CN112398167B - 一种提高微网储能一次调频性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高微网储能一次调频性能的方法，包括：建立储能微网并网逆变器虚拟同步机VSG转子机械方程和无功‑电压调节方程；将虚拟调速器引入转子机械控制环节内；得到有功‑频率变化量方程；得到VSG稳态一次调频下垂方程；得到动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数；将得到的动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数引入储能微网并网逆变器VSG转子机械方程中，将动态虚拟阻尼系数引入VSG稳态一次调频下垂方程中，达到提高微网储能一次调频性能的目的。本发明采用VSG控制策略在微网储能一次调频控制系统中，能够为电网提供惯性和阻尼支撑，一次调频性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高微网储能一次调频性能的方法，该方法将改进虚拟同步机控制应用于微网储能并网逆变器一次调频控制中，提高微网储能一次调频性能。针对传统VSG一次调频过程中功率震荡问题，采用动态虚拟参数，根据VSG虚拟角频率实时变化虚拟参数增加功率稳定。
背景技术
电网容量不断增加，区域电网结构变的复杂，由光伏、风电等高渗透率分布式电源点组成的微网，由于其低惯性、低阻尼特性，势必会对大电网的频率稳定性造成影响。储能单元作为可以灵活充放电的电源，能够实现在微网中动态吸收、释放能量，且因为其响应快速、控制灵活，在维持网侧频率稳定有无可替代的优势。通常是将储能设备接至分布式电源点的并网逆变器直流侧，作为调节负荷基础。为了实现“友好”并网，目前广泛采用虚拟同步机(Virtual Synchronous Generation,VSG)控制方法，VSG控制通过模仿同步发电机特性能够为系统提供惯性和阻尼支撑，使得并网逆变器具备调频和调压功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高微网储能一次调频性能的方法，将VSG控制应用于微网储能并网逆变器一次调频控制中，提高微网储能一次调频性能。针对传统VSG一次调频过程中功率震荡问题，采用动态虚拟参数，根据VSG虚拟角频率实时变化虚拟参数增加功率稳定。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种提高微网储能一次调频性能的方法，包括以下步骤：
1)建立储能微网并网逆变器虚拟同步机VSG转子机械方程和无功-电压调节方程；
2)根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器，并将虚拟调速器引入步骤1)转子机械控制环节内；
3)联立步骤1)VSG转子机械方程和步骤2)虚拟调速器，得到有功-频率变化量方程；
4)根据步骤3)有功-频率变化量方程得到VSG稳态一次调频下垂方程；
5)为了提高微网储能一次调频性能，在虚拟角频率增加阶段，增加虚拟惯量J同时适当减少虚拟阻尼D；在虚拟角频率减少阶段，减少虚拟惯量J同时适当增加虚拟阻尼D，得到动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数；
6)将步骤5)得到的动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数引入步骤1)储能微网并网逆变器VSG转子机械方程中，将动态虚拟阻尼系数引入步骤4)VSG稳态一次调频下垂方程中，达到提高微网储能一次调频性能的目的。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能微网并网逆变器VSG转子机械方程：
其中：J为虚拟转动惯量；Tm、Te、Td分别为VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；D为阻尼系数；ωg为网侧实际角频率；Pref为有功功率参考值；Pe有功功率实际输出值；在VSG控制系统中，虚拟转动惯量J使得微网储能并网逆变器在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得微网储能并网逆变器具有抑制电网功率振荡的能力；由转子机械方程和虚拟调速器共同构成了并网逆变器有功-频率控制模块；储能微网并网逆变器VSG控制同样具有励磁调节惯性，无功-电压调节表达式为：
其中：U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压偏差；Ku为无功积分调节系数；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器：Pe＝Pref+Kω(ω-ωg)；
其中：Kω为有功调节系数，并将虚拟调速器引入步骤1)转子机械控制环节内。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：联立步骤1)VSG转子机械方程和步骤2)虚拟调速器，得到有功-频率变化量方程：
其中：Δω＝ω-ωg；ΔP＝Pref-Pe；s为微分算子。
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)有功-频率变化量方程得到VSG稳态一次频率下垂方程：
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：在虚拟角频率增加阶段，增加虚拟惯量J同时适当减少虚拟阻尼D；在虚拟角频率减少阶段，减少虚拟惯量J同时适当增加虚拟阻尼D，得到动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数：
其中：kj为虚拟惯量调节系数，该系数正负与
正负一致；J0为虚拟转动惯量稳态值；ω0为额定机械角频率；kd为虚拟阻尼调节系数kd＝D0/J0；D0为虚拟阻尼系数稳态值。
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：将步骤5)得到的动态虚拟惯量J和虚拟阻尼系数D引入步骤1)储能微网并网逆变器VSG转子机械方程中，将动态虚拟阻尼系数D引入步骤4)VSG稳态一次调频下垂方程中，达到提高微网储能一次调频性能的目的。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明采用VSG控制策略在微网储能一次调频控制系统中，能够为电网提供惯性和阻尼支撑，一次调频性能良好；
2.本发明针对对传统VSG一次调频过程中功率震荡问题，采用动态虚拟参数，根据VSG虚拟转速实时变化虚拟参数增加一次调频过程中的功率稳定，进一步提升微网储能一次调频性能。
附图说明
图1为含有储能单元微网构造示意图；
图2为微网储能并网逆变器电路拓扑及VSG控制流程图；
图3为微网储能并网逆变器VSG一次调频控制框图；
图4为同步机功率与转子角频率变化曲线；
图5为微网储能并网逆变器仿真模型图；
图6为微网储能并网逆变器一次调频仿真波形图；
图7为一次调频动态虚拟惯量变化曲线仿真图。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，交流光伏阵列、风电机组称为分布式电源点。光伏阵列、储能单元通过DC-DC换流器与直流汇流母线；风电机组通过AC-DC换流器与直流汇流母线相连；直流汇流母线通过DC-AC并网逆变器、升压变压器与大电网相连。并网逆变器采用VSG控制，与储能单元配合使分布式电源点具备惯量特性。
如图2所示，VSG控制转子机械方程为：
式(1)中：J为虚拟转动惯量；Tm、Te、Td分别为VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；D为阻尼系数；ωg为网侧实际角频率；Pref为有功功率参考值；Pe有功功率实际输出值。在VSG控制系统中，虚拟转动惯量J使得微网储能并网逆变器在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得微网储能并网逆变器具有抑制电网功率振荡的能力。由转子机械方程和虚拟调速器共同构成了并网逆变器有功-频率控制模块，储能微网并网逆变器VSG控制同样具有励磁调节惯性，无功-电压调节表达式为：
式(2)中：U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压偏差；Ku为无功积分调节系数；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值。
如图3所示，VSG一次调频可以实现微网分布式电源和储能单元的有功输出随网侧频率自适应调节变化，其本质上是有功-频率下垂控制，为满足微网储能并网逆变器一次调频控制性能，本发明将虚拟调速器引入VSG有功-频率控制环节内，虚拟调速器表达式为
Pe＝Pref+Kω(ω-ωg) (3)
式(3)中：Kω为有功调节系数。联立式(1)、(3)，并定义Δω＝ω-ωg、ΔP＝Pref-Pe可得：
式(4)中，s为微分算子。根据式(4)可以得到VSG稳态一次调频下垂方程为：
如图4所示传统VSG一次调频过程中，虚拟转动惯量J为定值，J选值过小，系统响应时间可以减少但无法对功率震荡起到抑制作用；J选值过大，系统可以对功率波动起到抑制作用但增加了响应时间。同理，虚拟阻尼系数D选取也会影响功率震荡抑制性能。当发生功率震荡时，角频率增加阶段ω>ω0，其中a阶段dω/dt<0，c阶段dω/dt>0，转子角频率增加阶段需要增加虚拟转动惯量J来约束角频率的增加，以防止ω过快增加从而造成更大超调。转子角频率减少阶段ω<ω0，其中b阶段dω/dt<0，d阶段dω/dt>0，需要减少虚拟转动惯量J使功率尽快恢复至稳定值。本发明提出一种在虚拟角频率增加阶段，增加J同时适当减少D；在虚拟角频率减少阶段，减少J同时适当增加D的自适应控制方案。该方案可以保证系统响应速度并且加快功率稳定。
动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数为：
式(6)中：kj为虚拟惯量调节系数，该系数正负与
正负一致；J0为虚拟转动惯量稳态值；ω0为额定机械角频率；kd为虚拟阻尼调节系数kd＝D0/J0；D0为虚拟阻尼系数稳态值。
如图5所示，为了验证本发明所提动态虚拟参数VSG一次调频控制方法的有效性，在Matlab/Simulink下搭建微网储能并网逆变器VSG控制系统仿真模型。仿真参数如表1。
表1微网储能并网逆变器仿真参数
如图6所示，为了模仿微网储能并网逆变器一次调频过程，设定系统输出初始频率为50Hz，分别在5s和23s时刻做频率阶跃下扰(50Hz→49.7Hz)、上扰(49.7Hz→49.85Hz)。5s时刻，网侧发生0.3Hz频率下阶跃，微网储能并网逆变器进行一次调频，VSG输出有功功率Pe上升，采用常规VSG控制得到的响应功率出现大范围向上波动，且峰值较高，功率震荡严重，而采用本发明所提动态虚拟参数VSG控制得到的响应功率波形波动减少很多，峰值相应减少，可更快稳定至功率目标值，解决了功率震荡问题。23s时刻，当发生0.15Hz频率上阶跃，采用常规VSG控制得到的响应功率出现大范围向下波动，功率震荡严重，极易造成设备脱网，而采用本发明所提动态虚拟参数VSG控制得到的响应输出功率波形更为平滑，输出功率波形几乎无超调，很快稳定至目标功率，功率震荡趋近于0，调节时间进一步缩短，更适用于微网储能并网逆变器一次调频控制中。
如图7所示，本发明所提动态虚拟惯量J可以随微网储能并网逆变器一次调频功率变换而自适应调节，功率波动偏差增大，J相应增大；功率波动偏差减小，J相应减小。自态虚拟惯量调节具有连续光滑特性，可以减少一次调频过程中的功率震荡问题，加快功率稳定至目标值，有效提高了系统的暂态稳定性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种提高微网储能一次调频性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立储能微网并网逆变器虚拟同步机VSG转子机械方程和无功-电压调节方程；
2)根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器，并将虚拟调速器引入步骤1)转子机械控制环节内；
3)联立步骤1)VSG转子机械方程和步骤2)虚拟调速器，得到有功-频率变化量方程；
4)根据步骤3)有功-频率变化量方程得到VSG稳态一次调频下垂方程；
5)为了提高微网储能一次调频性能，在虚拟角频率增加阶段，增加虚拟惯量J同时适当减少虚拟阻尼D；在虚拟角频率减少阶段，减少虚拟惯量J同时适当增加虚拟阻尼D，得到动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数；
6)将步骤5)得到的动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数引入步骤1)储能微网并网逆变器VSG转子机械方程中，将动态虚拟阻尼系数引入步骤4)VSG稳态一次调频下垂方程中，达到提高微网储能一次调频性能的目的。
2.根据权利要求1所述的一种提高微网储能一次调频性能的方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能微网并网逆变器VSG转子机械方程：
其中：J为虚拟转动惯量；Tm、Te、Td分别为VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；D为阻尼系数；ωg为网侧实际角频率；Pref为有功功率参考值；Pe有功功率实际输出值；ω为VSG输出角频率；θ为VSG虚拟电角度；在VSG控制系统中，虚拟转动惯量J使得微网储能并网逆变器在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得微网储能并网逆变器具有抑制电网功率振荡的能力；由转子机械方程和虚拟调速器共同构成了并网逆变器有功-频率控制模块；储能微网并网逆变器VSG控制同样具有励磁调节惯性，无功-电压调节表达式为：
其中：u为VSG虚拟内电势；U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压偏差；Ku为无功积分调节系数；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值。
3.根据权利要求2所述的一种提高微网储能一次调频性能的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器：Pe＝Pref+Kω(ω-ωg)；
其中：Kω为有功调节系数，并将虚拟调速器引入步骤1)转子机械控制环节内。
4.根据权利要求3所述的一种提高微网储能一次调频性能的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：联立步骤1)VSG转子机械方程和步骤2)虚拟调速器，得到有功-频率变化量方程：
其中：Δω＝ω-ωg；ΔP＝Pref-Pe；s为微分算子。
5.根据权利要求4所述的一种提高微网储能一次调频性能的方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)有功-频率变化量方程得到VSG稳态一次频率下垂方程：
6.根据权利要求5所述的一种提高微网储能一次调频性能的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：在虚拟角频率增加阶段，增加虚拟惯量J同时适当减少虚拟阻尼D；在虚拟角频率减少阶段，减少虚拟惯量J同时适当增加虚拟阻尼D，得到动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数：
其中：kj为虚拟惯量调节系数，该系数正负与
正负一致；J0为虚拟转动惯量稳态值；ω0为额定机械角频率；kd为虚拟阻尼调节系数kd＝D0/J0；D0为虚拟阻尼系数稳态值。
7.根据权利要求6所述的一种提高微网储能一次调频性能的方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：将步骤5)得到的动态虚拟惯量J和虚拟阻尼系数D引入步骤1)储能微网并网逆变器VSG转子机械方程中，将动态虚拟阻尼系数D引入步骤4)VSG稳态一次调频下垂方程中，达到提高微网储能一次调频性能的目的。
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Application publication date: 20210223 Assignee: HUANENG LUOYUAN POWER GENERATION Co.,Ltd. Assignor: Xi'an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd. Contract record no.: X2023110000149 Denomination of invention: A method to improve the primary frequency modulation performance of microgrid energy storage Granted publication date: 20230512 License type: Common License Record date: 20231206 |
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