CN108471129A - 一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法 - Google Patents

一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超导磁储能‑蓄电池的微网暂态稳定控制方法，特征在于：1)在微网与主电网的公共耦合点处经由DC/AC逆变器和DC/DC变流器安装超导磁储能‑蓄电池混合储能装置。2)处理内部故障时的SMES‑蓄电池协调方法。3)处理外部故障时的SMES‑蓄电池协调方法。4)结合上述处理内部、外部故障时的SMES‑蓄电池协调方法，构成处理不同故障时SMES‑蓄电池协调控制方法。本发明结合超导磁储能和蓄电池储能的互补的技术特点，不同故障下在缓解功率波动、减小故障电流、补偿电压下陷、抑制频率波动等方面有显著的作用。整体看来，可本发明对提高微网暂态稳定性有显著效果。

Description

一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法
技术领域
本发明属于电力系统及自动化领域，尤其是涉及一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，结合超导磁储能和蓄电池储能的互补的技术特点，用以提高高渗透微网在不同故障下的暂态稳定性。
背景技术
美国电气技术可靠性解决方案联合会(The Consortium for ElecticReliability Technology Solutions,CERTS)在2003年提出微网的概念，并在国际上被广泛认可。微网由微电源、负荷、储能装置等组成，微网可以供应电能和热能，微电源和储能装置等可以通过电力电子元件进行有效控制，系统运行在一定的控制策略下。微网可以通过公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)连接到主电网中实现并网运行，也可以从主电网中切除从而实现孤岛运行，但两种运行方式都必须保证供电安全和系统稳定，并同时满足用户对电能质量的要求。
无论是在并网运行方式，还是在孤岛运行方式下，都要保证微网中耗电量与发电量保持一致。特别是当微网内部或者外部发生故障时，微网在安全性、稳定性、调频与调压、均衡负荷、改善电能质量等方面都面临严峻的挑战。为此，就必须在微网的关键节点上建立有效且高效的电力存储系统对系统给予支撑。
目前电力存储技术主要包括蓄电池储能、超导磁储能、飞轮储能、超级电容器储能、蓄水储能、压缩空气储能等。考虑到应用于微网的储能装置需要能够频繁的进行大功率充放电，而超导磁储能装置(Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES)正好具有快速充放电、循环寿命长等特点，因此功率型储能设备在微网储能中具有很大的应用价值。但是超导磁储能装置SEMS能量密度较低、容量不足。为了弥补上述缺点，引入储存容量更大的化学方法即使用蓄电池储能。虽然这种设备本身输入输出的功率有限、响应速度较慢，很难满足微网中瞬时的功率变化和突发故障带来的功率要求，其缺点可由超导磁储能装置SEMS来补偿。
因此，采用超导储能装置SMES与蓄电池混合使用组成混合储能装置，可以充分发挥功率型储能与能量型储能各自的优势，实现能量密度大功率密度大、循环寿命长、相应速度快兼备的特点，能有效地提高储能系统的性能。
发明内容
本发明涉及一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，以及时处理微网内部或者外部的暂时故障；在外部故障下无缝切换控制模式；内部故障下减小公共耦合点流过的故障电流，以避免切换至孤岛运行方式。
本发明针对含有多个分布式发电(DG)单元的高渗透微网系统，融合超导磁储能-蓄电池混合储能装置，提出一种协调控制方法以提高微网暂态稳定性。
本发明采用如下技术方案实现：
一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，在微网与主电网的公共耦合点处经由DC/AC逆变器和DC/DC变流器安装超导磁储能-蓄电池混合储能装置。
所述微网系统含有2个光伏发电的分布式发电(Distributed Generation,DG)单元，分别为PV1、PV2，各DG单元经由DC/AC逆变器接入微网与主电网的公共耦合点PCC处；有2个负载，分别为负载1和负载2。在此基础上，投入1个超导磁储能装置SMES和1个铅酸蓄电池，分别经过DC/DC变流器和DC/AC逆变器接入公共耦合点PCC处。
一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，根据系统状态和磁体电流ISMES决定超导磁储能装置SMES和蓄电池的控制模式，若正常运行，超导磁储能装置SMES和蓄电池均采用P-Q控制模式；若为内部故障，则采用恒P-Q控制模式；若为外部故障，则在P-Q控制模式与V-F控制模式之间切换。
处理内部故障时的SMES-蓄电池协调方法：采用恒P-Q控制模式，依据磁体电流和给定的电流系数将处理过程分为三个阶段，1)若磁体电流较大，全部的参考功率分配予超导磁储能装置SMES；2)若磁体电流较小，蓄电池的参考功率随磁体电流的降低而线性增加，其余参考功率分配予超导磁储能装置SMES；3)若磁体电流过小，全部的参考功率分配予蓄电池。
超导磁储能装置SMES逆变器采用两种控制模式：1)为有功功率/无功功率(P-Q)控制模式，用以处理正常情况和内部故障，采用功率外环控制器和电流内环控制器；2)为电压/频率(V-F)控制模式，用以处理外部故障，不仅采用了电压外环控制器和电流内环控制器，而且还应用了基于频率调节的开环控制器。
铅酸蓄电池，在微网正常运行时可以平抑流过PCC处的长期功率波动；在故障时，与超导磁储能装置SMES共同工作，以弥补超导磁储能装置SMES容量不足的缺点。为了保持储能装置控制一致性，蓄电池对应的逆变器也具有与超导磁储能装置SMES相类似的P-Q控制模式或V-F控制模式，在此不再赘述。
为了充分利用铅蓄电池的电流容量和电压容量并与微网电压配合，配置DC/DC变流器。铅酸蓄电池对应DC/DC变流器的控制采用双闭环结构，实现功率的双向调整并提高铅酸蓄电池的利用率，有效抑制直流母线电压波动。
在超导磁储能装置SMES和蓄电池的协调配合中，选择将磁体电流(即超导线圈流过电流)ISMES作为决定蓄电池何时投入运行、超导磁储能装置SMES何时退出运行的关键因素。ISMES有上限ISMES-max和下限ISMES-min。在此，引入电流系数α，构成ISMES的变化的判断标准，将故障处理过程分为如附表1,2所示的三段。
附表1内部故障时SMES和蓄电池的协调方法
附表1说明了在内部故障时超导磁储能装置SMES和蓄电池分配总参考功率(Pref,Qref)的方法。需要说明的是，在第二种情况下，蓄电池的参考功率(Pb,Qb)随着ISMES的降低而线性增加，其变化规律可表示为式(1)。
其目的是控制储能，以期实现对PCC处的逆功率注入，抑制PCC处故障电流，避免微网因电流继电器跳闸转入孤岛运行方式。
处理外部故障时的SMES-蓄电池协调方法：在P-Q控制模式与V-F控制模式之间切换。依据磁体电流和给定的电流系数将处理过程分为三个阶段，1)若磁体电流较大且PCC断路器断开，超导磁储能装置SMES切换至V-F控制模式；2)若磁体电流较小，蓄电池也切换至V-F控制模式；3)若磁体电流过小，超导磁储能装置SMES切换至P-Q控制模式，且功率置零。
附表2外部故障时SMES和蓄电池的协调方法
附表2说明了在外部故障时超导磁储能装置SMES和蓄电池控制模式在P-Q控制模式和V-F控制模式之间切换的方法。需要说明的是，表中SPCC指的是PCC处的联络断路器。当ISMES下降到一定范围时，超导磁储能装置SMES和蓄电池同时切换到V-F控制模式，可以充分满足容量要求。
结合上述处理内部、外部故障时的SMES-蓄电池协调方法，构成处理不同故障时的SMES-蓄电池协调控制方法。
本发明中所涉及的一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，具备以下预期效果：1)如果微网与主电网进行能量交换，则超导磁储能装置SMES可缓解短期功率波动；2)如果出现内部故障，微网可进行故障穿越(FRT)操作，超导磁储能装置SMES将提供与短路电流相反的放电电流来调整潮流，以减小流过PCC故障电流，同时也可减小功率波动；3)当微网发生外部故障时，其孤岛模式将被触发，超导磁储能装置SMES可补偿电压下陷、抑制频率波动，实现控制模式平滑的切换。整体看来，可本发明对提高微网暂态稳定性有显著效果。
附图说明
图1为本发明实例应用中包含超导磁储能-蓄电池混合储能装置的微网系统。
图2为本发明实例应用中所选DC/DC变流器和超导磁储能装置SMES的连接拓扑图。
图3为本发明实例应用中超导磁储能装置SMES逆变器的控制方框图；其中(a)为P-Q控制模式，(b)为V-F控制模式。
图4为本发明实例应用中所选铅酸蓄电池对应DC/DC变流器控制方框图。
图5为本发明实例应用中超导磁储能-蓄电池协调控制方法流程图。
图6为本发明实例应用中内部故障下PCC处交换功率特性。
图7为本发明实例应用中内部故障下储能单元输出功率特性。
图8为本发明实例应用中内部故障下PCC处故障电流特性。
图9为本发明实例应用中内部故障下超导磁储能装置-蓄电池功率分配及磁体电流变化特性。
图10为本发明实例应用中外部故障下PCC处电压特性。
图11为本发明实例应用中外部故障下微网频率特性。
图12为本发明实例应用中外部故障下超导磁储能装置-蓄电池的功率响应特性。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体的说明。
图1所示，为本发明实例应用中包含超导磁储能-蓄电池混合储能装置的微网系统。所选微网含有2个光伏发电的分布式发电(Distributed Generation,DG)单元，分别为PV1、PV2，各DG单元经由DC/AC逆变器接入微网与主电网的公共耦合点PCC处；有1个超导磁储能装置SMES和1个铅酸蓄电池，分别经过DC/DC变流器和DC/AC逆变器接入公共耦合点PCC处；有2个负载，分别为负载1和负载2，与DG单元共同构成简单微网系统。SPCC为断路器。
在关于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法的具体实施上，于此以超导磁储能装置SMES和蓄电池为具体实施对象，详细阐述本发明中所涉及的控制方法。
图2所示，为本发明实例应用中所选DC/DC变流器和超导磁储能装置SMES的连接拓扑图。图中，S1、S2为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)，D1、D2为电力二极管，C为直流电容器，LSC是超导磁储能装置SMES线圈。一般而言，超导磁储能装置SMES中储存的能量ESMES和PSMES可以表示为：
其中，LSC是超导磁储能装置SMES线圈电感；ISMES是流过超导磁储能装置SMES线圈的电流，即磁体电流；Udc是直流侧电压；Pref-SMES是有功功率参考值。
图3所示，为本发明实例应用中超导磁储能装置SMES逆变器的控制方框图。图中，Pref、Qref有功功率、无功功率参考值；PSMES、QSMES是有功功率、无功功率测量值；id、iq是逆变器出口电流直轴、交轴分量测量值；ud、uq是PCC处电压直轴、交轴分量测量值；id-ref、iq-ref是逆变器出口电流直轴分量参考值；ud-ref、uq-ref是主网侧电压直轴、交轴分量参考值；uabc、iabc是主网侧电压、逆变器出口电流测量值；PI指的是PI控制器；ωL是换流电抗器的阻抗；fref是逆变器出口电压或电流的频率参考值；θ、θref是主网侧电压直轴分量与abc坐标系下A相相量之间的夹角(电角度)测量值、参考值；ω是主网侧电压的角频率，由θ微分得；θref由fref乘以2π，再经过积分可得；abc/αβ是克拉克变换；abc/αβ与αβ/dq共同作用是帕克变换；PWM脉冲发生器是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)脉冲发生器；SMES逆变器是与超导磁储能装置SMES相连的逆变器。其中，图(a)所示，为有功功率/无功功率(P-Q)控制模式，用以处理正常情况和内部故障，采用功率外环控制器和电流内环控制器；图(b)所示，为电压/频率(V-F)控制模式，用以处理外部故障，不仅采用了电压外环控制器和电流内环控制器，而且还应用了基于频率调节的开环控制器。
图3所示，为本发明实例应用中铅酸蓄电池等效电池模型。在微网正常运行时，铅酸蓄电池可以平抑流过PCC处的长期功率波动；在故障时，与超导磁储能装置SMES共同工作，以弥补超导磁储能装置SMES容量不足的缺点。为了保持储能装置控制一致性，蓄电池对应的逆变器也具有与超导磁储能装置SMES相类似的P-Q控制模式或V-F控制模式，在此不再赘述。
图4所示，为本发明实例应用中所选铅酸蓄电池对应DC/DC变流器控制方框图。图中，uc-ref、uc是变流器电容电压参考值、测量值；iL-ref、iL是流过变流器接口电感的电流参考值、测量值；iinv是变流器流入逆变器的电流。DC/DC变流器的控制采用双闭环结构，实现功率的双向调整并提高铅酸蓄电池的利用率，有效抑制直流母电压波动。
在超导磁储能装置SMES和蓄电池的协调配合中，选择将磁体电流ISMES作为决定蓄电池何时投入运行、超导磁储能装置SMES何时退出运行的关键因素。ISMES有上限ISMES-max和下限ISMES-min。在此，引入电流系数α，构成ISMES的变化的判断标准，将ISMES的变化分为如附表1,2所示的三段。
附表1说明了在内部故障时超导磁储能装置SMES和蓄电池分配总参考功率(Pref,Qref)的方法。需要说明的是，在第二种情况下，蓄电池的参考功率(Pb,Qb)随着ISMES的降低而线性增加，其变化规律如式(1)所示。其目的是控制储能，以期实现对PCC处的逆功率注入，抑制PCC处故障电流，避免微网因电流继电器跳闸转入孤岛运行方式。
附表2说明了在外部故障时超导磁储能装置SMES和蓄电池控制模式在P-Q控制模式和V-F控制模式之间切换的方法。需要说明的是，表中SPCC指的是PCC处的联络断路器。当ISMES下降到一定范围时，超导磁储能装置SMES和蓄电池同时切换到V-F控制模式，可以充分满足容量要求。
有了以上的基础，可以得出图5所示为本发明实例应用中的超导磁储能-蓄电池协调控制方法流程图。
本发明中所涉及的一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，具备以下预期效果：1)如果微网与主电网进行能量交换，则超导磁储能装置SMES可缓解短期功率波动；3)如果出现内部故障，微网可进行故障穿越(FRT)操作，超导磁储能装置SMES将提供与短路电流相反的放电电流来调整潮流，以减小流过PCC故障电流，同时也可减小功率波动；2)当微网发生外部故障时，其孤岛模式将被触发，超导磁储能装置SMES可补偿电压下陷、抑制频率波动，实现控制模式平滑的切换。整体看来，可本发明对提高微网暂态稳定性有显著效果。
为验证本发明涉及控制方法的具体性能，参照图1所示建立了详细电磁暂态仿真模型，其仿真参数如附表3所示。附表4说明了发明具体实施中的SMES磁体设计参数。
附表3发明具体实施中的系统仿真参数
附表4发明具体实施中的SMES磁体设计参数
对于内部故障的仿真，它在t＝0.5s时发生在负载2上，故障持续时间为1.5s，故障电阻设为1Ω。
图6所示，为本发明实例应用中内部故障下PCC处交换功率特性。图7所示，为本发明实例应用中内部故障下储能单元输出功率特性。图8所示，为本发明实例应用中内部故障下PCC处故障电流特性。此处，将投入超导磁储能装置SMES-蓄电池与仅投入蓄电池两种情况进行对比。从图6-8可以得出结论：内部故障下，在故障馈电初期，相比仅投入蓄电池，投入超导磁储能装置SMES-蓄电池时，减轻了功率波动，即改善了PCC处交换功率和储能单元输出功率的暂态特性；PCC处故障电流不仅暂态特性得到改善，而且稳态短路电流也降低30％，对于电流继电器跳闸以至微网转入孤岛运行方式至关重要。综上所述，采用本发明一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，内部故障下，在减轻功率波动、抑制故障电流方面都有显著的效果，有效地提高了微网的暂态稳定性。
图9所示，为本发明实例应用中内部故障下超导磁储能装置-蓄电池功率分配及磁体电流变化特性。磁体电流ISMES的变化决定了超导储能装置和蓄电池之间的功率分配。图中所示仿真结果完全符合上述处理内部故障的协调方法。
对于外部故障的仿真，它在t＝0.5s时发生在PCC处，100ms后，PCC断路器将断开。
图10所示，为本发明实例应用中外部故障下PCC处电压特性。图11所示，为本发明实例应用中外部故障下微网频率特性。此处，将投入超导磁储能装置SMES-蓄电池与仅投入蓄电池两种情况进行对比。图10-11可以得出结论：用本发明一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，在外部故障下，在补偿电压下陷、抑制频率波动方面都有显著的效果，有效地提高了微网的暂态稳定性。
图12所示，为本发明实例应用中外部故障下超导磁储能装置-蓄电池的功率响应特性。图12包括理论总输出功率特性、超导磁储能装置和蓄电池的单独输出功率特性。图中标出超导磁储能装置SMES控制模式切换、蓄电池控制模式切换以及超导磁储能装置SMES退出运行的时间点。不难发现，当微网切换到孤岛运行模式(PCC断路器断开)后，超导磁储能装置SMES立即从原来的P-Q控制模式切换到V-F控制模式；约230ms以后，蓄电池也从原来的P-Q控制模式切换到V-F控制模式；约2.11s时，超导磁储能装置SMES再次切换到P-Q模式，同时P、Q参考值设定为0，即使之退出运行。图中所示仿真结果完全符合上述处理外部故障的协调方法。
综合上述，处理内部故障和外部故障的仿真结果，验证了本发明一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法在处理不同故障的有效性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，所述微网包括2个光伏发电的分布式发电DG单元，分别为PV1、PV2，各DG单元分别经由第一DC/AC逆变器、第二DC/AC逆变器接入微网与主电网的公共耦合点PCC处；还有2个负载，分别为负载1和负载2；其特征在于，在微网与主电网的公共耦合点处依次经由第三DC/AC逆变器和第一DC/DC变流器安装超导磁储能装置SMES、在微网与主电网的公共耦合点处依次经由第四DC/AC逆变器和第二DC/DC变流器安装蓄电池。
2.根据权利要求1所述的一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，其特征在于，根据系统状态和磁体电流ISMES决定超导磁储能装置SMES和蓄电池的控制模式，若正常运行，超导磁储能装置SMES和蓄电池均采用P-Q控制模式；若为内部故障，则采用恒P-Q控制模式；若为外部故障，则在P-Q控制模式与V-F控制模式之间切换。
3.根据权利要求2所述的一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，其特征在于，所述恒P-Q控制模式，依据磁体电流和给定的电流系数将处理过程分为三个阶段，1)若磁体电流满足ISMES-max≥ISMES≥[ISMES-min+α(ISMES-max-ISMES-min)]，全部的参考功率分配予超导磁储能装置SMES；2)若磁体电流满足[ISMES-min+α(ISMES-max-ISMES-min)]≥ISMES≥ISMES-min，蓄电池的参考功率随磁体电流的降低而线性增加，其余参考功率分配予超导磁储能装置SMES；3)若磁体电流ISMES＝ISMES-min，全部的参考功率分配予蓄电池；ISMES-max和ISMES-min分别为ISMES的上限和下限，α为电流系数。
4.根据权利要求2所述的一种基于超导磁储能-蓄电池的微网暂态稳定控制方法，其特征在于，所述在P-Q控制模式与V-F控制模式之间切换；依据磁体电流和给定的电流系数将处理过程分为三个阶段，1)若磁体电流满足ISMES-max≥ISMES≥[ISMES-min+α(ISMES-max-ISMES-min)]且PCC断路器断开，超导磁储能装置SMES切换至V-F控制模式；2)若磁体电流满足[ISMES-min+α(ISMES-max-ISMES-min)]≥ISMES≥ISMES-min，蓄电池也切换至V-F控制模式；3)若磁体电流ISMES＝ISMES-min，超导磁储能装置SMES切换至P-Q控制模式，且功率置零；ISMES-max和ISMES-min分别为ISMES的上限和下限，α为电流系数。
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