出占空比，并经现场可编程门阵列消抖和去毛刺后直接输给电力电子功能模块驱动电路，控制功率管的开断。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数字信号处理器通过RS232通信方式与上位机建立双向通信；
所述现场可编程门阵列实时采集***工作状态信号，并控制主电路开关动作；
所述电力电子功能模块产生过流或过温保护信号时，首先经现场可编程门阵列处理，产生的低电平信号送至数字信号处理器使PWM输出闭锁，保护器件。
9.一种应用权利要求1-8任一所述方法的控制***，其特征在于，所述***包括：三相桥式电路的输出端连接abc/dq坐标转换模块；所述abc/dq坐标转换模块连接电流内环模块和电压外环模块；所述电压外环模块连接虚拟同步发电机；所述电流内环模块通过SVPWM模块与锂电池储能模块连接；
所述锂电池储能模块连接于三相桥式电路的输入端。
10.如权利要求9所述的***，其特征在于，所述abc/dq坐标转换模块将电池储能***本地输出的电压和电流用dq坐标系表示，并输送到电流内环模块和电压外环模块；
所述虚拟同步发电机得到的电压控制参考信号经过电压电流双闭环控制模块得出电压调制比输送到SVPWM模块；
所述SVPWM模块通过输出的脉冲驱动三相桥式电路的IGBT，实现微电网电压的控制。
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