CN112491071A - 一种储能自适应惯量vsg控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能自适应惯量VSG控制方法，包括：建立储能逆变装置VSG控制转子机械方程和无功‑电压调节方程；得到储能逆变装置虚拟调速器表达式；得到有功‑频率变化量函数；得到VSG稳态频率调节下垂方程；分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况；建立自适应虚拟惯量；将自适应虚拟惯量引入储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中实时最优惯性支撑。本发明在储能逆变装置中采用VSG控制，实现储能实现“友好”并网。并对VSG控制进行改进，引入自适应虚拟惯量，实现储能逆变装置功率调节过程中实时最优惯性支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能自适应惯量VSG控制方法，该方法在储能逆变装置中采用虚拟同步机(VSG)控制，并对VSG控制进行改进，引入自适应虚拟惯量，实现储能逆变装置功率调节过程中实时最优惯性支撑。
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、低惯量特性，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，能够实现在电网中动态吸收、释放能量，且因为其响应快速、控制灵活，在维持电网电压稳定有无可替代的优势。
在储能逆变装置控制系统中，为了实现“友好”并网，目前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，使得储能逆变装置具备参与电网调频和调压的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储能自适应惯量VSG控制方法，该方法在储能逆变装置中采用VSG控制，实现储能实现“友好”并网。并对VSG控制进行改进，引入自适应虚拟惯量，实现储能逆变装置功率调节过程中实时最优惯性支撑。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种储能自适应惯量VSG控制方法，包括以下步骤：
1)建立储能逆变装置VSG控制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，及步骤1)储能逆变装置VSG控制转子机械方程，得到储能逆变装置虚拟调速器表达式；
3)联立步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程和步骤2)储能逆变装置虚拟调速器，得到有功-频率变化量函数；
4)根据步骤3)有功-频率变化量函数得到VSG稳态频率调节下垂方程；
5)根据步骤4)VSG稳态频率调节下垂方程分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况；
6)根据步骤5)储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况，建立自适应虚拟惯量；
7)将步骤6)得到的自适应虚拟惯量引入步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中实时最优惯性支撑。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能逆变装置VSG控制转子机械方程：
其中：J为虚拟转动惯量；Tm、Te、Td分别为储能逆变装置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；由转子机械方程和虚拟调速器共同构成了储能逆变装置有功-频率控制模块和无功-电压调节方程，储能逆变装置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，及步骤1)储能逆变装置VSG控制转子机械方程，得到储能逆变装置虚拟调速器表达式：Pe＝Pref+Kω(ω-ωg)；其中：Kω为有功调节系数。
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)储能逆变装置VSG转子机械方程和步骤2)储能逆变装置虚拟调速器，并定义Δω＝ω-ωg、ΔP＝Pref-Pe，得到有功-频率变化量函数：
其中：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-频率变化量函数得到VSG稳态频率调节下垂方程：
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：据步骤4)VSG稳态频率调节下垂方程分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡现象，当储能逆变装置VSG控制频率调节过程中，当发生功率震荡时，角频率增加阶段ω>ω0，分为：a阶段dω/dt<0，c阶段dω/dt>0，角频率增加阶段增加虚拟转动惯量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；角频率减少阶段ω<ω0，分为：b阶段dω/dt<0，d阶段dω/dt>0，减少虚拟转动惯量J使功率尽快恢复至稳定值。
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)所分析的储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡现象，建立自适应虚拟惯量表达式：
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。
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)得到的适应虚拟惯量表达式引入步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中实时最优惯性支撑。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明提出一种在储能逆变装置中采用VSG控制，实现储能实现“友好”并网。
2.本发明对VSG控制进行改进，引入自适应虚拟惯量，实现储能逆变装置功率调节过程中实时最优惯性支撑。
附图说明
图1为储能逆变装置电路拓扑及VSG控制流程图；
图2为储能逆变装置VSG控制框图；
图3为储能逆变装置VSG有功与虚拟角频率变化曲线。
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，储能逆变装置VSG控制转子机械方程为：
式(1)中：J为虚拟转动惯量；Tm、Te、Td分别为储能逆变装置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。在储能逆变装置VSG控制系统中，虚拟转动惯量J使得储能逆变装置在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得储能逆变装置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储能逆变装置有功-频率控制模块，储能逆变装置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2所示，储能逆变装置VSG频率控制可以实现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，本发明将虚拟调速器引入，储能逆变装置VSG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稳态频率调节下垂方程为：
如图3所示，当储能逆变装置VSG控制频率调节过程中，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，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。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。
本发明提出一种在角频率增加阶段，增加J；在角频率减少阶段，减少J的自适应控制方法。该方法可以保证系统响应速度，为系统实时提供最优惯性支撑，并且加快功率进入稳定状态。
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。
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 (8)
1.一种储能自适应惯量VSG控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立储能逆变装置VSG控制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，及步骤1)储能逆变装置VSG控制转子机械方程，得到储能逆变装置虚拟调速器表达式；
3)联立步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程和步骤2)储能逆变装置虚拟调速器，得到有功-频率变化量函数；
4)根据步骤3)有功-频率变化量函数得到VSG稳态频率调节下垂方程；
5)根据步骤4)VSG稳态频率调节下垂方程分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况；
6)根据步骤5)储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况，建立自适应虚拟惯量；
7)将步骤6)得到的自适应虚拟惯量引入步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中实时最优惯性支撑。
2.根据权利要求1所述的一种储能自适应惯量VSG控制方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能逆变装置VSG控制转子机械方程：
其中：J为虚拟转动惯量；Tm、Te、Td分别为储能逆变装置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；由转子机械方程和虚拟调速器共同构成了储能逆变装置有功-频率控制模块和无功-电压调节方程，储能逆变装置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。
3.根据权利要求2所述的一种储能自适应惯量VSG控制方法，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，及步骤1)储能逆变装置VSG控制转子机械方程，得到储能逆变装置虚拟调速器表达式：Pe＝Pref+Kω(ω-ωg)；其中：Kω为有功调节系数。
4.根据权利要求3所述的一种储能自适应惯量VSG控制方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：联立步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程和步骤2)储能逆变装置虚拟调速器，并定义Δω＝ω-ωg、ΔP＝Pref-Pe，得到有功-频率变化量函数：
其中：s为微分算子。
5.根据权利要求4所述的一种储能自适应惯量VSG控制方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)有功-频率变化量函数得到VSG稳态频率调节下垂方程：
6.根据权利要求5所述的一种储能自适应惯量VSG控制方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：据步骤4)VSG稳态频率调节下垂方程分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡现象，当储能逆变装置VSG控制频率调节过程中，当发生功率震荡时，角频率增加阶段ω>ω0，分为：a阶段dω/dt<0，c阶段dω/dt>0，角频率增加阶段增加虚拟转动惯量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；角频率减少阶段ω<ω0，分为：b阶段dω/dt<0，d阶段dω/dt>0，减少虚拟转动惯量J使功率尽快恢复至稳定值。
7.根据权利要求6所述的一种储能自适应惯量VSG控制方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)所分析的储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡现象，建立自适应虚拟惯量表达式：
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。
8.根据权利要求7所述的一种储能自适应惯量VSG控制方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)得到的适应虚拟惯量表达式引入步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中实时最优惯性支撑。
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