一种用于电池储能系统的频率控制方法和装置与流程

1.本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种用于电池储能系统的频率控制方法和装置。


背景技术：

2.随着全球能源短缺和气候环境恶化，绿色能源已成为现阶段关注的焦点。然而，这些间歇性和波动的可再生能源的并网会影响电网的安全性和稳定性。目前，由于大规模风电取代传统电源接入电网，导致整个电力系统的惯性降低，对电网的稳定频率运行构成威胁。因此，迫切需要提高含高比例风电并网电力系统的频率响应能力。
3.当电源的有功功率与电力系统中的负荷不平衡时，会引起电力系统的频率波动。而电池储能系统(battery energy storage system,bess)具有快速的功率吞吐能力，将电池储能系统与风力发电机组相结合可以改善风电场的频率稳定性问题，因此bess可用于承担系统的调频任务。当发电机频率突然升高时，控制bess充电，以吸收系统中多余的有功功率；当发电机频率突然下降时，控制bess放电，以补偿系统中的有功功率不足。电池储能系统通过dc/dc转换器和dc/ac转换器连接到电网，且dc/dc转换器中的频率控制器可以跟踪频率并控制电池的充放电。
4.传统的电池储能系统的频率控制器主要通过pi控制器输出dc/dc变换器的占空比来控制充放电过程，从而调节频率。pi控制器是一种线性控制器，简单易实现，但在紧急情况下不能充分发挥设备的最大输出能力，对系统的非线性和参数不确定性缺乏鲁棒性。而非线性控制器虽然能充分考虑电力系统模型的非线性和参数的不确定性，但其算法包含大量的计算量，不利于系统的数字化实现。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种用于电池储能系统的频率控制方法和装置，能够有效提高电池储能系统的频率控制能力，电力故障响应速度和电压恢复能力，简化电池储能系统频率控制的计算量。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供了一种用于电池储能系统的频率控制方法，包括：
7.每当采样周期到达时，获取当前频率跟踪误差；
8.根据当前所述频率跟踪误差和预设的切换规则，得到当前逻辑信号输出；
9.根据当前所述逻辑信号输出和预先获取的dc/dc换流器占空比的稳态值，调整dc/dc换流器输出信号的占空比，以实现电池储能系统的频率控制。
10.作为上述方案的改进，所述预设的切换规则，具体为：
11.12.其中，q(t)为当前逻辑信号输出，e为当前频率跟踪误差，e
+
为第一误差阈值，e-为第二误差阈值，e
+
》e-，q
old
为上个周期的逻辑信号输出。
13.作为上述方案的改进，所述根据当前所述逻辑信号输出和预先获取的dc/dc换流器占空比的稳态值，调整dc/dc换流器输出信号的占空比，具体为：
14.若当前所述逻辑信号输出为-1，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值与第一数值的和；其中，所述第一数值为正值；
15.若当前所述逻辑信号输出为0，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值；
16.若当前所述逻辑信号输出为+1，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值与第二数值的和；其中，所述第二数值为负值。
17.为实现上述目的，本发明实施例对应提供了一种用于电池储能系统的频率控制装置，包括：
18.数据采集模块，用于每当采样周期到达时，获取当前频率跟踪误差；
19.逻辑判断模块，用于根据当前所述频率跟踪误差和预设的切换规则，得到当前逻辑信号输出；
20.信号调节模块，用于根据当前所述逻辑信号输出和预先获取的dc/dc换流器占空比的稳态值，调整dc/dc换流器输出信号的占空比，以实现所述电池储能系统的频率控制。
21.作为上述方案的改进，所述预设的切换规则，具体为：
[0022][0023]
其中，q(t)为当前逻辑信号输出，e为当前频率跟踪误差，e
+
为第一误差阈值，e-为第二误差阈值，e
+
》e-，q
old
为上个周期的逻辑信号输出。
[0024]
作为上述方案的改进，所述信号调节模块，包括：
[0025]
第一调节单元，用于若当前所述逻辑信号输出为-1，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值与第一数值的和；其中，所述第一数值为正值；
[0026]
第二调节单元，用于若当前所述逻辑信号输出为0，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值；
[0027]
第三调节单元，用于若当前所述逻辑信号输出为+1，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值与第二数值的和；其中，所述第二数值为负值。
[0028]
与现有技术相比，本发明实施例公开的用于电池储能系统的频率控制方法和装置，每当采样周期到达时，获取当前频率跟踪误差；根据当前所述频率跟踪误差和预设的切换规则，得到当前逻辑信号输出；根据当前所述逻辑信号输出和预先获取的dc/dc换流器占空比的稳态值，调整dc/dc换流器输出信号的占空比，以实现电池储能系统的频率控制。本发明能够提高电池储能系统的频率控制能力，电力故障响应速度和电压恢复能力，简化电池储能系统频率控制的计算量。
附图说明
[0029]
图1是本发明一实施例提供的一种用于电池储能系统的频率控制方法的流程示意图；
[0030]
图2是本发明一实施例提供的一种电池储能系统的总体结构示意图；
[0031]
图3是本发明一实施例提供的一种传统频率控制器的示意图；
[0032]
图4是本发明另一实施例提供的一种用于电池储能系统的频率控制方法的流程示意图；
[0033]
图5是本发明一实施例提供的一种用于电池储能系统的频率控制装置的结构示意图
[0034]
图6是本发明一实施例提供的一种改进的ieee4机11节点的电路示意图；
[0035]
图7是本发明一实施例提供的三种频率控制策略的占空比的仿真示意图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
参见图1，是本发明一实施例提供的一种用于电池储能系统的频率控制方法的流程示意图。
[0038]
本发明实施例提供的开关控制方法，包括步骤：
[0039]
s11、每当采样周期到达时，获取当前频率跟踪误差；
[0040]
s12、根据当前所述频率跟踪误差和预设的切换规则，得到当前逻辑信号输出；
[0041]
s13、根据当前所述逻辑信号输出和预先获取的dc/dc换流器占空比的稳态值，调整dc/dc换流器输出信号的占空比，以实现电池储能系统的频率控制。
[0042]
需要说明的是，电池储能系统的结构可分为三个部分：储能电池、dc/dc换流器和dc/ac换流器。dc/dc换流器采用电压源换流器(voltage source converter，vsc)负责储能装置的充放电状态控制，蓄电池储能系统通过dc/ac换流器连接到电网。本发明的用于电池储能系统的频率控制方法，主要用于控制电池储能系统的充放电，从而使电池储能系统参与到含风力电力系统的一次调频中。本发明用于举例的vsc控制，即并网控制，采用d-q轴电流控制策略，通过外环电压控制和内环电流控制跟踪电流参考值，输出pwm所需的信号参考值，从而实现电压调节。电池储能系统的总体结构示意图可参考图2；其中，用于描述可充电电池动态性能的常用模型如下式：
[0043][0044]
其中，v
p
为极化电压，vb为蓄电池电压，ib为蓄电池电流。qe为一定时间内通过的电量，soc为电池剩余容量与标称容量的比率，im为通过低通滤波器的电池电流，t为低通滤波器的时间常数，e为开路电压，ve为指数电压，βe为指数区域时间常数的倒数，r为电池内部电阻，r
p
为极化电阻，k
p
为极化常数。
[0045]
蓄电池通过dc/dc换流器连接到vsc的直流侧。当蓄电池充电时，dc/dc换流器可以将高压直流电转换为低压直流电。当蓄电池放电时，dc/dc换流器可以将低压直流电转换为高压直流电。蓄电池电压vb与高压直流侧电压v
dc
之间的关系如下：
[0046][0047]
其中，s为dc/dc换流器的占空比，ns为串联电池的数量。
[0048]
作为对比，传统的频率控制器如图3所示，频率偏差首先通过死区，当频率在死区阈值内时，控制器输入为零；当超过阈值时，将超过阈值的频率偏差通过一个延时环节发送给pi控制器，从而使控制器输出相应的占空比。pi控制器是一种线性控制器，简单易实现，但在紧急情况下不能充分发挥设备的最大输出能力，当系统受到冲击性扰动时，pi控制器有可能因为没有发挥系统控制设备的最大性能而使得系统失稳。
[0049]
在一些更优的实施例中，所述预设的切换规则，具体为：
[0050][0051]
其中，q(t)为当前逻辑信号输出，e为当前频率跟踪误差，e
+
为第一误差阈值，e-为第二误差阈值，e
+
》e-，q
old
为上个周期的逻辑信号输出。
[0052]
优选的，e＝ω-ω
ref
；其中，ω为发电机实际角频率，ω
ref
为发电机的角频率参考值。
[0053]
值得说明，本发明的频率控制方法添加了0逻辑信号输出，能够有效防止频率持续振荡，从而使得电池储能系统的输出频率最终收敛，使得电池储能系统快速反映故障，且相比于非线性控制器而言，极大程度地简化了计算量。
[0054]
在一些更优的实施例中，在步骤s13中，所述根据当前所述逻辑信号输出和预先获取的dc/dc换流器占空比的稳态值，调整dc/dc换流器输出信号的占空比，具体为：
[0055]
若当前所述逻辑信号输出为-1，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值与第一数值的和；其中，所述第一数值为正值；
[0056]
若当前所述逻辑信号输出为0，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值；
[0057]
若当前所述逻辑信号输出为+1，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值与第二数值的和；其中，所述第二数值为负值。
[0058]
在一个具体的实施方式中，所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比s
duty
，具体为：
[0059][0060]
其中，s0为dc/dc换流器占空比的稳态值，s
+
为第一数值，s
+
》0，s-为第二数值，s-《0。
[0061]
可以理解，当频率跟踪误差超过第一误差阈值，或者上个周期的逻辑信号输出q
old
为-1且当前频率仍大于频率参考值时，控制器的逻辑信号输出为-1，dc/dc换流器当前输出信号的占空比为占空比的稳态值加上一个正值，电池充电，以吸收系统中多余的有功功率；当频率跟踪误差低于第二误差阈值，或者上个周期的逻辑信号输出q
old
为1且当前频率仍小于频率参考值时，控制器的逻辑信号输出为1，dc/dc换流器当前输出信号为占空比的稳态值加上一个负值，电池放电，以补偿系统中的有功功率不足。当实际频率值等于频率参考值，或者上个周期q为0且当前频率仍处于第一误差阈值和第二误差阈值以内时，控制器的逻辑信号输出为0，dc/dc换流器当前输出信号为稳态值，电池既不充电也不放电。具体频率控制逻辑过程可参考图4。
[0062]
相应地，本发明实施例还提供了一种用于电池储能系统的频率控制装置，能够实现上述用于电池储能系统的频率控制方法的所有流程。
[0063]
参见图5，是本发明一实施例提供的一种用于电池储能系统的频率控制装置的结构示意图。
[0064]
本发明实施例提供的用于电池储能系统的频率控制装置，包括：
[0065]
数据采集模块21，用于每当采样周期到达时，获取当前频率跟踪误差；
[0066]
逻辑判断模块22，用于根据当前所述频率跟踪误差和预设的切换规则，得到当前逻辑信号输出；
[0067]
信号调节模块23，用于根据当前所述逻辑信号输出和预先获取的dc/dc换流器占空比的稳态值，调整dc/dc换流器输出信号的占空比，以实现所述电池储能系统的频率控制。
[0068]
作为其中一个可选的实施方式，所述预设的切换规则，具体为：
[0069]
[0070]
其中，q(t)为当前逻辑信号输出，e为当前频率跟踪误差，e
+
为第一误差阈值，e-为第二误差阈值，e
+
》e-，q
old
为上个周期的逻辑信号输出。
[0071]
作为其中一个优选的实施方式，所述信号调节模块23，包括：
[0072]
第一调节单元，用于若当前所述逻辑信号输出为-1，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值与第一数值的和；其中，所述第一数值为正值；
[0073]
第二调节单元，用于若当前所述逻辑信号输出为0，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值；
[0074]
第三调节单元，用于若当前所述逻辑信号输出为+1，则所述dc/dc换流器当前输出信号的占空比为所述稳态值与第二数值的和；其中，所述第二数值为负值。
[0075]
需要说明的是，本实施例的用于电池储能系统的频率控制装置的各实施例的相关具体描述和有益效果可以参考上述的用于电池储能系统的频率控制方法的各实施例的相关具体描述和有益效果，在此不再赘述。
[0076]
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0077]
下面将通过仿真说明本发明的用于电池储能系统的频率控制装置的频率控制效果。
[0078]
参考图6，通过matlab对包含双馈感应发电机风力涡轮机(dfigwt)和蓄电池储能系统(bess)的多机系统进行时域仿真。为了验证本发明频率控制装置的频率控制效果，对ieee4机11节点进行改进，将2节点和4节点的同步发电机改为目前主流的双馈风机，构造高比例风电并网的电力系统，并在2节点处增加一个电池储能系统，该电池储能系统由蓄电池、dc/dc换流器、dc/ac换流器构成，dc/ac换流器的控制策略采用外环电压控制和内环电流控制。dc/dc换流器中的频率控制器采用本发明设计的频率控制装置，控制参数选取为：e
+
＝0.001，e-＝-0.001，s
+
＝0.1，s-＝-0.1。
[0079]
为了更好的说明本发明的频率控制效果，还对不采用频率控制器的电池储能系统和采用传统比例积分控制器的电池储能系统进行了仿真。从而比较故障扰动下电池储能系统中不同控制器的频率控制效果。令t＝0时，节点11发生三相接地短路故障，并在t＝14ms清除故障。参见图7，case1的频率控制器采用传统pi控制器，case2不采用任何控制器，case3的采用本发明的频率控制装置。从图7对比可见，本发明的频率控制装置为逻辑信号输出。此外，通过matlab对故障扰动下三种频率控制策略的频率响应和电压恢复进行仿真对比，本发明的频率控制装置不仅具有快速的频率响应能力，能够快速响应故障，而且，本发明的频率控制装置可以快速响应故障，提高电压恢复能力。
[0080]
综上，本发明实施例所提供的一种用于电池储能系统的频率控制方法和装置，由于每当采样周期到达时，获取当前频率跟踪误差；根据当前所述频率跟踪误差和预设的切换规则，得到当前逻辑信号输出；根据当前所述逻辑信号输出和预先获取的dc/dc换流器占
空比的稳态值，调整dc/dc换流器输出信号的占空比，以实现电池储能系统的频率控制。本发明能够提高电池储能系统的频率控制能力，电力故障响应速度和电压恢复能力，简化电池储能系统频率控制的计算量。
[0081]
以上所述是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。