CN108599232B - 一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法及*** - Google Patents
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Abstract
一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法及***，包括：根据电网调度需求和分布式***的功率输出确定偏差功率；基于能量交换机的控制策略补充所述偏差功率；其中所述能量交换机的控制策略包括：分布式***和集中储能***控制策略。本发明提出的技术方案实用性强，可用于不同分布式能源组合的微网***中，提高电力***运行的稳定性，实现对大电网的有功支撑。
Description
技术领域
本发明属于分布式发电并网技术领域，具体涉及一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法及***。
背景技术
目前，全球范围内的能源危机不断的加剧，气候变暖问题日益突出，在此背景下，包含分布式能源的发电技术得到了快速发展，这些能源形式采用单独供电或组成微网群形式来满足负荷及电网调度需求。但同时，分布式发电***中含较多并网逆变装置，给配电网安全稳定运行带来了很大挑战。以微网***中考虑分布式能源的随机性、间歇性、可调度性低问题，当其通过逆变器并入整个微网***，电压或频率会存在较大的波动。又考虑分布式能源的并网逆变器和同步发电机的外特性相同，借鉴同步发电机的电磁和机械方程来对并网逆变器控制，使得分布式发电***由原来电网的被动调控转为主动的功率调节，“虚拟同步发电机”技术就应运而生，虚拟同步发电机是基于大电网中的同步发电机具有优良的惯性和阻尼特性，并能够参与电网电压和频率的调节，具有对电网天然友好的优势。基于这一思想，在传统并网逆变器的直流侧引入适量的储能单元，并在逆变器的控制中集成传统同步发电机模型，就引出了虚拟同步发电机技术。但如何实现分布式能源与储能装置的能量交换控制，使得分布式能源能够满足整个微网***的稳定可靠运行，是本领域待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法及***。
本发明提供的技术方案是：
一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法，包括：
根据电网调度需求和分布式***的功率输出确定偏差功率；
基于能量交换机的控制策略补充所述偏差功率；
其中所述能量交换机的控制策略包括：分布式***和集中储能***控制策略。
优选的，所述偏差功率的计算如下式：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差，P0为电网调度需求参考值；Pj_i为虚拟同步发电机机械功率；Pload为微网***本地负荷；i为虚拟同步发电机个数。
优选的，所述基于能量交换机的控制策略补充所述偏差功率；包括：
能量交换机基于分布式发电***的工作状态，选择集中式储能***供电或分布分层调控策略来补充电网需求功率；
当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度；
否则，能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度。
优选的，所述当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度，包括：
能量交换机按下式进行功率分配：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差；Pstr_i为储能***功率输出；n为储能***个数；fx_i为调用储能***的条件函数。
优选的，所述能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度，包括：
能量交换机按下式进行功率分配：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差；Pstr_i为储能***功率输出；n为储能***个数；fx_i为调用储能***的条件函数；Peng_k为分布式能源功率输出；m为分布式能源的个数；Pstr_i为储能***功率输出；fy_k为调用光伏/风力发电***的条件函数。
优选的，所述的分布式***，包括：风储***和光储***。
本发明的另目的在于提出一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制***，包括：偏差确定模块和分析处理模块；
所述偏差确定模块，用于根据电网调度需求和分布式***的功率输出确定偏差功率；
所述分析处理模块，用于基于能量交换机包括分布式***和集中储能***控制策略补充所述偏差功率，其中所述能量交换机的控制策略包括：分布式***和集中储能***控制策略。
优选的，所述偏差确定模块，包括：计算子模块；
所述计算子模块，用于按照下式计算偏差功率：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差，P0为电网调度需求参考值；Pj_i为虚拟同步发电机机械功率；Pload为微网***本地负荷；i为虚拟同步发电机个数。
优选的，所述分析处理模块，包括：分析子模块和处理子模块；
所述分析子模块，用于能量交换机基于分布式发电***的工作状态，选择集中式储能***供电或分布分层调控策略来补充电网需求功率；
所述处理子模块，用于当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度；
否则，能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度。
优选的，所述处理子模块，包括：集中式调度单元；
所述集中式调度单元，用于当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度，并按下式进行功率分配，
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差；Pstr_i为储能***功率输出；n为储能***个数；fx_i为调用储能***的条件函数。
优选的，所述处理子模块，还包括：分布式调度单元；
所述分布式调度单元，用于所述能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度，并按下式进行功率分配：
式中，Peng_k为分布式能源功率输出；m为分布式能源的个数；fy_k为调用光伏/风力发电***的条件函数。优选的，所述的分布式***，包括：风储***和光储***。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出的技术方案通过根据电网调度需求和分布式***的功率输出确定偏差功率；基于能量交换机的控制策略补充所述偏差功率；所述能量交换机的控制策略包括：分布式***和集中储能***控制策略。在考虑分布式能源与整个微网***进行能量交换时，采用集中-分布的多层能量交换控制策略，实现了不同分布式能源对主逆变器无缝切换，也同时实现了整个微网***稳定运行及微网***并网/孤岛运行模式的无缝切换。
本发明提出的技术方案在考虑多层能量交换的过程中，基于多层储能***的集中-分布能量交换控制，能量交换机网侧的储能元件，有效的模拟了“同步发电机”的转动惯量，整个能量交换机可以在电网频率降低的情况下，模拟同步发电机输出来支撑电网频率，当电网频率过高的情况下，模拟同步发电机将能量存储到不同储能***中。
本发明提出的技术方案中的能量交换控制方法实用性强，可用于不同分布式能源组合的微网***中，以提高电力***运行的稳定性，实现对大电网的有功支撑。
附图说明
图1为本发明的基于风/光/储分布式能源逆变器控制框图；
图2为本发明的能量交换机控制框图；
图3为本发明的能量交换机控制框图简化等效模型。
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。
根据分布式能源并网的特点，提出了一种基于虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法：风储、光储两个***中光伏/风力发电的输出端并联储能装置和逆变装置，逆变装置通过“虚拟同步发电机”方式连接微网，在考虑分布式能源与整个微网***进行能量交换时，采用集中-分布的分层能量交换控制策略，下层控制方式主要考虑光储/风储单独的能量交换控制方式；上层控制方式主要考虑集中储能装置与下层光储/风储的能量交换，实现不同分布式能源在不同运行模式下对主逆变器无缝切换，并准确快速的满足微网***及电网的调度需求。
一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法，包括：
根据电网调度需求和分布式***的功率输出确定偏差功率；
基于能量交换机的控制策略补充所述偏差功率；
其中所述能量交换机的控制策略包括：分布式***和集中储能***控制策略。
具体的，一种基于虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法，微网***逆变器控制如图1所示。它的步骤如下：
第一步，本发明以直驱永磁风力发电机组为例，为实现风力发电***输出的电压稳定，有功功率和无功功率的解耦控制，网侧变流器对转子磁场采取定向电压矢量控制策略，得到的稳态电压方程为
其中，kp为d-q轴固定阻值；idref为网侧变流器输出参考电流的d轴分量；iqref为网侧变流器输出参考电流的q轴分量；id,iq为网侧变流器输出的电流d-q轴分量；ud,uq为网侧变流器输出的电压d-q轴分量；ω为同步转速；ug为电网电压；ki为d-q轴时变阻值；L为三相进线电抗器的电感值；R为三相进线电抗器的线路电阻值。
网侧变流器输出的有功功率Pg、无功功率Qg分别为
其中，ugd为向电网输出功率的d轴分量；ugq为向电网输出功率的q轴分量。
在对风力发电***网侧变流器控制时，通过有功功率、无功功率实际值与参考值进行比较，将差值信号送入PI控制单元，计算得出电流在d-q轴的分量，并将电流值送入PI控制单元，得到调制的电压值。
第二步，计算光伏电池的输出电流ipv为
其中，KI为波尔兹曼常数；Iscr为理想条件下光伏电池的短路电流值；T为环境温度值；Sr为光伏板个数；Irs为二极管反向饱和电流；q为电子电荷量；Udc为输出电压值；A为极管极性因子。
光伏采用最大功率跟踪控制方式，实时采样输出的电压和电流采样得到光伏电池输出的功率值Ppv为
Ppv＝Udcipv (4)
在相同的时间间隔对光伏输出采样，求取两个时间节点差Δt电池输出功率的差值ΔPpv，若ΔPpv＞0，按此时功率输出趋势(功率增加的方向)改变功率输出；若ΔPpv＜0，按此时相反方向进行功率输出(功率增加的方向)。
第三步，为了维持风力发电***和光伏***电压及功率的稳定输出，需要在分布式能源***中并入储能电池，储能电池实时的荷电状态SOC为
其中，SOC0为起始点的荷电状态；ib为储能电池的充电电流；E为电池总容量。
储能电池输出电压值Ub为
其中，A为电压输出指数范围内的幅值；T0为时间常数；U0为开口电压值；Rb为内阻；K为容量系数。
第四步，将分布式能源连接的逆变器看成虚拟同步发电机，提出虚拟同步发电机的机械运动方程为
其中，ωi为电角速度；Ji为转动惯量；Pj_i为机械功率；Pc_i为电磁功率；Di为阻尼系数。i为不同的逆变器，i＝1为光伏逆变器；i＝2为风力发电***逆变器。
其中，
为同步发电机三相电势；
为同步发电机三相电流。
第五步，调节虚拟同步发电机的虚拟机械功率Pj_i，根据并网逆变器得到有功功率指令Pref_i，从而计算出频率偏差得到反馈指令ΔPf_i＝Pref_i-Pj_i，功率偏差指令由储能装置经双向的DC/DC变换器输入逆变器得以补偿功率偏差。
若频率偏差满足
ΔPf_i＝kf_if0-kf_ifi (9)
其中，kf_i为不同虚拟同步发电机有功功率调节系数；f0为配电网额定频率；fi为虚拟同步发电机的端口频率。
进而整理出虚拟同步发电机的机械功率为
Pj_i＝Pref_i-(kf_if0-kf_ifi) (10)
第六步，调节虚拟同步发电机的虚拟电势e来实现机端电压和无功功率值，虚拟电势ei的表达式为
ei＝e0_i+ΔeU_i+ΔeQ_i＝e0_i+kU_i(urefs_i-us_i)+kQ_i(urefQ_i-uQ_i) (11)
其中，e0_i为虚拟同步发电机的空载电势能；ΔeU_i为虚拟同步发电机电压或励磁调节输出的电势能；ΔeQ_i为虚拟同步发电机调节对应的无功功率值；kU_i为调节电压差额系数；kQ_i为调节无功差额系数；urefs_i为逆变器输出电压的参考值；us_i为逆变器输出电压的实际值；urefQ_i为逆变器输出功率的参考值；uQ_i为逆变器输出电压的实际值。
第七步，根据电网调度中心确定整个分布式***功率输出值，并且以固定的时间Δt计算电网需求参考值与实际功率输出偏差ΔPp_i。并且通过能量交换机整合调度满足电网需求。
其中，P0为电网功率需求，当P0＞0，代表向电网输出功率，当P0＜0，代表微网需要电网供给功率；Pj_i为虚拟同步发电机机械功率；Pload为微网***本地负荷；i为虚拟同步发电机个数。
连接光伏***和风力发电***共两个虚拟同步发电机，如图2-3所示，两个虚拟同步发电机与一个集中式储能***一同构成了能量交换机，确保分布式电源功率输出能够满足微网需求的同时保证向大电网输送功率。
第八步，能量交换机根据电网需求，考虑分布式实际运行情况集中-分布分层调控策略来补充电网需求功率ΔPp_i。
1)若此时光伏发电***已经工作在最大功率跟踪状态PMPPT_i，风力发电机组已经工作在额定功率输出的情况下，能量交换***需要对储能装置进行调度来满足电网调度要求。
计算各个储能***运行的基本特性进行功率输出分配。
其中，Pstr_i为储能***功率输出；n为储能***个数；fx_i为调用储能***的条件函数，包括荷电状态、实时功率、储能单元功率和容量的上下限等，考虑线路损耗等，一般以采用上层调度策略，考虑集中式储能***为优先调度对象。
2)若此时分布式能源没有满足最大功率输出时，能量交换***需要考虑下层调度策略，对分布式能源或分布式能源加储能相结合进行调度来满足电网调度要求。
计算各个储能***运行的基本特性进行功率输出分配。
其中，Peng_k为分布式能源功率输出；m为分布式能源的个数；fy_k为调用光伏/风力发电***的条件函数，包括光伏/风力发电***虚拟同步发电机实时功率输出值等。
本发明的另一目的在于提出一种虚拟同步发电机的风光储能交换控制***该***与虚拟同步发电机的风光储能交换控制方法具有相同的原理，下面对***作进一步说明：
该***包括：偏差确定模块和分析处理模块；
偏差确定模块，用于根据电网调度需求和分布式***的功率输出确定偏差功率；
分析处理模块，用于基于能量交换机包括分布式***和集中储能***控制策略补充所述偏差功率，其中所述能量交换机的控制策略包括：分布式***和集中储能***控制策略。
偏差确定模块，包括：计算子模块；
计算子模块，用于按照下式计算偏差功率：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差，P0为电网需求参考值；Pj_i为虚拟同步发电机机械功率；Pload为微网***本地负荷；i为虚拟同步发电机个数。
分析处理模块，包括：分析子模块和处理子模块；
分析子模块，用于能量交换机基于分布式发电***的工作状态，选择集中式储能***供电或分布分层调控策略来补充电网需求功率；
处理子模块，用于当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度；
否则，能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度。
处理子模块，包括：集中式调度单元；
集中式调度单元，用于当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度，并按下式进行功率分配，
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差；Pstr_i为储能***功率输出；n为储能***个数；fx_i为调用储能***的条件函数。
处理子模块，还包括：分布式调度单元；
分布式调度单元，用于所述能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度，并按下式进行功率分配：
式中，Peng_k为分布式能源功率输出；m为分布式能源的个数；fy_k为调用光伏/风力发电***的条件函数。分布式***，包括：风储***和光储***。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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 (7)
1.一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法，其特征在于，包括：
根据电网调度需求和分布式***的功率输出确定偏差功率；
基于能量交换机的控制策略补充所述偏差功率；
其中所述能量交换机的控制策略包括：分布式***和集中储能***控制策略；
所述基于能量交换机的控制策略补充所述偏差功率；包括：
能量交换机基于分布式发电***的工作状态，选择集中式储能***供电或分布分层调控策略来补充电网需求功率；
当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度；否则，能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度；
所述能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度，包括：
能量交换机按下式进行功率分配：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差；Pstr_i为储能***功率输出；n为储能***个数；fx_i为调用储能***的条件函数；Peng_k为分布式能源功率输出；m为分布式能源的个数；fy_k为调用光伏/风力发电***的条件函数。
2.如权利要求1所述的虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法，其特征在于，所述偏差功率的计算如下式：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差，P0为电网调度需求参考值；Pj_i为虚拟同步发电机机械功率；Pload为微网***本地负荷；i为虚拟同步发电机个数。
3.如权利要求1所述的虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法，其特征在于，所述当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度，包括：
能量交换机按下式进行功率分配：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差；Pstr_i为储能***功率输出；n为储能***个数；fx_i为调用储能***的条件函数。
4.如权利要求1所述的一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法用的***，其特征在于，包括：偏差确定模块和分析处理模块；
所述偏差确定模块，用于根据电网调度需求和分布式***的功率输出确定偏差功率；
所述分析处理模块，用于基于能量交换机包括分布式***和集中储能***控制策略补充所述偏差功率，其中所述能量交换机的控制策略包括：分布式***和集中储能***控制策略；
所述偏差确定模块，包括：计算子模块；
所述计算子模块，用于按照下式计算偏差功率：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差，P0为电网调度需求参考值；Pj_i为虚拟同步发电机机械功率；Pload为微网***本地负荷；i为虚拟同步发电机个数。
5.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述分析处理模块，包括：分析子模块和处理子模块；
所述分析子模块，用于能量交换机基于分布式发电***的工作状态，选择集中式储能***供电或分布分层调控策略来补充电网需求功率；
所述处理子模块，用于当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度；
否则，能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度。
6.如权利要求5所述的***，其特征在于，所述处理子模块，包括：集中式调度单元；
所述集中式调度单元，用于当所述分布式发电***处于最大功率输出时，能量交换机选择集中储能***进行调度，并按下式进行功率分配：
式中，ΔPp_i为偏差功率，是电网需求参考值与实际功率输出的偏差；Pstr_i为储能***功率输出；n为储能***个数；fx_i为调用储能***的条件函数。
7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述处理子模块，还包括：分布式调度单元；
所述分布式调度单元，用于所述能量交换机选择由分布式***或分布式***加与分布式***并联的储能***相结合进行调度，并按下式进行功率分配：
式中，Peng_k为分布式能源功率输出；m为分布式能源的个数；fy_k为调用光伏/风力发电***的条件函数。
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| CN201810255434.4A CN108599232B (zh) | 2018-03-27 | 2018-03-27 | 一种虚拟同步发电机的风光储能量交换控制方法及*** |
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