一种集群风储系统等值建模方法与流程

本发明涉及一种集群风储系统等值建模方法。

背景技术：

面对经济和人口的快速增长，社会对传统能源的需求与日俱增，煤炭、石油等燃料的大量燃烧所造成的环境恶化问题也日益严重。新能源的出现无疑为上述问题的彻底解决带来了一丝曙光。风能作为可再生能源和清洁能源的重要形式之一，对全球可持续发展具有重大的战略意义。然而，随着越来越多的大容量风电场建成并投入电网，由于风电出力的不稳定性、波动性等技术难题短期内得不到彻底攻克，风电场接入会对系统的安全及稳定运行带来许多不确定性因素，严重时甚至会造成系统的失稳崩溃。另外，受风速的不确定性影响，风电出力的波动性非常明显，风电与负荷需求的不匹配所导致的风电消纳能力不足让弃风现象更为突出。为突破上述风能发展瓶颈，储能技术应运而生。集群风储系统的运行为新能源的发展做出了卓越的贡献，而系统投入运行前的规划工作又离不开对其运行效果的仿真，因此针对集群风储系统的等值建模研究就显得尤为重要。

目前对于风储系统的建模研究大多集中于单一风电场或单一类型储能系统的建模，鲜有研究涉及集群风储系统即综合考虑多种类型储能系统联合投运的建模工作。仅有的少数针对集群风储系统的研究大多从系统内部层面出发，进行详细建模研究。这中方法虽然在模型准确性方面具有一定的优势，然而操作复杂，工作量大，在某些情况下对于风储系统长期规划工作显得必要性不足。因此有必要设计一种快速简便的集群风储系统等值建模方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点，提出一种集群风储系统等值建模方法。本发明着眼于集群风储系统全局，聚焦于整个系统外特性，通过对系统输出端口即dc/dc变换器系统的系统设计、参数确立、控制方式设计完成集群风储系统的等值建模。该集群风储系统的等值建模方法实施过程简便快捷，工作量小，对集群风储系统输出能力及运行稳定性均有提升，无论从经济性或是新能源发展的层面来看都是非常有意义的。

本发明采用的技术方案如下：

本发明集群风储系统等值建模方法步骤如下：首先设计集群风储系统输出端口的模块化开关电容dc/dc变换器系统及其igbt模块内部模块电路拓扑结构；之后根据模块化开关电容dc/dc变换器系统电路拓扑结构及集群风储系统安全稳定运行要求，计算模块化开关电容dc/dc变换器系统内各元件参数；然后搭建整个模块化开关电容dc/dc变换器系统的数学模型；再在模块化开关电容dc/dc变换器系统数学模型的基础上建立laplace方程形式的模块化开关电容dc/dc变换器系统传递函数，对模块化开关电容dc/dc变换器系统稳定性进行评估；最后针对模块化开关电容dc/dc变换器系统多种工作模式，设定各种工况下的控制方式。

各步骤具体如下：

(1)首先设计集群风储系统输出端口的模块化开关电容dc/dc变换器的系统电路拓扑结构及其igbt模块内部模块的电路拓扑结构。

集群风储系统通过其输出端口的模块化开关电容dc/dc变换器系统和电网连接。所述的输出端口的模块化开关电容dc/dc变换器系统由直流电源、输入电感、igbt模块、输出电容和负荷等五部分构成。所述的直流电源与输入电感的输入端相连，输入电感的输出端连接至igbt模块的输入端，igbt模块的输出端与输出电容的一端连接，输出电容的另一端连接至负荷。

所述igbt模块由三个结构相同的内部模块依次串联组成。每个内部模块由四个igbt管s1、s2、s3、s4和两个充放电电容c1、c2组成。第三igbt管s3和第四igbt管s4组成半桥，该半桥的中心点与第一充放电容c1的一端和第二充放电容c2的一端连接，第一充放电容c1的另一端与第一igbt管s1的一端连接，第二充放电容c2的另一端和第二igbt管s2的一端连接，第一igbt管s1的另一端和第二igbt管s2的另一端连接至前端输入电感的输出端。

(2)根据步骤(1)设计的模块化开关电容dc/dc变换器系统电路拓扑结构及集群风储系统的运行要求，计算模块化开关电容dc/dc变换器系统的输入电感及igbt模块内部模块的充放电电容参数，计算方法如下：

模块化开关电容dc/dc变换器系统的输入电感l的取值依据下式确立：

其中，vin为模块化开关电容dc/dc变换器系统的输入电压，il为模块化开关电容dc/dc变换器系统的输入电流，t为模块化开关电容dc/dc变换器系统工作时间。

igbt模块内部模块的充放电电容c的取值依据下式确立：

其中，k为纹波电压系数，vc为内部模块的充放电电容电压，ic为内部模块的充放电电容电流，fs为igbt的开关频率，d为igbt的占空比。

(3)根据步骤(1)设计的模块化开关电容dc/dc变换器系统电路的拓扑结构，搭建模块化开关电容dc/dc变换器系统的数学模型如下：

上式中，vin为模块化开关电容dc/dc变换器系统输入电压、il为模块化开关电容dc/dc变换器系统输入电流，vc为模块化开关电容dc/dc变换器系统内部模块的充放电电容电压，d为igbt占空比，l为模块化开关电容dc/dc变换器系统输入电感，c为igbt模块中内部模块的充放电电容，r为模块化开关电容dc/dc变换器系统输出端等效电阻，n为igbt模块的内部模块数量，t为模块化开关电容dc/dc变换器系统的工作时间。

(4)对步骤(3)建立模块化开关电容dc/dc变换器系统的数学模型进行laplace变换，得到整个模块化开关电容dc/dc变换器系统的传递函数如下：

式中，gvd为传递函数，s是传递函数固定的一种符号，a1、a2、b是为了表达简单而将某些表达式的替代；

上式中，d为igbt占空比，l为模块化开关电容dc/dc变换器系统输入电感，c为内部模块的充放电电容，r为模块化开关电容dc/dc变换器系统输出端等效电阻，n为内部模块数量。

(5)根据模块化开关电容dc/dc变换器系统的传递函数作出模块化开关电容dc/dc变换器系统bode图，得到模块化开关电容dc/dc变换器系统的幅频特性曲线和相频特性曲线，并分别利用幅频特性曲线的不同频段的斜率和相频特性曲线中的相角范围对模块化开关电容dc/dc变换器系统进行幅频特性和相频特性分析。根据分析结果对模块化开关电容dc/dc变换器系统稳定性进行评估，依据评估结果显示的模块化开关电容dc/dc变换器系统稳定性大小决定是否针对该模块化开关电容dc/dc变换器系统采用闭环控制。

(6)设定模块化开关电容dc/dc变换器系统正常充放电模式、模块电容开路故障充放电模式及模块igbt开路故障充放电模式下的igbt开断控制组合方式。

模块化开关电容dc/dc变换器系统正常充电模式下，令igbt模块每个内部模块的第一igbt管s1、第二igbt管s2、第四igbt管s4导通，第三igbt管s3关断；模块化开关电容dc/dc变换器系统正常放电模式下，令igbt模块每个内部模块的第三igbt管s3导通，第一igbt管s1、第二igbt管s2、第四igbt管s4关断。当模块化开关电容dc/dc变换器系统igbt模块的某一内部模块中的第一充放电电容c1发生开路故障时，充电模式下，发生故障内部模块的第一igbt管s1关断，第二igbt管s2、第三igbt管s3、第四igbt管s4导通，其余的内部模块中的igbt按照正常充电模式工作；放电模式下，与发生故障内部模块相连的下一内部模块的第一igbt管s1关断，其余的内部模块中的igbt按照正常放电模式工作。当模块化开关电容dc/dc变换器系统中，igbt模块某一内部模块中的第二充放电电容c2发生开路故障时，充电模式下，发生故障的内部模块的第二igbt管s2关断，第一igbt管s1、第三igbt管s3、第四igbt管s4导通，其余的内部模块中的igbt按照正常充电模式工作；放电模式下，与发生故障的内部模块相连的下一内部模块的第二igbt管s2关断，其余的内部模块中的igbt按照正常放电模式工作。当igbt模块的某一内部模块中的第一igbt管s1和第二igbt管s2发生开路故障时，充电模式下，发生故障的内部模块的第三igbt管s3关断，与发生故障的内部模块相连的下一内部模块的第一igbt管s1、第二igbt管s2、第三igbt管s3导通，s4关断，其余的内部模块中的igbt按照正常充电模式工作；放电模式下各内部模块igbt开断控制组合方式与正常放电模式相同。当igbt模块的某一内部模块中的第三igbt管s3、第四igbt管s4发生开路故障时，充电模式下，对发生故障的内部模块关停，其余未发生故障的两个内部模块保持正常充电模式；放电模式下，发生故障的内部模块前端的内部模块的第一igbt管s1、第二igbt管s2、第三igbt管s3导通，第四igbt管s4关断，发生故障的内部模块的第一igbt管s1、第二igbt管s2导通，其余的内部模块中的igbt按照正常放电模式工作。

根据上述步骤即可最终完成本发明集群风储系统的等值建模。

附图说明

图1本发明集群风储系统等值建模方法流程图；

图2a为模块化开关电容dc/dc变换器系统电路拓扑图；

图2b为模块化开关电容dc/dc变换器系统igbt模块内部模块电路拓扑图；

图3为第一igbt管s1、第二igbt管s2开路故障下模块化开关电容dc/dc变换器系统充电模式控制方式；

图4为第三igbt管s3、第四igbt管s4开路故障下模块化开关电容dc/dc变换器系统充、放电模式控制方式。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明集群风储系统等值建模方法包括以下步骤：首先设计集群风储系统输出端口的模块化开关电容dc/dc变换器系统及其igbt模块内部模块电路拓扑结构；之后根据模块化开关电容dc/dc变换器系统电路拓扑结构及集群风储系统安全稳定运行要求，计算模块化开关电容dc/dc变换器系统内各元件参数；然后搭建整个模块化开关电容dc/dc变换器系统的数学模型；再在模块化开关电容dc/dc变换器系统数学模型的基础上建立laplace方程形式的系统传递函数，对模块化开关电容dc/dc变换器系统稳定性进行评估；最后针对模块化开关电容dc/dc变换器系统多种工作模式，设定各种工况下的控制方式。

本发明集群风储系统等值建模方法的实施例如下：

(1)设计集群风储系统输出端口，即模块化开关电容dc/dc变换器的系统电路拓扑结构及其内部模块的电路拓扑结构，如图2a和图2b所示。

如图2a所示，所述的模块化开关电容dc/dc变换器系统由直流电源vm、输入电感lm、输入igbt管gi、输入igbt管gm、igbt模块、输出igbt管gout、输出电容cout，以及负荷load构成。所述的直流电源vm与输入电感lm的输入端相连，输入电感lm的输出端连接至igbt模块的输入端，igbt模块的输出端与输出电容cout的一端连接，输出电容cout的另一端连接至负荷load。

如图2b所示，所述的igbt模块由三个结构相同的内部模块依次串联组成。每个内部模块由四个igbt管s1、s2、s3、s4和两个充放电电容c1、c2组成。第三igbt管s3和第四igbt管s4组成半桥，该半桥的中心点与第一充放电容c1的一端和第二充放电容c2的一端连接，第一充放电容c1的另一端与第一igbt管s1的一端连接，第二充放电容c2的另一端与第二igbt管s2的一端连接，第一igbt管s1的另一端和第二igbt管s2的另一端连接至前端的输入电感的输出端。

本发明实施例模块化开关电容dc/dc变换器系统电路及其内部模块电路各相关参数设置如下：

模块化开关电容dc/dc变换器系统输入电压vin＝200v，内部模块数n＝3，igbt开关频率fs＝20khz，igbt占空比d＝0.35，模块化开关电容dc/dc变换器系统输出端等效电阻r＝200ω。

(2)根据模块化开关电容dc/dc变换器系统电路拓扑结构及集群风储系统安全稳定运行要求，依据模块化开关电容dc/dc变换器系统的输入端电感及igbt模块内部模块电容参数计算公式，对电感及电容值进行计算，得到c＝47μf，l＝320μh。

(3)根据模块化开关电容dc/dc变换器系统设计电路的拓扑结构搭建整个dc/dc变换器系统的数学模型。该数学模型如下：

上式中，vin为模块化开关电容dc/dc变换器系统输入电压、il为模块化开关电容dc/dc变换器系统输入电流，vc为模块化开关电容dc/dc变换器系统内部模块的充放电电容电压，t为模块化开关电容dc/dc变换器系统工作时间。

(4)针对步骤(3)建立模块化开关电容dc/dc变换器系统的数学模型进行laplace变换，得到模块化开关电容dc/dc变换器系统输入输出端口的传递函数如下：

(5)根据模块化开关电容dc/dc变换器系统的传递函数作出系统bode图。对模块化开关电容dc/dc变换器系统进行幅频特性分析，发现低频段幅频特性曲线斜率接近于0，高频段的特性曲线斜率约为-20db/dec；对模块化开关电容dc/dc变换器系统进行相频特性分析，发现系统相角范围为180度。

(6)根据步骤(5)的分析结果发现该模块化开关电容dc/dc变换器系统高频段工作特性稳定，而面对低频段噪声稳定性不足，决定针对该模块化开关电容dc/dc变换器系统增加闭环控制环节，利用pi控制器对模块化开关电容dc/dc变换器系统的输出进行闭环控制，将模块化开关电容dc/dc变换器系统输出反馈至输入端，通过与标准量的对比对系统输入进行修正，从而实现模块化开关电容dc/dc变换器系统的稳定输出，改善模块化开关电容dc/dc变换器系统的稳定性。

(7)如图2b所示，模块化开关电容dc/dc变换器系统正常充放电模式下igbt模块内部模块的igbt开断控制组合方式设定如下：

正常充电模式下，令igbt模块的每个内部模块第一igbt管s1、第二igbt管s2、第四igbt管s4导通，第三igbt管s3关断；正常放电模式下，令igbt模块的每个内部模块第三igbt管s3导通，第一igbt管s1、第二igbt管s2、第四igbt管s4关断。

(8)如图2b所示，igbt模块的某一内部模块中的第一充放电电容c1发生开路故障时，充放电模式下的igbt开断控制组合方式设定如下：

充电模式下发生故障的内部模块的第一igbt管s1关断，第二igbt管s2、第三igbt管s3、第四igbt管s4导通，其余的内部模块中的igbt按照正常充电模式工作；放电模式下与发生故障的内部模块相连的下一内部模块的第一igbt管s1关断，其余的内部模块中的igbt按照正常放电模式工作。

(9)如图2b所示，igbt模块的某一内部模块中的第二充放电电容c2发生开路故障时，充放电模式下的igbt开断控制组合方式设定如下：

充电模式下，发生故障的内部模块的第二igbt管s2关断，第一igbt管s1、第三igbt管s3、第四igbt管s4导通，其余的内部模块中的igbt按照正常充电模式工作；放电模式下，与发生故障的内部模块相连的下一内部模块的第二igbt管s2关断，其余的内部模块中的igbt按照正常放电模式工作。

(10)igbt模块的某一内部模块中的第一igbt管s1和第二igbt管s2发生开路故障时，充放电模式下的igbt开断控制组合方式设定如下：

充电模式下如图3所示，发生故障的故障模块1的第三igbt管s3关断，与故障模块1相连接的模块2的第一igbt管s1、第二igbt管s2、第三igbt管s3导通，第四igbt管s4关断，其余的内部模块中的igbt按照正常充电模式工作；放电模式下igbt开断控制组合方式与正常放电模式相同。

(11)如图4所示，igbt模块的某一内部模块中的第三igbt管s3、第四igbt管s4发生开路故障时，充放电模式下的igbt开断控制组合方式设定如下：

充电模式下对发生故障的故障模块2关停，其余未发生故障的模块1和模块3保持正常充电模式；放电模式下位于发生故障的故障模块2前端的模块1的第一igbt管s1、第二igbt管s2、第三igbt管s3导通，第四igbt管s4关断，发生故障的故障模块2的第一igbt管s1、第二igbt管s2导通，其余的模块3中的igbt按照正常放电模式工作。

(12)对模块化开关电容dc/dc变换器系统的正常充放电模式进行仿真得到输出电压波形及内部模块充放电电容电压波形。仿真结果显示模块化开关电容dc/dc变换器系统输出电压由200v上升至1190v，该结果以及内部模块充放电电容电压波形均与理论分析结果保持一致。

(13)模块化开关电容dc/dc变换器系统的第一igbt管s1、第二igbt管s2发生开路故障时以及第三igbt管s3、第四igbt管s4发生开路故障时，在充放电模式下进行仿真得到输出电压波形。仿真结果均符合预期，验证了模块化开关电容dc/dc变换器系统模型的正确性。