CN108258707A - 一种具有调峰调频功能的中压直挂式储能换流器系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有调峰调频功能的中压直挂式储能换流器系统及其控制方法，其特征在于，储能换流器采用链式级联结构主电路拓扑，同时实现了中压直挂与储能电池的分散接入；可满足电力系统日尖峰负荷要求，接收AGC指令并快速增加出力，实现电力系统调峰；引入虚拟同步发电机控制技术，具有暂态/静态频率调节与无功/电压调节功能；采用SOC自均衡控制策略，在实现级联模块间与相间SOC的均衡控制的同时，首次实现了SOC均衡控制与虚拟同步机控制的融合。该方法各部分功能明确，简单有效，利于工程应用。

Description

一种具有调峰调频功能的中压直挂式储能换流器系统及其控 制方法

技术领域

本发明属于电气工程领域，具体涉及一种储能换流器系统及其控制方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速发展，能源的需求与日俱增，大规模新能源、分布式电源、输电系统、冲击性/非线性负荷大量接入电力系统。然而，以风电、光伏为代表的新能源、冲击性/非线性负荷大规模接入，其静态出力特性和动态响应特性与常规同步发电机具有显著差异，对系统的供电充裕性(电力负荷峰谷差增大，调峰能力不足等)和运行稳定性(不具有惯性响应、不参与调频调压等)产生较大的影响；同时，基于现有控制方式下新能源发电设备的稳定运行依赖于强电网，而限于我国新能源分布的实际情况，大规模新能源多处于电网末端，电网强度较弱，影响新能源发电设备的稳定运行，进而影响电网的稳定。另外，分布式电源和直流输电系统的大量接入，同样对电网的稳定产生一定的影响，且弱电网下分布式电源和直流输电系统存在类似的运行稳定问题。

发明内容

本发明提出一种具有调峰调频功能的中压直挂式储能换流器系统及其控制方法，有助于大规模新能源、分布式电源、输电系统及冲击性负荷接入电力系统，方法简单有效，利于工程应用。

本发明的解决方案如下：

该具有调峰调频功能的中压直挂式储能换流器系统，包括储能换流器及其控制系统，所述储能换流器采用链式级联结构主电路拓扑，主电路每一相的输入端和输出端分别直接与相应的电池单元级联组和中压电网相连，以实现中压直挂与储能电池的分散接入；控制系统包括：

SOC均衡控制单元，包括级联模块间SOC均衡控制器和相间SOC均衡控制器；

调速器，接收储能换流器频率参考值ω_ref以及实际值ω，输出叠加AGC下发的用于电力系统调峰控制的功率指令P₀后，作为同步发电机转子运动方程模型中的机械功率提供给功频控制器；

功频控制器，其输出为同步角θ，用于对定子电压、定子电流进行dq旋转变换；

励磁与无功调节器，接收无功参考值Q_ref以及实际值Q和储能换流器的定子电压参考值U_ref以及实际值U_g，输出作为同步发电机机电方程模型中的定子电压参考值提供给定子电压闭环控制单元；

定子电压闭环控制单元，其输出作为定子电流闭环控制单元的参考输入；

所述相间SOC均衡控制器输出零序电压u₀相应与所述定子电流闭环控制单元的输出叠加，再与级联模块间SOC均衡控制器的输出叠加后共同作为调制波，即实现SOC均衡控制与虚拟同步机控制的融合。

基于上述具有调峰调频功能的中压直挂式储能换流器系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1)基于链式结构储能换流器，分别建立同步发电机转子运动方程与机电方程模型；检测各级联模块电池单元SOC，分别建立级联模块间和相间SOC均衡控制模型；

步骤2)引入调速器和励磁与无功调节器，其中调速器的输出再叠加AGC下发的用于电力系统调峰控制的功率指令P₀作为机械功率，励磁与无功调节器的输出作为定子电压参考值；相应分别进行功频控制和定子电压闭环控制以及定子电流闭环控制，进而实现虚拟同步发电机控制，并对外呈现出暂态/静态频率调节与无功/电压调节特性；

步骤3)通过将级联模块间和相间SOC均衡控制输出与定子电流调节器输出叠加，实现SOC均衡控制与虚拟同步发电机控制的相互融合。

进一步的，步骤1)中所述同步发电机转子运动方程与机电方程模型，具体如下：

u_d＝E_d-Ri_d+ωLi_q (2)

u_q＝E_q-Ri_q-ωLi_d (3)

式中：J为同步发电机转动惯量，kg·m²；ω、ω_g分别为同步发电机电气角频率和电网角频率，rad/s；P_m、P_e分别为同步发电机机械、电磁功率，kW；D为同步发电机阻尼系数，N·m·s；u_d、u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；E_d、E_q分别为内电势d、q轴分量，V；i_d、i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；R、L分别为同步电阻与同步电抗。

进一步的，步骤2)中引入调速器和励磁与无功调节器，具体是：

2.1)将换流器频率参考值ω_ref与实际值ω的偏差经比例调节器后作为调速器输出，如下式：

P_prim＝k_f(ω_ref-ω) (4)

式中，P_prim为与调速器输出对应的功率指令，kW；k_f为调频系数；

2.2)将换流器定子电压参考值U_ref与实际值U_g的偏差经比例调节器后作为励磁调节器输出，如下式：

E_dU＝k_u(U_ref-U_g) (5)

式中：E_dU、U_g分别为与励磁调节器输出对应的内电势指令与电网电压，V；k_u为励磁调节系数；

2.3)通过引入无功闭环控制，并将其输出作为内电势参考值的一部分，使级联链式结构储能换流器具备参与无功调节的能力，如下式：

E_dQ＝(Q_ref-Q)·PI(s) (6)

式中，E_dQ为与无功调节对应的内电势值，V；Q_ref、Q分别为无功参考值与实际值，Var。

进一步的，步骤3)中级联模块间和相间SOC均衡控制，具体是：

3.1)分别计算a、b、c相n个级联模块电池SOC平均值，其值为

SOC_a＝(SOC_a1+SOC_a2+…+SOC_an)/n (7)

SOC_b＝(SOC_b1+SOC_b2+…+SOC_bn)/n (8)

SOC_c＝(SOC_c1+SOC_c2+…+SOC_cn)/n (9)

3.2)将三条换流链SOC平均值SOC_a、SOC_b、SOC_c经过三相到两相变换后，通过PI调节器计算可得到用于相间SOC均衡控制的零序电压幅值信息；再根据储能换流器输出有功、无功电流确定用于相间SOC均衡控制的零序电压相位信息；最后将零序电压作为dq0→abc变换的0轴分量，经2r→3s变换后叠加到各个子模块即实现相间SOC均衡控制；

3.3)根据三条换流链SOC平均值SOC_a、SOC_b、SOC_c，计算总SOC平均值，其大小为

SOC_avg＝(SOC_a+SOC_b+SOC_c)/3 (10)

而第k个电池组SOC_k与总平均值的偏差为

ΔSOC_k＝SOC_avg-SOC_k (11)

式中，ΔSOC_k为第k路电池组SOC_k与平均值之差；

与储能换流器三条换流链各级联模块电池SOC均衡相对应的输出电压为

式中：u_SOCk、k_b分别为与第k(k＝1～n)个模块对应电池组SOC均衡控制相对应的输出输出电压与调节系数，i_a,b,c为三相电流，A；

3.4)将相间SOC均衡控制器输出零序电压u₀相应与定子电流闭环控制单元的输出叠加，再与式(12)～(14)对应的各级联模块电池SOC均衡控制的输出叠加后共同作为调制波，即实现SOC均衡控制与虚拟同步发电机控制的融合。

进一步的，所述定子电压闭环控制在旋转坐标系下引入虚拟电阻R和虚拟电抗L，虚拟电阻R用于抑制暂态故障态下的过电流，虚拟电抗L用于实现多储能换流器并联运行时的无功功率均衡分配。

本发明的优势是：

本发明的储能换流器采用链式级联结构主电路拓扑，同时实现了中压直挂与储能电池的分散接入，有利于扩容和大容量应用；可满足电力系统日尖峰负荷要求，接收AGC指令并快速增加出力，实现电力系统调峰；在控制策略上，基于链式结构换流器实现了对同步发电机机械与机电模型的模拟，在暂态/静态频率与电压调节方面具有与同步机相同的效果，且首次实现了SOC(State-Of-Charge，荷电状态/电池剩余容量)均衡控制与虚拟同步机控制的融合。

本发明有助于大规模新能源、分布式电源、输电系统及冲击性负荷接入电力系统，方法简单有效，利于工程应用。

附图说明

图1为链式级联结构储能换流器主电路拓扑.

图2为相间SOC均衡控制框图。

图3为本发明的系统总体控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的储能换流器采用链式级联结构主电路拓扑，同时实现了中压直挂与储能电池的分散接入；可满足电力系统日尖峰负荷要求，接收AGC指令并快速增加出力，实现电力系统调峰；引入虚拟同步发电机控制技术，具有暂态/静态频率调节与无功/电压调节功能；采用SOC自均衡控制策略，实现了级联模块间与相间SOC的均衡控制，并首次实现SOC均衡控制与虚拟同步机控制的融合。

参见图1，链式级联结构储能换流器输出直接接入10kV或35kV中压电网。

本发明基于上述拓扑结构，采用的相间SOC均衡控制方法参见如图2，主要包含以下步骤：

步骤1：分别计算a、b、c相n个级联模块电池SOC平均值，其值为

SOC_a＝(SOC_a1+SOC_a2+…+SOC_an)/n (1)

SOC_b＝(SOC_b1+SOC_b2+…+SOC_bn)/n (2)

SOC_c＝(SOC_c1+SOC_c2+…+SOC_cn)/n (3)

步骤2：将三条换流链SOC平均值SOC_a、SOC_b、SOC_c经过三相到两相变换后，通过PI调节器计算可得到用于相间SOC均衡控制的零序电压幅值信息；其次，根据储能换流器输出有功、无功电流确定用于相间SOC均衡控制的零序电压相位信息；最后将零序电压作为dq0→abc变换的0轴分量，经2r→3s变换后叠加到各个子模块即可实现相间SOC均衡控制。

本发明基于上述拓扑，采用的系统总体控制方法参见图3，主要包含以下步骤：

步骤1：接收AGC功率指令P₀，将其作为机械功率P_m的一部分，通过对储能换流器的控制，使其快速增加有功出力，进而实现电力系统调峰；

步骤2：基于链式结构储能换流器，分别建立同步发电机转子运动方程与机电方程模型，并引入调速器与励磁调节器，将两者的输出分别作为机械功率与定子电压参考值，进而实现完整的虚拟同步发电机控制，并对外呈现出暂态/静态频率调节与无功/电压调节特性，具体为

1)基于链式结构储能换流器，分别建立转子运动方程与机电方程模型如下：

u_d＝E_d-Ri_d+ωLi_q (5)

u_q＝E_q-Ri_q-ωLi_d (6)

式中：J为同步发电机转动惯量，kg·m²；ω、ω_g分别为同步发电机电气角频率和电网角频率，rad/s；P_m、P_e分别为同步发电机机械、电磁功率，kW；D为同步发电机阻尼系数，N·m·s；u_d、u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；E_d、E_q分别为内电势d、q轴分量，V；i_d、i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；R、L分别为同步电阻与同步电抗。

2)基于链式结构储能换流器，分别引入调速器与励磁调节器模型，具体是指：将换流器频率参考值ω_ref与实际值ω的偏差经比例调节器后作为调速器输出，如式(7)所示；将换流器定子电压参考值U_ref与实际值U_g的偏差经比例调节器后作为励磁调节器输出，如式(8)所示。

P_prim＝k_f(ω_ref-ω) (7)

式中：P_prim为与调速器输出对应的功率指令，kW；k_f为调频系数。

E_dU＝k_u(U_ref-U_g) (8)

式中：E_dU、U_g分别为与励磁调节器输出对应的内电势指令与电网电压，V；k_u为励磁调节系数。

3)通过引入无功闭环控制并将其输出作为内电势参考值的一部分，可使级联链式结构储能换流器具备参与无功调节的能力，如下式(9)所示：

E_dQ＝(Q_ref-Q)·PI(s) (9)

式中：E_dQ为与无功调节对应的内电势值，V；Q_ref、Q分别为无功参考值与实际值，Var。

不考虑电力系统调峰指令P₀，将调速器输出P_prim作为转子运动方程中机械功率P_m，则由式(4)～(9)即可构成完整的换流器虚拟同步机控制，并对外呈现出暂态/静态调频与无功/电压调节特性。

步骤3：将图2中相间SOC均衡控制器输出零序电压u₀分别与虚拟同步机定子电流调节器输出叠加，再与各级联模块电池SOC均衡控制器输出叠加后共同作为调制波，即可实现SOC均衡控制与虚拟同步机控制的融合。

以上实施例为本发明的一个示例，而非对本申请权利要求的限制，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴。

Claims (6)

1.一种具有调峰调频功能的中压直挂式储能换流器系统，包括储能换流器及其控制系统，其特征在于：所述储能换流器采用链式级联结构主电路拓扑，主电路每一相的输入端和输出端分别直接与相应的电池单元级联组和中压电网相连，以实现中压直挂与储能电池的分散接入；控制系统包括：

SOC均衡控制单元，包括级联模块间SOC均衡控制器和相间SOC均衡控制器；

调速器，接收储能换流器频率参考值ω_ref以及实际值ω，输出叠加AGC下发的用于电力系统调峰控制的功率指令P₀后，作为同步发电机转子运动方程模型中的机械功率提供给功频控制器；

功频控制器，其输出为同步角θ，用于对定子电压、定子电流进行dq旋转变换；

励磁与无功调节器，接收无功参考值Q_ref以及实际值Q和储能换流器的定子电压参考值U_ref以及实际值U_g，输出作为同步发电机机电方程模型中的定子电压参考值提供给定子电压闭环控制单元；

定子电压闭环控制单元，其输出作为定子电流闭环控制单元的参考输入；

所述相间SOC均衡控制器输出零序电压u₀相应与所述定子电流闭环控制单元的输出叠加，再与级联模块间SOC均衡控制器的输出叠加后共同作为调制波，即实现SOC均衡控制与虚拟同步机控制的融合。

2.基于权利要求1所述具有调峰调频功能的中压直挂式储能换流器系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1)基于链式结构储能换流器，分别建立同步发电机转子运动方程与机电方程模型；检测各级联模块电池单元SOC，分别建立级联模块间和相间SOC均衡控制模型；

步骤2)引入调速器和励磁与无功调节器，其中调速器的输出再叠加AGC下发的用于电力系统调峰控制的功率指令P₀作为机械功率，励磁与无功调节器的输出作为定子电压参考值；相应分别进行功频控制和定子电压闭环控制以及定子电流闭环控制，进而实现虚拟同步发电机控制，并对外呈现出暂态/静态频率调节与无功/电压调节特性；

步骤3)通过将级联模块间和相间SOC均衡控制输出与定子电流调节器输出叠加，实现SOC均衡控制与虚拟同步发电机控制的相互融合。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：步骤1)中所述同步发电机转子运动方程与机电方程模型，具体如下：

u_d＝E_d-Ri_d+ωLi_q (2)

u_q＝E_q-Ri_q-ωLi_d (3)

式中：J为同步发电机转动惯量，kg·m²；ω、ω_g分别为同步发电机电气角频率和电网角频率，rad/s；P_m、P_e分别为同步发电机机械、电磁功率，kW；D为同步发电机阻尼系数，N·m·s；u_d、u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；E_d、E_q分别为内电势d、q轴分量，V；i_d、i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；R、L分别为同步电阻与同步电抗。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：步骤2)中引入调速器和励磁与无功调节器，具体是：

2.1)将换流器频率参考值ω_ref与实际值ω的偏差经比例调节器后作为调速器输出，如下式：

P_prim＝k_f(ω_ref-ω) (4)

式中，P_prim为与调速器输出对应的功率指令，kW；k_f为调频系数；

2.2)将换流器定子电压参考值U_ref与实际值U_g的偏差经比例调节器后作为励磁调节器输出，如下式：

E_dU＝k_u(U_ref-U_g) (5)

式中：E_dU、U_g分别为与励磁调节器输出对应的内电势指令与电网电压，V；k_u为励磁调节系数；

2.3)通过引入无功闭环控制，并将其输出作为内电势参考值的一部分，使级联链式结构储能换流器具备参与无功调节的能力，如下式：

E_dQ＝(Q_ref-Q)·PI(s) (6)

式中，E_dQ为与无功调节对应的内电势值，V；Q_ref、Q分别为无功参考值与实际值，Var。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：步骤3)中级联模块间和相间SOC均衡控制，具体是：

3.1)分别计算a、b、c相n个级联模块电池SOC平均值，其值为

SOC_a＝(SOC_a1+SOC_a2+…+SOC_an)/n (7)

SOC_b＝(SOC_b1+SOC_b2+…+SOC_bn)/n (8)

SOC_c＝(SOC_c1+SOC_c2+…+SOC_cn)/n (9)

3.2)将三条换流链SOC平均值SOC_a、SOC_b、SOC_c经过三相到两相变换后，通过PI调节器计算可得到用于相间SOC均衡控制的零序电压幅值信息；再根据储能换流器输出有功、无功电流确定用于相间SOC均衡控制的零序电压相位信息；最后将零序电压作为dq0→abc变换的0轴分量，经2r→3s变换后叠加到各个子模块即实现相间SOC均衡控制；

3.3)根据三条换流链SOC平均值SOC_a、SOC_b、SOC_c，计算总SOC平均值，其大小为

SOC_avg＝(SOC_a+SOC_b+SOC_c)/3 (10)

而第k个电池组SOC_k与总平均值的偏差为

ΔSOC_k＝SOC_avg-SOC_k (11)

式中，ΔSOC_k为第k路电池组SOC_k与平均值之差；

与储能换流器三条换流链各级联模块电池SOC均衡相对应的输出电压为

式中：u_SOCk、k_b分别为与第k(k＝1～n)个模块对应电池组SOC均衡控制相对应的输出输出电压与调节系数，i_a,b,c为三相电流，A；

3.4)将相间SOC均衡控制器输出零序电压u₀相应与定子电流闭环控制单元的输出叠加，再与式(12)～(14)对应的各级联模块电池SOC均衡控制的输出叠加后共同作为调制波，即实现SOC均衡控制与虚拟同步发电机控制的融合。

6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述定子电压闭环控制在旋转坐标系下引入虚拟电阻R和虚拟电抗L，虚拟电阻R用于抑制暂态故障态下的过电流，虚拟电抗L用于实现多储能换流器并联运行时的无功功率均衡分配。