CN105069186B - 一种储能变流器的模型验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种储能变流器的模型验证方法,包括步骤1:依据储能变流器的控制策略建立储能变流器模型;步骤2:对储能变流器开展实验室型式试验,得到储能变流器的实际测试数据;步骤3:对储能变流器模型进行仿真分析,得到储能变流器模型的仿真数据;步骤4:对仿真数据和实际测试数据进行区间划分;步骤5:计算各区间内仿真数据与实际测试数据的试验数据误差,依据试验数据误差和误差阈值对储能变流器模型进行验证。与现有技术相比,本发明提供的一种储能变流器的模型验证方法,能够有效评价储能变流器模型的准确性,可用于含储能变流器的新能源发电并网性能评价,满足规模化新能源发电低电压穿越等并网性能评价需求。
Description
技术领域
本发明涉及储能变流器技术领域,具体涉及一种储能变流器的模型验证方法。
背景技术
常见储能系统的结构包括储能元件部分、变流器部分(DC/DC、DC/AC)及控制系统三个部分。储能变流器的充/放电性能、并/离网性能等是衡量其控制能力的主要指标。国外针对储能变流器性能尚无通用的技术标准,现有IEC标准仅针对储能用电池的技术要求及测试模式作出规定,我国于2011年颁布的能源行业标准NB/T 31016,针对电池储能功率控制系统提出了技术条件,包括恒压充电、恒流充电、恒流限压充电能力等。
传统储能变流主要以并网运行为主,随着分布式发电及微电网技术发展,要求储能变流器具备离网运行模式,因此储能变流器的控制策略主要包括直流侧控制、并网控制、离网V/F控制、充/放电切换、并/离网切换等。储能变流器并网模式为P/Q功率解耦控制,充电模式可分为恒流及恒压控制,储能变流器模型以控制策略为依据,但由于储能变流器的控制较复杂,实现功能多样,模型是否能够准备反映储能变流器的实际性能无法考证,针对储能变流器模型验证的方法尚无规范性文件。
目前,在新能源发电模型验证方面,国内外仅限风电及光伏发电的模型验证方法研究,模型验证以低电压穿越性能为主要对象,针对储能变流器控制能力的模型验证技术亟需解决。
现有储能变流器建模方法未结合实测数据开展模型验证相关技术研究,储能变流器的模型准确性无法评估。本发明针对现有技术的不足,提供一种储能变流器的模型验证方法,充分考虑储能变流器控制性能考核指标,建立储能变流器并网与充/放电控制功能模型,并将模型仿真结果与实际测试结果进行分区间的暂/稳态误差分析,通过误差比对结果修订模型,从并网P/Q控制、离网V/F控制、并/离网切换以及并网低电压穿越等方面分析模型准确性,提高模型精度并进一步用于含储能逆变器的发电系统并网性能评估。
发明内容
为了满足现有技术的需要,本发明提供了一种储能变流器的模型验证方法。
本发明的技术方案是:
所述方法包括:
步骤1:依据储能变流器的控制策略建立储能变流器模型;
步骤2:对所述储能变流器开展实验室型式试验,得到所述储能变流器的实际测试数据;
步骤3:对所述储能变流器模型进行仿真分析,得到储能变流器模型的仿真数据;所述仿真分析为与所述实验室型式试验的项目相匹配的仿真分析;
步骤4:对所述仿真数据和实际测试数据进行区间划分;
步骤5:计算各区间内仿真数据与实际测试数据的试验数据误差,依据所述试验数据误差和误差阈值对所述储能变流器模型进行验证。
优选的,所述步骤2中实验室型式试验包括低电压穿越检测、充/放电切换检测和并/离网控制检测;
优选的,所述低电压穿越检测包括:
步骤211:设定电网故障类型,以及电网电压跌落点和电压跌落时间;所述电网电压跌落点的数目至少为5;
步骤212:采用无源电抗器模拟电网电压跌落;
步骤213:采集储能变流器中直流母线电压、直流母线电流、三相交流电压和三相交流电流,采样频率至少为10kHz;
优选的,所述充/放电切换检测包括:
步骤221:储能变流器按照额定充电功率运行至少3分钟后,将储能变流器从所述额定充电功率的90%切换到额定放电功率的90%,并记录储能变流器直流侧完成电流切换的时间t11;
步骤222:所述储能变流器按照所述额定放电功率运行至少3分钟后,将储能变流器从所述额定放电功率的90%切换到额定充电功率的90%,并记录储能变流器直流侧完成电流切换的时间t12;
步骤223:依据所述时间t11和时间t12计算储能变流器的平均充/放电切换时间t1为:
优选的,所述并/离网控制检测包括:
步骤231:设定储能变流器中负荷功率为储能变流器额定功率的100%,以及储能变流器的初始工作模式为并网运行模式;
步骤232:当所述储能变流器在所述并网运行模式下稳定运行后,向其发送离网运行指令,检测储能变流器是否切换到离网运行模式;
步骤233:当所述储能变流器在所述离网运行模式下稳定运行后,向其发送并网运行指令,储能变流器是否切换到并网运行模式;
优选的,步骤3中仿真分析包括低电压穿越仿真、充/放电切换仿真和并/离网控制仿真;
所述低电压穿越仿真的仿真参数值依据低电压穿越检测的检测工况设定;
所述充/放电切换仿真的仿真参数值依据充/放电切换检测的检测工况设定;
所述并/离网控制仿真的仿真参数值依据并/离网控制检测的检测工况设定;
优选的,所述步骤4中对仿真数据和实际测试数据进行区间划分包括:
步骤4-1:对所述实际测试数据和仿真数据进行同步性处理;
步骤4-2:将储能变流器的输出波形均划分为故障/切换前区间、故障/切换中区间和故障/切换后区间;所述故障/切换前区间、故障/切换中区间和故障/切换后区间均包括暂态子区间和稳态子区间;
优选的,所述步骤5中计算各区间的试验数据误差包括均值误差F和最大误差F';
所述均值误差F的计算公式为:
所述最大误差F'的计算公式为:
其中,KBegin为实际测试数据xM(i)及仿真数据xS(i)的开始时间,KEnd为实际测试数据xM(i)及仿真数据xS(i)的结束时间,i为实际测试数据及仿真数据的序号。
与最接近的现有技术相比,本发明的优异效果是:
本发明提供的一种储能变流器的模型验证方法,可以在包含有储能变流器的分布式或微电网模型中开展应用,解决当前储能变流器模型不准确的问题,实现并网规模化新能源发电和低电压穿越等性能评价,满足含储能变流器的新能源发电性能评价需求。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1:本发明实施例中一种储能变流器的模型验证方法流程图;
图2:本发明实施例中储能变流器并网P/Q控制模型示意图;
图3:本发明实施例中储能变流器离网V/F控制模型示意图;
图4:本发明实施例中储能变流器充/放电切换模型示意图;
图5:本发明实施例中充/放电检测回路示意图;
图6:本发明实施例中并/离网检测回路示意图;
图7:本发明实施例中低电压穿越暂态区间划分示意图;
图8:本发明实施例中充/放电暂态区间划分示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的一种储能变流器的模型验证方法,充分考虑储能变流器控制性能考核指标,建立储能变流器模型,并将该模型的仿真结果与实际测试结果进行分区的暂/稳态误差分析,通过误差比对结果修订模型,从并网P/Q控制、离网V/F控制、并/离网切换以及并网低电压穿越等方面分析储能变流器模型准确性,提高储能变流器模型精度并进一步用于含储能逆变器的发电系统并网性能评估。
本发明中储能变流器的模型验证方法的实施例如图1所示,具体步骤为:
1、依据储能变流器的控制策略构建储能变流器模型。
本实施例中储能变流器模型的控制策略具备并网P/Q控制、低电压穿越控制、离网V/F控制、并/离网切换、充/放电控制和切换等功能。本实施例中储能变流器模型的功能模型包括:
(1)并网P/Q控制模型
储能变流器并网P/Q控制模型如图2所示:
当储能变流器交流侧电压标幺值UT在(0,0.9]电压区间内,其工作在低电压穿越模式,本实施例中包括无功电流和交流电压的计算公式可以采用《GB/T19964-2012光伏发电站接入电力系统技术规定》中记载的关于获取无功电流参考值涉及到的计算公式,按照低电压穿越计算公式得到有功电流idref及无功电流参考值iqref。当储能变流器交流侧电压标幺值UT大于0.9时,储能变流器工作在正常并网运行模式,其交流侧有功功率参考值Pref与实测值P之间的误差信号,以及无功功率参考值Qref与实测值Q之间的误差信号分别接入功率控制模块,输出有功电流idref及无功电流的参考值iqref。有功电流/无功电流的实测值/参考值输入电流控制模块,输出调制信号,经过dq/abc转换为成三相调制信号,与载波比较,得到SPWM开关信号,实现并网P/Q控制。
(2)离网V/F控制模型
储能变流器离网V/F控制模型如图3所示:
储能变流器在恒压恒频工作状态下,离网V/F双环控制能够提供电压和频率支撑,通过频率指令f经过比例、积分变换得到三相电压参考值的相角信息,通过电压指令U与电网电压有效值Urms的误差信号,经过PI控制器,得到三相电压参考值的幅值信息,经过三相电压参考值计算模块,得到交流三相电压参考值,与交流电压瞬时值之间的差值,经过PI控制器,得到三相调制信号,与载波比较得到SPWM开关信号,实现离网V/F控制。
(3)充/放电控制及切换模型
储能变流器充/放电控制及切换模型如图4所示:
充/放电控制采用恒流和恒压控制模式,对充电电流或充电电压进行闭环控制。充/放电切换控制通常以储能变流器的DC/DC侧直流电压Vb、荷电状态SOC、工作时间HR等作为输入,通过比较器形成开关控制函数s(y),开关控制函数为0、1、2分别对应PWM调制的档位连接,其中0为接地模式即不工作,1为充电控制模式,2为放电控制模式,根据开关控制函数,判断是否进入切换程序。
(4)并/离网切换模型
并/离网切换控制根据并网电压是否异常判断是否进行并/离网切换,若并网电压异常则切换至离网运行模式,若并网电压恢复则切换至并网运行模式。
2、对储能变流器进行实验室型式试验,获取实际测数据。
并网P/Q控制和离网V/F控制为稳定工况下的控制策略,并/离网切换可以验证储能变流器模型的并网控制和离网控制,充/放电控制可以验证储能充电控制和放电控制,因此本实施例中型式试验包括低电压穿越检测、充/放电切换检测和并/离网控制检测。
(1)低电压穿越检测,具体为:
①:设定电网故障类型,以及电网电压跌落点和电压跌落时间;采用无源电抗器模拟电网电压跌落,电压跌落点的数目至少为5。
本实施例中电网故障类型为三相不对称故障或者两相不对称故障或者单相不对称故障。
电压跌落点包括0%Un、20%Un、(20%~50%)Un区间内任一点、(50%~75%)Un区间内任一点和(75%~90%)Un区间内任一点,例如电压跌落点为额定电压Un的0+5%、20%±5%、60%±5%、80%±5%、90%-5%,对应的电压跌落持续时间分别为0.15s、0.625s、1.41s、1.8s、2s;检测工况为0.1Pn~0.3Pn和≥0.7Pn。
②:采集储能变流器直流母线电压、直流母线电流、三相交流电压和三相交流电流,采样频率至少为10kHz。
(2)充/放电切换检测,其检测回路如图5所示,具体工作过程为:
①:储能变流器按照额定充电功率运行至少3分钟后,将储能变流器从所述额定充电功率的90%切换到额定放电功率的90%,并记录储能变流器直流侧完成电流切换的时间t11;
②:储能变流器按照所述额定放电功率运行至少3分钟后,将储能变流器从所述额定放电功率的90%切换到额定充电功率的90%,并记录储能变流器直流侧完成电流切换的时间t12;
③:依据所述时间t11和时间t12计算储能变流器的平均充/放电切换时间t1为:
(3)并/离网控制检测包括,其检测回路如图6所示,具体工作过程为:
①:设定储能变流器中负荷功率为储能变流器额定功率的100%,以及储能变流器的初始工作模式为并网运行模式;
②:当储能变流器在所述并网运行模式下稳定运行后,向其发送离网运行指令,检测储能变流器是否切换到离网运行模式;
③:当储能变流器在所述离网运行模式下稳定运行后,向其发送并网运行指令,检测储能变流器是否切换到并网运行模式。
3、对储能变流器模型开展仿真分析,获取仿真数据。
仿真过程中的相关参数与储能变流器型式试验的检测项目和检测工况保持一致,包括低电压穿越仿真、充/放电切换仿真和并/离网控制仿真,仿真设置以实验室型式试验为基准,获取仿真参数值的数据:
低电压穿越仿真的仿真参数值依据低电压穿越检测的检测工况设定;充/放电切换仿真的仿真参数值依据充/放电切换检测的检测工况设定;并/离网控制仿真的仿真参数值依据并/离网控制检测的检测工况设定。
4、对实际测试数据及仿真数据进行区间划分。
分别对储能变流器的低电压穿越、充/放电切换和并/离网切换工况进行区间划分:
①:为了保证对储能变流器模型的仿真结果和对储能变流器的实际测试结果具有可比性,需要保证仿真数据与实测数据的时序同步,必要情况下采取差值或者抽取方式保持时间基准一致。本实施例中对实际测试数据和仿真数据进行同步性处理主要包括使两组数据的采样率、数据起始时间、数据一致性等保持相同。
②:将储能变流器模型中储能变流器的输出波形划分为故障/切换前区间、故障/切换区间和故障/切换后区间。
③:将故障/切换前区间划分为暂态子区间和稳态子区间、将故障/切换中区间划分为暂态子区间和稳态子区间、将故障/切换后区间划分为暂态子区间和稳态子区间,其中,低电压穿越暂态区间划分如图7所示,其中A1、A3为故障前稳态区间,A2为故障前暂态区间,B2r为故障稳态区间,B1r为故障暂态区间,C2r、C4为故障后暂态区间,C1r、C3为故障后暂态区间。充/放电暂态区间划分如图8所示,其中A为切换前稳态区间,B为切换暂态区间,C为切换后稳态区间。
5、计算各区间的试验数据误差,比较试验数据误差和误差阈值,从而验证储能变流器模型。
本实施例中计算各区间的试验数据误差包括:
(1)均值误差F,其计算公式为:
(2)最大误差F',其计算公式为:
其中,KBegin为实际测试数据xM(i)及仿真数据xS(i)的开始时间,KEnd为实际测试数据xM(i)及仿真数据xS(i)的结束时间;i为实际测试数据及仿真数据的序号,即第i个数据。本
实施例中按照故障/切换前区间、故障/切换中区间和故障/切换后区间的持续时间得到各区间的权重系数,从而依据式(2)和(3)计算各区间的有功功率、无功功率和无功电流的总误差,依据表1中限定的误差阈值,对储能变流器模型的低电压穿越进行验证。
表1
依据表2中限定的误差阈值,对储能变流器模型的充/放电切换和并/离网切换进行验证。
表2
电气参数 | F1 | F2 | F3 | FG |
电压,ΔU/UN | 0.10 | 0.20 | 0.10 | 0.15 |
电流,ΔI/IN | 0.10 | 0.20 | 0.10 | 0.15 |
有功功率,ΔP/PN | 0.10 | 0.20 | 0.15 | 0.15 |
无功功率,ΔQ/PN | 0.07 | 0.20 | 0.10 | 0.15 |
其中,F1为静态范围内均值的最大偏差,F2为暂态范围内均值的最大偏差,F3为静态范围内正序、负序均值的最大偏差,FG为最大总误差。
仿真数据与实际测试数据之间误差在阈值范围内,认为储能变流器模型能够准确模拟实体储能变流器低电压穿越、充/放电及切换、并/离网及切换功能。
最后应当说明的是:所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
Claims (6)
1.一种储能变流器的模型验证方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤1:依据储能变流器的控制策略建立储能变流器模型;
步骤2:对所述储能变流器开展实验室型式试验,得到所述储能变流器的实际测试数据;
步骤3:对所述储能变流器模型进行仿真分析,得到储能变流器模型的仿真数据;所述仿真分析为与所述实验室型式试验的项目相匹配的仿真分析;
步骤4:对所述仿真数据和实际测试数据进行区间划分;
步骤5:计算各区间内仿真数据与实际测试数据的试验数据误差,依据所述试验数据误差和误差阈值对所述储能变流器模型进行验证;
所述步骤2中,实验室型式试验包括低电压穿越检测、充/放电切换检测和并/离网控制检测;
所述并/离网控制检测包括:
步骤231:设定储能变流器中负荷功率为储能变流器额定功率的100%,以及储能变流器的初始工作模式为并网运行模式;
步骤232:当所述储能变流器在所述并网运行模式下稳定运行后,向其发送离网运行指令,检测储能变流器是否切换到离网运行模式;
步骤233:当所述储能变流器在所述离网运行模式下稳定运行后,向其发送并网运行指令,储能变流器是否切换到并网运行模式。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述低电压穿越检测包括:
步骤211:设定电网故障类型,以及电网电压跌落点和电压跌落时间;所述电网电压跌落点的数目至少为5;
步骤212:采用无源电抗器模拟电网电压跌落;
步骤213:采集储能变流器中直流母线电压、直流母线电流、三相交流电压和三相交流电流,采样频率至少为10kHz。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述充/放电切换检测包括:
步骤221:储能变流器按照额定充电功率运行至少3分钟后,将储能变流器从所述额定充电功率的90%切换到额定放电功率的90%,并记录储能变流器直流侧完成电流切换的时间t11;
步骤222:所述储能变流器按照所述额定放电功率运行至少3分钟后,将储能变流器从所述额定放电功率的90%切换到额定充电功率的90%,并记录储能变流器直流侧完成电流切换的时间t12;
步骤223:依据所述时间t11和时间t12计算储能变流器的平均充/放电切换时间t1为:
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3中,仿真分析包括低电压穿越仿真、充/放电切换仿真和并/离网控制仿真;
所述低电压穿越仿真的仿真参数值依据低电压穿越检测的检测工况设定;
所述充/放电切换仿真的仿真参数值依据充/放电切换检测的检测工况设定;
所述并/离网控制仿真的仿真参数值依据并/离网控制检测的检测工况设定。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤4中,对仿真数据和实际测试数据进行区间划分包括:
步骤4-1:对所述实际测试数据和仿真数据进行同步性处理;
步骤4-2:将储能变流器的输出波形均划分为故障/切换前区间、故障/切换中区间和故障/切换后区间;所述故障/切换前区间、故障/切换中区间和故障/切换后区间均包括暂态子区间和稳态子区间。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤5中,计算各区间的试验数据误差包括均值误差F和最大误差F';
所述均值误差F的计算公式为:
所述最大误差F'的计算公式为:
其中,KBegin为实际测试数据xM(i)及仿真数据xS(i)的开始时间,KEnd为实际测试数据xM(i)及仿真数据xS(i)的结束时间,i为实际测试数据及仿真数据的序号。
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