一种大容量储能的虚拟同步机控制方法、装置及系统与流程

本发明属于电气工程领域，特别涉及一种大容量储能的虚拟同步机控制方法、装置及系统。

背景技术：

以光伏、风电为代表的间歇式能源装机容量占系统总装机容量比重越来越大。但间歇式能源出力的大幅、频繁的随机波动性对系统有功平衡造成冲击，影响系统调频特性，且不同于常规发电厂的旋转电机，通过电力电子设备接入电网的间歇式能源为非旋转的静止元件，不具备常规机组的转动惯量，其大规模接入电网将使系统等效转动惯量降低，削弱系统应对功率波动的能力，影响系统的频率暂态稳定水平。

针对该问题，可在风电、光伏电站增加大容量集中式储能来增强功率波动的能力，而储能结合虚拟同步发电机技术更是近年来的一个研究热点。所谓虚拟同步发电机技术是将同步发电机本体及其控制器数学模型引入储能变流器的控制算法，使电站具备惯性和主动参与一次调频、调压的能力，有效抑制并网点频率振荡，增强并网点电压强度。

受当前储能电池成组技术限制，现有的大容量储能系统一般采用储能电池组分散接入的方案：一种为单级式方案，各储能电池组接入储能变流器后并联接入电网，这种方案需要对多机进行能量协调管理，控制相对复杂；一种为两级式方案，各储能电池组接入DC/DC升压后并联，然后通过单机大容量逆变器集中并网，虚拟同步机技术通常应用于逆变器，这种方案需要DC/DC协调控制直流母线，同样增大了控制复杂度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大容量储能的虚拟同步机控制方法、装置及系统，用于解决虚拟同步机应用于逆变器导致控制复杂度高的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种大容量储能的虚拟同步机控制方法，该方法包括以下步骤：

对于多路DC/DC电路进行控制的步骤：检测电网频率，建立同步发电机转子惯量模型和自动频率调节器模型(AFR)，根据模型分别计算DC/DC电路功率指令P_ref的惯量控制部分P_J和一次调频控制部分，根据DC/DC电路功率指令实现DC/DC的功率外环、电流内环控制；

采用矢量控制方式对DC/AC电路进行直流电压控制的步骤。

惯量控制部分P_J由纯微分部分叠加惯性环节实现，其中纯微分环节为惯性环节为所述调频控制部分P_f可表示为P_f＝k_f(f-f_N)

其中，f为虚拟同步发电机机端电压的频率，f_N为电网额定频率，k_f为有功调频系数，定义为有功功率变化量标幺值与频率变化量标幺值的比值。

对于多路DC/DC电路，检测各路电池组SOC，建立电池组间SOC均衡控制器模型，根据模型计算SOC均衡控制部分，根据所述SOC均衡控制部分补偿所述DC/DC功率指令P_ref，所述SOC均衡控制部分P_SOC可表示为：

P_SOC＝k_SOC(SOC-SOC_avg)P_ref

其中，k_SOC为均衡控制系数，SOC为各DC/DC所接电池组的SOC，SOC_avg为各DC/DC所接电池组的SOC的平均值，P_ref为加入SOC均衡控制前各DC/DC的功率指令，P_SOC即为DC/DC功率指令的SOC均衡控制部分。

对于DC/AC电路，检测电网幅值，建立同步发电机自动电压调节器模型(AVR)，根据模型计算逆变器无功电流指令，所述逆变器无功电流指令标幺值I^*_{q_ref}可表示为：

其中，Q^*_v为调压无功功率标幺值，Q_v为调压无功功率，S_N为虚拟同步机额定容量。

本发明还提供了一种大容量储能的虚拟同步机控制装置，该装置包括：

对于多路DC/DC电路进行控制的单元：用于检测电网频率，建立同步发电机转子惯量模型和自动频率调节器模型(AFR)，根据模型分别计算DC/DC电路功率指令P_ref的惯量控制部分P_J和一次调频控制部分，根据DC/DC电路功率指令实现DC/DC的功率外环、电流内环控制；

采用矢量控制方式对DC/AC电路进行直流电压控制的单元。

在多路DC/DC电路进行控制的模块中，惯量控制部分P_J由纯微分部分叠加惯性环节实现，其中纯微分环节为惯性环节为所述调频控制部分P_f可表示为P_f＝k_f(f-f_N)。

在多路DC/DC电路控制模块中，检测各路电池组SOC，建立电池组间SOC均衡控制器模型，根据模型计算SOC均衡控制部分，根据所述SOC均衡控制部分补偿所述DC/DC功率指令P_ref，所述SOC均衡控制部分P_SOC可表示为：

P_SOC＝k_SOC(SOC-SOC_avg)P_ref

其中，k_SOC为均衡控制系数，SOC为各DC/DC所接电池组的SOC，SOC_avg为各DC/DC所接电池组的SOC的平均值，P_ref为加入SOC均衡控制前各DC/DC的功率指令，P_SOC即为DC/DC功率指令的SOC均衡控制部分。

在DC/AC电路模块中，检测电网幅值，建立同步发电机自动电压调节器模型(AVR)，根据模型计算逆变器无功电流指令，所述逆变器无功电流指令标幺值I^*_{q_ref}可表示为：

本发明还提供了一种大容量储能的虚拟同步机控制系统，包括n组储能电池组，n路DC/DC电路和一路DC/AC电路，各组储能电池组均通过对应的DC/DC电路连接直流母线，直流母线连接DC/AC电路的直流侧。

所述DC/AC电路的交流侧连接有滤波回路。

本发明的有益效果是：

多路储能电池组经并联的DC/DC升压后，通过大容量逆变器集中并网；本发明将虚拟同步发电机用于DC/DC电路的控制，通过对储能电池组功率进行控制，可实现惯量模拟、系统一次调、SOC均衡控制等功能；逆变器采用常规矢量控制稳定直流电压，并通过控制无功电流实现无功调压控制功能。

该方法能够实现储能系统的虚拟同步机功能，增强并网点电压强度，提升电网间歇式能源的能力，延长系统整体寿命，方法简单有效，利于工程应用。

附图说明

图1为两级式大容量储能系统的拓扑结构图；

图2为大容量储能系统的DC/DC控制框图；

图3为大容量储能系统的逆变器控制框图。

具体实施方式

一种大容量储能的虚拟同步机控制系统，包括n组储能电池组，n路DC/DC电路和一路DC/AC电路，各组储能电池组均通过对应的DC/DC电路连接直流母线，直流母线连接DC/AC电路的直流侧，所述DC/AC电路的交流侧并联接入变压器，DC/AC电路的交流侧并联接入变压器。

本发明的一种大容量储能的虚拟同步机控制方法，具体的，如图1所示，多路储能电池组经DC/DC升压并联进行直流汇集，后级采用单机大容量集中式逆变器进行逆变后，通过升压变压器接入电网；DC/DC采用功率外环、电流内环双闭环控制系统对储能电池组功率进行控制，其功率指令包含惯量控制、一次调频控制、SOC均衡控制等几个部分；逆变器采用常规矢量控制稳定直流电压，并通过控制无功电流实现无功调压控制功能。

基于此拓扑结构，一种大容量储能的虚拟同步机控制系统的特点是包括多路DC/DC电路和一路DC/AC电路，适用于多路控制的情况，特别是多路DC/DC电路，如果其他类型的拓扑结构，只要包括多路DC/DC电路，都可以使用本发明的方法。

一种大容量储能的虚拟同步机控制方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1：检测电网频率，建立同步发电机转子惯量模型和自动频率调节器模型(AFR)，根据模型分别计算DC/DC功率指令的惯量控制部分和一次调频控制部分；

步骤2：检测各路电池组SOC，建立电池组间SOC均衡控制器模型，根据模型计算DC/DC功率指令的SOC均衡控制部分；

步骤3：检测电网幅值，建立同步发电机自动电压调节器模型(AVR)，根据模型计算逆变器无功电流指令。

DC/DC采用功率外环、电流内环双闭环控制系统对储能电池组功率进行控制，其功率指令包含惯量控制、一次调频控制、SOC均衡控制等几个部分，可实现惯量模拟、参与系统一次调频、电池组间SOC均衡等功能，结合步骤1和步骤2得到本发明的DC/DC控制框图如图2所示。

步骤1中，频率扰动时转子动能变化量ΔE为：

其中，ω₀为频率扰动前电机稳态角速度，ω为扰动时电机暂态角速度，角速度单位rad/s，J为电机惯量，单位kg.m²。为模拟同步发电机转子惯量，储能系统需要提供的能量：

∫P_Jdt＝ΔE

其中，P_J为转子动能变化过程中输出的机械功率，即DC/DC功率指令的惯量控制部分，对上式求导可得到：

纯微分环节对扰动过于敏感，现实中不易实现，dω/dt采用纯微分环节叠加惯性环节的方式在低频段取得近似的效果，纯微分环节叠加惯性环节传递函数为：

其中，K、T分别为一阶惯性环节增益和时间常数。

自动频率调节器设为比例环节，调频功率P_f为：

P_f＝k_f(f-f_N)

其中，f为虚拟同步发电机机端电压的频率，f_N为电网额定频率，k_f为有功调频系数，定义为有功功率变化量标幺值与频率变化量标幺值的比值，P_f即为DC/DC功率指令的一次调频控制部分。

步骤2中，SOC均衡控制器设为比例环节，SOC均衡功率P_SOC为：

P_SOC＝k_SOC(SOC-SOC_avg)P_ref

其中，k_SOC为均衡控制系数，SOC为各DC/DC所接电池组的SOC，SOC_avg为各DC/DC所接电池组的SOC的平均值，P_ref为加入SOC均衡控制前各DC/DC的功率指令，P_SOC即为DC/DC功率指令的SOC均衡控制部分。

将P_J、P_f叠加得到DC/DC的功率指令，SOC均衡控制部分P_SOC用于对该功率指令进行补偿，DC/DC基于功率、电流双闭环控制系统对电池组的输出功率进行闭环控制，图2中，P_b、i_b分别为DC/DC所接电池组的输出功率和输出电流。

大容量逆变器采用常规矢量控制稳定直流电压，并通过控制无功电流实现无功调压控制功能，结合步骤3得到本发明的大容量逆变器控制框图如图3所示。

步骤3中，自动电压调节器设为比例环节，调压无功功率Q_v为：

Q_v＝k_v(U_N-U_rms)

其中，U_N为虚拟同步机额定机端电压，U_rms为虚拟同步机机端电压有效值，k_v为无功调压系数，定义为无功功率变化量标幺值与电压变化量标幺值的比值。逆变器无功电流指令标幺值I^*_{q_ref}为：

其中，Q^*_v为调压无功功率标幺值，S_N为虚拟同步机额定容量。

在图3中，U_{dc_ref}、U_{dc_fdb}分别为逆变器的直流电压指令和反馈，i^*_{d_ref}为直流电压PI调节器的输出，i^*_{q_fdb}、i^*_{q_fdb}分别为逆变器输出电流的q轴分量标幺值和d轴分量标幺值。

本发明还提供了一种大容量储能的虚拟同步机控制装置，该装置包括对于多路DC/DC电路进行控制的单元，该单元用于检测电网频率，建立同步发电机转子惯量模型和自动频率调节器模型(AFR)，根据模型分别计算DC/DC电路功率指令P_ref的惯量控制部分P_J和一次调频控制部分，根据DC/DC电路功率指令实现DC/DC的功率外环、电流内环控制；还包括采用矢量控制方式对DC/AC电路进行直流电压控制的单元。

上述控制装置，实际上是一种软件构架，其中的各单元是与上述控制方法的步骤1-3相对应的进程或程序。因此，不再对该控制装置进行详细说明。

上述控制装置作为一种程序，在虚拟同步发电机中运行，通过对储能电池组功率进行控制，可实现惯量模拟、系统一次调频、SOC均衡控制等功能；逆变器采用常规矢量控制稳定直流电压，并通过控制无功电流实现无功调压控制功能。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。