CN110190610A - 一种提高pcs输出功率的储能系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提高PCS输出功率的储能系统控制方法，以分布式电源的常规逆变器的硬件为基础，通过测量虚拟同步发电机输出的电压和电流，计算出输出的有功功率和无功功率，检测并网点的电压频率，然后通过虚拟同步机控制策略实现对传统同步发电机阻尼和惯性的模拟，在虚拟同步发电机的转动惯量和阻尼系数的模拟环节之前引入无功功率反馈环节，为防止参数m变化太快影响系统稳定性，参数m经过低通滤波器，同时对dP/dt和dQ/dt设定阈值，对转动惯量和阻尼特性模拟环节输出的时电压相角参考值，电压幅值的参考值由功率反馈偏差经过PI控制器得到，避免了电压偏离对虚拟同步发电机阻尼特性的影响，抑制了输出功率变化时的功率振荡，提升了系统稳定性。

Description

一种提高PCS输出功率的储能系统控制方法
技术领域
本发明涉及虚拟同步发电机与分布式发电中的一种提高PCS输出功率的储能系统控制方法。
背景技术
分布式发电机技术的推广应用，提升了电网中分布式电源的数量占比；为了保证了电网频率以及相角的同步，在逆变器的控制中通常需要采用锁相环技术(PLL)，由于分布式电源不具备传统同步发电机所具备的阻尼和惯性，随着基于电力电子逆变器的分布式电源的渗透率的提升，电网的稳定性会逐渐减弱，为了解决分布式电源渗透率的提升所带来的负面影响，采用虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generation,VSG)技术可以模拟传统同步发电机的输出特性，使基于电力电子逆变器的分布式电源可以具备惯性和阻尼，从而增强系统的抗干扰的能力。
但是，虚拟同步发电机所具备的惯性也带来了分布式电源输出有功功率和无功功率振荡的问题，传统的同步发电机系统中通常会使用电力系统稳定器(Power SystemStabilizer,PSS)抑制功率振荡，虚拟同步发电机中并没有实际的转子系统，不能有效抑制输出功率变化时的功率振荡，系统稳定性不好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够避免电压偏离对虚拟同步发电机阻尼特性的影响，抑制输出功率变化时功率振荡的提高PCS输出功率的储能系统控制方法。
本发明提高PCS输出功率的储能系统控制方法，其特征在于：以分布式电源的常规逆变器的硬件为基础的，通过测量虚拟同步发电机输出的电压和电流，计算出输出的有功功率和无功功率，检测并网点的电压频率，然后通过虚拟同步机控制策略实现对传统同步发电机阻尼和惯性的模拟；
虚拟同步发电机中引入同步发电机的二阶转子方程，实现转动惯量和阻尼特性的模拟，转子方程如下：
Pin为虚拟同步控制机等效的输入机械功率，Pout为虚拟同步发电机输出有功功率，J为虚拟转动惯量，D为阻尼系数，Δωm为ωgrid-ωm，ωm为虚拟转子频率，ω0为额定转子频率。通过上述虚拟转子方程可以得到虚拟转子的角频率ωm。进一步对ωm进行积分可以得到对应的相角θm，用于控制输出电压；
假设虚拟同步发电机的输出电压为Vt，电网电压为Vgrid，两者之间的连接阻抗为R+jX，则虚拟同步发电机输出功率为：
变换为
δ为Vt和Vgrid两者之间的的相角差；
虚拟同步发电机的输出功率为以为圆心，为半径的圆，
对P,Q进行小信号分析，在P(δ,Vt)和Q(δ,Vt)附近，可以得到：
dP＝Pδdδ+PVtdVt
dQ＝Qδdδ+QVtdVt
其中Pδ，PVt，Qδ，QVt为有功功率P和无功功率Q的对下标的偏微分；
假设初始的有功功率为P0，初始无功功率为Q0，线性化后有功功率和无功功率可以分别表示为：
从而可以得到
其中
-PVtΔt表示了虚拟同步发电机控制和电压变化之间的的联系，输出有功功率也会受到电压的影响；
改变虚拟同步发电机的转子方程为：
其中
将线性化的有功和无功功率带入后得到：
而
输出有功功率不受电压影响；
在转动惯量和阻尼特性模拟环节，输入有有功功率参考值Pin，有功功率输出值Pout，无功功率参考值Q*，无功功率输出值Qout以及电网电压频率fgrid，输出为输出电压的相角参考值；
所述参数m的选取规则为；
当dδ/dt＝0时
当dVt/dt＝0时
所述参数m需要经过低通滤波器，同时dP/dt和dQ/dt需要设定阈值；
无功功率控制部分，输入为无功功率参考数值Q*，无功功率输出值Qout；两者之差通过PI控制器，输出为电压幅值参考值。
本发明提高PCS输出功率的储能系统控制方法，以分布式电源的常规逆变器的硬件为基础，通过测量虚拟同步发电机输出的电压和电流，计算出输出的有功功率和无功功率，检测并网点的电压频率，然后通过虚拟同步机控制策略实现对传统同步发电机阻尼和惯性的模拟，在虚拟同步发电机的转动惯量和阻尼系数的模拟环节之前引入无功功率反馈环节m(Q*-Qout)，为防止参数m变化太快影响系统稳定性，参数m经过低通滤波器，同时对dP/dt和dQ/dt设定阈值，对转动惯量和阻尼特性模拟环节输出的时电压相角参考值，电压幅值的参考值由功率反馈偏差经过PI控制器得到，避免了电压偏离对虚拟同步发电机阻尼特性的影响，抑制了输出功率变化时的功率振荡，提升了系统稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提高PCS输出功率的储能系统控制方法的虚拟同步发电机示意图；
图2是本发明实施例提高PCS输出功率的储能系统控制方法的虚拟同步发电机控制框图；
图3是本发明实施例提高PCS输出功率的储能系统控制方法的有功功率控制部分结构；
图4是本发明实施例提高PCS输出功率的储能系统控制方法的无功功率控制部分结构。
具体实施方式
如图所示，一种提高PCS输出功率的储能系统控制方法，
虚拟同步发电机中引入同步发电机的二阶转子方程，实现转动惯量和阻尼特性的模拟，转子方程如下：
Pin为虚拟同步控制机等效的输入机械功率，Pout为虚拟同步发电机输出有功功率，J为虚拟转动惯量，D为阻尼系数，Δωm为ωgrid-ωm，ωm为虚拟转子频率，ω0为额定转子频率。通过上述虚拟转子方程可以得到虚拟转子的角频率ωm。进一步对ωm进行积分可以得到对应的相角θm，用于控制输出电压。
对于虚拟同步发电机而言，假设其输出电压为Vt，电网电压为Vgrid，两者之间的连接阻抗为R+jX。则虚拟同步发电机输出功率为：
变换为
δ为Vt和Vgrid两者之间的的相角差。
可以看出虚拟同步发电机的输出功率是以为圆心，为半径的圆。
对P,Q进行小信号分析，在P(δ,Vt)和Q(δ,Vt)附近，可以得到：
dP＝Pδdδ+PVtdVt
dQ＝Qδdδ+QVtdVt
其中Pδ，PVt，Qδ，QVt为有功功率P和无功功率Q的对下标的偏微分。
假设初始的有功功率为P0，初始无功功率为Q0，线性化后有功功率和无功功率可以分别表示为：
从而可以得到
其中
上述表示中，-PVtΔt表示了虚拟同步发电机控制和电压变化之间的的联系，输出有功功率也会收到电压的影响。改变虚拟同步发电机的转子方程为
其中
将线性化的有功和无功功率带入后可以得到
而
这意味着输出有功功率不受电压影响。虚拟同步发电机控制中的反馈回来和有功设定值比较的是Pout和mQout。
参数m的选取规则为；
当dδ/dt＝0时
当dVt/dt＝0时
为了防止参数m变化太快影响系统稳定性，参数m需要经过低通滤波器，同时dP/dt和dQ/dt需要设定阈值。
对于无功功率控制采用PI控制，使输出无功功率Qout和设定值Q*相同。Qout作为反馈，和Q*做差，经PI环节输出为虚拟同步发电机的参考电压幅值。
具体设计思路：
本发明涉及一种可抑制输出功率振荡的虚拟同步发电机控制方法，属于虚拟同步发电机与分布式发电领域。
分布式发电机技术的推广应用，提升了电网中分布式电源的数量占比。为了保证了电网频率以及相角的同步，在逆变器的控制中通常需要采用锁相环技术(PLL)。由于分布式电源不具备传统同步发电机所具备的阻尼和惯性，随着基于电力电子逆变器的分布式电源的渗透率的提升，电网的稳定性会逐渐减弱。为了解决分布式电源渗透率的提升所带来的负面影响，采用虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generation,VSG)技术可以模拟传统同步发电机的输出特性，使基于电力电子逆变器的分布式电源可以具备惯性和阻尼，从而增强系统的抗干扰的能力。
但是，虚拟同步发电机所具备的惯性也带来了分布式电源输出有功功率和无功功率振荡的问题。传统的同步发电机系统中通常会使用电力系统稳定器(Power SystemStabilizer,PSS)抑制功率振荡。虚拟同步发电机中并没有实际的转子系统，如何通过合理的控制策略，解决虚拟同步发电机输出功率振荡的问题具有重要的应用价值。
本发明公开了一种可抑制输出功率振荡的虚拟同步发电机控制方法。具体涉及到分布式电源控制方法，通过在模拟转动惯量和阻尼特性前引入了无功功率反馈，具体为m(Q*-Qout)，参数m的选取需要根据实际情况变化，当dδ/dt＝0时，当dVt/dt＝0时，为了防止参数m变化太快影响系统稳定性，参数m需要经过低通滤波器，同时dP/dt和dQ/dt需要设定阈值。对转动惯量和阻尼特性模拟环节输出的时电压相角参考值。电压幅值的参考值由功率反馈偏差经过PI控制器得到。该种控制方式抑制了输出功率变化时的功率振荡，提升了系统稳定性。
1.引入传统同步发电机的转子转动方程的二阶模型，实现对转动惯量和阻尼特性的模拟，在特性模拟之前除了无功功率反馈还引入了有功功率反馈，减少了电压偏离对系统转动惯量和阻尼特性模拟型性能的影响。
2.在转动惯量和阻尼特性模拟环节，输入有有功功率参考值Pin，有功功率输出值Pout，无功功率参考值Q*，无功功率输出值Qout以及电网电压频率fgrid，输出为输出电压的相角参考值。
3.参数m的选取规则为：当dδ/dt＝0时，当dVt/dt＝0时，
4.为了防止参数m变化太快影响系统稳定性，参数m需要经过低通滤波器，同时dP/dt和dQ/dt需要设定阈值。
5.无功功率控制部分，输入为无功功率参考数值Q*，无功功率输出值Qout。两者之差通过PI控制器，输出为电压幅值参考值。

Claims (5)

1.一种提高PCS输出功率的储能系统控制方法，其特征在于：以分布式电源的常规逆变器的硬件为基础的，通过测量虚拟同步发电机输出的电压和电流，计算出输出的有功功率和无功功率，检测并网点的电压频率，然后通过虚拟同步机控制策略实现对传统同步发电机阻尼和惯性的模拟；
虚拟同步发电机中引入同步发电机的二阶转子方程，实现转动惯量和阻尼特性的模拟，转子方程如下：
Pin为虚拟同步控制机等效的输入机械功率，Pout为虚拟同步发电机输出有功功率，J为虚拟转动惯量，D为阻尼系数，Δωm为ωgrid-ωm，ωm为虚拟转子频率，ω0为额定转子频率。通过上述虚拟转子方程可以得到虚拟转子的角频率ωm。进一步对ωm进行积分可以得到对应的相角θm，用于控制输出电压；
假设虚拟同步发电机的输出电压为Vt，电网电压为Vgrid，两者之间的连接阻抗为R+jX，则虚拟同步发电机输出功率为：
变换为
δ为Vt和Vgrid两者之间的的相角差；
虚拟同步发电机的输出功率为以为圆心，为半径的圆，
对P,Q进行小信号分析，在P(δ,Vt)和Q(δ,Vt)附近，可以得到：
dP＝Pδdδ+PVtdVt
dQ＝Qδdδ+QVtdVt
其中Pδ，PVt，Qδ，QVt为有功功率P和无功功率Q的对下标的偏微分；
假设初始的有功功率为P0，初始无功功率为Q0，线性化后有功功率和无功功率可以分别表示为：
从而可以得到
其中
-PVtΔt表示了虚拟同步发电机控制和电压变化之间的的联系，输出有功功率也会受到电压的影响；
改变虚拟同步发电机的转子方程为：
其中
将线性化的有功和无功功率带入后得到：
而
输出有功功率不受电压影响。
2.根据权利要求1所述提高PCS输出功率的储能系统控制方法，其特征在于：在转动惯量和阻尼特性模拟环节，输入有有功功率参考值Pin，有功功率输出值Pout，无功功率参考值Q*，无功功率输出值Qout以及电网电压频率fgrid，输出为输出电压的相角参考值。
3.根据权利要求1所述提高PCS输出功率的储能系统控制方法，其特征在于：参数m的选取规则为；
当dδ/dt＝0时
当dVt/dt＝0时
4.根据权利要求1所述提高PCS输出功率的储能系统控制方法，其特征在于：参数m需要经过低通滤波器，同时dP/dt和dQ/dt需要设定阈值。
5.根据权利要求1所述提高PCS输出功率的储能系统控制方法，其特征在于：无功功率控制部分，输入为无功功率参考数值Q*，无功功率输出值Qout；两者之差通过PI控制器，输出为电压幅值参考值。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106130424A (zh) * 2016-06-24 2016-11-16 西安交通大学 基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法
CN107332275A (zh) * 2017-08-15 2017-11-07 东南大学 一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法
CN109256801A (zh) * 2018-09-28 2019-01-22 东北大学 虚拟同步发电机虚拟惯量和虚拟阻尼系数自适应控制方法

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