CN114094627B - 集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，包括获取目标风电场的运行参数；获取三相换流器交流侧的瞬时电压并变换得到q轴电压；对q轴电压进行高频分量抑制、超前补偿和滞后补偿，得到补偿交流电压；计算得到用于稳定交流电压振荡的电流补偿临时值并限幅得到稳定交流电压振荡的电流补偿最终值；将电流补偿最终值输入到现有的电池储能装置的控制系统中完成风电场集中式电池储能装置接入点的交流电压控制。本发明能够实现风电场送出线路和电池储能装置接入点的交流电压振荡的有效控制，提升风电场的运行稳定性和能源利用效率，降低弃风发生的概率，而且实施简单，成本低廉、可靠性高，稳定性好。

Description

集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法
技术领域
本发明属于电气工程领域，具体涉及一种集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保证电能的稳定可靠供应，就成为了电力系统最重要的任务之一。
目前，随着环境问题的日益严重，以风电、光伏等为首的可再生能源得到了大力发展。但是，由于可再生能源具有出力不可控、随机性大等特点，大规模并网之后，其将对交流电网将产生深远的影响，如交流电网在小负荷方式下对可再生能源的消纳能力减弱问题等。为了降低弃风和弃光的概率以及有效提升可再生能源的利用率，需要为可再生能源配置一定容量的电池储能装置。为了方便交流电网调控系统进行控制以及平抑可再生能源站点送出的功率，电池储能装置一般将以集中式的形式在送出线路的升压站进行配置，即电网侧的集中式电池储能配置方式。
电池是以直流形式对电能进行存储与释放，而风电场是以交流形式接入电网，为了有效平抑风电场送出的功率以及提升能源利用率，直流形式的电池储能装置均通过三相换流器(VSC)接入交流电网，此时VSC是以双向功率接口形式配置在交流电网与电池储能装置之间。
图1为现有的集中式电池储能接入风电场主电路的电路结构示意图：图中多个风电场内部连接之后经110kV或220kV交流线路输出，在送出线路末端经升压变电站送到220kV或500kV交流线路送至交流系统。由于电力系统升压变压器一般为三相三绕组形式，因此升压变压器的低压侧为10kV或110kV，为集中式的电池储能装置接入提供了很大方便。直流电池储能设备经三相VSC与交流系统互联，Ls为换流电抗器。升压变压器三端的电压分别用uw、uac和us表示，电流分别用iw、iac和is表示，udc为直流电压，功率参考方向如图所示。
图2为电池储能装置内部的内外环控制架构示意图：外环部分d轴通道中，三相VSC接收调控系统下达风电场需要向交流系统输送的有功功率指令P* ac；三相VSC经过实际测得风电场送出的功率为Pw，将该功率通过截止频率非常低的低通滤波器(low pass filter,LPF)之后与有功功率指令P* ac和电池储能装置的功率Ps相减，再将功率差值送入定有功功率控制的比例积分控制器Gpq(s)，产生d轴参考电流指令，s为拉普拉斯算子。经过以上步骤之后，交流系统能得到较为平滑功率，实现了电池储能装置平抑风电场送出功率的功能。图中其余变量意义如下:Qs为实际无功功率、ω为交流系统基波角频率，usd为三相VSC交流侧d轴电压，上标带有“*”的为相关物理量的参考指令值。
由于当前风电场是经过电力电子装置并入交流电网，而电池储能用的三相 VSC也是电力电子装置，再考虑今后偏远地区的风电场极有可能也经电力电子装置的柔性直流输电系统送出，因此风电场与集中式电池储能之间极有可能发生电力电子之间的振荡问题。当系统发生振荡现象时，风电场和电池储能装置的送出线路和接入点也将发生交流电压振荡现象，同时也伴随着交流电流以及功率振荡现象，进而影响周边电力系统运行。这种类型的振荡如果不加以控制，可能导致周边同步发电机轴系扭转疲劳，也可能激发交流电压幅值突增，破坏电气装置的绝缘水平导致设备被击穿，进而导致风机和储能装置闭锁停运，诱发弃风现象，因此风电场和电池储能之间的振荡问题将严重影响系统的运行稳定性和可再生能源的利用率。
为解决此问题，工程上通常的做法是改变电池储能事先设计的控制系统参数或者是额外加装无源阻尼装置。改变电池储能事先设计的控制系统参数虽然是一个可行的做法，但是可能改变了电池储能装置的动态响应速度；加装无源阻尼装置虽然效果较好，但是不仅增加了投资成本和占地面积，也将增加系统的运行损耗，牺牲了经济性，而且额外增加的无源阻尼装置也提高了系统的故障风险，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉、可靠性高且稳定性好的集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法。
本发明提供的这种集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，包括如下步骤：
S1.获取目标风电场的运行参数；
S2.获取三相换流器交流侧的瞬时电压，并进行旋转坐标变换得到q轴电压；
S3.对步骤S2得到的q轴电压进行高频分量抑制，得到q轴电压分量；
S4.对步骤S3得到的q轴电压分量进行超前补偿，得到超前补偿交流电压；
S5.对步骤S4得到的超前补偿交流电压进行滞后补偿，得到补偿交流电压；
S6.根据步骤S5得到的补偿交流电压，计算得到用于稳定交流电压振荡的电流补偿临时值；
S7.对步骤S6得到的电流补偿临时值进行限幅，得到稳定交流电压振荡的电流补偿最终值；
S8.将步骤S7得到的电流补偿最终值输入到现有的电池储能装置的控制系统中，从而完成集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制。
步骤S2所述的获取三相换流器交流侧的瞬时电压，并进行旋转坐标变换得到q轴电压，具体为获取三相换流器交流侧的瞬时电压usa(kTs)、usb(kTs)和 usc(kTs)，并采用Park坐标变换的方式，变换得到q轴电压usq(kTs)；usa(kTs)为三相换流器交流侧的A相瞬时电压值；usb(kTs)为三相换流器交流侧的B相瞬时电压值；usc(kTs)为三相换流器交流侧的C相瞬时电压值；Ts为采样周期，k 为第k次采样。
所述的获取三相换流器交流侧的瞬时电压，并进行旋转坐标变换得到q轴电压，具体为采用如下算式进行变换：
式中usd(kTs)为d轴电压；usq(kTs)为q轴电压；usa(kTs)为三相换流器交流侧的 A相瞬时电压值；usb(kTs)为三相换流器交流侧的B相瞬时电压值；usc(kTs)为三相换流器交流侧的C相瞬时电压值；θPLL(kTs)为三相换流器锁相环的输出相位；Ts为采样周期，k为第k次采样。
步骤S3所述的对步骤S2得到的q轴电压进行高频分量抑制，得到q轴电压分量，具体为将步骤S2得到的q轴电压usq(kTs)通过低通滤波器进行高频分量抑制，从而得到q轴电压分量usqf1(kTs)。
步骤S4所述的对步骤S3得到的q轴电压分量进行超前补偿，得到超前补偿交流电压，具体为将步骤S3得到的q轴电压分量通过超前校正环节，得到超前补偿交流电压在第k次控制周期内的值usqf2(kTs)：
式中Ts为采样周期，k为第k次采样；usqf1(kTs)为步骤S3得到的q轴电压分量；超前校正环节在s域的传递函数为a1和b1为超前补偿系数且 b1＞a1。
步骤S5所述的对步骤S4得到的超前补偿交流电压进行滞后补偿，得到补偿交流电压，具体为将步骤S4得到的超前补偿交流电压通过滞后补偿环节，得到补偿交流电压在第k次控制周期内的值usqf3(kTs)：
式中Ts为采样周期，k为第k次采样；usqf2(kTs)为步骤S4得到的超前补偿交流电压在第k次控制周期内的值；滞后补偿环节在s域的传递函数为a2和b2为滞后补偿系数且b2＜a2。
步骤S6所述的根据步骤S5得到的补偿交流电压，计算得到用于稳定交流电压振荡的电流补偿临时值，具体为采用如下算式计算得到用于稳定交流电压振荡的电流补偿临时值
式中kd为设定的增益系数；usqf3(kTs)为步骤S5得到的补偿交流电压在第k次控制周期内的值。
步骤S7所述的对步骤S6得到的电流补偿临时值进行限幅，得到稳定交流电压振荡的电流补偿最终值，具体为采用如下算式进行限幅，从而得到稳定交流电压振荡的电流补偿最终值
式中为步骤S6得到的电流补偿临时值；/>为设定的补偿电流的限幅值。
本发明提供的这种集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，能够实现风电场送出线路和电池储能装置接入点的交流电压振荡的有效控制，提升风电场的运行稳定性和能源利用效率，降低弃风发生的概率；本发明方法无需添加额外的外围硬件检测电路，也无需增加隔直环节，且无复杂的算法操作，实施简单；而且本发明方法不需要启动信号，也不影响电池储能的充放电功能和输出的无功功率；最后，本发明方法避免了调整三相VSC的控制系统参数来稳定接入点交流电压的问题，不影响风电场和电池储能装置的动态运行特性；因此本发明方法成本低廉、可靠性高且稳定性好。
附图说明
图1为现有的集中式电池储能接入风电场主电路的电路结构示意图。
图2为现有的电池储能装置内部的内外环控制架构示意图。
图3为本发明方法的方法流程示意图。
图4为本发明方法应用于电池储能装置内部后的内外环控制架构示意图。
图5为应用本发明方法前、后的交流系统的有功功率和无功功率波形示意图。
图6为应用本发明方法前、后的三相VSC交流侧的有功功率和无功功率波形示意图。
图7为应用本发明方法前后的电池储能电站接入点三相电压和三相电流波形示意图。
具体实施方式
如图3所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，包括如下步骤：
S1.获取目标风电场的运行参数；
S2.获取三相换流器交流侧的瞬时电压，并进行旋转坐标变换得到q轴电压；一般情况下，三相VSC是在同步旋转坐标系上实现控制，这就需要将采集的瞬时物理量并通过Park变换将交流量变成直流量；因此，获取三相换流器交流侧的瞬时电压usa(kTs)、usb(kTs)和usc(kTs)，并采用Park坐标变换的方式，变换得到q轴电压usq(kTs)；usa(kTs)为三相换流器交流侧的A相瞬时电压值； usb(kTs)为三相换流器交流侧的B相瞬时电压值；usc(kTs)为三相换流器交流侧的C相瞬时电压值；Ts为采样周期，k为第k次采样；
具体实施时，采用如下算式进行变换：
式中usd(kTs)为d轴电压；usq(kTs)为q轴电压；usa(kTs)为三相换流器交流侧的 A相瞬时电压值；usb(kTs)为三相换流器交流侧的B相瞬时电压值；usc(kTs)为三相换流器交流侧的C相瞬时电压值；θPLL(kTs)为三相换流器锁相环的输出相位；Ts为采样周期，k为第k次采样；
S3.对步骤S2得到的q轴电压进行高频分量抑制，得到q轴电压分量；
考虑到三相VSC是经锁相环与接入点的交流电压同步，在稳态情况下q轴电压usq的直流分量为零，因此作为振荡稳定控制算法的输入量时无需滤除直流分量。为了防止高频分量进入三相VSC控制系统，引发交流系统电压和电流振荡，则需要对采集的q轴电压进行滤波；本发明的优选方案为，将步骤S2得到的q轴电压usq(kTs)通过低通滤波器进行高频分量抑制，从而得到q轴电压分量 usqf1(kTs)；
以一阶低通滤波器为例，一阶低通滤波器在s域的传递函数为ωlpf为一阶低通滤波器的带宽；将一阶低通滤波器所呈现的s 域转到数字控制系统中，可以得到抑制高频分量后的q轴电压分量usqf1，它在数字控制系统中第k次控制周期内的表达式为
S4.对步骤S3得到的q轴电压分量进行超前补偿，得到超前补偿交流电压；
超前补偿环节具有提前预判交流物理量的变化趋势，比较适用于低频范围内的相位校正，提升系统的运行相位裕量；
将步骤S3得到的q轴电压分量通过超前校正环节，得到超前补偿交流电压在第k次控制周期内的值usqf2(kTs)：
式中Ts为采样周期，k为第k次采样；usqf1(kTs)为步骤S3得到的q轴电压分量；超前校正环节在s域的传递函数为a1和b1为超前补偿系数且 b1＞a1；
S5.对步骤S4得到的超前补偿交流电压进行滞后补偿，得到补偿交流电压；
考虑到一阶低通滤波器影响了高频段频率内相位特性，使其相位特性滞后输入量，在考虑数字控制系统延时控制之后可能引发高频振荡问题；进而需要滞后补偿环节用于补偿高频段范围内的相位特性，再次使得输入量的相位滞后抵消控制系统链路延时的不良影响，该环节比较适用于稳定高频范围内的振荡；
将步骤S4得到的超前补偿交流电压通过滞后补偿环节，得到补偿交流电压在第k次控制周期内的值usqf3(kTs)：
式中Ts为采样周期，k为第k次采样；usqf2(kTs)为步骤S4得到的超前补偿交流电压在第k次控制周期内的值；滞后补偿环节在s域的传递函数为a2和b2为滞后补偿系数且b2＜a2；
S6.根据步骤S5得到的补偿交流电压，计算得到用于稳定交流电压振荡的电流补偿临时值；具体为采用如下算式计算得到用于稳定交流电压振荡的电流补偿临时值
式中kd为设定的增益系数；usqf3(kTs)为步骤S5得到的补偿交流电压在第k次控制周期内的值；
S7.对步骤S6得到的电流补偿临时值进行限幅，得到稳定交流电压振荡的电流补偿最终值；
实际系统在动态或者暂态过程中可能导致q轴电压存在较大的冲击波动，尤其是交流系统故障恢复初始期间，这就可能导致电流补偿临时值存在冲击，在故障恢复期间可能造成过电压；因此，需要对其进行幅值限制；
采用如下算式进行限幅，从而得到稳定交流电压振荡的电流补偿最终值
式中为步骤S6得到的电流补偿临时值；/>为设定的补偿电流的限幅值，优选为0.05倍三相VSC交流电流额定值；
S8.将步骤S7得到的电流补偿最终值输入到现有的电池储能装置的控制系统中，从而完成集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制；具体实施时，将与定无功功率控制器输出的电流参考值/>相叠加后送至三相VSC电流内环控制器；具体如图4所示。
图5为应用本发明方法前、后的交流系统的有功功率和无功功率波形示意图。图6为应用本发明方法前、后的三相VSC交流侧的有功功率和无功功率波形示意图。图7为应用本发明方法前后的电池储能电站接入点三相电压和三相电流波形示意图。从图5～图7可以看到，应用本发明方法后，系统对风电场集中式电池储能装置接入点的交流电压有非常有效和明显控制效果。

Claims (7)

1.一种集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，包括如下步骤：
S1.获取目标风电场的运行参数；
S2.获取三相换流器交流侧的瞬时电压，并进行旋转坐标变换得到q轴电压；
S3.对步骤S2得到的q轴电压进行高频分量抑制，得到q轴电压分量；
S4.对步骤S3得到的q轴电压分量进行超前补偿，得到超前补偿交流电压；具体为将步骤S3得到的q轴电压分量通过超前校正环节，得到超前补偿交流电压在第k次控制周期内的值usqf2(kTs)：
式中Ts为采样周期，k为第k次采样；usqf1(kTs)为步骤S3得到的q轴电压分量；超前校正环节在s域的传递函数为a1和b1为超前补偿系数且b1＞a1；
S5.对步骤S4得到的超前补偿交流电压进行滞后补偿，得到补偿交流电压；
S6.根据步骤S5得到的补偿交流电压，计算得到用于稳定交流电压振荡的电流补偿临时值；
S7.对步骤S6得到的电流补偿临时值进行限幅，得到稳定交流电压振荡的电流补偿最终值；
S8.将步骤S7得到的电流补偿最终值输入到现有的电池储能装置的控制系统中，从而完成集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制。
2.根据权利要求1所述的集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，其特征在于步骤S2所述的获取三相换流器交流侧的瞬时电压，并进行旋转坐标变换得到q轴电压，具体为获取三相换流器交流侧的瞬时电压usa(kTs)、usb(kTs)和usc(kTs)，并采用Park坐标变换的方式，变换得到q轴电压usq(kTs)；usa(kTs)为三相换流器交流侧的A相瞬时电压值；usb(kTs)为三相换流器交流侧的B相瞬时电压值；usc(kTs)为三相换流器交流侧的C相瞬时电压值；Ts为采样周期，k为第k次采样。
3.根据权利要求2所述的集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，其特征在于所述的获取三相换流器交流侧的瞬时电压，并进行旋转坐标变换得到q轴电压，具体为采用如下算式进行变换：
式中usd(kTs)为d轴电压；usq(kTs)为q轴电压；usa(kTs)为三相换流器交流侧的A相瞬时电压值；usb(kTs)为三相换流器交流侧的B相瞬时电压值；usc(kTs)为三相换流器交流侧的C相瞬时电压值；θPLL(kTs)为三相换流器锁相环的输出相位；Ts为采样周期，k为第k次采样。
4.根据权利要求3所述的集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，其特征在于步骤S3所述的对步骤S2得到的q轴电压进行高频分量抑制，得到q轴电压分量，具体为将步骤S2得到的q轴电压usq(kTs)通过低通滤波器进行高频分量抑制，从而得到q轴电压分量usqf1(kTs)。
5.根据权利要求4所述的集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，其特征在于步骤S5所述的对步骤S4得到的超前补偿交流电压进行滞后补偿，得到补偿交流电压，具体为将步骤S4得到的超前补偿交流电压通过滞后补偿环节，得到补偿交流电压在第k次控制周期内的值usqf3(kTs)：
式中Ts为采样周期，k为第k次采样；usqf2(kTs)为步骤S4得到的超前补偿交流电压在第k次控制周期内的值；滞后补偿环节在s域的传递函数为a2和b2为滞后补偿系数且b2＜a2。
6.根据权利要求5所述的集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，其特征在于步骤S6所述的根据步骤S5得到的补偿交流电压，计算得到用于稳定交流电压振荡的电流补偿临时值，具体为采用如下算式计算得到用于稳定交流电压振荡的电流补偿临时值
式中kd为设定的增益系数；usqf3(kTs)为步骤S5得到的补偿交流电压在第k次控制周期内的值。
7.根据权利要求6所述的集中式电池储能稳定风电场接入点交流电压的控制方法，其特征在于步骤S7所述的对步骤S6得到的电流补偿临时值进行限幅，得到稳定交流电压振荡的电流补偿最终值，具体为采用如下算式进行限幅，从而得到稳定交流电压振荡的电流补偿最终值
式中为步骤S6得到的电流补偿临时值；/>为设定的补偿电流的限幅值。
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