CN107706904B - 海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法 - Google Patents
海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，将风力发电、光伏发电与平台负载单元做为直流供电系统的参数可变部分，并通过实时检测该部分的输出等效电阻、等效电感值，使直流供电系统等效为二阶RLC振荡电路，通过计算实现阻尼系数恒定为预设阈值时，储能单元的等效电阻值；进一步通过储能单元个数及功率分配比例要求，确定各储能单元的虚拟电阻值。本发明所提出的海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，可以削弱平台负载突变对海上平台风光储直流供电系统直流母线电压的波动，提高系统的动态稳定性，在海洋能发电、海洋工程、海洋勘测等方面有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程领域与电力系统领域，特别是一种海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法。
背景技术
随着我国海洋经济与海洋战略的发展，海洋观测仪器、海洋勘测、海工钻井等各种海上平台已成为开发与利用海洋资源、获取海洋信息的重要途径。目前近海平台供电形式主要有柴油发电机供电、高压输电、高压输电与海上风电联合供电等，但对于远海平台而言，面对建设成本与运维成本的巨大压力，人们需寻求其它具有高可靠性的独立供电系统。随着海上风光发电技术的成熟发展，利用海洋风光资源为海上平台负载独立供电成为了可能。由于海上平台电力系统为独立供电系统，且容量有限，故平台负载突变所引起的功率振荡将对母线电压稳定性造成极大影响，而负载突变时的系统稳定性即成为海上平台风光储直流供电系统的关键问题之一。
将风光发电技术应用于海上平台时，风光的间歇性带来的电源侧随机性，需要加入储能单元实现瞬时功率平衡与长期能量平衡，同时为了提高海上平台的可靠性运行，可采用多组储能单元并联运行。其中，风力发电单元与光伏发电单元一般可采用最大功率输出技术，而多组储能单元的并联运行可采用电压-电流的下垂控制以保证每一储能单元的独立性，亦可稳定母线电压。然而，由于没有大惯性柴油发电机或电网对母线电压的支撑，风、光、储及海上平台各种不同供电要求的负载均需要通过电力电子功率变换器接口电路接在母线上，其自身的小惯性特征决定了系统对外部干扰极其敏感，此时平台负载的突变会对容量有限的风光储微电网系统的稳定性影响巨大，成为其正常运行首要面对并亟待解决的关键问题。与交流电力系统相比，直流电力系统由于结构简单、无无功与相位问题，使得系统可靠性更高，更适用于海上平台这种要求功率密度高、扩展灵活的应用场合。
因此，寻求降低平台负载突变所引起的功率振荡对直流母线电压的影响，对海上新能源构成的多能源独立互补供电系统的工程应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，以克服现有技术中存在的缺陷。、
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，所述海上平台风光储直流供电系统包括平台电源以及经直流母线与所述平台电源配合的平台负载；所述平台电源包括风力发电单元、光伏发电单元以及储能系统；按照如下步骤实现：
步骤S1：将所述风力发电单元、所述光伏发电单元与所述平台负载等效为所述海上平台风光储直流供电系统的参数可变模块，将所述储能系统等效为所述海上平台风光储直流供电系统的动态调节模块；
步骤S2：通过实时检测该参数可变模块的输出等效电阻以及等效电感值，再将所述海上平台风光储直流供电系统等效为一二阶RLC振荡电路；
步骤S3：计算令阻尼系数恒定至一预设阈值时，所述储能系统中各储能单元的等效电阻值；
步骤S4：根据所述储能单元个数及功率分配比例，获取每个储能单元的虚拟电阻值；
步骤S5：每个储能单元中储能单元功率变换器采用由电流内环、电压中环、功率外环三环控制方式，功率外环采用基于虚拟电阻的电压-电流下垂控制方式，储能单元功率变换器根据对应的虚拟电阻值，进行电压-电流下垂系数及各储能单元的功率分配；
步骤S6：通过步骤S5获取储能单元功率变换器的开关控制信号，调整储能单元功率变换器的开关状态，以稳定储能单元功率变换器的输出电压以及分配储能单元功率变换器的输出功率，令所述海上平台风光储直流供电系统等效振荡电路的阻尼系数恒定。
在本发明一实施例中，在所述步骤S1中，所述参数可变模块中，所述风力发电单元与所述光伏发电单元以电流源形式输出，通过串联后的电压源、电感、电阻表征输出等效电路；所述平台负载通过电阻表征输出等效电路；所述动态调节模块中，所述储能系统电压源形式输出，所述储能系统包括n个储能单元，且每个储能单元均通过串联后的电压源与虚拟电阻表征输出等效电路。
在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述二阶RLC振荡电路通过如下方式获取：将所述参数可变模块通过串联后的等效电阻R、等效电感L及电压变化量ΔV表征；将所述动态调节模块通过等效虚拟电阻Req表征；将所述直流母线电压所接的所有电容总和通过系统电容C表征。
在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，通过如下方式获取各储能单元的等效电阻值：
获取所述储能单元个数n及功率分配比例k1:k2:…:kn，获取直流母线电压所接的所有电容总和电容C，并检测所述参数可变模块的等效电阻R与等效电感L，若满足下式：
则在二阶电路阻尼系数恒定为所述预设阈值时，所述储能系统的虚拟电阻 Req为
通过所述储能系统的虚拟电阻Req及所述储能单元个数n、各单元功率分配比例k1:k2:…:kn，通过各储能虚拟电导之和等于储能单元等效电导以及各储能虚拟电导之比等于功率分配比例，即：
获取各储能单元的虚拟电阻R1、R2、…、Rn值：
R1＝(k1+k2++kn)Req/k1，R2＝(k1+k2++kn)Req/k2，…， Rn＝(k1+k2++kn)Req/kn。
在本发明一实施例中，所述预设阈值为0.707。
在本发明一实施例中，所述储能单元功率变换器的控制采用基于电流内环、电压中环、功率外环三环控制方式，记Vr为空载母线电压，基于输出功率与输出电流成正比的关系，建立基于虚拟电阻实现的电压-电流下垂控制，且满足：
Vi＝Vr-RiIi；
其中，i＝1,2,…n，Vi为第i个储能单元功率变换器的电压基准；；Ii为第i个储能单元功率变换器电感电流ii经一低通滤波器后的平均电流；Ri为第i个储能单元功率变换器虚拟电阻，即电压-电流下垂系数，且通过所述虚拟电阻Ri对各储能单元进行功率分配；电压中环包括一电压误差调节器及所述电流内环，将 Vi及直流母线电压vdc的差值送入电压误差调节器Gvi(s)中，输出电流iri作为所述电流内环的基准信号；所述电流内环包括一电流误差调节器、一PWM调制器以及一功率变换器，将输出电流iri与功率变换器输出侧电感电流ii的差值送入达到电流误差调节器Gci(s)中，通过PWM调制器PWM后，生成储能单元功率变换器中开关信号，对储能单元功率变换器输出电压、电流进行控制。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的提供的一种海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，多个储能单元均采用电压 -电流下垂控制，各单元通过虚拟电阻确定的功率分配比例独立运行；通过各储能单元虚拟阻抗的自适应变化实现电力系统为最佳二阶系统，实现在没有柴油发电机、大电网对母线电压的支撑下海上风光储直流母线获取最佳稳定性，最大限度降低突变性负载所引起的功率振荡对直流母线电压的影响。本发明应用于海上平台直流供电系统，具有控制算法简单、系统稳定性佳、应用前景广泛等优点。
附图说明
图1是本发明一实施例中海上平台风光储直流供电系统直流母线侧等效电路。
图2是本发明一实施例中海上平台风光储直流供电系统小信号等效模型。
图3是本发明一实施例中海上平台风光储直流供电系统中各储能单元虚拟电阻获取流程图。
图4是本发明一实施例中海上平台风光储直流供电系统中储能变换器控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提出一种海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，应用于海上平台风光储直流供电系统中的多组储能单元，即风力发电与光伏发电单元以电流源形式输出，其输出等效电路用电压源串联电感与电阻表示，储能系统基于下垂控制并以电压源串联电阻形式输出，并通过虚拟电阻实现各储能单元的功率分配及下垂系数。将风力发电、光伏发电与平台负载单元做为直流供电系统的参数可变部分，并通过实时检测该部分的输出等效电阻、等效电感值，使直流供电系统等效为二阶RLC振荡电路，通过计算实现阻尼系数恒定为以预设阈值时，储能单元的等效电阻值，进一步通过储能单元个数及功率分配比例要求，确定各储能单元的虚拟电阻值，从而削弱平台负载突变对海上平台风光储直流供电系统直流母线电压的波动，提高系统的动态稳定性。
进一步的，在本实施例中，海上平台风光储直流供电系统等效电路如图1 所示，风光的间歇性及平台负载的变化特性使得风力发电单元、光伏发电单元与平台负载三部分构成了海上平台风光储直流供电系统的参数可变部分，风力发电单元与光伏发电单元以电流源形式并入直流母线中，用电压源及电感、电阻的串联形式表示，平台负载用电阻表示。储能系统中各储能单元中功率变换器采用电压-电流下垂控制方式以电压源形式并入直流母线，通过虚拟电阻实现多组储能单元的独立运行以及各单元的功率分配，故将储能系统作为海上平台风光储直流供电系统的动态调节部分。
进一步的，在本实施例中，n组储能单元均采用电压源与虚拟电阻串联表示，直流母线电压所接的所有电容总和统一用系统电容C表示。系统小信号等效模型如图2所示，系统参数可变部分用等效电阻R、等效电感L及电压变化量ΔV 串联表示，储能系统用等效虚拟电阻Req表示，通过实时检测该部分的输出等效电阻R、等效电感L值，海上平台风光储直流供电系统即等效为一典型二阶RLC 振荡电路。
进一步的，在本实施例中，海上平台风光储直流供电系统各储能单元虚拟电阻实现流程如图3所示，读取储能单元个数n及功率分配比例k1:k2:…:kn，载入直流母线的系统电容C值，并检测系统参数可变部分的等效电阻R与等效电感L 值，若满足下式
则在二阶电路阻尼系数恒定为0.707时，储能系统的虚拟电阻Req为
通过Req及储能单元个数n、各单元功率分配比例k1:k2:…:kn要求，通过各储能虚拟电导之和等于储能单元等效电导、各储能虚拟电导之比等于功率分配比例这两个关系，即
可获得各储能单元的虚拟电阻R1、R2、…、Rn值。
R1＝(k1+k2++kn)Req/k1，R2＝(k1+k2++kn)Req/k2，…，Rn＝(k1+k2++kn)Req/kn
进一步的，在本实施例中，海上平台风光储直流供电系统中储能变换器控制原理图如图4所示，储能单元功率变换器采用由电流内环、电压中环、功率外环三环控制策略，具体为：记Vr为设定的空载母线电压，并作为各储能单元功率变换器功率外环基准，基于输出功率与输出电流成正比的关系，建立基于虚拟电阻实现的电压-电流下垂控制，且满足：
Vi＝Vr-RiIi
其中，i＝1,2,…n，Vi为第i个储能单元功率变换器的电压环基准，Ii为第i个储能单元功率变换器电感电流ii经低通滤波器(LPF)后的平均电流，Ri为第i 个储能单元功率变换器虚拟电阻，即电压-电流下垂系数。通过虚拟电阻Ri即可实现各储能单元的功率分配；电压中环由电压误差调节器及电流内环构成，Vi及直流母线电压vdc的差值送入电压误差调节器Gvi(s)中，其输出iri做为电流内环的基准信号；电流内环由电流误差调节器、PWM调制环节以及储能变换器构成， iri与功率变换器侧电感电流ii的差值送入电流误差调节器Gci(s)中，通过PWM后，生成储能单元功率变换器中开关信号，实现储能单元功率变换器输出电压的稳定、输出功率的分配，进而实现风光储直流供电系统等效振荡电路的阻尼系数恒定。
进一步的，本发明提供的控制方法适用于由海上风光储三种能源构成的独立直流供电系统、且风、光发电单元无稳压作用的应用场合，与并网式风力发电、独立式交流风光储发电系统存在着重要区别。由本发明提供的控制方法构成的海上平台风光储直流供电系统可降低负载突变所引起的功率振荡对直流母线电压的影响，提高系统稳定性与综合特性，并可推广到潮流能发电，在海洋能发电、海洋工程、海洋勘测方面具有巨大的应用前景。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，其特征在于，所述海上平台风光储直流供电系统包括平台电源以及经直流母线与所述平台电源配合的平台负载；所述平台电源包括风力发电单元、光伏发电单元以及储能系统；按照如下步骤实现：
步骤S1：将所述风力发电单元、所述光伏发电单元与所述平台负载等效为所述海上平台风光储直流供电系统的参数可变模块，将所述储能系统等效为所述海上平台风光储直流供电系统的动态调节模块；
步骤S2：通过实时检测该参数可变模块的输出等效电阻以及等效电感值，再将所述海上平台风光储直流供电系统等效为一二阶RLC振荡电路；
步骤S3：计算令阻尼系数恒定至一预设阈值时，所述储能系统中各储能单元的等效电阻值；
步骤S4：根据所述储能单元个数及功率分配比例，获取每个储能单元的虚拟电阻值；
步骤S5：每个储能单元中储能单元功率变换器采用由电流内环、电压中环、功率外环三环控制方式，功率外环采用基于虚拟电阻的电压-电流下垂控制方式，储能单元功率变换器根据对应的虚拟电阻值，进行电压-电流下垂系数及各储能单元的功率分配；
步骤S6：通过步骤S5获取储能单元功率变换器的开关控制信号，调整储能单元功率变换器的开关状态，以稳定储能单元功率变换器的输出电压以及分配储能单元功率变换器的输出功率，令所述海上平台风光储直流供电系统等效振荡电路的阻尼系数恒定；
所述储能单元功率变换器的控制采用基于电流内环、电压中环、功率外环三环控制方式，记Vr为空载母线电压，基于输出功率与输出电流成正比的关系，建立基于虚拟电阻实现的电压-电流下垂控制，且满足：
Vi＝Vr-RiIi；
其中，i＝1,2,…n，Vi为第i个储能单元功率变换器的电压基准；Ii为第i个储能单元功率变换器电感电流ii经一低通滤波器后的平均电流；Ri为第i个储能单元功率变换器虚拟电阻，即电压-电流下垂系数，且通过所述虚拟电阻Ri对各储能单元进行功率分配；电压中环包括一电压误差调节器及所述电流内环，将Vi及直流母线电压vdc的差值送入电压误差调节器Gvi(s)中，输出电流iri作为所述电流内环的基准信号；所述电流内环包括一电流误差调节器、一PWM调制器以及一功率变换器，将输出电流iri与功率变换器侧电感电流ii的差值送入电流误差调节器Gci(s)中，通过PWM调制器后，生成储能单元功率变换器中开关信号，对储能单元功率变换器输出电压、电流进行控制。
2.根据权利要求1所述的海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述参数可变模块中，所述风力发电单元与所述光伏发电单元以电流源形式输出，通过串联后的电压源、电感、电阻表征输出等效电路；所述平台负载通过电阻表征输出等效电路；所述动态调节模块中，所述储能系统以电压源形式输出，所述储能系统包括n个储能单元，且每个储能单元均通过串联后的电压源与虚拟电阻表征输出等效电路。
3.根据权利要求1所述的海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述二阶RLC振荡电路通过如下方式获取：将所述参数可变模块通过串联后的等效电阻R、等效电感L及电压变化量ΔV表征；将所述动态调节模块通过等效虚拟电阻Req表征；将直流母线电压所接的所有电容总和通过系统电容C表征。
4.根据权利要求1所述的海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，通过如下方式获取各储能单元的等效电阻值：
获取所述储能单元个数n及功率分配比例k1:k2:…:kn，获取直流母线电压所接的所有电容总和，并用电容C表征，并检测所述参数可变模块的等效电阻R与等效电感L，若满足下式：
则在二阶电路阻尼系数恒定为所述预设阈值时，所述储能系统的虚拟电阻Req为
通过所述储能系统的虚拟电阻Req及所述储能单元个数n、各单元功率分配比例k1:k2:…:kn，通过各储能虚拟电导之和等于储能单元等效电导以及各储能虚拟电导之比等于功率分配比例，即：
获取各储能单元的虚拟电阻R1、R2、…、Rn值：
R1＝(k1+k2+…+kn)Req/k1，R2＝(k1+k2+…+kn)Req/k2，…，Rn＝(k1+k2+…+kn)Req/kn。
5.根据权利要求4所述的海上平台风光储直流供电系统中储能变换器虚拟电阻控制方法，其特征在于，所述预设阈值为0.707。
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