CN114362124B - 一种电热协同控制方法及光储直柔系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提升光储直柔系统并网惯量的电热协同控制方法，包括包括以下步骤：S1、建立基于等效热参数的建筑虚拟惯量模型，根据所述建筑虚拟惯量模型确定建筑内部热惯量转换为并网惯量的参考值；S2、控制所述光储直柔系统的并网功率，基于虚拟同步发电策略以及并网惯量的参考值，将所述建筑内部热惯量转换为并网惯量，以提升光储直柔系统的并网惯量，对光储直柔系统的并网惯量进行提升；无需额外配置储能设备即可提高光储直柔系统的并网惯量，减少了初始建设投资，充分挖掘了建筑内部贮藏的热惯量。

Description

一种电热协同控制方法及光储直柔系统

技术领域

本发明涉及电气控制技术领域，尤其是指一种电热协同控制方法及光储直柔系统。

背景技术

为适应可再生能源在电网侧高比例渗透和在建筑周边分布式发展的新趋势，建筑配用电系统迫切需要发展新技术，其中“光储直柔”是关键。其中“光”和“储”分别指分布式光伏和分布式储能应用于建筑场景，作为建筑配用电系统重要组成部分；“直”指建筑配用电网的形式发生改变，从传统的交流配电网改为采用低压直流配电网；“柔”则是指建筑用电设备应具备可中断、可调节的能力，使建筑用电需求从刚性转变为柔性。

当前，随着光伏渗透率的不断提高，光储直柔系统的并网惯量显著降低，目前大部分光储直柔系统都是额外配置电化学储能装置以提高系统电功率的可调范围，但额外配置电化学储能装置一方面大幅提高了系统建设和运维成本，增加了建筑消防的安全风险，另一方面建筑物内部蕴藏的大量建筑内部热惯量并未能得到有效利用，造成资源浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电热协同控制方法及光储直柔系统，其能够对建筑内部热惯量进行有效利用，将建筑内部热惯量转换为并网惯量，对光储直柔系统的并网惯量进行提升；无需额外配置储能设备即可提高光储直柔系统的并网惯量，减少了初始建设投资，充分挖掘了建筑内部贮藏的热惯量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电热协同控制方法及光储直柔系统，包括以下步骤：S1、建立基于等效热参数的建筑虚拟惯量模型，根据所述建筑虚拟惯量模型确定建筑内部热惯量转换为并网惯量的参考值；S2、控制所述光储直柔系统的并网功率，基于虚拟同步发电策略以及并网惯量的参考值，将所述建筑内部热惯量转换为并网惯量。

作为优选的，所述建筑虚拟惯量模型的建立方法为：获取建筑室内的实时温度、等效热容以及建筑室内与室外环境间热能传递过程的等效热阻，并预设建筑室内的目标温度，基于所述实时温度、等效热容、等效热阻和目标温度建立等效热力参数方程以得到光储直柔系统内热泵主机的驱动功率；基于上述等效热力参数方程，进一步建立建筑室内等效热力的虚拟惯量时间常数方程。

作为优选的，所述等效热力参数方程为：

其中，T_in为建筑室内的实时温度，T_set为建筑室内的目标温度，C_e为建筑室内空间的等效热容,R_t为建筑室内与室外环境间热能传递过程的等效热阻，P_ac为热泵主机的驱动功率。

作为优选的，所述虚拟惯量时间常数方程为：

其中，T_out为建筑室外温度，R_t为建筑室内与室外环境间热能传递过程的等效热阻，C_e为建筑室内空间的等效热容，T_in(t₀)表示建筑室内初始状态的温度。

作为优选的，所述S2中，基于虚拟同步发电策略将建筑内部热惯量转换为并网惯量具体为：建立模拟同步发电机同步轴系的转矩平衡方程；建立模拟实际同步发电机的励磁调节方程；建立基于阻尼机制的同步发电机的机组动态功率分配方程；建立电压矢量合成方程；将所述转矩平衡方程、励磁调节方程、机组动态功率分配方程和电压矢量合成方程进行联立以获得方程组，对所述方程组进行求解，获得光储直柔系统输出的运行功率；获取建筑物内部的热阻、热容特征，基于所述热阻、热容特征和所述光储直柔系统输出的运行功率，将建筑热惯量转换为并网惯量。

作为优选的，所述方程组具体为：

，其中，J_v为虚拟惯量，ω_n

为光储直柔系统额定频率，ω_s为同步频率，ω_g为电网实际频率，D_p为转子的综合阻尼系数，表示光储直柔系统输入电网的有功指令，P_g表示光储直柔系统实际输出的有功功率，Q_g表示光储直柔系统实际输出的无功功率测量反馈值，Δω_s为电网实际频率ω_g与同步频率ω_s的误差值，K_s为励磁积分系数，/>为虚拟励磁电感，/>为励磁电流，/>为光储直柔系统的无功参考值，s为频域微分符号，/>和/>为基于阻尼机制的PI控制参数，/>为三相电压的相位向量。

作为优选的，所述励磁调节方程通过励磁积分器模拟同步发电机的励磁调节过程获得。

作为优选的，所述的光储直柔系统，其特征在于，包括：并网功率控制模块、光伏功率控制模块、柔性负荷控制模块和直流配电网；所述并网功率控制模块、光伏功率控制模块、柔性负荷控制模块均接入至直流配电网以实现并网运行；所述光伏功率控制模块用以对太阳能吸收利用以获取最大功率输出；所述柔性负荷控制模块通过等效热参数建立虚拟惯量模型，根据所述建筑虚拟惯量模型确定建筑内部热惯量能够转换为并网惯量的大小，以实现建筑物内部热惯性利用；所述并网功率控制模块用于控制光储直柔系统的整体并网功率，并基于虚拟同步发电策略将所述建筑内部热惯量转换为并网惯量。

作为优选的，所述并网功率控制模块包括能源路由器，交流市电输入至所述能源路由器的输入端，能源路由器的输出端连接至直流配电网的直流母线；所述光伏功率控制模块包括光伏面板和光伏逆变器，所述光伏面板通过光伏逆变器与所述能源路由器连接，所述光伏逆变器从光伏面板中抽取最大功率；所述柔性负荷控制模块包括热泵和热泵驱动变换器,所述热泵通过驱动变换器与所述能源路由器连接。

作为优选的，所述能源路由器的输出端依次通过三相滤波器和并网开关连接至直流配电网的直流母线。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明通过建立基于等效热参数的建筑虚拟惯量，能够确定建筑内部热惯量能够转换为并网惯量的大小并作为参考值，便于后续对建筑内部热惯量的提取利用。

2、本发明通过虚拟同步发电策略，将建筑内部热惯量转换为并网惯量。无需额外配置储能设备即可提高光储直柔系统的并网惯量，减少了系统初始建设投资，充分挖掘了建筑内部贮藏的热惯量。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明电热协同控制的流程示意图；

图2为本发明建筑虚拟惯量模型的建立原理示意图；

图3为本发明虚拟同步发电策略的原理示意图；

图4为本发明光储直柔系统的拓扑结构图；

图5为本发明能源路由器的拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1～图5所示，本发明公开了一种电热协同控制方法及光储直柔系统。

上述电热协同控制方法具体包括以下步骤：

步骤一、建立基于等效热参数的建筑虚拟惯量模型，根据上述模型能够确定建筑内部热惯量能够转换为并网惯量的大小并作为并网惯量的参考值。

其中，建筑虚拟惯量模型的建立方法为：获取建筑室内的实时温度T_in、建筑室外的实时温度T_out，等效热容C_e以及建筑室内与室外环境间热能传递过程的等效热阻R_t，且预设建筑室内的目标温度T_set。

根据上述的建筑室内的实时温度T_in、建筑室外的实时温度T_out，等效热容C_e、等效热阻R_t和建筑室内的目标温度T_set，建立等效热力参数方程：

进一步地，建筑室内实时温度T_in可以通过下列方程表述：

其中，T(t₁)和T(t₂)表示t₁和t₂,时刻的室内及室外温度，时间间隔△t＝t₂-t₁。

基于上述等效热力参数方程，能够进一步得到建筑室内等效热力的虚拟惯量时间常数方程：

其中，T_in(t₀)表示建筑室内初始状态的温度。

将等效热力参数方程和虚拟惯量时间常数方程组合以得到建筑虚拟惯量模型。为了提取建筑内部热惯量，建筑室内的目标温度具有浮动范围，其上下限可由上位系统确定，一般为±2℃内。在确保建筑室内温度处于舒适度区域内的前提下，能够确定建筑内部热惯量能够转换为并网惯量的大小。

通过建立基于等效热参数的建筑虚拟惯量，能够确定建筑内部热惯量能够转换为并网惯量的大小，便于后续对建筑内部热惯量的提取利用。

步骤二、光储直柔系统中的能源路由器对光储直柔系统的并网功率进行调整，同时，维持光储直柔系统的直流母线电压稳定。上述能源路由器基于同步发电策略和并网惯量的参考值可将建筑内部热惯量转换为并网惯量，以提升光储直柔系统的并网惯量。

其中，参照图3可知，基于同步发电策略可将建筑内部热惯量转换为并网惯量时，其控制模型主要包含四部分：虚拟同步轴、励磁调节器、阻尼机制和电压矢量合成。虚拟同步轴主要模拟了同步发电机同步轴系的转矩平衡方程，生成同步频率。其中ω_n为光储直柔系统额定频率，ω_s即为光储直柔系统内禀的虚拟同步频率，其可以不依赖于电网电压矢量位置角度而独立存在，ω_s为同步频率，由共同作用在虚拟惯量为J_v的同步转子轴系上的输入机械转矩、电磁转矩以及阻尼转矩共同决定，D_p为该转子的综合阻尼系数，其标幺值可根据电网的频率下垂系数选取，当频率与电网频率一致后阻尼转矩也将为零。表征光储直柔系统输入电网的有功指令，其数值为当前光伏MPPT(最大功率跟踪)运行点稳态功率值与热泵主机当前稳态运行功率值之差，P_g表示光储直柔系统实际输出的有功功率，Q_g表示光储直柔系统实际输出无功功率。

励磁调节器通过简单的励磁积分器模拟实际同步机的励磁调节过程，建立模拟实际同步发电机的励磁调节方程。其中励磁积分系数为K_s，为虚拟励磁电感，/>为励磁电流。/>表示无功参考值，参照同步电机中的电压下垂控制方法，即通过检测实际输出电压幅值U_s与额定电压幅值U_n之间的误差，经下垂系数D_q的作用后生成系统所需的无功参考值。

阻尼机制主要实现机组动态功率分配，并利用一组PI调节器抑制阻尼转矩的波动，实现了无需PLL的牵入同步功能，以建立同步发电机的机组动态功率分配方程。系数D_p兼具了实际同步发电机下垂系数与阻尼系数的作用，可称其为综合阻尼系数。只要电网实际频率ω_g与系统内禀的同步频率ω_s不相等，误差Δω_s即会通过阻尼系数生成频差转矩，当频差转矩调节为零时，电网频率误差值Δω_s与额定频率之合即为当前电网的实际频率。

电压矢量合成用于生成三相电压参考值E_s，并建立电压矢量合成方程。

将上述的转矩平衡方程、励磁调节方程、机组动态功率分配方程和电压矢量合成方程进行联立以获得方程组，方程组为：

其中，s为频域微分符号，和/>为基于阻尼机制的PI控制参数，/>为光储直柔系统的三相电压的相位向量。

对联立的方程组进行求解，获得光储直柔系统输出的运行功率，获取建筑物内部的热阻、热容特征，基于所述热阻、热容特征和所述光储直柔系统输出的运行功率，将建筑热惯量转换为并网惯量。

通过虚拟同步发电策略，将建筑内部热惯量转换为并网惯量。无需额外配置储能设备即可提高光储直柔系统的并网惯量，减少了系统初始建设投资，充分挖掘了建筑内部贮藏的热惯量。

本发明还提出了一种光储直柔系统。通过上述的电热协同控制方法，对光储直柔系统的并网惯量进行提升。

上述的光储直柔系统包括并网功率控制模块、光伏功率控制模块、柔性负荷控制模块和直流配电网，上述并网功率控制模块、光伏功率控制模块、柔性负荷控制模块均接入至直流配电网以实现并网运行。

具体地，上述光伏功率控制模块对太阳能进行吸收利用，以获取最大功率比输出，实现最大功率跟踪控制功能。

柔性负荷控制模块基于等效热参数建立虚拟惯量模型，并根据上述虚拟惯量模型，确定建筑内部的热惯量能够转换成并网惯量的大小，实现建筑物内部热惯性的利用。

并网功率控制模块用于控制光储直柔系统的整体并网功率，并基于虚拟同步发电策略将所述建筑内部热惯量转换为并网惯量。

参照图4所示，其中，并网功率控制模块包括能源路由器，交流市电输入至能源路由器的输入端，能源路由器的输出端依次通过三相滤波器和并网开关连接至直流配电网的直流母线。光伏功率控制模块包括光伏面板和光伏逆变器，光伏面板通过光伏逆变器与能源路由器连接，光伏逆变器从光伏面板中抽取最大功率，柔性负荷控制模块包括热泵和热泵驱动变换器,热泵通过驱动变换器与能源路由器连接。实现光储直柔系统的并网运行功能。

能源路由器的拓扑结构参照图5所示，能源路由器的拓扑结构包括高频隔离全桥电路和三相全桥电路。

为保障光伏最大程度消纳，光伏变换器控制MPPT运行点不变，光储直柔系统为电网提供的并网惯量通过热泵驱动变换器的控制实现。

高频隔离全桥电路包括高频变压器T1，高频变压器T1的初级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sa1至Sa4，高频变压器T1的次级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sb1至Sb4。高频隔离全桥电路与三相全桥电路连接，三相全桥电路包含自带反并二极管的开关管Sc1至Sc6。

光储直柔系统在并网模式控制下：高频隔离全桥电路低压侧全桥开关管Sa1至Sa4与高压侧开关管Sb1至Sb4采用移相控制策略，占空比固定为50％，通过两组全桥开关波形的相位差控制高压侧电容C3电压为750V，三相全桥电路启动，开关管Sc1至Sc6工作于功率源模式，根据基于虚拟同步发电机策略的电热协同控制，控制交流侧系统虚拟内电势的电压及幅值，使之满足当前电网所需的功率值，设置电压、电流同相位，仅向电网送入指定的有功功率，同时在并网过程中始终进行孤岛检测。

光储直柔系统在离网模式控制下：若由于外部电网故障使得孤岛检测信号出现，光储直柔系统三相并网开关断开，能源路由器自动切换为离网模式控制，保障本地重要负载运行。高频隔离全桥电路的低压侧全桥四个开关管Sa1至Sa4与高压侧开关管Sb1至Sb4采用移相控制，占空比固定为50％，通过两组全桥开关波形的相位差控制高压侧电容C3电压为750V，三相全桥DC/AC工作于电压源模式，根据系统要求控制输出三相线电压380V，频率50Hz，从而为本地重要负载提供持续电力供应。

以电网频率跌落事件为例，此时能源路由器在虚拟同步发电机控制策略下会提高光储直柔系统向电网的输入功率，热泵驱动变换器在建筑温度允许波动范围内改变光储直柔系统输出的运行功率，结合建筑物内部的热阻、热容特征即可决定该光储直柔系统可提供的并网惯量，实现将建筑热惯量转换为并网惯量。

本发明无需额外配置储能设备即可提高光储直柔系统的并网惯量，减少了系统初始建设投资，充分挖掘了建筑内部贮藏的热惯量。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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 (8)

1.一种电热协同控制方法，其用于提升光储直柔系统的并网惯量，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立基于等效热参数的建筑虚拟惯量模型，根据所述建筑虚拟惯量模型确定建筑内部热惯量转换为并网惯量的参考值；所述建筑虚拟惯量模型的建立方法为：

获取建筑室内的实时温度、等效热容以及建筑室内与室外环境间热能传递过程的等效热阻，并预设建筑室内的目标温度，基于所述实时温度、等效热容、等效热阻和目标温度建立等效热力参数方程；

基于上述等效热力参数方程，进一步建立建筑室内等效热力的虚拟惯量时间常数方程；

将所述等效热力参数方程和虚拟惯量时间常数方程组合以得到所述建筑虚拟惯量模型；

S2、控制所述光储直柔系统的并网功率，基于虚拟同步发电策略以及并网惯量的参考值，将所述建筑内部热惯量转换为并网惯量；基于虚拟同步发电策略将建筑内部热惯量转换为并网惯量具体为：

建立模拟同步发电机同步轴系的转矩平衡方程、模拟实际同步发电机的励磁调节方程、基于阻尼机制的同步发电机的机组动态功率分配方程和电压矢量合成方程；

将所述转矩平衡方程、励磁调节方程、机组动态功率分配方程和电压矢量合成方程进行联立以获得方程组，对所述方程组进行求解，获得光储直柔系统输出的运行功率；

获取建筑物内部的热阻、热容特征，基于所述热阻、热容特征和所述光储直柔系统输出的运行功率，将建筑热惯量转换为并网惯量。

2.根据权利要求1所述的电热协同控制方法，其特征在于，所述等效热力参数方程为：其中，T_in为建筑室内的实时温度，T_out为建筑室外温度，P_ac为热泵主机的驱动功率，C_e为建筑室内空间的等效热容,R_t为建筑室内与室外环境间热能传递过程的等效热阻。

3.根据权利要求2所述的电热协同控制方法，其特征在于，所述虚拟惯量时间常数方程为：其中，T_in(t₀)表示建筑室内初始状态的温度。

4.根据权利要求1所述的电热协同控制方法，其特征在于，所述方程组具体为：

其中，J_v为虚拟惯量，ω_n为光储直柔系统额定频率，ω_s为同步频率，ω_g为电网实际频率，D_p为转子的综合阻尼系数，表示光储直柔系统输入电网的有功指令，P_g表示光储直柔系统实际输出的有功功率，Q_g表示光储直柔系统实际输出的无功功率测量反馈值，Δω_s为电网实际频率ω_g与同步频率ω_s的误差值，K_s为励磁积分系数，/>为虚拟励磁电感，/>为励磁电流，/>为光储直柔系统的无功参考值，s为频域微分符号，/>和/>为基于阻尼机制的PI控制参数，/>为三相电压的相位向量。

5.根据权利要求4所述的电热协同控制方法，其特征在于，所述励磁调节方程通过励磁积分器模拟同步发电机的励磁调节过程获得。

6.一种光储直柔系统，其特征在于，用于实现权利要求1-5任意一项所述的一种电热协同控制方法，包括：

柔性负荷控制模块，所述柔性负荷控制模块用以建立虚拟惯量模型，根据建筑虚拟惯量模型确定建筑内部热惯量转换为并网惯量的大小，并作为并网惯量的参考值，实现建筑物内部热惯性利用；

并网功率控制模块，所述并网功率控制模块用于控制光储直柔系统的整体并网功率，并基于虚拟同步发电策略及并网惯量的参考值将建筑内部热惯量转换为并网惯量。

7.根据权利要求6所述的光储直柔系统，其特征在于，还包括光伏功率控制模块和直流配电网；

所述光伏功率控制模块用以对太阳能吸收利用以获取最大功率输出；

所述并网功率控制模块、光伏功率控制模块、柔性负荷控制模块均接入至直流配电网以实现并网运行。

8.根据权利要求7所述的光储直柔系统，其特征在于，所述并网功率控制模块包括能源路由器，交流市电输入至所述能源路由器的输入端，能源路由器的输出端依次通过三相滤波器和并网开关连接至直流配电网的直流母线；

所述光伏功率控制模块包括光伏面板和光伏逆变器，所述光伏面板通过光伏逆变器与所述能源路由器连接，所述光伏逆变器从光伏面板中抽取最大功率；所述柔性负荷控制模块包括热泵和热泵驱动变换器,所述热泵通过驱动变换器与所述能源路由器连接。