CN114629141A - 一种基于rtds的储能仿真系统及控制方法 - Google Patents

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曾冠铭
王雅婷
郭天宇
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Abstract

本申请提供一种基于RTDS的储能仿真系统及其控制方法，用于风光储联合发电系统，包括：集控系统、储能协控系统、储能PCS控制系统、RTDS实时仿真系统和EMS模拟器；集控系统用于获取总功率，并发送至储能协控系统；储能协控系统用于根据总功率确定分配至储能PCS控制系统的平均功率，并将平均功率发送至所述储能PCS控制系统；储能PCS控制系统用于根据平均功率计算并输出PWM脉冲信号至RTDS实时仿真系统；RTDS实时仿真系统用于根据PWM脉冲信号仿真确定储能实发的功率参数和荷电状态，并传输至EMS模拟器；EMS模拟器用于上传储能实发的功率参数和荷电状态至所述集控系统。所述仿真系统使储能系统仿真数据实时反馈，达到发电功率平滑输出控制。

Description

一种基于RTDS的储能仿真系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种基于RTDS的储能仿真系统及控制方法。
背景技术
随着新能源分布式电场的广泛使用，风电、光伏作为可再生能源接入电力系统的情况越来越多。风电和光伏在时间和地区上具有间歇性和随机性，因此风电和光伏发电技术对于连续稳定的电能输出具有一定的局限性和挑战性。为了保证风电、光伏并网的电能质量则需要电网增加大量的有功补偿来保障可能存在的故障和负荷波动。由于风电和光伏在时间上具有较强的互补性，与储能系统组成风光储能联合发电系统，利用储能系统改善风光发电的间歇性和随机性，更好地优化风光互补联合发电的电能质量，增加电网对于风光能源的吸纳程度，是当前新能源分布式电场的发展趋势。其中，储能系统的作用是当风电机组及光伏发电装置输出的电能多余时，将其储存在储能系统的电池组中，在需要放电的时候再将存储的电能释放出来，以平滑联合发电系统出力及并网的要求，实现平滑性和可调度性。
大规模储能系统的安装对新能源分布式电场的调控带来了便利，但是对于电网频率，有功功率和无功功率的控制的要求也越来越高。将对带有储能系统的电场调控系统在接入正式配电网中时需要进行性能和稳定性的测试，而由于真实配电网具有高压危险、不可试、不可触的特点，若采用真实的配电网进行相应的调控测试不仅会耗费大量的时间，还会大大增加成本，给调控测试研究造成极大的困难。
目前一般采用能量管理系统(EMS)直接控制储能系统进行功率调整，所述储能系统可控制储能系统内部电池组的充电和放电过程，进行交直流的变换。但是EMS与储能系统之间通讯时间较长，无法实时对储能系统的有功功率进行调整。另外，EMS无法直接快速地测量储能系统频率，无法实施储能系统的频率调节。也就是说，由于EMS基于服务器非实时操作系统架构的属性，在风光储联合发电系统并入电网的情况下，EMS无法满足实时性功率调节控制的要求。
因此，针对风电、光伏新能源以及储能的联合发电系统需要快速协调控制的特点，如何实时仿真控制调节储能系统，是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种基于RTDS的储能仿真系统及控制方法，可以实时调节控制储能系统。
第一方面，本发明提供一种基于RTDS的储能仿真系统，所述储能仿真系统用于风光储联合发电系统中，包括：
集控系统、储能协控系统、储能PCS控制系统、RTDS实时仿真系统和EMS模拟器；
所述集控系统，用于获取总功率，并将所述总功率发送至所述储能协控系统；
所述储能协控系统，用于根据所述总功率，确定分配至所述储能PCS控制系统的平均功率，并将平均功率发送至所述储能PCS控制系统；
所述储能PCS控制系统，用于根据所述平均功率，计算并输出PWM脉冲信号至所述RTDS实时仿真系统；
所述RTDS实时仿真系统，用于根据所述PWM脉冲信号仿真确定储能实发的功率参数和荷电状态，并传输至所述EMS模拟器；
所述EMS模拟器，用于上传所述接收储能实发的功率参数和荷电状态至所述集控系统。
第二方面，一种利用第一方面的所述基于RTDS的储能仿真系统的控制方法，包括：
集控系统获取设定的总功率，并将所述总功率发送至储能协控系统；
所述储能协控系统根据接收的所述总功率计算得到平均功率，将所述平均功率发送至储能PCS控制系统；
所述储能PCS控制系统根据接收的所述平均功率得到PWM脉冲信号，并将所述PWM脉冲信号发送至RTDS实时仿真系统；
所述RTDS实时仿真系统根据所述PWM脉冲信号确定储能实发的功率参数和荷电状态，并将所述储能实发的功率参数和荷电状态发送至EMS模拟器；
所述EMS模拟器将所述储能实发的功率参数和荷电状态发送至集控系统，用于总功率调节。
采用上述技术方案的有益效果为：本发明的一种基于RTDS实时仿真系统，通过引入RTDS实时仿真系统对储能系统进行仿真控制，实现了储能系统的仿真数据实时传递并反馈至下一阶段的发电系统的功率调整；并且在PCS控制器上层增加储能协控系统，对多个PCS控制器实现统一、有效的快速控制，将RTDS实时仿真系统作为功率参数和荷电状态的测量模块，实现了多个PCS控制器的协调一致性和控制准确性，使大规模储能得到良好的控制效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为基于RTDS的储能仿真系统的示意图；
图2为基于RTDS的储能仿真系统的详细部分示意图；
图3为基于RTDS的储能仿真系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。为了更详细说明本发明，下面结合附图对本发明提供的一种基于RTDS的储能仿真系统及控制方法，进行具体地描述。
风能和光能在时间和地区上都具有间歇性和随机性，因此风光独立运行发电技术对于提供连续稳定的电能输出具有一定的局限性和挑战性。为了保证并网电能质量则需要电网增加大量的有功补偿来保障可能存在的故障和负荷波动，因此限制了大规模风、光并网联合发电系统。然而风能和光能在时间上和季节上具有很强的互补型，白天光照较大但是风能较小，晚上光照基本为零但是风能较强；夏季太阳光照强度大而风速较小，冬季光照较弱而风速大。因此，基于风速和光照在昼夜和季节上的互补性，如果与储能系统组成风光储联合发电系统，利用储能系统改善风光发电的间歇性和随机性，更好地优化风光互补联合发电的电能质量，同时也可以增加电网对于风光能源的吸纳程度。
目前风光储联合发电系统的功率平滑控制主要体现在两个方面，一方面是通过改变风电机组或光伏系统自身特有的运行机理达到发电功率平滑控制的效果，另一方面是通过设计储能系统的控制策略来过滤一些不满足电网要求的有功功率波动，达到发电功率平滑输出的效果。
本发明以储能系统的控制策略为着手点，实现发电功率平滑输出。目前储能系统的控制一般是通过能量管理系统(EMS)直接控制的，由于能量管理系统与储能系统之间的通讯时间较长，无法对储能系统实现实时控制。进一步，由于风能和光能具有随机性的特点，并且一般风光储联合发电系统中存在多个风电场和多个光伏电场，需要处理的电场容量较大，在此情况下，传统的能量管理系统甚至无法控制有功功率的调节过程。基于此，本发明提出的有一种基于RTDS的储能仿真系统及控制方法，能够快速实时对储能系统的控制策略进行调整，以实现发电功率的平滑输出。对于该仿真系统及其控制方法的描述具体如下：
第一方面，本申请实施例中提供了一种基于RTDS的储能仿真系统，所述储能仿真系统用于风光储联合发电系统中，结合说明书附图1及附图2示出的基于RTDS的储能仿真系统示意图，具体如下：
基于RTDS的储能仿真系统包括集控系统101、储能协控系统102、储能PCS控制系统103、RTDS实时仿真系统104和EMS模拟器105；
所述集控系统101分别与所述储能协控系统102和所述EMS模拟器105通过网线连接；
所述储能PCS控制系统103分别与所述储能协控系统102和所述RTDS实时仿真系统104通过线缆连接；
所述RTDS实时仿真系统104与所述EMS模拟器105通过光纤连接。
针对上述仿真系统各个部件的功能部分具体如下：
所述集控系统101，用于获取总功率，并发送至所述储能协控系统102。
具体地，所述集控系统101又称集控中心控制运维系统，是对一定地理空间范围内的风光储联合发电系统的统一管理设备，也就是说所述集控系统可用于集中管理一定地理空间范围内的风电系统、光伏系统和储能系统。所述集控系统101根据设定的模式将总功率以IEC60870-5-104的规约形式发送给储能协控系统102。
其中，所述总功率包括总有功功率和总无功功率中的一个或多个，可根据实际应用情景选择总功率的发送内容。
在电网中，由电源供给负载的电功率有两种，分别为有功功率和无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(如机械能、光能、热能)的电功率。而无功功率是用于电路内电场与磁场，用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率，凡是有电磁线圈的电器设备，要建立磁场就要消耗无功功率。
所述储能协控系统102，用于根据所述总功率，确定分配到储能PCS控制系统103的平均功率，并将平均功率发送至所述储能PCS控制系统103。
具体地，所述储能协控系统102包括协调控制器201和至少一个PCS控制接口模块202。所述协调控制器201用于总有功功率和/或总无功功率的接收，计算并分配每个PCS控制接口模块的平均有功功率和/或平均无功功率。其中，每个PCS控制接口模块的平均有功功率Pi和/或平均无功功率Qi的分配具体表达式为：
Figure BDA0003578674780000061
其中Psum为总有功功率、Qsum为总无功功率、N为PCS控制接口模块的数量。
为了加快协调控制器模块201与多个PCS控制接口模块202之间的数据传输速度，并减少数据传输交换结构的冗余设置，设置多个PCS控制接口模块202之间为串联连接方式。以所述PCS控制接口模块有N个为例，所述协调控制器201通过网线与第1个PCS控制接口模块202连接，第1个PCS控制接口模块202通过网线与第2个PCS控制接口模块202连接，依此类推，直至与第N个PCS控制接口模块202完成连接。
所述储能PCS控制系统103，用于根据所述平均功率，计算并输出PWM脉冲信号至RTDS实时仿真系统。
所述储能PCS控制系统103包括有至少一个储能PCS控制器302，所述储能PCS控制器302与PCS控制接口模块202设置的数量相同，每个PCS控制接口模块202与储能PCS控制器302之间一一对应进行数据传输。所述PCS控制接口模块202通过线缆输出平均功率到储能PCS控制器302，其中平均功率的传输采用CAN2.0协议进行。
优选地，所述储能PCS控制器302根据接收的平均功率，通过双环控制得出有功电流和/或无功电流的参考值，并根据有功电流和/或无功电流的参考值得到PWM脉冲信号。具体为，所述储能PCS控制器根据计算得到的有功电流和/或无功电流，与实际的有功电流和/或无功电流进行比较，得到的误差经PI调节器，与实际的电压分量进行叠加，形成调制波，再根据所述调制波得到PWM脉冲信号。
所述RTDS实时仿真系统104，用于根据PWM脉冲信号仿真计算储能实发的功率参数和荷电状态，并传输至所述EMS模拟器105。
其中，RTDS实时仿真系统104为实时数字仿真系统，是数字仿真技术、计算机技术和并行处理技术发展的产物，该仿真系统并行处理技术的采用及其硬件设计保证了RTDS运行的实时性和具有闭环测试的能力，可以在50μs的步长上完成较大规模电力系统的实时仿真运行，能够很好地满足于外部物理控制设备和保护装置进行实时交互试验的需要。
具体地，所述RTDS实时仿真系统104在接收到PWM脉冲信号后，进行仿真计算，得到在RTDS仿真储能系统运行工作时产生的实发功率参数以及储能系统的荷电状态，并将仿真得到的储能系统实发功率参数以及荷电状态发送至EMS模拟器105。
其中，所述储能实发的功率参数包括仿真储能系统工作时得到的实时发出的有功功率、无功功率、有功功率反馈值和无功功率反馈值；所述荷电状态是指在仿真储能系统工作时的储能容量与储能系统完全充电状态的容量的比值。
优选地，所述RTDS实时仿真系统104通过AURORA协议将上述仿真计算得到的储能实发功率参数和荷电状态发送至EMS模拟器105，其中RTDS实时仿真系统104与EMS模拟器105之间通过光纤连接。
所述EMS模拟器105，用于上传所述接收储能实发的功率参数和荷电状态至所述集控系统。
其中，所述EMS模拟器105为能量管理系统模拟器，用于对电网实时采集数据进行传输。优选的，所述EMS模拟器采用RTDS公司制造的GTNET板卡。
进一步的，当EMS模拟器将储能实发的功率参数和荷电状态发送至集控系统后，集控系统101还可根据储能实发的功率参数和荷电状态进行数据分析，确定所述储能系统处于哪种工作状态，并根据储能系统的有功功率和/或无功功率参数对下一阶段发送的总功率进行调整，以达到风光储联合发电系统的发电功率平滑输出的效果。
优选的，所述集控系统根据接收的储能实发功率参数和荷电状态进行分析，在PCS控制器和储能系统正常运行的情况下，若检测到储能系统的荷电状态大于80％时，判定此时储能系统处于充电过程，设置下一阶段的有功功率和无功功率分别为0；若监测到储能系统的荷电状态小于20％时，判定此时储能系统处于放电状态，设置下一阶段的有功功率和无功功率分别设置为0。
本发明提出的基于RTDS的储能仿真系统采用RTDS仿真系统模拟储能系统在风光储联合发电系统中的工作状态，利用RTDS仿真系统对大规模电力系统所需的仿真时间极短可到实时仿真反馈的特点，在最大程度上接近储能系统的实际工作状态，令储能系统仿真工作的相关参数可以及时返回至集控系统，并做出进一步分析，反馈至下一阶段的输出功率控制上，以达到风光储联合发电系统的发电功率平滑输出的效果。
第二方面，基于第一方面所述的基于RTDS的储能仿真系统，本申请提出了相应的控制方法，结合说明书附图3示出的基于RTDS的储能仿真系统的控制方法流程示意图，具体包括：
步骤S11：集控系统获取设定的总功率，并将所述总功率发送至储能协控系统。
优选的，所述总功率包括总有功功率和/或总无功功率。
步骤S12：所述储能协控系统根据所述总功率计算得到平均功率，将所述平均功率发送至储能PCS控制系统。
优选的，所述储能协控系统包括协调控制器和至少一个PCS控制接口模块，PCS控制接口模块之间串联连接。所述储能PCS控制系统由至少一个储能PCS控制器组成。
进一步，所述平均功率包括平均有功功率和/或平均无功功率。所述平均有功功率Pi和/或平均无功功率Qi的分配具体表达式为：
Figure BDA0003578674780000091
Figure BDA0003578674780000092
其中Psum为总有功功率、Qsum为总无功功率、N为PCS控制接口模块的数量。
上述步骤S12具体包括：
所述协调控制器接收总功率，并根据所述总功率计算得到需分配到各个PCS控制接口模块的平均功率，并将所述平均功率依次发送至各个PCS控制接口模块；
各个PCS控制接口模块将接收的平均功率发送至对应的储能PCS控制器。其中，所述PCS控制接口模块与储能PCS控制器一一对应连接，PCS控制接口模块与储能PCS控制器设置的数量相同。
需要说明的是，所述PCS控制接口模块通过串联的方式实现通信连接，可以极大程度地简化平均功率的信号传输装置，减少信号传输过程中交换装置的冗余，并且可以较大程度减少数据丢包发生的概率。
步骤S13：所述储能PCS控制系统根据所述平均功率得到PWM脉冲信号，并将所述PWM脉冲信号发送至RTDS实时仿真系统。
具体地，所述储能PCS控制器根据接收的平均功率，通过双环控制得出有功电流和/或无功电流的参考值，并根据有功电流和/或无功电流的参考值，与实际测量得到的有功电流和/或无功电流进行比较，得到的误差经PI调节器，与实际的电压分量进行叠加，形成调制波，再根据所述调制波得到PWM脉冲信号。
步骤S14：所述RTDS实时仿真系统根据所述PWM脉冲信号确定储能实发的功率参数和荷电状态，并将所述储能实发的功率参数和荷电状态发送至EMS模拟器；
优选的，所述储能实发的功率参数包括仿真储能系统工作实时得到的有功功率、无功功率、有功功率反馈值和无功功率反馈值；所述荷电状态是指在仿真储能系统工作时的储能容量与储能系统完全充电状态的容量的比值。
步骤S15：所述EMS模拟器将所述储能实发的功率参数和荷电状态发送至集控系统，用于总功率调节。
进一步的，所述集控系统101还可根据EMS模拟器上传的储能实发的功率参数和荷电状态进行数据分析，确定所述储能系统处于哪种工作状态，并根据储能系统的有功功率和/或无功功率参数对下一阶段发送的总功率进行调整，以达到风光储联合发电系统的发电功率平滑输出的效果。
优选的，所述集控系统根据接收的储能实发功率参数和荷电状态进行分析，在PCS控制器和储能系统正常运行的情况下，若检测到储能系统的荷电状态大于80％时，判定此时储能系统处于充电过程，设置下一阶段的有功功率和无功功率分别为0；若监测到储能系统的荷电状态小于20％时，判定此时储能系统处于放电状态，设置下一阶段的有功功率和无功功率分别设置为0。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于RTDS的储能仿真系统，所述储能仿真系统用于风光储联合发电系统中，其特征在于，包括：
集控系统、储能协控系统、储能PCS控制系统、RTDS实时仿真系统和EMS模拟器；
所述集控系统，用于获取总功率，并将所述总功率发送至所述储能协控系统；
所述储能协控系统，用于根据所述总功率，确定分配至所述储能PCS控制系统的平均功率，并将平均功率发送至所述储能PCS控制系统；
所述储能PCS控制系统，用于根据所述平均功率，计算并输出PWM脉冲信号至所述RTDS实时仿真系统；
所述RTDS实时仿真系统，用于根据所述PWM脉冲信号仿真确定储能实发的功率参数和荷电状态，并传输至所述EMS模拟器；
所述EMS模拟器，用于上传所述储能实发的功率参数和荷电状态至所述集控系统。
2.如权利要求1所述的基于RTDS的储能仿真系统，其特征在于，所述集控系统，还用于根据所述储能实发的功率参数和荷电状态调整总功率。
3.如权利要求1所述的基于RTDS的储能仿真系统，其特征在于，包括：
所述集控系统分别与所述储能协控系统和所述EMS模拟器之间通过网线连接；
所述储能PCS控制系统分别与所述储能协控系统和所述RTDS实时仿真系统通过线缆连接；
所述RTDS实时仿真系统与所述EMS模拟器通过光纤连接。
4.如权利要求1所述的基于RTDS的储能仿真系统，其特征在于，所述总功率包括总有功功率和/或总无功功率；
所述平均功率包括平均有功功率和/或平均无功功率。
5.如权利要求1所述的基于RTDS的储能仿真系统，其特征在于，所述储能实发的功率参数包括储能实发的有功功率、无功功率、有功功率反馈值和无功功率反馈值。
6.如权利要求1所述的基于RTDS的储能仿真系统，其特征在于，所述储能协控系统包括协调控制器模块和至少一个PCS控制接口模块；
所述储能PCS控制系统包括至少一个储能PCS控制器；
所述协调控制器模块，用于接收总功率，并根据所述总功率确定分配至各个所述储能PCS控制器的平均功率，将所述平均功率发送至各个所述PCS控制接口模块；
所述PCS控制接口模块，用于将平均功率发送至各个所述储能PCS控制器。
7.如权利要求1所述的基于RTDS的储能仿真系统，其特征在于，各个所述PCS控制接口模块之间采用串联方式连接。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的基于RTDS的储能仿真系统的控制方法，其特征在于，包括：
集控系统获取设定的总功率，并将所述总功率发送至储能协控系统；
所述储能协控系统根据所述总功率计算得到平均功率，将所述平均功率发送至储能PCS控制系统；
所述储能PCS控制系统根据所述平均功率得到PWM脉冲信号，并将所述PWM脉冲信号发送至RTDS实时仿真系统；
所述RTDS实时仿真系统根据所述PWM脉冲信号确定储能实发的功率参数和荷电状态，并将所述储能实发的功率参数和荷电状态发送至EMS模拟器；
所述EMS模拟器将所述储能实发的功率参数和荷电状态发送至集控系统，用于总功率调节。
9.如权利要求8所述的基于RTDS的储能仿真控制方法，其特征在于，所述总功率包括总有功功率和/或总无功功率；所述平均功率包括平均有功功率和/或平均无功功率。
10.如权利要求8所述的基于RTDS的储能仿真控制方法，其特征在于，所述储能实发的功率参数包括储能实发的有功功率、无功功率、有功功率反馈值和无功功率反馈值。
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