CN113595118A - 一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法 - Google Patents

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CN113595118A CN202110876183.3A CN202110876183A CN113595118A CN 113595118 A CN113595118 A CN 113595118A CN 202110876183 A CN202110876183 A CN 202110876183A CN 113595118 A CN113595118 A CN 113595118A
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孙梦瑶
郭新宇
薛磊
张立松
贺婷
李志鹏
赵俊博
燕云飞
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Abstract

本发明公开了一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，包括：构建储能系统换流器三相坐标系下基尔霍夫电压方程；得到储能换流器在dq两相坐标系下的输出电压方程；得到dq坐标系下有功功率P和无功功率Q方程；得到电流调节PI控制传递函数；得到储能并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流关系方程，HVRT期间储能并网电压方程；得到储能换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功方程；得到电压骤升带来的Cf无功变化量方程和储能并网换流器无功电流参考值方程；得到有功电流参考值取值范围方程；得到有功功率标幺值计算方程；得到电压升高比例系数特征值；得到有功电流参考值，无功电流参考值，实现储能系统高穿有功、无功电流控制。

Description

一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法
技术领域
本发明涉及一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，具体涉及一种在保证有功输出不变前提下提高储能系统高电压穿越能力的方法。
背景技术
作为我国能源变革关键技术之一的储能技术，因为其可以为电网提供调峰、调频、应急响应等多种辅助服务，近年来受到了业内的广泛关注。为了实现储能系统友好型并网，为电网提供稳定电压、频率支撑，需要开展储能换流器控制策略研究。
电网目前除了要求储能系统具备接地等故障时的低电压穿越(Low voltage ridethrough,LVRT)能力，还要求具备甩负荷、大电容投切、单相接地非故障相电压骤升等工况时高电压穿越(High voltage ride through,HVRT)能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，该方法根据电压不同升高比例，采用不同有功、无功电流控制的方法，在保证有功输出不变前提下提高储能系统高电压穿越能力。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，包括以下步骤：
1)构建储能系统换流器三相坐标系下基尔霍夫电压方程；
2)对步骤1)储能系统换流器三相坐标系下基尔霍夫电压方程进行Park变换，得到储能换流器在dq两相坐标系下的输出电压方程；
3)不计换流器自身损耗，根据步骤2)储能换流器在dq两相坐标系下的输出电压方程，得到dq坐标系下有功功率P和无功功率Q方程；
4)根据步骤3)储能换流器在dq坐标系下有功功率P和无功功率Q方程，得到电流调节PI控制传递函数；
5)根据步骤4)电流调节PI控制传递函数，得到储能并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流关系方程，HVRT期间储能并网电压方程；
6)根据步骤5)HVRT期间储能并网电压方程，得到储能换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功方程；
7)根据步骤6)储能换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功方程，得到电压骤升带来的Cf无功变化量方程和储能并网换流器无功电流参考值方程；
8)针对传统储能HVRT以牺牲有功为代价提高感性无功输出，在保证有功输出不变前提下提高储能HVRT能力，根据步骤5)储能并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流关系方程，得到有功电流参考值取值范围方程；
9)保持有功输出不变，即有功功率标幺值恒为1，根据步骤8)功电流参考值取值范围方程得到有功功率标幺值计算方程；
10)将储能并网换流器输出电流标幺值代入步骤9)有功功率标幺值计算方程中，得到电压升高比例系数特征值；
11)分析步骤10)电压升高比例系数特征值，得到有功电流参考值，无功电流参考值，实现储能系统高穿有功、无功电流控制。
本发明进一步的改进在于，步骤1)构建储能系统换流器三相坐标系下基尔霍夫电压方程：
Figure BDA0003190403490000031
其中：uabc、iabc为储能换流器输出交流三相电压、电流；eabc为交流电网三相电压；L表示线路等效电感，且L＝Lf+Lg；R表示线路等效电阻，且R＝Rf+Rg。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)储能系统换流器三相坐标系下基尔霍夫电压方程进行Park变换，得到储能换流器在dq两相坐标系下的输出电压方程：
Figure BDA0003190403490000032
其中：ud、uq为储能换流器输出电压uabc在d轴、q轴分量；id、iq为储能换流器输出电流iabc在d轴、q轴分量；ed、eq为交流电网三相电压eabc在d轴、q轴分量；ω为电角速度。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：不计换流器自身损耗，根据步骤2)储能换流器在dq两相坐标系下的输出电压方程，得到dq坐标系下有功功率P和无功功率Q方程：
Figure BDA0003190403490000033
其中：d轴与电压合成矢量Es为同一方向，ed＝Es，eq＝0，ed恒定时，id控制储能换流器有功功率和直流母线电压；iq控制储能换流器无功功率。
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)储能换流器在dq坐标系下有功功率P和无功功率Q方程，得到电流调节PI控制传递函数：
Figure BDA0003190403490000034
其中：Kp和KI分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，id *和iq *为电流参考值。
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：当网侧电压骤升，首先对储能并网换流器产生影响，此时储能并网换流器输出设定的感性无功来实现储能系统HVRT，降低功率元器件承受的电压峰值，根据步骤4)电流调节PI控制传递函数，得到储能并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流关系方程：
Figure BDA0003190403490000041
其中：1.1iN是按照储能并网换流器中缘栅双极型晶体管长时耐受电流整定；HVRT期间储能并网电压方程：U＝αE0，其中：E0为网侧正常状态下电压幅值；α为电压升高比例系数。
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)HVRT期间储能并网电压方程，得到储能换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功方程：
Figure BDA0003190403490000042
其中：UC、UC0为HVRT和正常状态下Cf端电压幅值；XC为容抗。
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：根据步骤6)储能换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功方程，得到电压骤升带来的Cf无功变化量方程：ΔQC＝(α2-1)QC0，和储能并网换流器无功电流参考值iq *方程：
Figure BDA0003190403490000043
本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：在保证有功输出不变前提下提高储能HVRT能力，根据步骤5)储能并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流关系方程，得到有功电流参考值取值范围方程：
Figure BDA0003190403490000044
本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：保持有功输出不变，即有功功率标幺值恒为1，根据步骤8)功电流参考值取值范围方程得到有功功率标幺值计算方程：
Figure BDA0003190403490000045
其中：P0为储能并网换流器输出额定有功；Pmax为长时最大输出有功，其与长时耐受电流有关；
步骤10)的具体实现方法为：将储能并网换流器输出电流标幺值IN(p.u.)＝1代入步骤9)有功功率标幺值计算方程中：
Figure BDA0003190403490000051
求解，并剔除小于0的解，可得：α1＝1，α2＝1.272，将IN(p.u.)＝1有功功率标幺值计算方程，可得：
Figure BDA0003190403490000052
并剔除小于0的解，可得：α3＝0.9，α4＝1.35，α1、α2、α3、α4为电压升高比例系数特征值，表示不同储能并网电压升高比例；根据α取值即不同电压骤升幅度设计不同id *、iq *；
步骤11)的具体实现方法为：分析步骤10)电压升高比例系数特征值，得到有功电流参考值，无功电流参考值：当α∈[11.272]时，id *取自电压外环有功电流参考值，iq *根据id *设置，id *和iq *表示为：
Figure BDA0003190403490000053
其中：id0 *为电压外环有功电流参考值，iN(p.u.)＝1，当α∈(1.2721.35)时，网侧电压升高，id *取自电压外环有功电流参考值，iq *按照电压骤升幅度取值，id *和iq *可表示为：
Figure BDA0003190403490000054
其中：iN(p.u.)∈(1.01.1)，当α＝1.35时，网侧电压进一步升高，达到能源储能并网换流器输出极限，id *根据iq *设置，iq *按照电压骤升幅度取值，
Figure BDA0003190403490000055
其中：iN(p.u.)＝1.1，当α＞1.35时，超过储能并网换流器控制极限，此时需要外部无功补偿设备。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明提出一种根据电压不同升高比例，采用不同有功、无功电流控制的方法。
2.本发明在保证有功输出不变前提下可以有效提高储能系统高电压穿越能力。
附图说明
图1为储能换流器电路拓扑图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，Udc为储能直流侧母线电压；uabc、iabc为储能换流器输出交流三相电压、电流；eabc为交流电网三相电压；Rf、Lf、Cf构成LC滤波电路；Lg、Rg为等效负载。根据基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0003190403490000061
其中：L表示线路等效电感(L＝Lf+Lg)；R表示线路等效电阻(R＝Rf+Rg)。对三相坐标系下的数学模型进行Park变换，可以得到储能换流器在dq两相坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0003190403490000062
其中：ud、uq为储能换流器输出电压uabc在d轴、q轴分量；id、iq为储能换流器输出电流iabc在d轴、q轴分量；ed、eq为交流电网三相电压eabc在d轴、q轴分量；ω为电角速度。
不计换流器自身损耗，在dq坐标系下有功功率P和无功功率Q：
Figure BDA0003190403490000071
其中：d轴与电压合成矢量Es为同一方向，ed＝Es，eq＝0。ed恒定时，id可以控制储能换流器有功功率和直流母线电压；iq可以控制储能换流器无功功率。为了实现储能换流器控制，只需要控制id和iq即可。在储能换流器控制中，电流调节采用PI控制，则传递函数：
Figure BDA0003190403490000072
其中：Kp和KI分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，id *和iq *为电流参考值。
当网侧电压骤升，首先对储能并网换流器产生影响，此时需要储能并网换流器输出一定感性无功来实现储能系统HVRT，降低功率元器件承受的电压峰值，并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流的关系为：
Figure BDA0003190403490000073
其中：1.1iN是按照储能并网换流器中缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)长时耐受电流整定。
HVRT期间，储能并网电压可表示为：
U＝αE0 (6)
式(6)中：E0为网侧正常状态下电压幅值；α为电压升高比例系数。并网换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功可表示为：
Figure BDA0003190403490000081
其中：UC、UC0为HVRT和正常状态下Cf端电压幅值；XC为容抗。电压骤升带来的Cf无功变化量可表示为：
ΔQC＝(α2-1)QC0 (8)
储能并网换流器无功电流参考值iq *可表示为：
Figure BDA0003190403490000082
针对传统储能HVRT以牺牲有功为代价提高感性无功输出，本发明提出一种在保证有功输出不变前提下提高储能HVRT能力。根据式(5)，有功电流参考值取值范围为：
Figure BDA0003190403490000083
有功输出不变，即有功功率标幺值恒为1：
Figure BDA0003190403490000084
其中：P0为储能并网换流器输出额定有功；Pmax为长时最大输出有功，其与长时耐受电流有关。将IN(p.u.)＝1代入式(11)上式中，可得：
Figure BDA0003190403490000085
求解式(12)，并剔除小于0的解，可得：α1＝1，α2＝1.272。
将IN(p.u.)＝1代入式(11)下式中，可得：
Figure BDA0003190403490000086
求解式(13)，并剔除小于0的解，可得：α3＝0.9，α4＝1.35。
α1、α2、α3、α4为电压升高比例系数特征值，表示不同储能并网电压升高比例。该组电压升高比例系数特征值与长时耐受电流有关，本发明所取1.1倍是目前主流大功率IGBT长时耐受电流倍数。本发明以提升新能源HVRT能力为目标，提出一种根据HVRT电压升高幅度估算无功电流参考值方法。根据α取值即不同电压骤升幅度设计不同id *、iq *。
当α∈[1 1.272]时，id *取自电压外环有功电流参考值，iq *根据id *设置，id *和iq *可表示为：
Figure BDA0003190403490000091
其中：id0 *为电压外环有功电流参考值，iN(p.u.)＝1。
当α∈(1.272 1.35)时，网侧电压升高，id *取自电压外环有功电流参考值，iq *按照电压骤升幅度取值，id *和iq *可表示为：
Figure BDA0003190403490000092
其中：iN(p.u.)∈(1.0 1.1)。
当α＝1.35时，网侧电压进一步升高，达到能源储能并网换流器输出极限，id *根据iq *设置，iq *按照电压骤升幅度取值。
Figure BDA0003190403490000093
其中：iN(p.u.)＝1.1。
当α＞1.35时，超过储能并网换流器控制极限，此时需要外部无功补偿设备。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建储能系统换流器三相坐标系下基尔霍夫电压方程；
2)对步骤1)储能系统换流器三相坐标系下基尔霍夫电压方程进行Park变换，得到储能换流器在dq两相坐标系下的输出电压方程；
3)不计换流器自身损耗，根据步骤2)储能换流器在dq两相坐标系下的输出电压方程，得到dq坐标系下有功功率P和无功功率Q方程；
4)根据步骤3)储能换流器在dq坐标系下有功功率P和无功功率Q方程，得到电流调节PI控制传递函数；
5)根据步骤4)电流调节PI控制传递函数，得到储能并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流关系方程，HVRT期间储能并网电压方程；
6)根据步骤5)HVRT期间储能并网电压方程，得到储能换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功方程；
7)根据步骤6)储能换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功方程，得到电压骤升带来的Cf无功变化量方程和储能并网换流器无功电流参考值方程；
8)针对传统储能HVRT以牺牲有功为代价提高感性无功输出，在保证有功输出不变前提下提高储能HVRT能力，根据步骤5)储能并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流关系方程，得到有功电流参考值取值范围方程；
9)保持有功输出不变，即有功功率标幺值恒为1，根据步骤8)功电流参考值取值范围方程得到有功功率标幺值计算方程；
10)将储能并网换流器输出电流标幺值代入步骤9)有功功率标幺值计算方程中，得到电压升高比例系数特征值；
11)分析步骤10)电压升高比例系数特征值，得到有功电流参考值，无功电流参考值，实现储能系统高穿有功、无功电流控制。
2.根据权利要求1所述的一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，步骤1)构建储能系统换流器三相坐标系下基尔霍夫电压方程：
Figure FDA0003190403480000021
其中：uabc、iabc为储能换流器输出交流三相电压、电流；eabc为交流电网三相电压；L表示线路等效电感，且L＝Lf+Lg；R表示线路等效电阻，且R＝Rf+Rg。
3.根据权利要求2所述的一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)储能系统换流器三相坐标系下基尔霍夫电压方程进行Park变换，得到储能换流器在dq两相坐标系下的输出电压方程：
Figure FDA0003190403480000022
其中：ud、uq为储能换流器输出电压uabc在d轴、q轴分量；id、iq为储能换流器输出电流iabc在d轴、q轴分量；ed、eq为交流电网三相电压eabc在d轴、q轴分量；ω为电角速度。
4.根据权利要求3所述的一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：不计换流器自身损耗，根据步骤2)储能换流器在dq两相坐标系下的输出电压方程，得到dq坐标系下有功功率P和无功功率Q方程：
Figure FDA0003190403480000023
其中：d轴与电压合成矢量Es为同一方向，ed＝Es，eq＝0，ed恒定时，id控制储能换流器有功功率和直流母线电压；iq控制储能换流器无功功率。
5.根据权利要求4所述的一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)储能换流器在dq坐标系下有功功率P和无功功率Q方程，得到电流调节PI控制传递函数：
Figure FDA0003190403480000031
其中：Kp和KI分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，id *和iq *为电流参考值。
6.根据权利要求5所述的一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：当网侧电压骤升，首先对储能并网换流器产生影响，此时储能并网换流器输出设定的感性无功来实现储能系统HVRT，降低功率元器件承受的电压峰值，根据步骤4)电流调节PI控制传递函数，得到储能并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流关系方程：
Figure FDA0003190403480000032
其中：1.1iN是按照储能并网换流器中缘栅双极型晶体管长时耐受电流整定；HVRT期间储能并网电压方程：U＝αE0，其中：E0为网侧正常状态下电压幅值；α为电压升高比例系数。
7.根据权利要求6所述的一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)HVRT期间储能并网电压方程，得到储能换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功方程：
Figure FDA0003190403480000033
其中：UC、UC0为HVRT和正常状态下Cf端电压幅值；XC为容抗。
8.根据权利要求7所述的一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：根据步骤6)储能换流器LC滤波电路中滤波电容Cf输出无功方程，得到电压骤升带来的Cf无功变化量方程：ΔQC＝(α2-1)QC0，和储能并网换流器无功电流参考值iq *方程：
Figure FDA0003190403480000034
9.根据权利要求8所述的一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：在保证有功输出不变前提下提高储能HVRT能力，根据步骤5)储能并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流关系方程，得到有功电流参考值取值范围方程：
Figure FDA0003190403480000041
10.根据权利要求9所述的一种储能系统高穿有功、无功电流控制方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：保持有功输出不变，即有功功率标幺值恒为1，根据步骤8)功电流参考值取值范围方程得到有功功率标幺值计算方程：
Figure FDA0003190403480000042
其中：P0为储能并网换流器输出额定有功；Pmax为长时最大输出有功，其与长时耐受电流有关；
步骤10)的具体实现方法为：将储能并网换流器输出电流标幺值IN(p.u.)＝1代入步骤9)有功功率标幺值计算方程中：
Figure FDA0003190403480000043
求解，并剔除小于0的解，可得：α1＝1，α2＝1.272，将IN(p.u.)＝1有功功率标幺值计算方程，可得：
Figure FDA0003190403480000044
并剔除小于0的解，可得：α3＝0.9，α4＝1.35，α1、α2、α3、α4为电压升高比例系数特征值，表示不同储能并网电压升高比例；根据α取值即不同电压骤升幅度设计不同id *、iq *；
步骤11)的具体实现方法为：分析步骤10)电压升高比例系数特征值，得到有功电流参考值，无功电流参考值：当α∈[1 1.272]时，id *取自电压外环有功电流参考值，iq *根据id *设置，id *和iq *表示为：
Figure FDA0003190403480000045
其中：id0 *为电压外环有功电流参考值，iN(p.u.)＝1，当α∈(1.2721.35)时，网侧电压升高，id *取自电压外环有功电流参考值，iq *按照电压骤升幅度取值，id *和iq *可表示为：
Figure FDA0003190403480000046
其中：iN(p.u.)∈(1.0 1.1)，当α＝1.35时，网侧电压进一步升高，达到能源储能并网换流器输出极限，id *根据iq *设置，iq *按照电压骤升幅度取值，
Figure FDA0003190403480000051
其中：iN(p.u.)＝1.1，当α＞1.35时，超过储能并网换流器控制极限，此时需要外部无功补偿设备。
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