CN115940257A - 一种光储发电虚拟惯量控制方法 - Google Patents

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张冰
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蒋哲
刘文学
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Abstract

本发明提供了一种光储发电虚拟惯量控制方法，包括以下步骤：计算光伏发电并网系统的频率变化量，将频率变化量与设定的频率变化阈值进行比较；当频率变化超过阈值，通过升压变换器两端电容释放能量，使其具有惯量响应能力；同时，增加储能装置，并利用PD控制器对储能装置附加下垂控制与虚拟惯量控制，协同光伏发电系统运行；综合电容和储能装置的惯量响应，调控光储发电，使其具备良好的惯量响应性能。通过电容储能能够释放储存的能量，减少功率不平衡量的数值，避免光伏发电产生出力骤降现象，以减少电力系统频率的快速波动，同时使电化学储能能够辅助电容，提高光伏发电系统惯量响应性能。

Description

一种光储发电虚拟惯量控制方法
技术领域
本发明涉及一种光储发电虚拟惯量控制方法，属于光储发电虚拟惯量控制技术领域。
背景技术
随着新能源机组装机容量不断增加，同步机组在电网中的占比逐渐减少，而风机、光伏等新能源机组并不具有同步机的惯性响应能力，无附加控制时无法参与到频率调节过程中，系统等效惯量逐渐降低。当发生功率扰动时，可再生能源电网频率的偏移量和变化率相较于传统电网大幅增加，频率稳定性大大降低。
随着新能源发电占比的日益升高，基于电力电子装置并网的新能源机组挤占了传统同步机组的空间，且风光为不可控资源，风电、光伏机组出力具有随机性、波动性的特征。因此含高比例可再生能源和电力电子装置的现代电力系统展现出了低惯量、弱阻尼的特征，频率稳定性面临着更大的挑战。为了丰富现代电力系统的频率稳定控制体系，需加快对光伏、储能等静止发电元件参与惯量支撑和调频的研究。
目前，国内外学者围绕光伏发电系统进行频率响应的控制措施做了大量研究，主要的控制方式有减载控制法、虚拟惯量法和储能协同法。减载控制会降低光伏机组的经济性，难以应用到现场生产中。传统同步机组由于转子始终处于旋转状态，其转速与系统频率相耦合，可以快速将旋转动能转化为有功输出进行惯量支撑。同理，可以通过对并网变换器施加控制策略，将其他元件中储存的能量能够转换为有功输出，以模拟同步机的惯性。利用储能辅助新能源机组具有更好频率支撑性能的控制策略也已非常丰富，使储能协同光伏机组进行惯量控制可具有更佳性能。
目前针对该问题的研究大多聚焦于光伏减载和储能辅助控制等单一手段，难以应对负荷和光伏出力连续变化带来的频率波动问题，且少有光储发电虚拟惯量协同控制的研究。
发明内容
本发明目的是提供了一种光储发电虚拟惯量控制方法，通过电容释放储存的能量，减少功率不平衡量的数值，避免光伏发电产生出力骤降现象，以减少电力系统频率的快速波动，同时使电化学储能辅助电容调控，提高光伏发电系统惯量响应性能。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
计算光伏发电并网系统的频率变化量，将频率变化量与设定的频率变化阈值进行比较；
当频率变化超过阈值，通过升压变换器两端电容释放能量Ph，使其具有惯量响应能力；
同时，增加储能装置，并利用PD控制器对储能装置附加下垂控制与虚拟惯量控制，协同光伏发电系统运行；
综合电容和储能装置的惯量响应，调控光储发电，使其具备良好的惯量响应性能。
优选的，所述频率变化量Δf计算方式如下：Δf＝fm-fn，
式中：fm为频率测量值，fn为工频。
优选的，通过基于比例控制环节确定并改变升压变换器两端电容的电压，控制电容释放能量大小。
优选的，所述所述电容电压计算公式如下：
Uh＝Uh0-ΔUh＝Uh0-KpΔf；
式中，Uh表示电容两侧电压，Uh0表示高压侧直流电容初始电压，Kp为频率变化影响电容电压的比例系数
在放电过程中，电容释放能量的功率Ph计算公式为：
式中：Ch表示高压侧直流电容大小；
优选的，所述储能装置参与虚拟惯量调节的输出功率为：
式中：K1为比例系数，K2为微分系数。
优选的，光伏发电系统通过前级DC/DC变换器使光伏阵列工作于最大功率跟踪状态，DC/AC变换器基于电压电流的双闭环控制实现光伏发电虚拟惯量控制。
本发明的优点在于：本发明类比传统同步机组提供惯量支撑的机理，提出了改变高压侧直流电容电压来释放电容储存的能量以具有惯量响应能力的方法，在此基础上通过设置比例控制环节确定了附加功率的大小。
本发明考虑到电容中储存的能量有限，使光伏发电系统协同电化学储能运行，对储能附加下垂控制与虚拟惯量控制，以使储能可以辅助惯量响应，使光储发电具有了更优的惯量响应性能。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是本发明光伏并网发电结构图。
图2是本发明电容虚拟惯量控制示意图。
图3是本发明光储联合发电系统惯量控制示意图。
图4是本发明储能虚拟惯量控制示意图。
图5是实施例中仿真模型示意图。
图6是本发明实施例负荷突增时频率响应对比图。
图7是本发明实施例负荷突增时电容电压对比图。
图8是本发明实施例负荷突增时光储发电系统有功出力对比图。
图9是本发明实施例负荷突增时不同电容虚拟惯量控制参数频率响应对比图。
图10是本发明实施例负荷突增时不同电容虚拟惯量控制参数有功出力对比图。
图11是本发明实施例负荷突增时不同储能虚拟惯量控制参数频率响应对比图。
图12是本发明实施例负荷突增时不同储能虚拟惯量控制参数有功出力对比图。
图中：C1为低压侧直流电容，Ul和Il为光伏阵列的工作电压和工作电流，d1为MPPT控制器的调节信号，Ch为高压侧直流电容，Uh为高压侧直流电容两侧电压，Ug、Ig和fm分别为交流电网的电压、电流和频率，d2为逆变器的调节信号。
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。
一种光储发电虚拟惯量控制策略综合了直流电容储能和电化学储能控制两大部分，其具体包括以下步骤：
(1)计算光伏发电并网系统的频率变化量，当频率变化超过阈值时，改变高压侧直流电容电压来释放电容储存的能量；
(2)设置比例控制环节，确定增发功率的大小；
(3)考虑到电容中储存的能量有限，当频率变化超过阈值时，使光伏发电系统参与惯量响应；
(4)储能通过下垂控制进行惯量支撑，辅助光伏发电机组进行惯量响应；
(5)储能通过虚拟惯量控制进行惯量支撑，使惯量响应性能更优；
(6)综合直流电容储能和电化学储能惯量响应方法，实现光储发电更优的惯量响应性能。
所述步骤(1)中，传统同步机组由于转子始终处于旋转状态，其转速与系统频率相耦合，可以快速将旋转动能转化为有功输出进行惯量支撑。同理，可以通过对并网变换器施加控制策略，将其他元件中储存的能量能够转换为有功输出，以模拟同步机的惯性。光伏发电系统的基本结构对其而言，升压变换器两端的电容可以存储能量，因此考虑改变高压侧直流电容电压来释放电容储存的能量以具有惯量响应能力。
Cl为低压侧直流电容，Ul和Il为光伏阵列的工作电压和工作电流，d1为MPPT控制器的调节信号。Ch为高压侧直流电容，其两侧电压为Uh。Ug、Ig和fm分别为交流电网的电压、电流和频率，d2为逆变器的调节信号。本发明首先计算光伏发电并网系统的频率变化量，当频率变化超过阈值时，改变高压侧直流电容电压来释放电容储存的能量。
所述步骤(2)中，当电网频率变化超过阈值时，为了使电容储存的能量能够参与到暂态响应过程中，通过附加比例控制环节改变其两端的电压。该放电过程中电容两端的电压为：
Uh＝Uh0-ΔUh＝Uh0-KpΔf
式中，Kp为频率变化影响电容电压的比例系数，Δf为测量频率与额定工频的差值，Δf＝fm-fn。
电容两端电压改变时会产生发电电流，此时放电电流Ih可以表示为：
在放电过程中，电容释放能量的功率表达式为：
在图2中，Id0为d轴电流参考值，Id为d轴电流实际值。因此在电压跟随频率变化的下垂特性时，通过改变高压直流电容两端的电压，可以实现一定的惯量支撑作用。
所述步骤(3)中，考虑到电容中储存的能量有限，且电容两端电压的偏差超过阈值会存在损坏电力电子器件的可能性。若系统中出现的功率差额过大，基于直流电容储能的光伏发电系统的惯量支撑性能难以满足要求。因此本发明使光伏发电系统协同电化学储能运行，对储能变换器附加控制方式使其可以进行惯量补偿，以使光储联合发电系统具有更好的惯量响应能力。
所述步骤(4)中，光伏发电系统通过前级DC/DC变换器使光伏阵列工作于最大功率跟踪状态，DC/AC变换器基于电压电流的双闭环控制实现光伏发电虚拟惯量控制。储能装置基于DC/DC变换器实现有功出力控制，d3为变换器的调节信号，然后通过DC/AC变换器实现并网。为了使电化学储能辅助光储联合发电系统具有更好的惯量支撑特性，本发明设计了下垂控制使储能参与惯量响应过程。
所述步骤(5)中，为了使光储发电系统能够具有更好的惯量响应性能，又附加了虚拟惯量控制，此时储能的功率输出可以表示为：
在光储联合发电系统中，电网频率变化超过阈值时，系统可以增发的有功出力有直流电容储能和外置储能两部分来源。在本发明所提的控制方法下，光储联合系统的出力可以表示为：
ΔP＝Ph+PES；
所述步骤(6)中，模拟同步机组的惯量方程，光储发电系统的惯量方程如下所示：
式中，Hpv-es为光储联合发电系统的惯量常数。
因此光储联合系统的惯量常数Hpv-es可以表示为：
因此基于本发明提出的惯量控制方法，光伏和储能发电系统能够参与到电力系统惯量响应和频率调节中。
实施例
本发明以图5所示的仿真模型作为实施例，为了验证本发明提出的光储联合发电系统的惯量控制策略，本发明在Matlab/Simulink中搭建了含有光伏发电系统与储能系统的单机模型。仿真模型示意图如图5所示，其额定频率为50Hz，Lg和Le为系统负荷。光伏发电系统额定输出功率为2.5kW，储能系统最大输出功率为10kW。高压侧直流电容为3.3mF。
本发明仿真了负荷突增的情形，比较了光伏发电系统在不附加控制、附加基于电容储能的虚拟惯量控制和本发明提出的综合直流电容储能与电化学储能的惯量控制策略三种情况下的频率响应能力。随后通过改变电容容量、电容下垂控制系数和储能控制系数观察了对惯量响应的影响。
在上述条件下，电容电压下垂控制系数为500。储能微分系数和比例系数分别为10和40。系统运行稳定时为起始时刻，在0.5s时，负荷Lg突增60kW。
由图6可得，光储联合发电系统电容没有惯量控制时，电力系统频率最低点最低，为49.968Hz。当其采用电容虚拟惯量控制时，电力系统频率最低点为49.969Hz，提升了0.001Hz。采用本发明提出的电容储能与电化学储能综合虚拟惯量控制方案时，系统频率最低点提升为49.97Hz，相较于没有惯量时提升了6％。
图8为光储联合发电系统在不同控制方式下的有功出力变化。图中可以看出，系统有功出力在无额外控制时基本不会发生变化，维持在2500W左右。采用基于电容储能的虚拟惯量控制后，系统有功出力在0.534s处最多可增发725.6W，但随着电力系统频率攀升，系统在0.554s时有功出力降落到了2284.6W。系统采用综合电容和电化学储能虚拟惯量控制的策略后，调频能力进一步增强。在0.534s处最多可增发1338.6W，增发比例接近53.5％。但随着电力系统频率攀升，在0.553s时有功出力降落到了2244.9W。
为了验证所提控制策略参数对惯量支撑的影响。本发明仿真了相同负荷扰动时光储发电系统在不同控制系数下的惯量支撑的性能。在0.5s时，负荷Lg突增40kW。
图9和图10分别为电容虚拟惯量控制不同参数下的频率特性和有功出力变化。图中可以看出，直流电容C1由5mF变为2mF时，在同样的负荷扰动下出力会减小，因此合理调整直流侧电容的大小能增强惯量支撑性能。当下垂控制系数Kp为0时，光伏发电系统有功出力基本保持恒定。Kp设置为500后，系统具有了惯量支撑能力，随着系数增大，系统的惯量支撑能力增强。在C1为5mF，Kp为1000时，光伏发电系统有功出力最大可以增发797.9W，使电力系统频率响应性能更优。
图11和图12分别为电化学储能虚拟惯量控制不同比例系数和微分系数下的频率特性和有功出力变化。可以看出，改变K1和K2的值对储能虚拟惯量控制具有显著的影响。在K1和K2均为0时，光储发电系统在负荷扰动下出力基本保持不变，约2500W。在K1为10，K2为40时，光储发电系统的有功出力可以响应系统频率的变化，其有功出力最大可达到2929.1W。通过增加比例系数和微分系数，可以增强储能模块的惯量支撑能力，因此通过合理选取电化学储能的控制参数，可以使光储发电系统具有更优的调频性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光储发电虚拟惯量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算光伏发电并网系统的频率变化量，将频率变化量与设定的频率变化阈值进行比较；
当频率变化超过阈值，通过升压变换器两端电容释放能量Ph，使其具有惯量响应能力；
同时，增加储能装置，并利用PD控制器对储能装置附加下垂控制与虚拟惯量控制，协同光伏发电系统运行；
综合电容和储能装置的惯量响应，调控光储发电，使其具备良好的惯量响应性能。
2.根据权利要求1所述的光储发电虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述频率变化量Δf计算方式如下：Δf＝fm-fn，
式中：fm为频率测量值，fn为工频。
3.根据权利要求1所述的光储发电虚拟惯量控制方法，其特征在于，通过基于比例控制环节确定并改变升压变换器两端电容的电压，控制电容释放能量大小。
4.根据权利要求3所述的光储发电虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述所述电容电压计算公式如下：
Uh＝Uh0-ΔUh＝Uh0-KpΔf；
式中，Uh表示电容两侧电压，Uh0表示高压侧直流电容初始电压，Kp为频率变化影响电容电压的比例系数
在放电过程中，电容释放能量的功率Ph计算公式为：
Figure FDA0003959081430000011
式中：Ch表示高压侧直流电容大小。
5.根据权利要求1所述的光储发电虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述储能装置参与虚拟惯量调节的输出功率为：
Figure FDA0003959081430000012
式中：K1为比例系数，K2为微分系数。
6.根据权利要求1所述的光储发电虚拟惯量控制方法，其特征在于，光伏发电系统通过前级DC/DC变换器使光伏阵列工作于最大功率跟踪状态，DC/AC变换器基于电压电流的双闭环控制实现光伏发电虚拟惯量控制。
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