CN107394814A - 一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法 - Google Patents

一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法，包括以下步骤，步骤1、确定储能装置最大功率工作点的限制规则；步骤2、根据临界阻尼模型得到储能容量及其最大功率工作点；步骤3、计算最优储能容量及最优储能配置下的转动惯量和阻尼系数。该方法克服了目前多数虚拟发电机技术中转动惯量的配置都是基于直流侧为恒压源的情况，没有考虑实际系统中储能容量与转动惯量的对应关系，不具有实际参考性的缺陷。不仅充分考虑储能容量与转动惯量的对应关系，还对储能容量的配置问题做了优化，并且考虑了分布式电源发电容量、逆变器容量和储能容量三者间的制约关系。具有较好的发展潜力和推广空间。

Description

一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法。
背景技术
随着传统能源日益枯竭，当今社会对于可再生清洁能源的利用需求越来越强烈。然而，大量的分布式电源接入电网，极大减少了系统的转动惯量，导致电网的稳定性变差。为了改善和解决分布式电源所带来的不利问题，通过虚拟同步发电机技术让逆变器模拟或者部分模拟出传统同步发电机的外特性，使逆变器也能具有惯性和阻尼。
目前多数虚拟同步发电机技术的研究中，对于参数的配置方案都是基于直流侧为恒压源的情况，这种方式过于理想化；尤其是对于转动惯量的配置方法，很少有结合实际情况，考虑储能容量与转动惯量的对应关系，更不用说做出适当的优化设计；对于逆变器容量、分布式电源容量和储能容量三者间的制约关系，更是几乎没有文章涉及到。
现有多数虚拟发电机技术中转动惯量的配置都是基于直流侧为恒压源的情况，没有考虑实际系统中储能容量与转动惯量的对应关系，不具有实际参考性。
发明内容
本发明的目的是通过建立逆变器容量、分布式电源容量和储能容量三者间的制约关系，选择适当的储能容量；根据临界阻尼状态模型得到储能容量与转动惯量间的对应关系，提出一种最优储能配置下的虚拟惯量计算方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法，包括以下步骤，
步骤1、确定储能装置最大功率工作点的限制规则；
步骤2、根据临界阻尼模型得到储能容量及其最大功率工作点；
步骤3、计算最优储能容量及最优储能配置下的转动惯量和阻尼系数。
在上述的最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法中，步骤1的实现包括：
步骤1.1根据分布式电源发电容量确定逆变器容量；设发电容量为根据工程标准选择对应容量等级的逆变器容量为
步骤1.2确定储能装置的功率工作点的范围：
(1)式中，m为分布式电源输出功率因数，n为逆变器输出功率因数，k为裕度系数，取值0.9～0.95；
步骤1.3得到系统允许储能装置的最大功率工作点
在上述的最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法中，步骤2的实现包括：
步骤2.1对虚拟同步发电机的二阶普适性模型进行小信号分析，得到：
(3)式中，H＝JωN 2/SN，D＝DpωN 2/SN，J为转动惯量，Dp为阻尼系数，SN为虚拟同步发电机额定容量，ωN为额定角频率，为虚拟同步发电机输出电磁功率小扰动的标幺值，为转子角频率小扰动的标幺值，为电网角频率小扰动的标幺值，为虚拟功角小扰动的标幺值；
步骤2.2对虚拟同步发电机的有功输出功率表达式进行小信号分析得到：
(4)式中，SE为同步功率系数，E是虚拟同步发电机电势，δ为虚拟功角，U为电网电压，E和δ与有功功率和无功功率的指令值Pref和Qref有关；
步骤2.3结合(3)式和(4)式同时进行拉普拉斯变换得到电磁功率与电网角频率之间的传递函数：
当电网角频率阶跃时，虚拟同步发电机输出电磁功率为：
(6)式中：Pe2(s)*为阶跃后的虚拟同步发电机输出电磁功率，为阶跃后的电网角频率，
步骤2.4选择临界阻尼状态设计相应的储能容量和虚拟惯量大小，储能容量S和动态响应过程中储能装置的最大功率工作点为：
设储能装置释放能量值取负，吸收能量值取正；电网角频率向上阶跃值取负，向下阶跃值取正。
在上述的最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法中，步骤3的实现包括：
步骤3.1根据(1)式、(2)式和(7)式得最优储能容量：
步骤3.2储能容量一定时，临界阻尼状态下，有D2＝4HωNSE，结合式(7)求得：
步骤3.3根据H＝JωN 2/SN和D＝DpωN 2/SN求得转动惯量和阻尼系数的计算公式为：
本发明的有益效果是：本发明的方法不拘泥于现有的多数虚拟惯量的配置方法，充分考虑分布式电源发电容量、逆变器容量和储能容量三者间的制约关系，同时针对储能容量的配置方案进行优化，分析和判断电网频率波动时虚拟同步发电机输出电磁功率响应时间的快慢以及是否发生振荡，选择临界阻尼状态下的系统响应模型作为虚拟惯量和阻尼系数的整定标准，得到储能容量与虚拟惯量的对应关系，具有较好的发展潜力和推广空间。
附图说明
图1为本发明一个实施例最优储能配置下的虚拟惯量计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
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，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本实施例采用以下技术方案来实现的，一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法，包括以下步骤，
步骤1、确定储能装置最大功率工作点的限制规则；
步骤2、根据临界阻尼模型得到储能容量及其最大功率工作点；
步骤3、计算最优储能容量及最优储能配置下的转动惯量和阻尼系数。
进一步，步骤1的实现包括：
步骤1.1根据分布式电源发电容量确定逆变器容量；设发电容量为根据工程标准选择对应容量等级的逆变器容量为
步骤1.2确定储能装置的功率工作点的范围：
(1)式中，m为分布式电源输出功率因数，n为逆变器输出功率因数，k为裕度系数，取值0.9～0.95；
步骤1.3得到系统允许储能装置的最大功率工作点
进一步，步骤2的实现包括：
步骤2.1对虚拟同步发电机的二阶普适性模型进行小信号分析，得到：
(3)式中，H＝JωN 2/SN，D＝DpωN 2/SN，J为转动惯量，Dp为阻尼系数，SN为虚拟同步发电机额定容量，ωN为额定角频率，为虚拟同步发电机输出电磁功率小扰动的标幺值，为转子角频率小扰动的标幺值，为电网角频率小扰动的标幺值，为虚拟功角小扰动的标幺值；
步骤2.2对虚拟同步发电机的有功输出功率表达式进行小信号分析得到：
(4)式中，SE为同步功率系数，E是虚拟同步发电机电势，δ为虚拟功角，U为电网电压，E和δ与有功功率和无功功率的指令值Pref和Qref有关；
步骤2.3结合(3)式和(4)式同时进行拉普拉斯变换得到电磁功率与电网角频率之间的传递函数：
当电网角频率阶跃时，虚拟同步发电机输出电磁功率为：
(6)式中：Pe2(s)*为阶跃后的虚拟同步发电机输出电磁功率，为阶跃后的电网角频率，
步骤2.4选择临界阻尼状态设计相应的储能容量和虚拟惯量大小，储能容量S和动态响应过程中储能装置的最大功率工作点为：
设储能装置释放能量值取负，吸收能量值取正；电网角频率向上阶跃值取负，向下阶跃值取正。
更进一步，步骤3的实现包括：
步骤3.1根据(1)式、(2)式和(7)式得最优储能容量：
步骤3.2储能容量一定时，临界阻尼状态下，有D2＝4HωNSE，结合式(7)求得：
步骤3.3根据H＝JωN 2/SN和D＝DpωN 2/SN求得转动惯量和阻尼系数的计算公式为：
具体实施时，如图1所示，一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法，包括制定储能装置最大功率工作点的限制规则和确定最优储能容量与虚拟惯量值的对应关系；制定储能装置最大功率工作点的限制规则包括：对逆变器容量的选择，分布式电源发电容量的选择，以及选定合适的裕度系数，根据制约关系得到最大功率工作点。确定最优储能容量与虚拟惯量值的对应关系包括：对虚拟同步发电机的二阶模型进行小信号分析，得到电磁功率随电网频率波动而变化的函数模型，分析和判断电网频率波动时虚拟同步发电机输出电磁功率响应时间的快慢以及是否发生振荡，选择临界阻尼状态响应模型为最优的配置方案，根据制约的最大功率工作点计算储能容量值，得到相应的虚拟惯量和阻尼系数的值。
而且，储能装置最大功率工作点的限制规则，具体包括以下步骤：
S1：根据分布式电源发电容量确定逆变器容量确定逆变器容量。假设发电容量为根据工程标准选择对应容量等级的逆变器，假设逆变器容量为
S2：确定储能装置的功率工作点的范围，要求：
其中：分布式电源输出功率因数为m，逆变器输出功率因数为n，k为裕度系数，取0.9～0.95。
S3：系统允许储能装置的最大功率工作点为：
而且，最优储能容量与虚拟惯量值的对应关系，具体包括以下步骤：
S4：对虚拟同步发电机的二阶普适性模型进行小信号分析，得到：
其中，H＝JωN 2/SN，D＝DpωN 2/SN，J为转动惯量，Dp为阻尼系数，SN为虚拟同步发电机额定容量，ωN为额定角频率，为虚拟同步发电机输出电磁功率小扰动的标幺值，为转子角频率小扰动的标幺值，为电网角频率小扰动的标幺值，为虚拟功角小扰动的标幺值。
S5：对虚拟同步发电机的有功输出功率表达式进行小信号分析得到：
其中，SE为同步功率系数，E是虚拟同步发电机电势，δ为虚拟功角，U为电网电压，E和δ与有功功率和无功功率的指令值Pref和Qref有关。
S6：结合式(3)和(4)同时进行拉普拉斯变换得到电磁功率与电网角频率之间的传递函数：
S7：当电网角频率阶跃时，虚拟同步发电机输出电磁功率为：
其中：Pe2(s)*为阶跃后的虚拟同步发电机输出电磁功率，为阶跃后的电网角频率，
S8：根据式(5)中传递函数的极点类型，电网角频率发生阶跃时，虚拟同步发电机输出电磁功率响应过程可分为过阻尼、临界阻尼和欠阻尼。临界阻尼状态是刚好能不作周期性振动而又能最快地回到平衡位置的情况，出于对电网角频率发生阶跃后虚拟同步发电机输出电磁功率动态响应的综合考虑，临界阻尼对应的储能容量为最优的，应当选择临界阻尼状态设计相应的储能容量和虚拟惯量大小，储能容量S和动态响应过程中储能装置的最大功率工作点如式(7)所示：
规定：储能装置释放能量值取负，吸收能量值取正；电网角频率向上阶跃值取负，向下阶跃值取正。
S9：根据式(1)、式(2)和式(7)计算最优的储能装置容量：
S10：储能容量一定时，临界阻尼状态下，有D2＝4HωNSE，结合式(7)求得：
S11：根据H＝JωN 2/SN和D＝DpωN 2/SN求得转动惯量和阻尼系数的计算公式：
以下是本实施例计算举例，一台虚拟同步发电机容量SN为30kVA，分布式电源发电容量S1为30kVA，逆变器容量S2为50KVA,分布式电源输出功率因数为0.8，逆变器输出功率因数为0.9，裕度系数k取0.9，滤波电感和电阻分别为1.5mH和0.1Ω，电网电压U为220V，额定角频率为314rad/s，电网角频率上升量为0.01，并网时的功率指令分别为Pref＝0kW，Qref＝3kvar。
第一步：计算相关的常量，包括：
(1)阻抗和阻抗角：
(2)功角和电势：
(3)同步功率系数：
第二步：根据分布式电源发电容量、逆变器容量和储能容量三者间制约关系，选择临界阻尼状态模型，计算最优储能容量，包括：
(1)根据和的差值确定储能装置允许的最大功率工作点
(2)计算储能容量：
第三步：根据临界阻尼状态时的最优储能容量模型计算转动惯量J和阻尼系数Dp的值，包括：
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法，其特征是，包括以下步骤，
步骤1、确定储能装置最大功率工作点的限制规则；
步骤2、根据临界阻尼模型得到储能容量及其最大功率工作点；
步骤3、计算最优储能容量及最优储能配置下的转动惯量和阻尼系数。
2.如权利要求1所述的最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法，其特征是，步骤1的实现包括：
步骤1.1根据分布式电源发电容量确定逆变器容量；设发电容量为根据工程标准选择对应容量等级的逆变器容量为
步骤1.2确定储能装置的功率工作点的范围：
<mrow> <msubsup> <mi>mS</mi> <mn>1</mn> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>e</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>&amp;le;</mo> <msubsup> <mi>knS</mi> <mn>2</mn> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
(1)式中，m为分布式电源输出功率因数，n为逆变器输出功率因数，k为裕度系数，取值0.9～0.95；
步骤1.3得到系统允许储能装置的最大功率工作点
<mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mo>.</mo> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>knS</mi> <mn>2</mn> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>mS</mi> <mn>1</mn> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
3.如权利要求2所述的最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法，其特征是，步骤2的实现包括：
步骤2.1对虚拟同步发电机的二阶普适性模型进行小信号分析，得到：
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(3)式中，H＝JωN 2/SN，D＝DpωN 2/SN，J为转动惯量，Dp为阻尼系数，SN为虚拟同步发电机额定容量，ωN为额定角频率，为虚拟同步发电机输出电磁功率小扰动的标幺值，为转子角频率小扰动的标幺值，为电网角频率小扰动的标幺值，为虚拟功角小扰动的标幺值；
步骤2.2对虚拟同步发电机的有功输出功率表达式进行小信号分析得到：
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(4)式中，SE为同步功率系数，E是虚拟同步发电机电势，δ为虚拟功角，U为电网电压，E和δ与有功功率和无功功率的指令值Pref和Qref有关；
步骤2.3结合(3)式和(4)式同时进行拉普拉斯变换得到电磁功率与电网角频率之间的传递函数：
<mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>P</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> </msup> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>N</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mi>E</mi> </msub> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mi>D</mi> <mi>s</mi> <mo>/</mo> <mi>H</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>N</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mi>E</mi> </msub> <mo>/</mo> <mi>H</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
当电网角频率阶跃时，虚拟同步发电机输出电磁功率为：
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(6)式中：Pe2(s)*为阶跃后的虚拟同步发电机输出电磁功率，为阶跃后的电网角频率，
步骤2.4选择临界阻尼状态设计相应的储能容量和虚拟惯量大小，储能容量S和动态响应过程中储能装置的最大功率工作点为：
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设储能装置释放能量值取负，吸收能量值取正；电网角频率向上阶跃值取负，向下阶跃值取正。
4.如权利要求3所述的最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法，其特征是，步骤3的实现包括：
步骤3.1根据(1)式、(2)式和(7)式得最优储能容量：
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步骤3.2储能容量一定时，临界阻尼状态下，有D2＝4HωNSE，结合式(7)求得：
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步骤3.3根据H＝JωN 2/SN和D＝DpωN 2/SN求得转动惯量和阻尼系数的计算公式为：
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