CN111900751A - 储能梯次利用系统dc/dc变换器自均流的类同步机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，该储能梯次利用系统采用两级变换器，其中多台储能电池通过各自的直流‑直流变换器并联到直流母线上并经由同一个逆变器连接到电网，前级由多台电池侧的直流‑直流变换器组成，后级电网侧变换器为逆变器，两级变换器协调配合实现虚拟同步机控制。本发明有效降低储能系统在响应电网扰动时电池电流的变化幅度，延长电池寿命。

Description

储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法

技术领域

本发明属于储能及微电网控制技术领域，具体涉及一种储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法。

背景技术

随着并网新能源的不断增加，电力系统的惯性和稳定性不断下降。为了改善这种状况，越来越多的储能电池通过电力转换系统(PCS)接入电网。不同电池组经过多次充放电之后可能充放电能力会有不同程度的下降，因此储能电池的梯次利用对于最大化发挥电池的余能资源具有重要意义。

VSG控制策略由于具备同时为电网提供惯性支撑和下垂支撑的能力，而被广泛研究用于储能并网变换器的控制。但是，在已有的虚拟同步机控制策略下，网侧逆变器的直流母线电压全由源侧储能电池进行控制。而在储能电池梯次利用的场合，各储能电池组允许的最大输出功率不同，很难在实现直流母线电压无差控制的同时又满足各储能电池组输出功率与其最大充放电能力成正比的均流条件。

如何在各个储能电池组共同参与稳定直流母线电压的同时保证其输出功率均衡分配，避免引起任何一组储能电池组过充或过放，是当前工业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对同时实现储能梯次利用系统中DC/DC变换器自均流以及向电网提供惯性和下垂特性支撑的目标，提供了一种储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，该储能梯次利用系统采用两级变换器，其中多台储能电池通过各自的DC/DC变换器并联到直流母线上并经由同一个逆变器连接到电网，前级由多台电池侧的DC/DC变换器组成，后级电网侧变换器为逆变器，两级变换器协调配合实现类同步机控制；

其中，逆变器通过惯性控制调节输出频率，通过无功下垂控制调节逆变器交流电压幅值；各直流变换器均通过直流母线电压比例控制实现有功下垂控制的调频功能。

本发明进一步的改进在于，逆变器实现惯性控制和无功下垂控制的具体步骤如下：

惯性控制通过将直流母线电压测量值与其额定值U_dc做差，得到直流母线电压偏差值，并将直流母线电压偏差值乘转子惯性模拟控制参数M_vir的倒数1/M_vir得到逆变器输入到电网的角频率变化值Δω；将Δω与角频率额定值ω_s加和得到逆变器输入到电网的角频率ω，并对ω积分得到逆变器输入到电网的相位θ；

无功下垂控制通过将无功功率的指令值和逆变器输出的无功功率测量值做差，得到无功功率偏差值；将无功功率偏差值乘无功下垂系数k_Q得到逆变器交流电压幅值调节量ΔE，再将ΔE与电压指令值E_ref加和得到逆变器交流电压幅值E。

本发明进一步的改进在于，由惯性控制得到的相位θ与无功下垂控制得到的电压幅值E构成逆变器的调制电压，经调制后得到逆变器开关管驱动信号。

本发明进一步的改进在于，比例参数M_vir满足下式

式中，U_dc表示直流母线电压额定值，C_dc表示直流母线电容值，J表示虚拟转子转动惯量，ω_s表示角频率额定值。

本发明进一步的改进在于，各DC/DC变换器均实现下垂控制的具体步骤如下：

对于第i台DC/DC变换器，i＝1,2，……n，通过将逆变器直流母线电压额定值U_dc和其测量值做差，得到直流母线电压偏差值；将直流母线电压偏差值乘第i台DC/DC变换器的电压比例控制参数k_{i_i_bat}得到第i台DC/DC变换器的直流电流指令值I_iref；计算第i台DC/DC变换器的直流电流指令值I_iref和第i台DC/DC变换器的直流电流的偏差，偏差经过PI控制计算后，再将PI控制计算的输出作为DC/DC变换器调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到第i台DC/DC变换器的开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

本发明进一步的改进在于，当DC/DC变换器为Buck变换器时，k_{i_i_bat}满足下式

当DC/DC变换器为Boost变换器时，k_{i_i_bat}满足下式

式中，k_ω表示期望的有功-频率下垂系数，S_i表示第i个储能电池所能承受的最大充放电功率，S_n表示所有储能电池所能承受的最大充放电总功率；U_dc表示直流母线电压额定值，U_bati表示第i个储能电池电压。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，本发明有效降低储能系统在响应电网扰动时电池电流的变化幅度，延长电池寿命。本发明避免了测量在新能源集成度高的情况下很难准确得到的电网频率，可以在变换器的频率不是控制回路的输入而是输出的电压控制型变换器上使用。本发明实现简单且避免引入现有技术中由测量频率偏差并经过计算而得到惯性支持所必需的微分算子，避免引入高频振荡。本发明在各个电池组共同参与稳定直流电压的同时保证其输出功率均衡分配，避免引起任何一组电池组过放或过充电。

附图说明

图1为储能电池梯次利用系统示意图。

图2为DC/AC逆变器控制框图。

图3为第i台DC/DC变换器控制框图。

图4为本发明公布的系统及控制方案对电网频率扰动的响应波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种储能梯次利用系统采用两级变换器，其结构示意图如图1所示，其中多台储能电池通过各自的DC/DC变换器并联到直流母线上并经由同一个逆变器连接到电网，前级由多台电池侧的DC/DC变换器组成，后级电网侧变换器为逆变器，两级变换器协调配合实现类同步机控制方案，并且实现储能电池梯次利用和并联DC/DC变流器自均流。逆变器实现惯性控制以及无功下垂控制，各DC/DC变换器均实现有功下垂控制。

本发明提供的储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，包括以下步骤：

1、对于逆变器实现惯性控制和无功下垂控制，如图2所示，包括以下步骤：

1)惯性控制通过将直流母线电压测量值与其额定值U_dc做差，得到直流母线电压偏差值，并将直流母线电压偏差值乘转子惯性模拟控制参数M_vir的倒数1/M_vir得到逆变器输入到电网的角频率变化值Δω；

2)将Δω与角频率额定值ω_s加和得到逆变器输入到电网的角频率ω，并对ω积分得到逆变器输入到电网的相位θ；

3)无功下垂控制通过测量无功功率指令和逆变器输出的无功功率的偏差，得到无功功率偏差值；

4)将无功功率偏差值乘无功下垂系数k_Q得到逆变器交流电压幅值调节量ΔE，再将ΔE与交流电压幅值指令值E_ref加和得到逆变器交流电压幅值E；

5)根据该电压幅值E与相位θ得到逆变器的调制电压，经调制后得到逆变器开关管驱动信号。

2、对于各DC/DC变换器均实现下垂控制，如图3所示，包括以下步骤：

1)通过将逆变器直流母线电压额定值U_dc和其测量值做差，得到直流母线电压偏差值

2)将直流母线电压偏差值乘第i台DC/DC变换器的电压比例控制参数k_{i_ibat}得到第i台DC/DC变换器的直流电流指令值I_iref

3)计算第i台DC/DC变换器的直流电流指令值I_iref和第i台DC/DC变换器的直流电流的偏差，偏差经过PI控制计算后，再将PI控制计算的输出作为DC/DC变换器调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到第i台DC/DC变换器的开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络

实施例：

在本实施例中，以3组电池组分别经过各自的DC/DC变换器接入逆变器的系统为例进行展示。3组电池组的最大充放电功率能力之比为1:2:3。该系统采用本专利公开的控制方案，接入电网运行，电网频率在第3s时由50Hz变为49.8Hz，该系统的响应波形如图4所示。该系统的输出频率f带有惯性地缓慢跟踪电网频率达到49.8Hz，并且输出功率Pe增加以支撑电网增大的功率需求，实现了有功-频率下垂控制。直流电压Udc也带有惯性地缓慢下降到新的平稳值，以反映出电网频率的变化。而3组电池组的输出电流Ibat在整个过程中一直与其最大充放电能力成正比，实现了三组电池组的自动均流。

综上，该实施例证明了本发明所提控制方法的有效性。实施例的具体参数设置参见表1

表1实施例参数

Claims (6)

1.储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，其特征在于，该储能梯次利用系统采用两级变换器，其中多台储能电池通过各自的DC/DC变换器并联到直流母线上并经由同一个逆变器连接到电网，前级由多台电池侧的DC/DC变换器组成，后级电网侧变换器为逆变器，两级变换器协调配合实现类同步机控制；

其中，逆变器通过惯性控制调节输出频率，通过无功下垂控制调节逆变器交流电压幅值；各DC/DC变换器均通过直流母线电压比例控制实现有功下垂控制的调频功能。

2.根据权利要求1所述的储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，其特征在于，逆变器实现惯性控制和无功下垂控制的具体步骤如下：

惯性控制通过将直流母线电压测量值与其额定值U_dc做差，得到直流母线电压偏差值，并将直流母线电压偏差值乘转子惯性模拟控制参数M_vir的倒数1/M_vir得到逆变器输入到电网的角频率变化值Δω；将Δω与角频率额定值ω_s加和得到逆变器输入到电网的角频率ω，并对ω积分得到逆变器输入到电网的相位θ；

无功下垂控制通过将无功功率的指令值和逆变器输出的无功功率测量值做差，得到无功功率偏差值；将无功功率偏差值乘无功下垂系数k_Q得到逆变器交流电压幅值调节量ΔE，再将ΔE与电压指令值E_ref加和得到逆变器交流电压幅值E。

3.根据权利要求2所述的储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，其特征在于，由惯性控制得到的相位θ与无功下垂控制得到的电压幅值E构成逆变器的调制电压，经调制后得到逆变器开关管驱动信号。

4.根据权利要求2所述的储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，其特征在于，比例参数M_vir满足下式

式中，U_dc表示直流母线电压额定值，C_dc表示直流母线电容值，J表示虚拟转子转动惯量，ω_s表示角频率额定值。

5.根据权利要求1所述的储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，其特征在于，各DC/DC变换器均实现下垂控制的具体步骤如下：

对于第i台DC/DC变换器，i＝1,2，……n，通过将逆变器直流母线电压额定值U_dc和其测量值做差，得到直流母线电压偏差值；将直流母线电压偏差值乘第i台DC/DC变换器的电压比例控制参数k_{i_i_bat}得到第i台DC/DC变换器的直流电流指令值I_iref；计算第i台DC/DC变换器的直流电流指令值I_iref和第i台DC/DC变换器的直流电流的偏差，偏差经过PI控制计算后，再将PI控制计算的输出作为DC/DC变换器调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到第i台DC/DC变换器的开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

6.根据权利要求5所述的储能梯次利用系统DC/DC变换器自均流的类同步机控制方法，其特征在于，当DC/DC变换器为Buck变换器时，k_{i_i_bat}满足下式

当DC/DC变换器为Boost变换器时，k_{i_i_bat}满足下式

式中，k_ω表示期望的有功-频率下垂系数，S_i表示第i个储能电池所能承受的最大充放电功率，S_n表示所有储能电池所能承受的最大充放电总功率；U_dc表示直流母线电压额定值，U_bati表示第i个储能电池电压。

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