CN112398168A - 一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法 - Google Patents

一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，该方法首先将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。接着为了实现储能单元最优配置，分析不同惯性常数和阻尼系数影响储能物理约束机理，最后设计不同阻尼比下储能单元最优能量、功率参数。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

一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法
技术领域
本发明涉及一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，该方法将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。为了实现储能单元最优配置，分析不同惯性常数和阻尼系数影响储能物理约束机理，设计不同阻尼比下储能单元最优能量、功率参数。
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。
储能单元配置问题也是微网储能并网逆变器VSG一次调频控制研究的热点，为了使储能并网逆变器一次调频成本最小，需要开展储能最优容量配置研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，该方法首先将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。接着为了实现储能单元最优配置，分析不同惯性常数和阻尼系数影响储能物理约束机理，最后设计不同阻尼比下储能单元最优能量、功率参数。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，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稳态一次频率下垂方程；
5)建立步骤2)虚拟调速器对应小信号模型；
6)参考步骤3)有功-频率变化量方程，根据步骤5)虚拟调速器对应小信号模型，得到储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数；
7)求解步骤6)储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数中频率变化量方程，根据求解特征根不同，将储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应分为：欠阻尼、临界阻尼、过阻尼；
8)当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的欠阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式；
9)对步骤8)欠阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应t为得出欠阻尼状态下，储能单元最大输出功率；对欠阻尼模型下立储能单元出力时域表达式求积分，得出欠阻尼状态下，储能单元需配置能量；
10)当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的临界阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式；
11)对步骤10)临界阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应时间，得出临界阻尼状态下，储能单元最大输出功率；对临界阻尼模型下立储能单元出力时域表达式求积分，得出临界阻尼状态下，储能单元需配置能量；
12)当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的过阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式；
13)对步骤12)过阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应时间，得出过阻尼状态下，储能单元最大输出功率；对过阻尼模型下立储能单元出力时域表达式求积分，得出过阻尼状态下，储能单元需配置能量。
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：
Figure BDA0002768764770000031
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；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：
Figure BDA0002768764770000032
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：
Figure BDA0002768764770000033
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：
Figure BDA0002768764770000041
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：为了得到虚拟阻尼系数稳态值，建立步骤2)虚拟调速器对应小信号模型：ΔPe(s)＝-KωΔωg(s)。
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：参考步骤3)有功-频率变化量方程，根据步骤5)虚拟调速器对应小信号模型，得到储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数：
Figure BDA0002768764770000042
其中：ΔPe为并网逆变器出力阶跃，即储能单元出力变化量；H为VSG惯性常数，与虚拟转动惯量J关系可表示为：
Figure BDA0002768764770000043
其中：Sn为VSG额定容量；VSG惯性常数H物理意义为：微网储能并网逆变器VSG从空载起动至额定机械角速度ω0所需时间。
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：求解步骤6)储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数中频率变化量方程，根据求解特征根不同，将储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应分为：(1)欠阻尼；(2)临界阻尼；(3)过阻尼；判别式为：
Figure BDA0002768764770000044
本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的欠阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式：
Figure BDA0002768764770000045
其中：e为自然对数底数；K1为特征方程系数
Figure BDA0002768764770000051
本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：对步骤8)欠阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数：
Figure BDA0002768764770000052
其中：
Figure BDA0002768764770000053
K3＝-SEω0；ΔPeq(t)最大值在其导数为0处，对应t为：
Figure BDA0002768764770000054
欠阻尼状态下，储能单元最大输出功率为：
Figure BDA0002768764770000055
储能单元需配置能量取ΔPeq(t)在0—t的积分：
Figure BDA0002768764770000056
其中：
Figure BDA0002768764770000057
步骤10)的具体实现方法为：当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的临界阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式：
Figure BDA0002768764770000058
式；其中：
Figure BDA0002768764770000059
步骤11)的具体实现方法为：对步骤10)临界阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应t为：
Figure BDA00027687647700000510
临界阻尼状态下，储能单元最大输出功率：
Figure BDA00027687647700000511
临界阻尼模型下立储能单元需配置能量为：
Figure BDA00027687647700000512
其中：
Figure BDA00027687647700000513
步骤12)的具体实现方法为：当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的过阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式：
Figure BDA0002768764770000061
其中：
Figure BDA0002768764770000062
步骤13)的具体实现方法为：对步骤12)过阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应t为：
Figure BDA0002768764770000063
其中：
Figure BDA0002768764770000064
得出过阻尼状态下，储能单元最大输出功率为：
Figure BDA0002768764770000065
对过阻尼模型下立储能单元出力时域表达式求积分，得出过阻尼状态下，储能单元需配置能量：
Figure BDA0002768764770000066
其中：
Figure BDA0002768764770000067
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.本发明为了实现储能单元最优配置，分析不同惯性常数和阻尼系数影响储能物理约束机理，根据求解特征根不同，将VSG一次调频过程中有功功率响应分为：欠阻尼、临界阻尼、过阻尼；
3.根据不同阻尼状态储能出力响应过程，从储能有功功率输出及储能能量两个方面进行不同阻尼状态下储能一次调频单元配置。
附图说明
图1为微网储能并网逆变器电路拓扑及VSG控制流程图；
图2为微网储能并网逆变器VSG一次调频控制框图；
图3为欠阻尼状态下储能出力响应图；
图4为临界阻尼状态下储能出力响应图；
图5为过阻尼状态下储能出力响应图；
图6为微网储能并网逆变器仿真模型图；
图7为储能输出有功与理论对比波形。
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，本发明提供的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，包括：
VSG控制转子机械方程为：
Figure BDA0002768764770000071
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：
Figure BDA0002768764770000072
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2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：
Figure BDA0002768764770000081
式(4)中，s为微分算子。根据式(4)可以得到VSG稳态一次频率下垂方程为：
Figure BDA0002768764770000082
式(3)对应小信号模型为：
ΔPe(s)＝-KωΔωg(s) (6)
当面对一次调频工况，微网储能并网逆变器有功变化量全部由储能单元提供，储能出力与频率变化量之间的传递函数为
Figure BDA0002768764770000083
式(7)中：ΔPe为并网逆变器出力阶跃，即储能单元出力变化量；H为VSG惯性常数，与虚拟转动惯量J关系可表示为
Figure BDA0002768764770000084
式(8)中：Sn为VSG额定容量。VSG惯性常数H物理意义为：微网储能并网逆变器VSG从空载起动至额定机械角速度ω0所需时间。
根据求解特征根不同，VSG一次调频过程中有功功率响应可以分为三种类型：1)欠阻尼(0＜ξ＜1)；2)临界阻尼(ξ＝1)；3)过阻尼(ξ＞1)。判别式为：
Figure BDA0002768764770000091
对式(9)进行拉普拉斯反变换，可以得到不同阻尼状态。
如图3所示，当有功响应过程为欠阻尼模型，储能单元出力时域表达式为：
Figure BDA0002768764770000092
式(10)中：e为自然对数底数；K1为特征方程系数
Figure BDA0002768764770000093
Figure BDA0002768764770000094
对式(10)求导：
Figure BDA0002768764770000095
式(11)中：
Figure BDA0002768764770000096
K3＝-SEω0。
ΔPeq(t)最大值在其导数为0处，对应t为：
Figure BDA0002768764770000097
欠阻尼状态下，储能单元最大输出功率为：
Figure BDA0002768764770000098
图中阴影部分面积，即储能单元需配置能量取ΔPeq(t)在0—t的积分
Figure BDA0002768764770000099
式(14)中：
Figure BDA0002768764770000101
如图4所示，当有功响应过程为临界阻尼模型，储能单元出力时域表达式为：
Figure BDA0002768764770000102
式(15)中：
Figure BDA0002768764770000103
ΔPel(t)最大值在其导数为0处，对应t为：
Figure BDA0002768764770000104
临界阻尼状态下，储能单元最大输出功率为：
Figure BDA0002768764770000105
图中阴影部分，储能单元需配置能量为：
Figure BDA0002768764770000106
式(18)中：
Figure BDA0002768764770000107
如图5所示，当有功响应过程为过阻尼模型，储能单元出力时域表达式为：
Figure BDA0002768764770000108
式(19)中：
Figure BDA0002768764770000109
ΔPg(t)最大值在其导数为0处，对应t为：
Figure BDA00027687647700001010
式(20)中：
Figure BDA00027687647700001011
过阻尼状态下，储能单元最大输出功率为：
Figure BDA0002768764770000111
图中阴影部分，储能单元需配置能量为：
Figure BDA0002768764770000112
式(22)中：
Figure BDA0002768764770000113
根据以上不同阻尼状态下，微网储能有功输出和能量分析，可以得到如表1所示的储能单元配置。
表1微网储能单元配置
Figure BDA0002768764770000114
如图6所示，为了验证本文所提VSG一次调频最优储能单元配置方案的有效性，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2。
表2微网储能并网逆变器仿真参数
Figure BDA0002768764770000115
如图7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，在5s和23s时刻做频率阶跃下扰(50Hz→49.7Hz)，根据式(13)、(14)计算可得：储能单元功率配置15.3kW，容量配置0.008kW·h。将该储能单元配置应用于微网储能并网逆变器一次调频下扰控制中，当面对网侧上扰工况，储能单元有功输出与理论值保持一致，储能单元参数配置准确、合理，可以满足微网并网逆变器一次调频性能要求。
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 (10)

1.一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，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稳态一次频率下垂方程；
5)建立步骤2)虚拟调速器对应小信号模型；
6)参考步骤3)有功-频率变化量方程，根据步骤5)虚拟调速器对应小信号模型，得到储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数；
7)求解步骤6)储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数中频率变化量方程，根据求解特征根不同，将储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应分为：欠阻尼、临界阻尼、过阻尼；
8)当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的欠阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式；
9)对步骤8)欠阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应t为得出欠阻尼状态下，储能单元最大输出功率；对欠阻尼模型下立储能单元出力时域表达式求积分，得出欠阻尼状态下，储能单元需配置能量；
10)当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的临界阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式；
11)对步骤10)临界阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应时间，得出临界阻尼状态下，储能单元最大输出功率；对临界阻尼模型下立储能单元出力时域表达式求积分，得出临界阻尼状态下，储能单元需配置能量；
12)当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的过阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式；
13)对步骤12)过阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应时间，得出过阻尼状态下，储能单元最大输出功率；对过阻尼模型下立储能单元出力时域表达式求积分，得出过阻尼状态下，储能单元需配置能量。
2.根据权利要求1所述的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，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：
Figure FDA0002768764760000021
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；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：
Figure FDA0002768764760000022
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。
3.根据权利要求2所述的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，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所述的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，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：
Figure FDA0002768764760000023
其中：Δω＝ω-ωg；ΔP＝Pref-Pe；s为微分算子。
5.根据权利要求4所述的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，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：
Figure FDA0002768764760000031
6.根据权利要求5所述的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：为了得到虚拟阻尼系数稳态值，建立步骤2)虚拟调速器对应小信号模型：ΔPe(s)＝-KωΔωg(s)。
7.根据权利要求6所述的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：参考步骤3)有功-频率变化量方程，根据步骤5)虚拟调速器对应小信号模型，得到储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数：
Figure FDA0002768764760000032
其中：ΔPe为并网逆变器出力阶跃，即储能单元出力变化量；H为VSG惯性常数，与虚拟转动惯量J关系可表示为：
Figure FDA0002768764760000033
其中：Sn为VSG额定容量；VSG惯性常数H物理意义为：微网储能并网逆变器VSG从空载起动至额定机械角速度ω0所需时间。
8.根据权利要求7所述的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：求解步骤6)储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数中频率变化量方程，根据求解特征根不同，将储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应分为：(1)欠阻尼；(2)临界阻尼；(3)过阻尼；判别式为：
Figure FDA0002768764760000034
9.根据权利要求8所述的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的欠阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式：
Figure FDA0002768764760000041
其中：e为自然对数底数；K1为特征方程系数
Figure FDA0002768764760000042
10.根据权利要求9所述的一种根据虚拟阻尼类型微网储能配置方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：对步骤8)欠阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数：
Figure FDA0002768764760000043
其中：
Figure FDA0002768764760000044
K3＝-SEω0；ΔPeq(t)最大值在其导数为0处，对应t为：
Figure FDA0002768764760000045
欠阻尼状态下，储能单元最大输出功率为：
Figure FDA0002768764760000046
储能单元需配置能量取ΔPeq(t)在0—t的积分：
Figure FDA0002768764760000047
其中：
Figure FDA0002768764760000048
步骤10)的具体实现方法为：当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的临界阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式：
Figure FDA0002768764760000049
式；其中：
Figure FDA00027687647600000410
步骤11)的具体实现方法为：对步骤10)临界阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应t为：
Figure FDA00027687647600000411
临界阻尼状态下，储能单元最大输出功率：
Figure FDA00027687647600000412
临界阻尼模型下立储能单元需配置能量为：
Figure FDA00027687647600000413
其中：
Figure FDA00027687647600000414
步骤12)的具体实现方法为：当储能微网并网逆变器VSG一次调频过程中有功功率响应为步骤7)中的过阻尼模型，建立储能单元出力时域表达式：
Figure FDA0002768764760000051
其中：
Figure FDA0002768764760000052
步骤13)的具体实现方法为：对步骤12)过阻尼模型下储能单元出力时域表达式求导数，求解导数为0处，对应t为：
Figure FDA0002768764760000053
其中：
Figure FDA0002768764760000054
得出过阻尼状态下，储能单元最大输出功率为：
Figure FDA0002768764760000055
对过阻尼模型下立储能单元出力时域表达式求积分，得出过阻尼状态下，储能单元需配置能量：
Figure FDA0002768764760000056
其中：
Figure FDA0002768764760000057
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