CN109103930B - 一种含超级电容器的光储系统可控虚拟惯性控制方法 - Google Patents

一种含超级电容器的光储系统可控虚拟惯性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含超级电容器的光储系统可控虚拟惯性控制方法。本发明计算光伏储能发电系统的频率变化量，采集超级电容器的荷电状态；若光储发电系统的频率变化量不等于0，且实时光伏储能发电系统的频率小于电网频率，在第一超级电容器惯性参数不等于0情况下进行虚拟惯性控制；若光储发电系统的频率变化量不等于0，且实时光伏储能发电系统的频率大于等于电网频率，在第二超级电容器惯性参数不等于0情况下进行虚拟惯性控制。本发明优点在于使超级电容器的虚拟惯量灵活可调并系统提供及时的惯性支持。

Description

一种含超级电容器的光储系统可控虚拟惯性控制方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种基于盲自适应斜投影的雷达参考信号提取方法。
本发明属于光伏发电方法领域，涉及发电系统的虚拟惯性控制方法，尤其是一种含超级电容器的光储系统可控虚拟惯性控制方法。
背景技术
新能源发电具备投资节约、发电方式灵活、与环境兼容等优点，其大规模的开发和利用，已成为实现全球能源—经济—环境可持续发展的重要选择。其中，光伏与储能的渗透率也在逐年增加，电力系统的安全稳定性运行将面临更多新的挑战。由于光伏和超级电容器等储能装置属于静止元件，通常由电力电子变流器接入电网，虽然响应速度快，但其不具备机械转动惯量，从而导致系统的惯性降低，影响系统的稳定性，但目前关于含超级电容器的光储发电系统的惯性控制尚缺乏理论支撑和实用方法。为解决这一问题，合理开发超级电容器自身特性，拓展惯性的能量来源，迅速调用超级电容器所存储的能量，使其能够改善电力系统的低惯性，获得对于系统频率变化的惯性响应具有重大意义。
发明内容
本发明要解决的关键技术问题是提供一种含超级电容器的光储系统可控虚拟惯性控制方法。
本发明采用的技术方案是：
一种含超级电容器的光储发电系统的可控虚拟惯性控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：计算光伏储能发电系统的频率变化量，采集超级电容器的荷电状态；
步骤2：若光储发电系统的频率变化量不等于0，且实时光伏储能发电系统的频率小于电网频率，在第一超级电容器惯性参数不等于0情况下进行虚拟惯性控制；
步骤3：若光储发电系统的频率变化量不等于0，且实时光伏储能发电系统的频率大于等于电网频率，在第二超级电容器惯性参数不等于0情况下进行虚拟惯性控制；
作为优选，步骤1中所述光伏储能发电系统的频率变化量为：
Δf＝ft-ft-1
其中，ft为t时刻光伏储能发电系统的频率，ft-1为t-1时刻光伏储能发电系统的频率；
步骤1中所述超级电容器的荷电状态为SOC；
作为优选，步骤2中所述光储发电系统的频率变化量为步骤1中所述Δf；
步骤2中所述实时光伏储能发电系统的频率为步骤1中所述t时刻光伏储能发电系统的频率ft；
步骤2中所述电网频率为fg；
步骤2中所述第一超级电容器惯性参数k1的表达式为：
k1＝sign(f-50)ln(ρsoc+0.9)
其中，ρsoc为超级电容器荷电状态，sign为符号函数；
超级电容器的荷电状态ρsoc可表示为：
Figure BDA0001810680790000021
其中，Ec表示超级电容器的容量，Uc是超级电容器的电压，EcN是超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压；
步骤2中所述进行虚拟惯性控制，调节超级电容器输出能量Wc，其表达式为：
Figure BDA0001810680790000022
Figure BDA0001810680790000023
Figure BDA0001810680790000024
Figure BDA0001810680790000025
其中，C是超级电容器的电容，uc为超级电容器上的电压，ωe是发电机的同步电角速度，pn是电机的极对数，Jvir-c是超级电容器的虚拟惯量，Js为发电机的转动惯量，EcN为超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压，ΔPc1为频率过低超级电容器调用的能量，k1为第一超级电容器惯性参数，kc为超级电容器虚拟惯性参数，Ek是同步发电机的旋转动能，Δρsoc表示荷电状态变化量，Δωe表示发电机的同步电角速度变化量；
作为优选，步骤3中所述光储发电系统的频率变化量为步骤1中所述Δf；
步骤3中所述实时光伏储能发电系统的频率为步骤1中所述t时刻光伏储能发电系统的频率ft；
步骤3中所述电网频率为fg；
步骤3中所述第二超级电容器惯性参数k2的表达式为：
k2＝-sign(f-50)ln(ρsoc+0.1)
其中，ρsoc为超级电容器荷电状态，sign为符号函数；
超级电容器的荷电状态ρsoc可表示为：
Figure BDA0001810680790000031
式中：Ec表示超级电容器的容量，Uc是超级电容器的电压，EcN是超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压。
步骤3中所述进行虚拟惯性控制，系统频率变化过程中，频率过高超级电容器调用的能量ΔPc表示为：
Figure BDA0001810680790000032
Figure BDA0001810680790000033
Figure BDA0001810680790000034
Figure BDA0001810680790000035
其中，C是超级电容器的电容，uc为超级电容器上的电压，ωe是发电机的同步电角速度，pn是电机的极对数，Jvir-c是超级电容器的虚拟惯量，Js为发电机的转动惯量，EcN为超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压，ΔPc2为频率过高超级电容器调用的能量，k2为第二超级电容器惯性参数，kc为超级电容器虚拟惯性参数，Ek是同步发电机的旋转动能，Δρsoc表示荷电状态变化量，Δωe表示发电机的同步电角速度变化量。
采用上述方法方案所产生的有益效果在于：
本发明通过检测电力系统频率的变化与超级电容器的荷电状态参数SOC，调节超级电容器的荷电状态变化率与充放电电流的速率，从而短时迅速地调用超级电容器储备能量对系统提供惯性支持。超级电容器属于静止储能元件，无旋转惯性，本发明定义了超级电容器的虚拟转动惯量，建立了频率、超级电容器的荷电状态与能量之间的动态关系，使超级电容器的虚拟惯量灵活可调，为系统提供及时的惯性支持。
附图说明
图1：本发明的流程图；
图2：本发明的实施方式拓扑结构图；
图3：本发明的超级电容器的可控虚拟惯性控制原理图；
图4：本发明的超级电容器惯性分区图；
图5：负荷突减的系统频率；
图6：负荷突减的发电机电磁功率；
图7：负荷突减的超级电容器SOC；
图8：负荷突减的超级电容器功率；
图9：负荷突增的系统频率；
图10：负荷突增的发电机电磁功率；
图11：负荷突增的超级电容器SOC；
图12：负荷突增的超级电容器功率。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明的方法流程图，本发明实施方式的仿真拓扑结构如图2所示。光伏电池侧DC/DC换流器与超级电容器侧DC/DC换流器并联连接，经DC/AC并网逆变器接于B2母线处。正常运行时，光伏电池处于最大功率跟踪运行状态。为简化分析，假定辐照强度为800w/m2。本发明设置两种实时方式场景，第一场景为系统在10s时负荷突减70kW，第二场景为系统在10s时负荷突增70kW。
如图3为超级电容器可控虚拟惯性的控制原理框图。当系统发生有功扰动，超级电容器的虚拟惯性控制器采集系统频率f和超级电容器的荷电状态参数。通过计算超级电容器惯性参数k判断超级电容器的工作区域。若惯性参数为零，则超级电容器处于危险充放电区，停止工作。若不为零，则通过调节超级电容器荷电状态变化率与发电机转速变化率的比值kc的大小，控制超级电容器的工作电流，迅速调节超级电容器所储备的能量，虚拟出比同步发电机更大的转动惯量，调节系统的惯性。
当超级电容器采集的系统的频率f>50时，系统的频率上升，为了抑制频率的突变，且同时防止超级电容器过度充放电，接着引入超级电容器惯性参数，判断超级电容器是否处在正常工作状态。若超级电容器处于安全充放电区，即10％<SOC<90％，此时将频率的变化量经过高通滤波环节输出，通过调节超级电容器的荷电状态变化率与发电机转速变化率的比值kc的大小，快速吸收能量，为系统提供惯性支持。
当超级电容器采集的系统频率f<50时，系统的频率下降，此时仍先通过实时计算超级电容器惯性参数，判断是否工作在安全充放电区。若超级电容器工作在安全充放电区，则引入系统频率的变化量，附加虚拟惯性控制，通过调节超级电容器的荷电状态变化率与发电机转速变化率的比值kc的大小，控制超级电容器储备的能量，虚拟出比同步发电机更大的转动惯量，调节系统的惯性。
图4是本发明的超级电容器惯性分区图。
下面结合图1至图4介绍本发明的实施方式，本发明实施方式的技术方案为一种含超级电容器的光储发电系统的可控虚拟惯性控制方法，包括以下步骤：
步骤1：计算光伏储能发电系统的频率变化量，采集超级电容器的荷电状态；
步骤1中所述光伏储能发电系统的频率变化量为：
Δf＝ft-ft-1
其中，ft为t时刻光伏储能发电系统的频率，ft-1为t-1时刻光伏储能发电系统的频率；
步骤1中所述超级电容器的荷电状态为SOC；
步骤2：若光储发电系统的频率变化量不等于0，且实时光伏储能发电系统的频率小于50，在第一超级电容器惯性参数不等于0情况下进行虚拟惯性控制；
步骤2中所述光储发电系统的频率变化量为步骤1中所述Δf；
步骤2中所述实时光伏储能发电系统的频率为步骤1中所述t时刻光伏储能发电系统的频率ft；
步骤2中所述电网频率为fg＝50Hz；
步骤2中所述第一超级电容器惯性参数k1的表达式为：
k1＝sign(f-50)ln(ρsoc+0.9)
其中，ρsoc为超级电容器荷电状态，sign为符号函数；
超级电容器的荷电状态ρsoc可表示为：
Figure BDA0001810680790000061
其中，Ec表示超级电容器的容量，Uc是超级电容器的电压，EcN是超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压；
步骤2中所述进行虚拟惯性控制，调节超级电容器输出能量Wc，其表达式为：
Figure BDA0001810680790000062
Figure BDA0001810680790000063
Figure BDA0001810680790000064
Figure BDA0001810680790000065
其中，C是超级电容器的电容，uc为超级电容器上的电压，ωe是发电机的同步电角速度，pn是电机的极对数，Jvir-c是超级电容器的虚拟惯量，Js为发电机的转动惯量，EcN为超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压，ΔPc1为频率过低超级电容器调用的能量，k1为第一超级电容器惯性参数，kc为超级电容器虚拟惯性参数，Ek是同步发电机的旋转动能，Δρsoc表示荷电状态变化量，Δωe表示发电机的同步电角速度变化量；
步骤3：若光储发电系统的频率变化量不等于0，且实时光伏储能发电系统的频率大于等于50，在第二超级电容器惯性参数不等于0情况下进行虚拟惯性控制；
步骤3中所述光储发电系统的频率变化量为步骤1中所述Δf；
步骤3中所述实时光伏储能发电系统的频率为步骤1中所述t时刻光伏储能发电系统的频率ft；
步骤3中所述电网频率为fg＝50Hz；
步骤3中所述第二超级电容器惯性参数k2的表达式为：
k2＝-sign(f-50)ln(ρsoc+0.1)
其中，ρsoc为超级电容器荷电状态，sign为符号函数；
超级电容器的荷电状态ρsoc可表示为：
Figure BDA0001810680790000071
式中：Ec表示超级电容器的容量，Uc是超级电容器的电压，EcN是超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压；
步骤3中所述进行虚拟惯性控制，系统频率变化过程中，频率过高超级电容器调用的能量ΔPc表示为：
Figure BDA0001810680790000072
Figure BDA0001810680790000073
Figure BDA0001810680790000074
Figure BDA0001810680790000075
其中，C是超级电容器的电容，uc为超级电容器上的电压，ωe是发电机的同步电角速度，pn是电机的极对数，Jvir-c是超级电容器的虚拟惯量，Js为发电机的转动惯量，EcN为超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压，ΔPc2为频率过高超级电容器调用的能量，k2为第二超级电容器惯性参数，kc为超级电容器虚拟惯性参数，Ek是同步发电机的旋转动能，Δρsoc表示荷电状态变化量，Δωe表示发电机的同步电角速度变化量。
图5至图8为负荷突减时的动态响应曲线图。当系统在10s时发生负荷突减，如图5中实线所示，系统频率增大至50.78Hz。当光储系统附加虚拟惯性控制后如图5虚线所示，系统频率的上升速率得到明显减缓，频率上升的最高值由50.78Hz下降至50.48Hz，频率幅值的变化减少了39％。同时从图6中也可看出，当附加虚拟惯性控制后，由于超级电容器的迅速充电，快速分担了系统中同步发电机承担的不平衡功率。图7为超级电容器的荷电状态参数曲线，附加虚拟惯性控制后，此时超级电容器快速充电。如图8所示，超级电容器快速吸收同步发电机发出的多余功率，减缓系统频率的变化，为系统提供惯性支持。
图9至图12为负荷突增时的动态响应曲线图。当系统在10s时负荷突增，如图9中实线所示，频率也随之突然减小，频率迅速跌落至49.10Hz。如图9中虚线所示，当附加虚拟惯性控制后，系统频率的下降速率得到明显减缓，频率下降的最小值由49.1Hz增大至49.51Hz，频率幅值的变化减少了44.4％。图10为发电机的输出功率，当附加虚拟惯性控制后，由于超级电容器的支撑，快速分担了系统中的不平衡功率。同时从图11和图12中也能看出，超级电容器在频率动态过程中对电网起到了显著的惯性支持作用。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种含超级电容器的光储系统可控虚拟惯性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：计算光伏储能发电系统的频率变化量，采集超级电容器的荷电状态；
步骤2：若光储发电系统的频率变化量不等于0，且实时光伏储能发电系统的频率小于电网频率，在第一超级电容器惯性参数不等于0情况下进行虚拟惯性控制；
步骤3：若光储发电系统的频率变化量不等于0，且实时光伏储能发电系统的频率大于等于电网频率，在第二超级电容器惯性参数不等于0情况下进行虚拟惯性控制；
步骤1中所述光伏储能发电系统的频率变化量为：
Δf＝ft-ft-1
其中，ft为t时刻光伏储能发电系统的频率，ft-1为t-1时刻光伏储能发电系统的频率；
步骤1中所述超级电容器的荷电状态为SOC；
步骤2中所述光储发电系统的频率变化量为步骤1中所述Δf；
步骤2中所述实时光伏储能发电系统的频率为步骤1中所述t时刻光伏储能发电系统的频率ft；
步骤2中所述电网频率为fg；
步骤2中所述第一超级电容器惯性参数k1的表达式为：
k1＝sign(f-50)ln(ρsoc+0.9)
其中，ρsoc为超级电容器荷电状态，sign为符号函数；
超级电容器的荷电状态ρsoc表示为：
Figure FDA0002944171340000011
其中，Ec表示超级电容器的容量，Uc是超级电容器的电压，EcN是超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压；
步骤2中所述进行虚拟惯性控制，调节超级电容器输出能量Wc，其表达式为：
Figure FDA0002944171340000012
Figure FDA0002944171340000021
Figure FDA0002944171340000022
Figure FDA0002944171340000023
其中，C是超级电容器的电容，uc为超级电容器上的电压，ωe是发电机的同步电角速度，pn是电机的极对数，Jvir-c是超级电容器的虚拟惯量，Js为发电机的转动惯量，EcN为超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压，ΔPc1为频率过低超级电容器调用的能量，k1为第一超级电容器惯性参数，kc为超级电容器虚拟惯性参数，Ek是同步发电机的旋转动能，Δρsoc表示荷电状态变化量，Δωe表示发电机的同步电角速度变化量；
步骤3中所述光储发电系统的频率变化量为步骤1中所述Δf；
步骤3中所述实时光伏储能发电系统的频率为步骤1中所述t时刻光伏储能发电系统的频率ft；
步骤3中所述电网频率为fg；
步骤3中所述第二超级电容器惯性参数k2的表达式为：
k2＝-sign(f-50)ln(ρsoc+0.1)
其中，ρsoc为超级电容器荷电状态，sign为符号函数；
超级电容器的荷电状态ρsoc表示为：
Figure FDA0002944171340000024
式中：Ec表示超级电容器的容量，Uc是超级电容器的电压，EcN是超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压；
步骤3中所述进行虚拟惯性控制，系统频率变化过程中，频率过高超级电容器调用的能量ΔPc表示为：
Figure FDA0002944171340000025
Figure FDA0002944171340000031
Figure FDA0002944171340000032
Figure FDA0002944171340000033
其中，C是超级电容器的电容，uc为超级电容器上的电压，ωe是发电机的同步电角速度，pn是电机的极对数，Jvir-c是超级电容器的虚拟惯量，Js为发电机的转动惯量，EcN为超级电容器的额定容量，UcN是超级电容器的额定电压，ΔPc2为频率过高超级电容器调用的能量，k2为第二超级电容器惯性参数，kc为超级电容器虚拟惯性参数，Ek是同步发电机的旋转动能，Δρsoc表示荷电状态变化量，Δωe表示发电机的同步电角速度变化量。
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