一种面向惯量支撑的VSG储能控制参数设计方法及系统与流程

一种面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法及系统
技术领域
1.本发明涉及电力系统的储能虚拟同步机控制技术，具体涉及一种面向惯量支撑的vsg(虚拟同步机)储能控制参数设计方法及系统。


背景技术：

2.近年来，随着风电、光伏等新能源发电技术的迅速发展与应用，新能源发电装置在电力系统中的渗透率不断提高，越来越多的高比例电力电子装置接入到了电网之中，给电力系统的正常稳定运行带来了很大的问题。之前的电力系统中，同步发电机在发电的同时具有一定的惯量，在系统发生故障时同步发电机可以提供一定的旋转备用惯量来维持系统正常运行。然而，新能源发电装置所引入的大量高比例电力电子器件却无法在发电的同时为系统提供足够的惯量支撑。在这种情况下，电力系统的惯量相对减小，频率波动的事件也就逐渐增加，系统的稳定性逐渐降低。储能系统可以调节电力系统的频率变化，是解决电力系统惯量降低的很好方式。采用虚拟同步机(vsg)控制的储能系统，可以模拟同步发电机的运行方式，从而使得储能系统获取一定的惯量和阻尼能力。根据同步发电机的转子运动方程，设置一定的虚拟惯性时间常数和阻尼系数，使得储能系统提供了一定的惯量，保证了系统可以稳定运行。然而，如何选取储能参数以维持系统惯量，则仍然是一项亟待解决的关键技术问题。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种面向惯量支撑的vsg(虚拟同步机)储能控制参数设计方法及系统，本发明旨在确定虚拟同步机控制参数，为惯量降低的系统提供惯量支撑，使得加了vsg控制的储能系统能提供与惯量降低前系统相同的惯量支撑，保证电力系统稳定运行。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法，包括：
6.s1，获取系统惯量变化时电力系统在频率扰动事件下的运行数据，并计算频率扰动事件下的同步发电机的惯性时间常数；根据电力系统广义惯量计算方法推导出静态负荷惯性时间常数计算方法，并结合静态负荷功率和频率数据计算静态负荷的惯性时间常数；
7.s2，分别根据同步发电机、静态负荷的惯性时间常数的变化量，计算对应的储能系统需提供的惯性时间常数；
8.s3、将储能系统需提供的惯性时间常数求和得到储能系统需提供的总的惯性时间常数，根据总的惯性时间常数确定储能系统的阻尼系数以保证系统稳定。
9.可选地，步骤s1中频率扰动事件下的同步发电机的惯性时间常数的计算函数表达式为：
10.11.上式中，hg为同步发电机的惯性时间常数，δpg为频率扰动事件下同步发电机的分配到的系统不平衡功率，sg为同步发电机的额定容量，f0为系统额定频率，fg为同步发电机的机端频率，dfg/dt为同步发电机的机端频率的变化率，其中δpg、sg、fg来自系统惯量变化时电力系统在频率扰动事件下的运行数据。
12.可选地，步骤s1中电力系统广义惯量计算方法的计算函数表达式为：
[0013][0014]
上式中，ek为虚拟转子旋转动能，j为虚拟转动惯量，ω为虚拟转子机械角速度，δp为整个系统的不平衡功率，df
*
/dt为标幺化的系统等效惯量中心频率f
*
的变化率。
[0015]
可选地，步骤s1中推导出的静态负荷惯性时间常数计算方法的计算函数表达式为：
[0016][0017]
上式中，i＝1,2,3，分别表示电力系统内的静态负荷a、b、c；h
li
为静态负荷i的惯性时间常数，δp
li
为静态负荷i的不平衡功率，s
li
为静态负荷i出力的大小，f0为电力系统的额定频率，df
li
/dt为静态负荷i的频率f
li
的变化率，df
li*
/dt为标幺化的静态负荷i的频率f
li*
的变化率。
[0018]
可选地，步骤s1中计算静态负荷的惯性时间常数的函数表达式为：
[0019][0020]
上式中，i＝1,2,3，分别表示电力系统内的静态负荷a、b、c；δp
li
为静态负荷i的不平衡功率，s
li
为静态负荷i出力的大小，h
li
为静态负荷i的惯性时间常数，df
li*
/dt为标幺化的静态负荷i的频率f
li*
的变化率。
[0021]
可选地，步骤s2中根据同步发电机的惯性时间常数的变化量计算对应的储能系统需提供的惯性时间常数的函数表达式为：
[0022][0023]
上式中，h1为同步发电机的惯性时间常数的变化量对应的储能系统需提供的惯性时间常数，e
k1
为储能系统所应提供的对应同步发电机惯量变化的虚拟旋转动能，sc为储能系统的额定容量，δh
gj
为同步发电机j在系统惯量变化时的惯性常数变化量，s
gj
为同步发电机j的额定容量；其中j＝1,2,3，分别表示电力系统内的静态负荷a、b、c。
[0024]
可选地，步骤s2中根据静态负荷的惯性时间常数的变化量计算对应的储能系统需提供的惯性时间常数的函数表达式为：
[0025][0026]
上式中，h2为静态负荷的惯性时间常数的变化量对应的储能系统需提供的惯性时间常数，e
k2
为储能系统所应提供的对应静态负荷惯量变化的虚拟旋转动能，sc为储能系统的额定容量，δh
li
为静态负荷i在系统惯量变化时的惯性常数变化量，s
li
为静态负荷i的额定容量；其中，i＝1,2,3，分别表示电力系统内的静态负荷a、b、c。
[0027]
可选地，步骤s3中将储能系统需提供的惯性时间常数求和得到储能系统需提供的总的惯性时间常数的函数表达式为：
[0028]
h＝h1+h2[0029]
上式中，h为储能系统需提供的总的惯性时间常数，h1为同步发电机的惯性时间常数的变化量对应的储能系统需提供的惯性时间常数，h2为静态负荷的惯性时间常数的变化量对应的储能系统需提供的惯性时间常数。
[0030]
此外，本发明还提供一种面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法的步骤。
[0031]
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述微处理器计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法的步骤。
[0032]
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明包括获取系统惯量变化时电力系统在频率扰动事件下的运行数据，分别计算同步发电机的惯性时间常数、静态负荷的惯性时间常数；并进一步分别根据同步发电机、静态负荷的惯性时间常数的变化量计算对应的储能系统需提供的惯性时间常数；最后根据求和得到储能系统需提供的总的惯性时间常数确定储能系统的阻尼系数以保证系统稳定。本发明能够确定虚拟同步机控制参数，为惯量降低的系统提供惯量支撑，使得加了vsg控制的储能系统能提供与惯量降低前系统相同的惯量支撑，保证电力系统稳定运行。
附图说明
[0033]
通过参考下面的附图，可以更加完整地理解本发明的实施方式，附图是示意性的而不是对本发明有任何限制。
[0034]
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
[0035]
图2为本发明实施例中的电力系统的示意图；
[0036]
图3为本发明实施例中的vsg控制的储能系统的并网控制框图；
[0037]
图4为本发明实施例中的系统惯量变化时未加vsg储能的系统频率曲线与加入指定参数的vsg储能的系统频率曲线图。
具体实施方式
[0038]
为了更加清楚地展示本发明的技术方案，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方法进行更清楚完整的描述。本发明可以通过各种不同的方式实施，并不仅仅局限于本发明提供的示例。下面将结合实例和附图对本发明面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法及系统作进一步地说明，但并不因此限定本发明的保护范围。
[0039]
如图1所示，本实施例面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法包括：
[0040]
s1，获取系统惯量变化时电力系统在频率扰动事件下的运行数据，并计算频率扰动事件下的同步发电机的惯性时间常数；根据电力系统广义惯量计算方法推导出静态负荷惯性时间常数计算方法，并结合静态负荷功率和频率数据计算静态负荷的惯性时间常数；
[0041]
s2，分别根据同步发电机、静态负荷的惯性时间常数的变化量，计算对应的储能系
统需提供的惯性时间常数；
[0042]
s3、将储能系统需提供的惯性时间常数求和得到储能系统需提供的总的惯性时间常数，根据总的惯性时间常数确定储能系统的阻尼系数以保证系统稳定。
[0043]
本实施例面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法根据系统惯量发生变化时电力系统在频率扰动下的运行数据，可对采用虚拟同步机控制策略的储能系统的参数进行确定评估，解决了vsg储能的参数选取困难问题，为vsg储能的参数设定提供了参考。
[0044]
图2所示为本实施例面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法所应用的电力系统的结构示意图，该电力系统主要由同步发电机g1、g2、g3，静态负荷a、b、c，电力系统节点1～10以及电池储能系统bess组成。需要说明的是，下文中如无特别提出，所简称的“系统”即为指代本实施例面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法所应用的电力系统。
[0045]
本实施例中，步骤s1中频率扰动事件下的同步发电机的惯性时间常数的计算函数表达式为：
[0046][0047]
上式中，hg为同步发电机的惯性时间常数，δpg为频率扰动事件下同步发电机的分配到的系统不平衡功率，sg为同步发电机的额定容量，f0为系统额定频率，fg为同步发电机的机端频率，dfg/dt为同步发电机的机端频率的变化率，其中δpg、sg、fg来自系统惯量变化时电力系统在频率扰动事件下的运行数据。本实施例中，完整的运行数据具体包括：系统额定频率f0、系统内各同步发电机的不平衡功率δp
gj
、各同步发电机的额定容量s
gj
、同步发电机机端频率的变化率df
gj
/dt、系统静态负荷i的不平衡功率δp
li
、系统静态负荷i的大小s
li
、标幺化的静态负荷i的频率变化率df
li*
/dt、储能系统的额定容量sc。
[0048]
同步发电机的惯性时间常数表现为转子在额定转矩下，转子从静止状态启动到额定转速时的时间，其定义为同步发电机在额定转速时的旋转动能与其额定容量的比值，根据其定义可得：
[0049][0050]
上式中，hg为同步发电机的惯性时间常数，ek为同步发电机的转子旋转动能，sg为同步发电机的额定容量，j为同步发电机的转动惯量，ω为转子机械角速度；在系统发生频率扰动事件以后，可以通过获取同步发电机的分配到的系统不平衡功率δpg和同步发电机机端频率的变化率dfg/dt根据式(1)计算得到。
[0051]
本实施例中，步骤s1中电力系统广义惯量计算方法的计算函数表达式为：
[0052][0053]
上式中，ek为虚拟转子旋转动能，j为虚拟转动惯量，ω为虚拟转子机械角速度，δp为整个系统的不平衡功率，df
*
/dt为标幺化的系统等效惯量中心频率f
*
的变化率。电力系统广义惯量表现为对系统频率变化的阻碍作用，由于系统缺乏发电机额定容量这一参数，我们无法获得电力系统的惯性时间常数，因此考虑到电力系统的广义惯量可以通过式(3)来体现，本实施例中步骤s1中推导出的静态负荷惯性时间常数计算方法的计算函数表达式
为：
[0054][0055]
上式中，i＝1,2,3，分别表示电力系统内的静态负荷a、b、c；h
li
为静态负荷i的惯性时间常数，δp
li
为静态负荷i的不平衡功率，s
li
为静态负荷i出力的大小，f0为电力系统的额定频率，df
li
/dt为静态负荷i的频率f
li
的变化率，df
li*
/dt为标幺化的静态负荷i的频率f
li*
的变化率。
[0056]
在计算静态负荷的惯性时间常数时，根据静态负荷惯性时间常数的计算公式可知，需要得到电力系统内静态负荷的出力、静态负荷的不平衡功率和对应的标幺化的静态负荷频率变化率，这些数据可以通过步骤s1获得的电力系统运行数据得到。具体地，步骤s1中计算静态负荷的惯性时间常数的函数表达式为：
[0057][0058]
上式中，i＝1,2,3，分别表示电力系统内的静态负荷a、b、c；δp
li
为静态负荷i的不平衡功率，s
li
为静态负荷i出力的大小，h
li
为静态负荷i的惯性时间常数，df
li*
/dt为标幺化的静态负荷i的频率f
li*
的变化率。
[0059]
式(5)是一个标准的一次函数，形式为y＝kx，其中y为输出，k为一次函数的系数，x为输入的自变量。因此，可以以获得的数据中静态负荷的不平衡功率δp
li
为输出y，以与之对应的标幺化的静态负荷频率变化率df
li*
/dt为自变量x，则通过该函数的斜率2s
li
*h
li
即可得到静态负荷i的惯性时间常数；电力系统运行获取的数据都是离散点，而不是一条连续的曲线，要获取到静态负荷的惯性时间常数，我们可以将得到的数据画到散点图内，之后通过参数拟合并通过进一步变换即可得到静态负荷的惯性时间常数。
[0060]
当系统惯量发生变化，比如系统惯量降低时，可以在系统内加入储能系统，采用虚拟同步机控制策略来解决，采用vsg控制的储能系统并网框图如图3所示，储能并网系统主要包括电池储能系统和电网两部分，电池储能系统由vsg控制策略、向量关系转换以及pwm控制三部分进行控制；图中，r、x分别是vsg控制储能系统的等效电阻和电抗，i是储能的输出电流，ug是储能并网点的电压，ωg为储能并网点角速度，pe、qe分别是储能输出的有功功率和无功功率，e、分别是储能输出的参考电压和虚拟功角，i
d_ref
、i
q_ref
则是储能输出电流在d轴和q轴上的参考值；通过设置相应的虚拟惯性时间常数来为系统提供一定的惯量，保证系统与之前一样稳定，系统惯量变化时未加vsg储能的系统频率曲线与加入指定参数的vsg储能的系统频率曲线图如图4所示。本实施例中，步骤s2中根据同步发电机的惯性时间常数的变化量计算对应的储能系统需提供的惯性时间常数的函数表达式为：
[0061][0062]
上式中，h1为同步发电机的惯性时间常数的变化量对应的储能系统需提供的惯性时间常数，e
k1
为储能系统所应提供的对应同步发电机惯量变化的虚拟旋转动能，sc为储能系统的额定容量，δh
gj
为同步发电机j在系统惯量变化时的惯性常数变化量，s
gj
为同步发电机j的额定容量；其中j＝1,2,3，分别表示电力系统内的静态负荷a、b、c。
[0063]
本实施例中，步骤s2中根据静态负荷的惯性时间常数的变化量计算对应的储能系
统需提供的惯性时间常数的函数表达式为：
[0064][0065]
上式中，h2为静态负荷的惯性时间常数的变化量对应的储能系统需提供的惯性时间常数，e
k2
为储能系统所应提供的对应静态负荷惯量变化的虚拟旋转动能，sc为储能系统的额定容量，δh
li
为静态负荷i在系统惯量变化时的惯性常数变化量，s
li
为静态负荷i的额定容量；其中，i＝1,2,3，分别表示电力系统内的静态负荷a、b、c。
[0066]
本实施例中，步骤s3中将储能系统需提供的惯性时间常数求和得到储能系统需提供的总的惯性时间常数的函数表达式为：
[0067]
h＝h1+h2[0068]
上式中，h为储能系统需提供的总的惯性时间常数，h1为同步发电机的惯性时间常数的变化量对应的储能系统需提供的惯性时间常数，h2为静态负荷的惯性时间常数的变化量对应的储能系统需提供的惯性时间常数。
[0069]
当根据电力系统在惯量发生变化时频率扰动下的数据得到了储能系统vsg控制策略中的虚拟惯性时间常数参数之后，之后则是要获得vsg控制的阻尼系数参数；在得到总的惯性时间常数后，根据总的惯性时间常数确定阻尼系数的初始值，之后分析此时的惯性时间常数和阻尼系数条件下系统的稳定性，若系统稳定程度较好，则阻尼系数符合要求，若系统稳定程度较差，则在阻尼系数初始值的基础上依次增大固定的数值(如5、10)，直到系统的稳定程度满足要求，最终确定的惯性时间常数和阻尼系数条件可以保证系统始终处于稳定状态。
[0070]
在得到储能系统总的惯性时间常数后，根据总的惯性时间常数确定阻尼系数的初始值。结合同步发电机sg的二阶标准模型，参考同步发电机sg的小信号模型分析方法，得到vsg的自然振荡角频率ωn和阻尼比ξ如式所示：
[0071][0072]
上式中，k
p
为vsg简化的同步功率，大小为ue/z，u和e分别为vsg的输出电压和内电势，z为vsg的虚拟阻抗、线路阻抗等之和；h为储能系统需提供的总的惯性时间常数，d为阻尼系数。传统的vsg控制策略下，逆变器的ωn和ξ值是固定的。考虑最优二阶系统的概念，取阻尼比ξ＝0.707作为参考值，阻尼系数d的初始值可求得如下：
[0073][0074]
在得到储能总的惯性时间常数h和阻尼系数d的初始值之后，要对系统的稳定性进行分析。利用模态分析工具求解系统的特征根(现有方法，本实施例中具体采用仿真软件powerfactory实现，此外也可以根据需要采用其他类似仿真软件实现)，观察系统的特征根在坐标系内的位置以确定系统的稳定程度：若系统的特征根位于坐标系的虚轴左侧，说明系统稳定，此时特征根距离虚轴越近，系统的稳定性越差，特征根距离虚轴越远，系统的稳定性越强；若系统的特征根位于虚轴右侧，则系统不稳定。
[0075]
在确定系统的稳定性后，若系统的特征根位于虚轴左侧且距离虚轴较远，则此时阻尼系数的选值符合要求；若系统的特征根位于虚轴左侧但距离虚轴很近或者有部分特征根位于虚轴右侧，此时系统的稳定性很差，此时的阻尼系数d需在阻尼系数d的初始值的基础上进行增大。一般而言，可将阻尼系数d依次增大固定的数值(比如5、10)，再次观察增大阻尼系数d后系统的稳定程度，直到系统的特征根均位于虚轴左侧且距离虚轴较远，此时阻尼系数的选值满足要求。在此时的储能系统总的惯性时间常数h和阻尼系数d条件下，可以保证系统处于稳定状态。
[0076]
综上所述，本实施例方法提供了一种面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法及系统，根据系统惯量发生变化时的数据确定了vsg控制储能系统的参数，为储能系统参数的选取提供了一定的参考。
[0077]
此外，本实施例还提供一种面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法的步骤。
[0078]
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述微处理器计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行前述面向惯量支撑的vsg储能控制参数设计方法的步骤。
[0079]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术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，本技术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读存储介质(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。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、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。
[0080]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。