CN109390959B - 一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法 - Google Patents

一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力***储能控制领域，具体涉及一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法，首先，分别建立储能***的电容模型和电压模型，用于计算储能***充电状态和端电压。然后，基于虚拟同步机技术的蓄电池储能***上层控制，确定储能***吸收或注入电网的功率。最后，对蓄电池储能***进行下层控制，确定储能***输出电流。本发明是对原有储能控制技术和方法的补充和改进，可以有效增强储能***参与电网调频的响应能力，从而提高***稳定性，且控制方法简单易操作。

Description

一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法
技术领域
本发明涉及电力***储能控制领域，具体涉及一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法。
背景技术
如今，相对小规模的分散式发电机发电在电力***中的应用日益增长。这些小型发电机主要在配电网层面联网，对配电网产生新的技术要求。传统电力***的特征在于基于同步发电机的相对少量的大型集中式发电厂，以实现能量产生和能量需求之间的功率平衡。到目前为止，电力***的短期动态稳定性主要基于同步发电机(SG)的固有转子惯量。随着经典的“垂直”电力***转变为更加“水平”的电力***，逆变器耦合发电设施的渗透率更高，这种同步发电机“自然”提供的惯性将逐渐减少。对于发电或负载的突然变化，具有低惯性的电力***的频率会快速变化。在这种情况下，必须提供额外的频率响应辅助服务，以确保***频率不超过安全稳定限制。
提供虚拟转动惯量以增强电力***的稳定性已经成为可能的解决方案引入到并网***中来。近年来，控制逆变器模仿同步发电机的研究越来越受欢迎，并且已有学者针对该方向提出了几种技术。虚拟同步机(VISMA)执行电磁同步电机属性的实时计算，通过测量与电网共同耦合点处的电压来计算VISMA的相电流，把这些电流作为电流控制换流器的参考。另一个类似的概念是同步逆变器，它测量相电流并且输出电压是实时计算的，使得它等于同步发电机在电网上相同条件下产生的反电动势。虚拟同步发电机(VSG)模拟同步电机的转动惯量，而不考虑其他同步电机属性。
考虑到电力***中应用在各种各样环境下的大量换流器，以上技术难以适用于所有工作条件，再加上这些技术还处于探索阶段，因此虚拟同步机提高电力***稳定性的技术方法还有待进一步研究。
发明内容
本发明创造的目的在于，提出一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法，包括储能建模部分以及储能***的上下层控制。通过基于虚拟同步机技术的储能***上下层控制参与电网电力交换，从而模拟虚拟惯量和速度下垂特性，提高电力***稳定性。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法，包括如下步骤：
步骤一、建立储能***的电容模型和电压模型，分别用于计算储能***充电状态和端电压；
步骤二、基于虚拟同步机技术的蓄电池储能***上层控制，确定储能***吸收或注入电网的功率；
步骤三、对蓄电池储能***进行下层控制，确定储能***输出电流。
对上述方案的进一步改进还包括，所述步骤一，建立蓄电池储能***的电容模型和电压模型；具体是指：
(1)建立电容模型，具体而言：电压源被建模为由电导分隔的储能器1和储能器2，储能器1储存负载立即可用的电量，储能器2储存化学键合的电荷，电导率对应于键合电荷可用的化学反应/扩散过程的速率常数；每个储能器具有单位深度，但宽度不同，对应于不同的体积；储能器1的宽度是c，储能器2的宽度是1-c；两个储能器的组合宽度等于1，并且储能器的组合面积为1；两个储能器的电荷容量分别为q1、q2，总容量为qmax；两个储能器之间的阀门具有固定的电导k'；电流调节器使得电流I在设定的时间步长内保持恒定；描述电容模型的公式为：
Figure BDA0001825359880000021
Figure BDA0001825359880000022
K为速率常数且
Figure BDA0001825359880000023
T为放电时间；
电容模型主要用于估算储能电池的充电状态(SOC)。电容模型考虑了储能电池的恢复和速率容量效应。前者指的是当不存在充电电流时电池可用电荷量的效应，而后者指的是当放电电流增加时可以从电池中获取更少电荷的效应。
(2)建立电压模型，具体而言：将蓄电池视为串联有恒定电阻的假定电压源，终端电压取决于充电状态以及从电池获取的电流量，电压模型的公式为：
V＝E-I·R0
E＝E0-A·X/Q-M·X/(Q-X)
其中，E为内电压；V为端电压；R0为内阻；X为有效放电深度；A为初始伏-安时曲线斜率(归一化)；M为放电终止电压降落常数(典型值为0.0116)；Q为电容量。
对上述方案的进一步改进还包括，所述步骤二，基于虚拟同步机技术的蓄电池储能***上层控制，确定储能***吸收或注入电网的功率；具体是指：
虚拟同步机控制的主要目标是模拟同步发电机的两个固有特性，这些特性在电力***稳定可靠的运行中至关重要，分别是由于旋转质量引起的旋转惯量和用于负载分配的同步发电机的速度下垂特性。
在给定惯性常数J的条件下描述同步电机转子加速度的微分方程
Figure BDA0001825359880000031
其中，Pm是虚拟同步机的机械功率，Pe是虚拟同步机的电功率，而ω是转子的角速度；
用PVSG代替Pm-Pe用于仿真转动惯量的表达式
Figure BDA0001825359880000032
Kd系数是一个常数，用于定义当最大指定的频率变化率发生时，虚拟同步机与电网互换的有功功率量；Kp是下垂系数，定义由于频率偏离参考值而需要吸收或注入电网的功率。
一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法，其特征是：所述步骤三，对蓄电池储能***进行下层控制，确定储能***输出电流，具体是指：
步骤二中的上层控制计算虚拟同步机应该产生的有功和无功功率，以***频率和dq参考系的相电压作为输入。在该模型中只考虑有功功率，将无功功率设为零KV＝0。相电压与有功功率一起被传递给下层控制的电流基准计算模块；
所述下层控制包括：
S1、在同步参考系的公共点处执行abc相电压变换，参数θ由锁相环模块提取并定义电压变换的参考帧；
S2、根据上层控制的相电压和有功功率在dq参考系下计算电流基准值；
S3、通过Park反变换得到蓄电池虚拟同步机的输出电流：
虚拟同步发电机储能***电路的模型只要不包含开关设备，那么基于能量守恒原理，就有交流侧的瞬时功率与直流侧相同(假设理想转换)。因此可以将DC电流表示为
Figure BDA0001825359880000033
为了验证虚拟同步机能够减小由不同网络中负载变化引起的频率偏差。为了评估虚拟同步机对***整体稳定性的贡献，通过改变***的实际总负载来干扰其稳态运行。针对虚拟同步机的渗透率确定干扰大小，可以根据标称虚拟同步机有功功率与总负载需求的比值来计算渗透率
Figure BDA0001825359880000041
其有益效果在于：
1、本发明提出了一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法。该方法在蓄电池建模的基础上利用虚拟同步机技术对储能***输入输出功率和电流进行上下层控制，可以灵活精准控制蓄电池***并网状态下的充放电功率。
2、本发明提出的储能控制方法可以有效发挥蓄电池储能***在电网发生功率缺额情况下的调频能力，通过其紧急功率支援缓解电网***紧急状态下的运行压力，提高电网运行的稳定性，降低电网发生大规模故障的可能性，从而提高电力用户用电可靠性。
3、本发明是对虚拟同步机控制技术的补充，改进了传统蓄电池***控制方法，丰富了蓄电池控制功能。方法运行高效，操作简单，具有较高的工程实用价值。
附图说明
如图1所示为本发明提供的一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法的流程图；
如图2所示为本发明提供的一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法中电池总体的电气原理图；
如图3所示为本发明提供的一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法中的上下层控制整体架构；
如图4所示为本发明提供的实施例1中负载变化曲线；
如图5所示为本发明提供的实施例1中负载变化引起的频率变化曲线；
如图6所示为本发明提供的实施例1中负载变化引起的有功功率变化曲线；
如图7所示为本发明提供的实施例2中的负载曲线；
如图8所示为本发明提供的实施例2中两种运行模式下的频率响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法，具体步骤包括：
一、建立储能***的电容模型和电压模型，分别用于计算储能***充电状态和端电压；
步骤一中，蓄电池储能***按照动力电池模型(KiBaM)建立，该模型分为两部分：电容模型和电压模型。
(1)电容模型
电压源被建模为由电导分隔的两个储能器，一个储能器储存负载立即可用的电量，另一个储能器储存化学键合的电荷。电导率对应于键合电荷可用的化学反应/扩散过程(假定为一阶速率)的速率常数。每个储能器具有单位深度，但宽度不同，对应于不同的体积。储能器 1(可用电量)的宽度是c，储能器2(键合电量)的宽度是1-c。因此，两个罐的组合宽度等于1，并且组合罐的面积为1。储能器的电荷总容量为qmax。两个储能器之间的阀门具有固定的电导k'。电流调节器使得电流I在设定的时间步长内保持恒定。描述电容模型的公式如(1) 和(2)所示。
Figure BDA0001825359880000051
Figure BDA0001825359880000052
其中q1为可用电量，q2为键合电量，新的速率常数
Figure BDA0001825359880000053
T为放电时间。
电容模型主要用于估算储能电池的充电状态(SOC)。电容模型考虑了储能电池的恢复和速率容量效应。前者指的是当不存在充电电流时电池可用电荷量的效应，而后者指的是当放电电流增加时可以从电池中获取更少电荷的效应。
(2)电压模型
如图2所示，电压模型将蓄电池看做串联有恒定电阻的假定电压源，终端电压取决于充电状态以及从电池获取的电流量。电压模型用公式(3)和(4)表示。
V＝E-I·R0 (3)
E＝E0-A·X/Q-M·X/(Q-X) (4)
其中，E为内电压，随充电状态变化；V为端电压；R0为内阻；X为有效放电深度；A 为初始伏-安时曲线斜率(归一化)；M为放电终止电压降落常数(典型值为0.0116)；Q为电容量。
二、基于虚拟同步机技术的蓄电池储能***上层控制，确定储能***吸收或注入电网的功率；
步骤二中，虚拟同步机控制的主要目标是模拟同步发电机的两个固有特性，这些特性在电力***稳定可靠的运行中至关重要，分别是由于旋转质量引起的旋转惯量和用于负载分配的同步发电机的速度下垂特性。
在给定惯性常数J的条件下描述同步电机转子加速度的微分方程如公式(5)所示。
Figure BDA0001825359880000061
其中，Pm是虚拟同步机的机械功率，Pe是虚拟同步机的电功率，而ω是转子的角速度。
转子速度的变化率取决于旋转质量的惯性矩，在发电机稳定运行期间存储的动能在扭矩不平衡时非常有利，该动能将被***吸收以缓解速度偏离同步速度。
在式(5)中用PVSG代替Pm-Pe用于仿真转动惯量的表达式由式(6)给出。
Figure BDA0001825359880000062
根据公式(6)，虚拟同步机在频率偏离标称值或者是检测到频率发生变化的情况下与电网进行功率交换。Kd系数是一个常数，用于定义当最大指定的频率变化率(Hz/s)发生时，虚拟同步机与电网互换的有功功率量。Kp是下垂系数，定义了由于频率偏离参考值而需要吸收或注入电网的功率。
三、对蓄电池储能***进行下层控制，确定储能***输出电流。
步骤三中，下层控制的目的是计算输出电流。图3给出了三相虚拟同步机控制单元的上下层控制架构。
步骤二中的上层控制计算虚拟同步机应该产生的有功和无功功率，以***频率和dq参考系的相电压作为输入。在该模型中只考虑有功功率，将无功功率设为零(图3中KV＝0)。相电压与有功功率一起被传递给下层控制的电流基准计算模块。
下层控制的第一部分是在同步参考系的公共点处执行abc相电压变换。参数θ由锁相环(PLL)模块提取并定义电压变换的参考帧。下层控制的第二个部分，根据上层控制的相电压和有功功率在dq参考系下计算电流基准值。第三部分再通过Park反变换得到蓄电池虚拟同步机的输出电流。
虚拟同步发电机储能***电路的模型只要不包含开关设备，那么基于能量守恒原理，就有交流侧的瞬时功率与直流侧相同(假设理想转换)。因此可以将DC电流表示为公式(7)。
Figure BDA0001825359880000063
为了验证虚拟同步机能够减小由不同网络中负载变化引起的频率偏差。为了评估虚拟同步机对***整体稳定性的贡献，通过改变***的实际总负载来干扰其稳态运行。针对虚拟同步机的渗透率确定干扰大小，可以根据标称虚拟同步机有功功率与总负载需求的比值来计算渗透率。
Figure BDA0001825359880000071
实施例1：
考虑虚拟同步机和同步发电机在大区域电网中并联运行的情况。测试网络包括一个通过传输线连接到电网的发电站，一台虚拟同步机和可变负载。负载根据简单的负载曲线改变其值，从而对***的频率造成干扰。
恒定负载为90kW，负载偏差不超过发电站额定功率的20％(112kVA)。仿真虚拟同步机渗透率逐渐增加的三个场景，渗透率分别为0％，10％和30％。图4为负载变化曲线，图5给出了虚拟同步机渗透率增加时由于负载变化引起的电力***的频率响应。虚拟同步机针对每个渗透率产生和吸收的有功功率在图6中给出。可以看出虚拟同步机渗透率越高，在***负载发生波动时，对应产生或吸收的有功功率越多，使得***频率波动越小，有效提高了***稳定性。
实施例2：
考虑虚拟同步机与两个区域电网并联运行的情况。该***包括两个发电站，通过两个典型的高压传输线相连，还包括恒定和可变负载以及虚拟同步机单元。虚拟同步机的渗透率定为10％，而恒定负载下的功耗为300MW。发电站的额定功率分别为255MVA和1000MVA。可变负载遵循图7的负载曲线。
图8给出了两种运行模式的模拟结果，分别为虚拟同步机渗透率为10％和没有虚拟同步机的情况，通过比较可以看出虚拟同步机单元对最大频率偏差的影响，基于虚拟同步机技术的蓄电池储能***可以有效减小由于负荷变动引起的***频率偏差。
综上，本专利提出了一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法。该方法首先建立储能***的电容模型和电压模型，用于计算储能***充电状态和端电压。然后基于虚拟同步机技术的蓄电池储能***上层控制，确定储能***吸收或注入电网的功率。最后对蓄电池储能***进行下层控制，确定储能***输出电流。本专利是对虚拟同步机控制领域的补充，是对传统蓄电池控制方法的优化。从实施例的结果可以看出，控制方法切实有效，操作简单，具有一定的工程实用价值。
以上根据附图对本发明的实施例进行了详细说明，但不仅限于此具体实施方式，本领域的技术人员根据此具体技术方案进行的各种等同、变形处理，也在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立储能***的电容模型和电压模型，分别用于计算储能***充电电量和端电压；
建立蓄电池储能***的电容模型和电压模型；具体是指：
(1)建立电容模型，具体而言：电压源被建模为由电导分隔的储能器1和储能器2，储能器1储存负载立即可用的电量，储能器2储存化学键合的电荷；每个储能器具有单位深度，但宽度不同，对应于不同的体积；储能器1的宽度是c，储能器2的宽度是1-c；两个储能器的组合宽度等于1，并且储能器的组合面积为1；两个储能器的电荷容量分别为q1、q2，电荷总容量为qmax；两个储能器之间的阀门具有固定的电导k'；电流调节器使得电流I在设定的时间步长内保持恒定；描述电容模型的公式为：
Figure FDA0003672118570000011
Figure FDA0003672118570000012
k为速率常数且
Figure FDA0003672118570000013
T为放电时间；
(2)建立电压模型，具体而言：将蓄电池视为串联有恒定电阻的假定电压源，电压模型的公式为：
V＝E-I·R0
E＝E0-A·X/Q-M·X/(Q-X)
其中，E为内电压；V为端电压；R0为内阻；X为有效放电深度；A为伏安特性曲线斜率；M为放电终止电压降落常数；Q为电容量；
步骤二、基于虚拟同步机技术的蓄电池储能***上层控制，确定储能***吸收或注入电网的功率；
步骤三、对蓄电池储能***进行下层控制，确定储能***输出电流。
2.如权利要求1所述的一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法，其特征是，所述步骤二，基于虚拟同步机技术的蓄电池储能***上层控制，确定储能***吸收或注入电网的功率；具体是指：
在给定惯性常数J的条件下描述同步电机转子加速度的微分方程
Figure FDA0003672118570000014
其中，Pm是虚拟同步机的机械功率，Pe是虚拟同步机的电功率，而ω是转子的角速度；用PVSG代替Pm-Pe用于仿真转动惯量的表达式
Figure FDA0003672118570000021
Kd系数是一个常数，用于定义当最大指定的频率变化率发生时，虚拟同步机与电网互换的有功功率量。
3.如权利要求2所述的一种基于虚拟同步机技术的蓄电池储能控制方法，其特征是：所述步骤三，对蓄电池储能***进行下层控制，确定储能***输出电流，具体是指：
基于步骤二中的上层控制计算虚拟同步机应该产生的有功和无功功率；具体而言，以***频率和dq参考系的相电压作为输入，在该模型中只考虑有功功率，将无功功率设为零；将相电压与有功功率一起传递给下层控制；
所述下层控制包括：
S1、在同步参考系执行三相电压变换；
S2、根据步骤二中上层控制的相电压和有功功率在dq参考系下计算电流基准值；
S3、通过Park反变换得到蓄电池虚拟同步机的输出电流；
改变***的实际总负载来干扰其稳态运行；针对虚拟同步机的渗透率确定干扰大小；根据标称虚拟同步机有功功率与总负载需求的比值来计算渗透率。
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