CN113890059A - 一种混合储能vsg控制系统稳定性分析方法及系统 - Google Patents

一种混合储能vsg控制系统稳定性分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种混合储能VSG控制系统稳定性分析方法及系统，该方法建立混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程；将混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，并用小扰动信号进行表示；根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率；将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析。通过实施本发明，到达混合储能VSG控制系统参与调节的理想效果。

Description

一种混合储能VSG控制系统稳定性分析方法及系统
技术领域
本发明涉及混合储能技术领域，具体涉及一种混合储能VSG控制系统稳定性分析方法及系统。
背景技术
作为我国能源变革关键技术支撑之一的大规模储能技术，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。分布式混合储能系统由蓄电池与超级电容组成，通过换流器与电网相连，具备功率双向流动能力，具有功率调节迅速、应用模式多样等优点。分布式混合储能系统因为其低惯性、低阻尼特性会对网侧的频率稳定性造成影响。为了使储能换流器控制系统具备如同步电机拥有的转动惯量和阻尼，目前广泛采用虚拟同步机(Virtual Synchronous Generation,VSG)控制技术，使其像同步发电机一样参与到电网频率和电压的调节中。然而目前混合储能VSG控制系统参与调节效果不理想，依然对网侧的频率稳定性造成影响。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中混合储能VSG控制系统参与调节效果不理想的缺陷，从而提供一种混合储能VSG控制系统稳定性分析方法及系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，包括：
建立混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程；
将混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，并用小扰动信号进行表示；
根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率；
将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析。
可选地，所述根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率，包括：
根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到传递函数方程；
根据传递函数方程计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率。
可选地，所述将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析，包括：
根据混合储能VSG控制系统输出有功功率计算得到VSG控制系统输出有功功率时域内响应函数；
根据VSG控制系统输出有功功率时域内响应函数得到有功功率最大值；
将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，分析虚拟阻尼系数对输出功率的影响。
可选地，小扰动信号通过如下公式进行表示：
Figure BDA0003295391530000031
其中，H为虚拟转动惯量，ω为虚拟角频率，s为拉普拉斯算子，D为虚拟阻尼系数，Pm为虚拟机械功率，Pe为虚拟电磁功率，ω0为额定角频率，δ为虚拟功角，Se为VSG输出视在功率。
可选地，传递函数方程通过如下公式表示：
Figure BDA0003295391530000032
其中，Pe(s)、Pm(s)为VSG输出功率、虚拟机械功率在s域的工频小信号模型，
Figure BDA0003295391530000033
可选地，混合储能VSG控制系统输出有功功率通过如下公式表示：
Figure BDA0003295391530000034
其中，Pe为虚拟电磁功率，VSG无定子绕组损耗，Pe又称VSG控制输出功率，G(s)为传递函数方程，ΔPm(s)为虚拟机械功率变化量在s域的工频小信号模型。
可选地，VSG控制系统输出有功功率时域内响应函数通过如下公式表示：
Figure BDA0003295391530000041
其中，
Figure BDA0003295391530000042
第二方面，本发明实施例提供一种混合储能VSG控制系统稳定性分析系统，包括：
模型建立模块，用于建立混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程；
第一计算模块，用于将混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，并用小扰动信号进行表示；
第二计算模块，用于根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率；
第三计算模块，用于将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析。
第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行本发明实施例第一方面所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，包括：建立混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程；将混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，并用小扰动信号进行表示；根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率；将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析。通过对VSG控制系统线性化及拉普拉斯变化，分析混合储能VSG控制系统稳定性，并得到虚拟阻尼与储能频率振荡的关系。从而根据虚拟阻尼与储能频率振荡的关系制抑制混合储能频率振荡，到达混合储能VSG控制系统参与调节的理想效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中混合储能VSG控制系统稳定性分析方法的一个具体示例的流程图；
图2为本发明实施例中含有混合储能微网拓扑结构图；
图3为本发明实施例中混合储能DC/AC换流器拓扑及VSG控制流程图
图4为本发明实施例中混合储能VSG控制系统稳定性分析系统的一个具体示例的原理框图；
图5为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1：建立混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程。
在一具体实施例中，如图2所示，分布式电源点通过DC/DC换流器与直流母线相连，因为其有功出力PDG波动性，需要配置由蓄电池和超级电容组成的混合储能设备，通过调节蓄电池有功功率PB、超级电容有功功率PC来平抑PDG波动。当交流大电网发生频率振荡事故，功率振荡信号通过AC/DC换流器传递至直流侧，需要混合储能具备频率振荡抑制能力。
如图3所示，Udc为直流母线电压；Uabc、iabc为混合储能DC/AC换流器交流侧三相电压、电流；eabc为交流电网三相电压；Rf、Lf、Lg、Rg构成滤波电路。VSG控制流程中，ω为虚拟角频率；δ为虚拟功角；Pref为有功功率参考值；Pe为虚拟电磁功率，VSG无定子绕组损耗，Pe又称VSG控制输出功率；Pm为虚拟机械功率；u为VSG中虚拟内电势；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值。转子机械方程为：
Figure BDA0003295391530000081
式(1)中，H为虚拟转动惯量；Tm、Te分别为VSG机械转矩、电磁转矩，
Figure BDA0003295391530000082
D为虚拟阻尼系数；ω0为额定角频率；在VSG控制中，虚拟转动惯量H使得混合储能换流器在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得混合储能DC/AC换流器具有抑制交流电网功率振荡的能力。DC/AC换流器控制同样具有励磁调节惯性，无功调节方程为：
Figure BDA0003295391530000083
式(2)中，U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压之间偏差；kq为无功调节系数。
在本发明实施例中，通过采用VSG控制策略，可以为混合储能换流器增加类似于同比发电机的惯性和阻尼效果。
步骤S2：将混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，并用小扰动信号进行表示。
在一具体实施例中，为了验证所提自适应虚拟阻尼VSG控制系统稳定性，本实施例对混合储能VSG控制进行工频小信号分析，将式(1)VSG转子机械方程及式(2)VSG无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，用小扰动信号进行表示可以得到：
Figure BDA0003295391530000091
式(3)中：s为拉普拉斯算子；
Figure BDA0003295391530000092
为虚拟角频率、虚拟功角、虚拟机械功率、VSG输出功率对应的在直流工作点小扰动量；Se为VSG输出视在功率，因为δ很小，则有sinδ≈δ，可以得到：
Figure BDA0003295391530000093
步骤S3：根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率。
在一具体实施例中，通过如下步骤计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率：
步骤S31：根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到传递函数方程。
步骤S32：根据传递函数方程计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率。
传递函数用G(s)表示：
Figure BDA0003295391530000094
式(4)中，
Figure BDA0003295391530000095
Pe(s)、Pm(s)为VSG输出功率、虚拟机械功率在s域的工频小信号模型。当混合储能发生频率振荡时，VSG控制系统输出有功表示为：
Figure BDA0003295391530000101
式(5)中：ΔPm(s)为虚拟机械功率变化量在s域的工频小信号模型。
步骤S4：将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析。
在一具体实施例中，通过如下步骤计算将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析：
步骤S41：根据混合储能VSG控制系统输出有功功率计算得到VSG控制系统输出有功功率时域内响应函数。
步骤S42：根据VSG控制系统输出有功功率时域内响应函数得到有功功率最大值。
步骤S43：将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，分析虚拟阻尼系数对输出功率的影响。
具体地，根据式(5)，可以得到Pe时域内响应函数为：
Figure BDA0003295391530000102
式(6)中：
Figure BDA0003295391530000103
根据式(6)，Pe最大值为：
Figure BDA0003295391530000104
为了分析虚拟阻尼系数D对输出功率Pe的影响，将式(7)中Pe.max对D进行求导，可得：
Figure BDA0003295391530000111
根据式(8)可知：当混合储能VSG控制系统输出功率增加时，虚拟机械功率也相应增加，即ΔPm＞0，Pe.max对D导数＜0；当混合储能VSG控制系统输出功率减少时，虚拟机械功率也相应减少，即ΔPm＜0，Pe.max对D导数＞0。通过自适应调节D可以限制功率正向、反向超调，进一步的抑制混合储能频率振荡。
本发明提供的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，包括：建立混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程；将混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，并用小扰动信号进行表示；根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率；将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析。通过对VSG控制系统线性化及拉普拉斯变化，分析混合储能VSG控制系统稳定性，并得到虚拟阻尼与储能频率振荡的关系。从而根据虚拟阻尼与储能频率振荡的关系制抑制混合储能频率振荡，到达混合储能VSG控制系统参与调节的理想效果。
本发明实施例提供一种混合储能VSG控制系统稳定性分析系统，如图4所示，包括：
模型建立模块1，用于建立混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程。详细内容参见上述实施例中步骤S1的相关描述，在此不再赘述。
第一计算模块2，用于将混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，并用小扰动信号进行表示。详细内容参见上述实施例中步骤S2的相关描述，在此不再赘述。
第二计算模块3，用于根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率。详细内容参见上述实施例中步骤S3的相关描述，在此不再赘述。
第三计算模块4，用于将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析。详细内容参见上述实施例中步骤S4的相关描述，在此不再赘述。
本发明实施例还提供一种计算机设备，如图5所示，该设备可以包括处理器61和存储器62，其中处理器61和存储器62可以通过总线或者其他方式连接，图5以通过总线连接为例。
处理器61可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器61还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器62作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器61通过运行存储在存储器62中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法。
存储器62可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器61所创建的数据等。此外，存储器62可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器62可选包括相对于处理器61远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器61。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、企业内网、移动通信网及其组合。
一个或者多个模块存储在存储器62中，当被处理器61执行时，执行本发明实施提供的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法。
上述计算机设备具体细节可以对应参阅图1-图3所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，其特征在于，包括：
建立混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程；
将混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，并用小扰动信号进行表示；
根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率；
将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析。
2.根据权利要求1所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，其特征在于，所述根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率，包括：
根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到传递函数方程；
根据传递函数方程计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率。
3.根据权利要求1所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，其特征在于，所述将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析，包括：
根据混合储能VSG控制系统输出有功功率计算得到VSG控制系统输出有功功率时域内响应函数；
根据VSG控制系统输出有功功率时域内响应函数得到有功功率最大值；
将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，分析虚拟阻尼系数对输出功率的影响。
4.根据权利要求1所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，其特征在于，小扰动信号通过如下公式进行表示：
Figure FDA0003295391520000021
其中，H为虚拟转动惯量，ω为虚拟角频率，s为拉普拉斯算子，D为虚拟阻尼系数，Pm为虚拟机械功率，Pe为虚拟电磁功率，ω0为额定角频率，δ为虚拟功角，Se为VSG输出视在功率。
5.根据权利要求2所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，其特征在于，传递函数方程通过如下公式表示：
Figure FDA0003295391520000022
其中，Pe(s)、Pm(s)为VSG输出功率、虚拟机械功率在s域的工频小信号模型，
Figure FDA0003295391520000023
6.根据权利要求2所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，其特征在于，混合储能VSG控制系统输出有功功率通过如下公式表示：
Figure FDA0003295391520000031
其中，Pe为虚拟电磁功率，VSG无定子绕组损耗，Pe又称VSG控制输出功率，G(s)为传递函数方程，ΔPm(s)为虚拟机械功率变化量在s域的工频小信号模型。
7.根据权利要求3所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法，其特征在于，VSG控制系统输出有功功率时域内响应函数通过如下公式表示：
Figure FDA0003295391520000032
其中，
Figure FDA0003295391520000033
8.一种混合储能VSG控制系统稳定性分析系统，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程；
第一计算模块，用于将混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程中的状态变量进行线性化及拉普拉斯变化，并用小扰动信号进行表示；
第二计算模块，用于根据混合储能虚拟同步机转子机械方程和无功调节方程的小扰动信号模型计算得到混合储能VSG控制系统输出有功功率；
第三计算模块，用于将混合储能VSG控制系统输出有功功率最大值对虚拟阻尼系数进行求导，进行混合储能VSG控制系统稳定性分析。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如权利要求1-7任一所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-7任一所述的混合储能VSG控制系统稳定性分析方法。
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