CN109768579B - 一种海岛储能电站的可靠平滑并网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海岛储能电站的可靠平滑并网方法，所述海岛储能电站包括光伏发电装置、蓄电池储能装置和大功率逆变器；所述光伏发电装置采用最大功率跟踪控制，所述大功率逆变器采用控制***进行虚拟同步机控制，并通过对预设的标称电网角频率ω_n进行修正；对所述大功率逆变器的输出信号的相角与电网的相角进行相位同步，解决因采用虚拟同步机控制的储能电站并网时对电网带来的冲击问题，可以有效减少并网冲击和避免并网瞬间的直流侧抬升，保证储能电站正常并网和安全稳定运行。

Description

一种海岛储能电站的可靠平滑并网方法

技术领域

本发明实施例涉及电力电子领域，尤其涉及一种海岛储能电站的可靠平滑并网方法。

背景技术

我国海岛众多，及其周围蕴藏着丰富的石油、渔业、旅游、矿产等资源，大多分布在亚热带海洋季风气候区，有较好的太阳能、波浪能、风能等可再生能源可加以利用，具有非常重要的经济和战略意义。由于太阳能与风能的互补性，海岛电网一般综合风力与太阳能发电，减小单一发电的间歇与波动性；蓄电池储能***常用来维持能量平衡，保证***稳定。

由于目前绝大部分的分布式电源都是通过大功率逆变器接入电网，而大功率逆变器与传统同步发电机有着本质的区别。大功率逆变器因其快速的动态响应、较小的过载能力、低转动惯量和低短路容量等特性将对电网的静动态稳定性产生难以忽视的影响。因此采用虚拟同步发电机技术，通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使逆变器从运行机制和外特性上都可与传统同步发电机相媲美。但是，采用虚拟同步机控制的储能电站并网时，如果没有做适当的并网准备会对电网带来较大的冲击，控制不当也有可能导致储能电站直流侧电压抬升对储能***造成冲击，因此，有必要研究其可靠的平滑并网方法。

发明内容

本发明提供一种海岛储能电站的可靠平滑并网方法，以实现保证正常并网并减少并网冲击和避免并网瞬间的直流侧抬升，保证正常并网和安全稳定运行。

本发明实施例提供了一种海岛储能电站的可靠平滑并网方法，所述海岛储能电站包括光伏发电装置、蓄电池储能装置和大功率逆变器；所述光伏发电装置采用最大功率跟踪控制，所述大功率逆变器采用控制***进行虚拟同步机控制；

所述方法包括：

对预设的标称电网角频率ω_n进行修正；

对所述大功率逆变器的输出信号的相角与电网的相角进行相位同步。

进一步的，该方法还包括：

采集所述大功率逆变器的输出电压信号v_a、v_b、v_c和输出电流信号i_a、i_b、i_c；

计算所述大功率逆变器的输出相电压实时峰值V_p；

对所述大功率逆变器的输出电压信号v_a、v_b、v_c和输出电流信号i_a、i_b、i_c进行坐标转换，并计算得到所述大功率逆变器的瞬时有功功率Pe和瞬时无功功率Q_e；

将所述输出相电压实时峰值V_p和所述瞬时无功功率Q_e输入无功控制器，得到输出电压幅值信息E_m，其计算公式为：

将所述瞬时有功功率P_e输入有功控制器，得到输出电压相角信息θ，其计算公式为：

其中，ω_ref为参考频率，ω_n为预设的标称电网角频率，ω_v为输出角频率，P_set为顶层下发有功指令，Q_set为顶层下发无功指令，D_p为有功调节系数，D_q为无功调节系数，V_n为标称电网电压有效值，J为有功转动惯性系数，K为无功转动惯性系数；

所述对预设的标称电网角频率ω_n进行修正，包括：

当P_set为0时，参考角频率ω_ref由标称电网角频率ω_n加上预设角频率修正量Δω_n，以防止电网因频率波动引起有功功率倒灌而切机；

当P_set不为0，即海岛储能电站接收有功指令送出有功时，参考角频率ω_ref取为标称电网角频率ω_n，以确保功率准确跟踪；

即，参考角频率ω_ref的计算公式为：

其中，f_max为允许最大电网频率，Δω_n为预设角频率修正量；

所述对所述大功率逆变器的输出信号的相角与电网的相角进行相位同步，包括：

将采集的电网相角信息θ_g减去所述输出电压相角信息θ，得到相角差Δθ；

将所述相角差Δθ送入比例调节控制器进行比例计算，得到输出角频率ω_v的误差调节量Δω_v；

将所述误差调节量Δω_v与所述输出角频率ω_v相加后进行积分计算，得到更新后的输出电压相角信息θ′，所述更新后的输出电压相角信息θ′的计算公式为：

其中，k_p为所述比例调节控制器的比例系数；

根据所述更新后的输出电压相角信息θ′和输出电压幅值信息E_m，得到三相调制波信号；

使用PWM调制器对所述三相调制波信号进行调制，得到驱动信号，所述驱动信号用来控制所述大功率逆变器中各相的通断，以将所述大功率逆变器并入电网；

所述方法，还包括：

在所述大功率逆变器成功并入电网后，取消相位预同步环节，以将所述输出角频率ω_v的误差调节量Δω_v置为0，以保证所述控制***正确工作，输出电压相角信息θ的计算公式为：

进一步的，所述电网相角信息θ_g采用对电网线电压进行过零检测的方式进行采集，包括：

当捕捉到电网线电压的上升沿过零点时，所述控制***中的电网相角计算单元中的计数器按照控制频率进行累加，并用n表示所述计数器的值；

在计数器累加的过程中，确定包括电网三相的相角θ_ga、θ_gb、θ_gc的所述电网相角信息θ_g，所述电网三相的相角θ_ga、θ_gb、θ_gc的计算公式为：

其中，f_c为所述控制频率；N为所述控制频率与电网频率的比值，表示为N＝f_c/(ω_n/2π)；n在捕捉到电网线电压的上升沿过零点时置0。

本发明通过设置所述海岛储能电站包括光伏发电装置、蓄电池储能装置和大功率逆变器；所述光伏发电装置采用最大功率跟踪控制，所述大功率逆变器采用控制***进行虚拟同步机控制，并通过对预设的标称电网角频率ω_n进行修正；对所述大功率逆变器的输出信号的相角与电网的相角进行相位同步，解决因采用虚拟同步机控制的储能电站并网时对电网带来的冲击问题，实现在虚拟同步机控制的基础上，引入预设频率修正量和基于电网过零捕获的相位同步，使得大功率逆变器从运行机制和外特性上都可与传统同步发电机相媲美，并且并网时不会对电网造成过大冲击导致切机，同时能避免储能电站直流侧电压抬升对储能***造成冲击，确保海岛储能电站的安全可靠运行，应用前景较为广阔。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种海岛储能电站的可靠平滑并网方法的流程图；

图2为本发明一实施例的海岛储能电站的结构图；

图3为本发明一实施例的大功率逆变器的控制原理图；

图4为本发明一实施例的过零检测和捕获电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

参照图2-3，所述海岛储能电站包括光伏发电装置100、蓄电池储能装置200和大功率逆变器300；所述光伏发电装置100采用最大功率跟踪控制，所述海岛储能电站还包括：控制***400，所述大功率逆变器300采用控制***400进行虚拟同步机控制。

具体的，本实施例中的光伏发电装置100包括光伏阵列和直流转直流(DC/DC)变换器。光伏发电装置100采用常用在风力发电机及光伏太阳能***的成熟控制技术——最大功率跟踪控制(Maximum power point tracking，MPPT)，其通过改变光伏阵列所带的等效负载，调节光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近。另外，本实施例中的大功率逆变器300一般是指功率在50KW以上的逆变器，一般为正弦波逆变器。该大功率逆变器300采用虚拟同步机控制技术，通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使逆变器从运行机制和外特性上模拟传统同步发电机。本实施例中的控制***400用于控制大功率逆变器300中开关管的开闭，以实现将大功率逆变器300并入或脱离电网。具体的，控制***400对大功率逆变器300的控制虚拟同步机控制技术。

进一步的，在实现控制***400对大功率逆变器300进行虚拟同步控制的同时，本实施例将通过海岛储能电站的可靠平滑并网方法，解决因采用虚拟同步机控制的储能电站并网时对电网带来的冲击问题。参照图1，所述方法具体包括如下步骤：

S101、对预设的标称电网角频率ω_n进行修正。

S102、对所述大功率逆变器300的输出信号的相角与电网的相角进行相位同步。

本实施例中，在虚拟同步机控制的基础上，对预设的标称电网角频率ω_n的修正，对所述大功率逆变器300的输出信号的相角与电网的相角的相位同步，使得大功率逆变器300从运行机制和外特性上都可与传统同步发电机相媲美，并且并网时不会对电网造成过大冲击导致切机，同时能避免储能电站直流侧电压抬升对储能***造成冲击，确保海岛储能电站的安全可靠运行，应用前景较为广阔。

需要说明的是，本实施例在实现步骤S101和S102之前，可以获取海岛储能电站的电学参数，该电学参数至少包括：大功率逆变器300的输出电压幅值信息E_m、大功率逆变器300的输出电压相角信息θ、电网相角信息θ_g。本实施例中，将使用大功率逆变器300的输出电压幅值信息E_m、大功率逆变器300的输出电压相角信息θ、电网相角信息θ_g等海岛储能电站的电学参数，来为海岛储能电站的可靠平滑并网方法的实现提供基础数据。

参照图3中的控制***400，该控制***400用于实现对大功率逆变器300的虚拟同步机控制。进一步的，该控制***400可以包括：瞬时功率计算单元410、过零检测单元420、相角计算单元430、无功控制器440、有功控制器450和三相调制波计算单元460等。

进一步的，本实施例中，可以通过瞬时功率计算单元410、无功控制器440和有功控制器450的配合处理，得到大功率逆变器300的输出电压幅值信息E_m、大功率逆变器300的输出电压相角信息θ，具体包括如下步骤：

1)采集所述大功率逆变器300的输出电压信号v_a、v_b、v_c和输出电流信号i_a、i_b、i_c。

2)计算所述大功率逆变器300的输出相电压实时峰值V_p。

3)对所述大功率逆变器300的输出电压信号v_a、v_b、v_c和输出电流信号i_a、i_b、i_c进行坐标转换，并计算得到所述大功率逆变器300的瞬时有功功率P_e和瞬时无功功率Q_e。

4)将所述输出相电压实时峰值V_p和所述瞬时无功功率Q_e输入无功控制器440，得到输出电压幅值信息E_m，其计算公式为：

5)将所述瞬时有功功率P_e输入有功控制器450，得到输出电压相角信息θ，其计算公式为：

其中，ω_ref为参考频率，ω_n为预设的标称电网角频率，ω_v为输出角频率，P_set为顶层下发有功指令，Q_set为顶层下发无功指令，D_p为有功调节系数，D_q为无功调节系数，V_n为标称电网电压有效值，J为有功转动惯性系数，K为无功转动惯性系数。

再进一步的，本实施例中，所述电网相角信息θ_g可以采用对电网线电压进行过零检测的方式进行采集。其中，电网线电压为多相供电***两线之间,以三相为例，线电压是从A、B、C三相引出线相互之间的电压。过零检测用于检测线电压由负电压转换为正电压的瞬间。在一实施例中，可以通过过零检测单元420和相角计算单元430的配合处理，得到电网相角信息θ_g，具体的包括如下步骤：

1)当捕捉到电网线电压的上升沿过零点时，所述控制***400中的电网相角计算单元430中的计数器按照控制频率进行累加，并用n表示所述计数器的值。

进一步的，图4为本发明一实施例的过零检测和捕获电路的示意图，可以通过图4提供的电路对电网线电压的上升沿过零点进行检测和捕获。

2)在计数器累加的过程中，确定包括电网三相的相角θ_ga、θ_gb、θ_gc的所述电网相角信息θ_g，所述电网三相的相角θ_ga、θ_gb、θ_gc的计算公式为：

其中，f_c为所述控制频率；N为所述控制频率与电网频率的比值，即一个电网周波在控制***400中所采样的离散点数，表示为N＝f_c/(ω_n/2π)；n在捕捉到电网线电压的上升沿过零点时置0。需要注意的是，n在一个电网周波结束时达到最大值N,即N＝f_c/(ω_n/2π)。

本实施例将对步骤S101和步骤S102的具体实现方式进行详细说明。具体的，步骤S101可以进一步细化为如下步骤：

1)当P_set为0时，参考角频率ω_ref由标称电网角频率ω_n加上预设角频率修正量Δω_n，以防止电网因频率波动引起有功功率倒灌而切机。

2)当P_set不为0，即海岛储能电站接收有功指令送出有功时，参考角频率ω_ref取为标称电网角频率ω_n，以确保功率准确跟踪。

也就是说，参考角频率ω_ref的计算公式为：

其中，f_max为允许最大电网频率，Δω_n为预设角频率修正量。

进一步的，步骤S102可以进一步细化为如下步骤：

1)将采集的电网相角信息θ_g减去所述输出电压相角信息θ，得到相角差Δθ。

2)将所述相角差Δθ送入比例调节控制器进行比例计算，得到输出角频率ω_v的误差调节量Δω_v。

3)将所述误差调节量Δω_v与所述输出角频率ω_v相加后进行积分计算，得到更新后的输出电压相角信息θ′，所述更新后的输出电压相角信息θ′的计算公式为：

其中，k_p为所述比例调节控制器的比例系数。

4)根据所述更新后的输出电压相角信息θ′和输出电压幅值信息E_m，得到三相调制波信号。

5)使用PWM调制器对所述三相调制波信号进行调制，得到驱动信号，所述驱动信号用来控制所述大功率逆变器300中各相的通断，以将所述大功率逆变器300并入电网。

在上述实施例的基础上，参照图3，针对有功控制器450，在所述大功率逆变器300成功并入电网后，取消相位预同步环节(将图3中的原本切向“预同步”的开关切至“并网运行”)，以将所述输出角频率ω_v的误差调节量Δω_v置为0，以保证所述控制***400正确工作，输出电压相角信息θ的计算公式为：

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (2)

1.一种海岛储能电站的可靠平滑并网方法，其特征在于，所述海岛储能电站包括光伏发电装置、蓄电池储能装置和大功率逆变器；所述光伏发电装置采用最大功率跟踪控制，所述大功率逆变器采用控制***进行虚拟同步机控制；

所述方法包括：

对预设的标称电网角频率ω_n进行修正；

对所述大功率逆变器的输出信号的相角与电网的相角进行相位同步；

该方法还包括：

采集所述大功率逆变器的输出电压信号v_a、v_b、v_c和输出电流信号i_a、i_b、i_c；

计算所述大功率逆变器的输出相电压实时峰值V_p；

对所述大功率逆变器的输出电压信号v_a、v_b、v_c和输出电流信号i_a、i_b、i_c进行坐标转换，并计算得到所述大功率逆变器的瞬时有功功率P_e和瞬时无功功率Q_e；

将所述输出相电压实时峰值V_p和所述瞬时无功功率Q_e输入无功控制器，得到输出电压幅值信息E_m，其计算公式为：

将所述瞬时有功功率P_e输入有功控制器，得到输出电压相角信息θ，其计算公式为：

其中，ω_ref为参考频率，ω_n为预设的标称电网角频率，ω_v为输出角频率，P_set为顶层下发有功指令，Q_set为顶层下发无功指令，D_p为有功调节系数，D_q为无功调节系数，V_n为标称电网电压有效值，J为有功转动惯性系数，K为无功转动惯性系数；

所述对预设的标称电网角频率ω_n进行修正，包括：

当P_set为0时，参考角频率ω_ref由标称电网角频率ω_n加上预设角频率修正量Δω_n，以防止电网因频率波动引起有功功率倒灌而切机；

当P_set不为0，即海岛储能电站接收有功指令送出有功时，参考角频率ω_ref取为标称电网角频率ω_n，以确保功率准确跟踪；

即，参考角频率ω_ref的计算公式为：

其中，f_max为允许最大电网频率，Δω_n为预设角频率修正量；

所述对所述大功率逆变器的输出信号的相角与电网的相角进行相位同步，包括：

将采集的电网相角信息θ_g减去所述输出电压相角信息θ，得到相角差Δθ；

将所述相角差Δθ送入比例调节控制器进行比例计算，得到输出角频率ω_v的误差调节量Δω_v；

将所述误差调节量Δω_v与所述输出角频率ω_v相加后进行积分计算，得到更新后的输出电压相角信息θ′，所述更新后的输出电压相角信息θ′的计算公式为：

其中，k_p为所述比例调节控制器的比例系数；

根据所述更新后的输出电压相角信息θ′和输出电压幅值信息E_m，得到三相调制波信号；

使用PWM调制器对所述三相调制波信号进行调制，得到驱动信号，所述驱动信号用来控制所述大功率逆变器中各相的通断，以将所述大功率逆变器并入电网；

所述方法，还包括：

在所述大功率逆变器成功并入电网后，取消相位预同步环节，以将所述输出角频率ω_v的误差调节量Δω_v置为0，以保证所述控制***正确工作，输出电压相角信息θ的计算公式为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网相角信息θ_g采用对电网线电压进行过零检测的方式进行采集，包括：

当捕捉到电网线电压的上升沿过零点时，所述控制***中的电网相角计算单元中的计数器按照控制频率进行累加，并用n表示所述计数器的值；

在计数器累加的过程中，确定包括电网三相的相角θ_ga、θ_gb、θ_gc的所述电网相角信息θ_g，所述电网三相的相角θ_ga、θ_gb、θ_gc的计算公式为：

其中，f_c为所述控制频率；N为所述控制频率与电网频率的比值，表示为N＝f_c/(ω_n/2π)；n在捕捉到电网线电压的上升沿过零点时置0。

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