CN114899819A - 一种新能源电站储能***暂态过电压控制方法及装置 - Google Patents

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张桂红
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刘安誉
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Abstract

本发明公开了一种新能源电站储能***暂态过电压控制方法，储能***包括：能量模块、变流器模块和控制模块，控制模块包括：有功频率控制单元、无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元，包括如下步骤：获取新能源电站储能***的电压检测值和电流检测值，并对其进行dq变换；通过有功频率单元依据转子运动方程获取相角；依据电压检测值和电流检测值的dq变换结果，通过无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元获取电压校准值；基于相角和电压校准值，调整储能***的直流侧输出电压为预设电压值，以抑制暂态过电压。

Description

一种新能源电站储能***暂态过电压控制方法及装置
技术领域
本发明涉及储能***控制技术领域，特别涉及一种新能源电站储能***暂态过电压控制方法。
背景技术
目前，应用于新能源电站可以抑制暂态过电压的代表性设备主要有传统调相机和静止同步补偿器(STATCOM)。其中，调相机作为同步旋转设备，与交流电网电磁耦合，其无延时的自发无功响应反映了同步电网自身的电气特征。调相机迟相能力(发无功)可达数倍额定值，远超STATCOM，但是其进相能力(吸无功)较差，仅略高于额定值的一半。而STATCOM作为非旋转设备，是由IGBT等可关断电力电子器件构成的电压源变流器，与电网之间的无功交换本质上可以等效为直流侧稳压电容器与电网之间的充放电过程。上述两种设备虽然原理不一样，但是均可以实现动态无功支撑，从而达到暂态过电压抑制功能。
对于调相机来说，一般新能源场站中配置有风机/光伏主机，STATCOM，储能***。若再继续配置调相机，将会造成运行维护复杂，运维费用较高的问题。而对于STATCOM来说，虽然可以实现某些故障下的暂态过电压抑制功能，但是其无功响应要经过采样、计算、输出等一系列环节才能实现，慢于同步旋转设备的电磁耦合特性。目前，STATCOM的控制响应速度无法快速跟随因为直流输电换相失败引起的电压高低变化，且还将产生“反调”作用，从而进一步助增过电压。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种新能源电站储能***暂态过电压控制方法，一方面解决了同步调相机运行维护复杂，运维费用较高的问题；另一方面利用高性能控制***及其控制方法，解决了STATCOM控制响应速度无法快速跟随电压变化的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种新能源电站储能***暂态过电压控制方法，储能***包括：能量模块、变流器模块和控制模块，所述控制模块包括：有功频率控制单元、无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元，包括如下步骤：
获取新能源电站储能***的电压检测值和电流检测值，并对其进行dq变换；
通过所述有功频率单元依据转子运动方程获取相角；
依据所述电压检测值和所述电流检测值的dq变换结果，通过所述无功电压控制单元、所述内环电压控制单元和所述内环电流控制单元获取电压校准值；
基于所述相角和所述电压校准值，调整所述储能***的直流侧输出电压为预设电压值，以抑制暂态过电压。
进一步地，所述依据所述电压检测值和所述电流检测值通过所述无功电压控制单元、所述内环电压控制单元和所述内环电流控制单元获取电压校准值，包括如下步骤：
通过所述无功电压控制单元获取电压指令值；
基于所述内环电压控制单元，依据所述电压指令值和所述电压检测值计算所述电流指令值；
基于所述内环电流控制单元，依据所述电流指令值和所述电流检测值计算所述电压校准值。
进一步地，所述变流器模块包括：依次连接的直流电压源、直流/交流逆变器和并网滤波电路。
进一步地，所述控制模块包括：主从环网结构的主控制单元和若干个从站就地单元；
所述若干个从站就地单元分别与所述变流器一一对应连接。
进一步地，所述主控制单元与所述若干个从站就地单元通过光纤网络进行数据交互。
进一步地，所述若干个从站就地单元采用分布式时钟同步技术。
进一步地，所述转子运动方程的数学模型为：
Figure BDA0003682770780000031
式中：TJ为惯性时间常数，ω为角速度，Δω＝ω-ω0，ω0为额定转速，Pm、Pe和D分别为机械功率、电磁功率和阻尼系数，θ为相角。
相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种新能源电站储能***暂态过电压控制装置，储能***包括：能量模块、交流器模块和控制模块，所述控制模块包括：有功频率控制单元、无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元，包括：
检测模块，其用于获取新能源电站储能***的电压检测值和电流检测值，并对其进行dq变换；
第一计算模块，其可用于通过所述有功频率单元依据转子运动方程获取相角；
第二计算模块，其用于依据所述电压检测值和所述电流检测值的dq变换结果，通过所述无功电压控制单元、所述内环电压控制单元和所述内环电流控制单元获取电压校准值；
电压调整模块，其用于基于所述相角和所述电压校准值，调整所述储能***的直流侧输出电压为预设电压值，以抑制暂态过电压。
进一步地，所述第二计算模块包括：
第一计算单元，其用于通过所述无功电压控制单元获取电压指令值；
第二计算单元，其用于基于所述内环电压控制单元，依据所述电压指令值和所述电压检测值计算所述电流指令值；
第三计算单元，其用于基于所述内环电流控制单元，依据所述电流指令值和所述电流检测值计算所述电压校准值。
进一步地，所述变流器模块包括：依次连接的直流电压源、直流/交流逆变器和并网滤波电路。
进一步地，所述控制模块包括：主从环网结构的主控制单元和若干个从站就地单元；
所述若干个从站就地单元分别与所述变流器一一对应连接。
进一步地，所述主控制单元与所述若干个从站就地单元通过光纤网络进行数据交互。
进一步地，所述若干个从站就地单元采用分布式时钟同步技术。
进一步地，所述转子运动方程的数学模型为：
Figure BDA0003682770780000041
式中：TJ为惯性时间常数，ω为角速度，Δω＝ω-ω0，ω0为额定转速，Pm、Pe和D分别为机械功率、电磁功率和阻尼系数，θ为相角。
相应地，本发明实施例的第三方面提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述新能源电站储能***暂态过电压控制方法。
相应地，本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述任一所述的新能源电站储能***暂态过电压控制方法。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
根据预设控制策略来控制变流器，建立内部参考电压并调整功率输出以帮助维持该电压，使得整个***表现为直流侧电压可保持恒定的电压源特性，一方面解决了同步调相机运行维护复杂，运维费用较高的问题；另一方面利用高性能控制***及其控制方法，解决了STATCOM控制响应速度无法快速跟随电压变化的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的新能源电站储能***原理示意图；
图2是本发明实施例提供的储能***变流器模块原理示意图；
图3是本发明实施例提供的储能***控制模块原理示意图；
图4是本发明实施例提供的新能源电站储能***暂态过电压控制方法流程图；
图5a是本发明实施例提供的新能源电站储能***暂态过电压控制框图；
图5b是本发明实施例提供的有功频率控制框图；
图5c是本发明实施例提供的无功电压控制框图；
图6是本发明实施例提供的转子方程控制框图；
图7是本发明实施例提供的新能源电站储能***暂态过电压控制装置框图；
图8是本发明实施例提供的第二计算模块框图。
附图标记：
1、检测模块，2、第一计算模块，3、第二计算模块，31、第一计算单元，32、第二计算单元，33、第三计算单元，4、电压调整模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参照图1、图2、图3、图4、图5a、图5b和图5c，本发明实施例的第一方面提供了一种新能源电站储能***暂态过电压控制方法，储能***包括：能量模块、变流器模块和控制模块，控制模块包括：有功频率控制单元、无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元，包括如下步骤：
步骤S100，获取新能源电站储能***的电压检测值和电流检测值，并对其进行dq变换。
步骤S200，通过有功频率单元依据转子运动方程获取相角。
步骤S300，依据电压检测值和电流检测值的dq变换结果，通过无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元获取电压校准值。
步骤S400，基于相角和电压校准值，调整储能***的直流侧输出电压为预设电压值，以抑制暂态过电压。
控制模块根据设计的控制策略来控制变流器，建立内部参考电压并调整功率输出以帮助维持该电压，使得整个***表现为直流侧电压可保持恒定的电压源特性。通过模拟传统同步机的运行特性，利用能量单元存储的能量，可让***像同步电机一样为电网提供故障电流和***惯量，增强电网强度，响应电网动态变化并自主调节电网电压和频率，从而提升高比例新能源地区电力***的运行稳定水平，抑制产生的暂态过电压。
具体的，步骤S400中，基于相角和电压校准值，调整储能***的直流侧输出电压为预设电压值，具体的计算过程如下：
Figure BDA0003682770780000061
Figure BDA0003682770780000062
其中，vd为d轴电压，vq为q轴电压，v0为常数，va为a相电压，vb为b相电压，vc为c相电压，
Figure BDA0003682770780000071
为dq0坐标系到abc坐标系的转换矩阵，Tsync为abc坐标系到dq0坐标系的转换矩阵，ωt为坐标系之间的夹角。
具体的，在步骤S300中，依据电压检测值和电流检测值通过无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元获取电压校准值，包括如下步骤：
S310，通过无功电压控制单元获取电压指令值。
S320，基于内环电压控制单元，依据电压指令值和电压检测值计算电流指令值。
具体的，基于内环电压控制单元，依据电压指令值和电压检测值的差通过PI环节进行无差调节。
S330，基于内环电流控制单元，依据电流指令值和电流检测值计算电压校准值。
具体的，基于内环电流控制单元，依据电流指令值和电流检测值的差通过PI环境进行无差调节。
其中，有功频率控制单元和无功电压控制单元控制相角和电压幅值。具体的，有功频率控制单元通过下垂控制，并根据转子运动方程可以计算出相角θ，无功电压控制单元输出电压指令Vcmd，通过内环电压和内环电流控制模块计算出电流指令Icmd，与相角θ结合，输出目标电压。
进一步地，变流器模块包括：依次连接的直流电压源、直流/交流逆变器和并网滤波电路。本变流器模块和常规变流器相比，具有较强的过负荷能力，这样可为***提供短时故障电流和惯量支持，从而具备增强弱电网区域的***强度和提供惯量支持的能力。
本变流器过负荷能力的提升，一方面取决于逆变模块电力电子器件(IGBT)固有性能；另一方面也需要对IGBT芯片、封装底板和散热器进行整体优化设计和制造，确保逆变器运行时能够承受由于过负荷导致的温度波动而不影响其使用寿命。
进一步地，控制模块包括：主从环网结构的主控制单元和若干个从站就地单元；若干个从站就地单元分别与变流器一一对应连接。具体的，主控制单元与若干个从站就地单元通过光纤网络进行数据交互。若干个从站就地单元采用分布式时钟同步技术。
请参照图3，上述控制模块控制***结合工业以太网通讯和分布实时控制技术，采用主从环网结构，实现对多个新型逆变器实时同步统一控制，具备统一、快速控制多个对象的能力。主站控制器具备实时快速运算和实时采样等功能。从站就地单元是各种测量和控制结点，分别与每个逆变器进行点对点快速通讯。各就地单元采用分布式时钟技术同步，使得各点测量及控制一致性好。主站与多个从站间无需交换机，采用高速实时网络通过光纤直连。根据控制策略可以设计各种控制功能，通过主站控制器进行快速运算，实时统一下发各逆变器的控制指令至就地控制单元，并实时统一控制各个逆变器实现各种高级功能。
进一步地，请参照图6，转子运动方程的数学模型为：
Figure BDA0003682770780000081
式中：TJ为惯性时间常数，ω为角速度，Δω＝ω-ω0，ω0为额定转速，Pm、Pe和D分别为机械功率、电磁功率和阻尼系数，θ为相角。
其中，角速度ω的数值通过计算所接的电力***相角的变化率可以得到；机械功率为原动机提供，可为额定值；电磁功率为机端输出功率，其数值与机组的状态有关。
上述新能源电站储能***暂态过电压控制方法利用电化学储能***的变流器(PCS)过负荷能力，并采用高性能控制***及其控制方法，抑制***故障产生的暂态过电压，尤其是直流输电换相失败引起的暂态过电压。一方面利用储能模块来抑制暂态过电压，可以解决同步调相机运行维护复杂，运维费用较高的问题，另一方面利用高性能控制模块及其控制方法，也可以解决STATCOM控制响应速度无法快速跟随电压变化的问题。
相应地，请参照图7，本发明实施例的第二方面提供了一种新能源电站储能***暂态过电压控制装置，储能***包括：能量模块、变流器模块和控制模块，控制模块包括：有功频率控制单元、无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元，包括：
检测模块1，其用于获取新能源电站储能***的电压检测值和电流检测值，并对其进行dq变换；
第一计算模块2，其可用于通过有功频率单元依据转子运动方程获取相角；
第二计算模块3，其用于依据电压检测值和电流检测值的dq变换结果，通过无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元获取电压校准值；
电压调整模块4，其用于基于相角和电压校准值，调整储能***的直流侧输出电压为预设电压值，以抑制暂态过电压。
进一步地，请参照图8，第二计算模块3包括：
第一计算单元31，其用于通过无功电压控制单元获取电压指令值；
第二计算单元32，其用于基于内环电压控制单元，依据电压指令值和电压检测值计算电流指令值；
第三计算单元33，其用于基于内环电流控制单元，依据电流指令值和电流检测值计算电压校准值。
进一步地，变流器模块包括：依次连接的直流电压源、直流/交流逆变器和并网滤波电路。
进一步地，控制模块包括：主从环网结构的主控制单元和若干个从站就地单元；若干个从站就地单元分别与变流器一一对应连接。具体的，主控制单元与若干个从站就地单元通过光纤网络进行数据交互；若干个从站就地单元采用分布式时钟同步技术。
进一步地，转子运动方程的数学模型为：
Figure BDA0003682770780000101
式中：TJ为惯性时间常数，ω为角速度，Δω＝ω-ω0，ω0为额定转速，Pm、Pe和D分别为机械功率、电磁功率和阻尼系数，θ为相角。
相应地，本发明实施例的第三方面提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器连接的存储器；其中，存储器存储有可被一个处理器执行的指令，指令被一个处理器执行，以使至少一个处理器执行上述新能源电站储能***暂态过电压控制方法。
相应地，本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述任一的新能源电站储能***暂态过电压控制方法。
本发明实施例旨在保护一种新能源电站储能***暂态过电压控制方法，储能***包括：能量模块、变流器模块和控制模块，控制模块包括：有功频率控制单元、无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元，包括如下步骤：获取新能源电站储能***的电压检测值和电流检测值，并对其进行dq变换；通过有功频率单元依据转子运动方程获取相角；依据电压检测值和电流检测值的dq变换结果，通过无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元获取电压校准值；基于相角和电压校准值，调整储能***的直流侧输出电压为预设电压值，以抑制暂态过电压。上述技术方案具备如下效果：
根据预设控制策略来控制变流器，建立内部参考电压并调整功率输出以帮助维持该电压，使得整个***表现为直流侧电压可保持恒定的电压源特性，一方面解决了同步调相机运行维护复杂，运维费用较高的问题；另一方面利用高性能控制***及其控制方法，解决了STATCOM控制响应速度无法快速跟随电压变化的问题。
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。
最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新能源电站储能***暂态过电压控制方法，其特征在于，储能***包括：能量模块、变流器模块和控制模块，所述控制模块包括：有功频率控制单元、无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元，包括如下步骤：
获取新能源场站电网的电压检测值和电流检测值，并对其进行dq变换；
通过所述有功频率单元依据转子运动方程获取相角；
依据所述电压检测值和所述电流检测值的dq变换结果，通过所述无功电压控制单元、所述内环电压控制单元和所述内环电流控制单元获取电压校准值；
基于所述相角和所述电压校准值，调整所述储能***的直流侧输出电压为预设电压值，以抑制暂态过电压。
2.根据权利要求1所述的新能源电站储能***暂态过电压控制方法，其特征在于，所述依据所述电压检测值和所述电流检测值通过所述无功电压控制单元、所述内环电压控制单元和所述内环电流控制单元获取电压校准值，包括如下步骤：
通过所述无功电压控制单元获取电压指令值；
基于所述内环电压控制单元，依据所述电压指令值和所述电压检测值计算所述电流指令值；
基于所述内环电流控制单元，依据所述电流指令值和所述电流检测值计算所述电压校准值。
3.根据权利要求1所述的新能源电站储能***暂态过电压控制方法，其特征在于，
所述变流器模块包括：依次连接的直流电压源、直流/交流逆变器和并网滤波电路。
4.根据权利要求1所述的新能源电站储能***暂态过电压控制方法，其特征在于，
所述控制模块包括：主从环网结构的主控制单元和若干个从站就地单元；
所述若干个从站就地单元分别与所述变流器一一对应连接。
5.根据权利要求4所述的新能源电站储能***暂态过电压控制方法，其特征在于，
所述主控制单元与所述若干个从站就地单元通过光纤网络进行数据交互。
6.根据权利要求3所述的新能源电站储能***暂态过电压控制方法，其特征在于，
所述若干个从站就地单元采用分布式时钟同步技术。
7.根据权利要求1所述的新能源电站储能***暂态过电压控制方法，其特征在于，
所述转子运动方程的数学模型为：
Figure FDA0003682770770000021
式中：TJ为惯性时间常数，ω为角速度，Δω＝ω-ω0，ω0为额定转速，Pm、Pe和D分别为机械功率、电磁功率和阻尼系数，θ为相角。
8.一种新能源电站储能***暂态过电压控制装置，其特征在于，储能***包括：能量模块、变流器模块和控制模块，所述控制模块包括：有功频率控制单元、无功电压控制单元、内环电压控制单元和内环电流控制单元，包括：
检测模块，其用于获取新能源电站储能***的电压检测值和电流检测值，并对其进行dq变换；
第一计算模块，其可用于通过所述有功频率单元依据转子运动方程获取相角；
第二计算模块，其用于依据所述电压检测值和所述电流检测值的dq变换结果，通过所述无功电压控制单元、所述内环电压控制单元和所述内环电流控制单元获取电压校准值；
电压调整模块，其用于基于所述相角和所述电压校准值，调整所述储能***的直流侧输出电压为预设电压值，以抑制暂态过电压。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1-7任一所述的新能源电站储能***暂态过电压控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如权利要求1-7任一所述的新能源电站储能***暂态过电压控制方法。
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