WO2024060675A1

WO2024060675A1 - 超级电容储能下垂控制方法及系统

Info

Publication number: WO2024060675A1
Application number: PCT/CN2023/098110
Authority: WO
Inventors: 王绍民; 林松青; 薛晓峰; 潘喜良; 徐挺进; 姜滨; 梁晓斌; 张宗桢; 戴海鹏; 葛传军; 常云潇; 刘文武; 杨沛豪; 兀鹏越; 寇水潮; 王小辉; 燕云飞; 郭昊; 殷悦; 李志鹏
Original assignee: 华能罗源发电有限责任公司; 西安热工研究院有限公司
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2023-06-02
Publication date: 2024-03-28
Also published as: CN115224718A; CN115224718B

Abstract

公开了一种超级电容储能下垂控制方法及系统，所述方法包括：构建储能系统线路阻抗表达式；根据所述储能系统线路阻抗表达式确定储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式；根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定储能系统电流下垂控制方程；根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数；基于所述储能系统电流下垂控制方程及自适应惯性无功下垂系数对所述储能换流器输出的电压及频率进行控制。

Description

超级电容储能下垂控制方法及系统

相关申请的交叉引用

本申请要求在2022年09月20日在中国提交的中国专利申请号2022111464216的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及换流器控制领域，具体涉及超级电容储能下垂控制方法及系统。

背景技术

作为能源变革关键技术之一的储能技术，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。为了实现储能系统友好型并网，为电网提供稳定电压、频率支撑，需要开展储能换流器控制策略研究。

目前在储能换流器控制领域，大多采用双闭环控制、无差拍控制来实现电压、频率动态响应。但常规控制策略无法维持分布式电源高渗透率下非同步储能换流器控制系统稳定。当网侧因为大负荷投切出现功率缺口或者负荷波动时，储能换流器没有做出及时响应，会造成储能换流器输出电压暂态波动，一些对电压稳定性敏感的设备会因此停行。

发明内容

本公开实施例提供超级电容储能下垂控制方法及系统，以至少解决储能换流器输出电压暂态波动的技术问题。

本公开第一方面实施例提出一种超级电容储能下垂控制方法，所述方法包括：

构建储能系统线路阻抗表达式；

根据所述储能系统线路阻抗表达式确定储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式；

根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式，响应于输电线路线路阻抗为感性，对所述储能换流器输出电流有功分量的计算式、无功分量的计算式进行简化，以得到储能系统电流下垂控制方程，其中，所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式如下：

其中，I_d为储能换流器输出电流有功分量，E为储能换流器输出电压，U_S为输电线路母线电压，δ为储能换流器输出电压与输电电路母线电压之间的功角，θ为阻抗角，r为输电线路阻抗模，I_q为储能换流器输出电流无功分量，

所述储能系统电流下垂控制方程如下：

式中，ω为储能换流器输出的频率，ω₀为储能换流器对应的额定角频率，I_d0为储能换流器对应的额定有功电流，m为有功下垂系数，E₀为储能换流器输出的额定电压，n为无功下垂系数，I_q0为储能换流器对应的额定无功电流；

根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数；

基于所述储能系统电流下垂控制方程及自适应惯性无功下垂系数对所述储能换流器输出的电压及频率进行控制。

在一些实施例中，所述储能系统线路阻抗表达式如下：
Z＝R+jX＝r∠θ

式中，Z为储能系统线路阻抗，R为输电线路等效电阻，X为输电线路等效电抗，j为矢量，r为输电线路阻抗模，θ为阻抗角，其中，R＝rcosθ，X＝rsinθ。

在一些实施例中，所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式如下：

式中，为储能换流器输出电流矢量，E为储能换流器输出电压，δ为储能换流器输出电压与输电电路母线电压之间的功角，I_d为储能换流器输出电流有功分量，I_q为储能换流器输出电流无功分量，U_S为输电线路母线电压。

在一些实施例中，所述根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数，包括：

响应于所述储能换流器输出电压的变化率大于等于预设的电压变化率阈值，选择自适应无功下垂系数；

响应于所述储能换流器输出电压的变化率小于预设的电压变化率阈值，选择定无功下垂系数；

其中，所述自适应惯性无功下垂系数，包括自适应无功下垂系数和定无功下垂系数。

本公开第二方面实施例提出一种超级电容储能下垂控制系统，所述系统包括：

构建模块，用于构建储能系统线路阻抗表达式；

第一确定模块，用于根据所述储能系统线路阻抗表达式确定储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式；

第二确定模块，用于根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式，响应于输电线路线路阻抗为感性，对所述储能换流器输出电流有功分量的计算式、无功分量的计算式进行简化，以得到储能系统电流下垂控制方程，其中，所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式如下：

所述储能系统电流下垂控制方程如下：

第三确定模块，用于根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数；

控制模块，用于基于所述储能系统电流下垂控制方程及自适应惯性无功下垂系数对所述储能换流器输出的电压及频率进行控制。

本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

本公开实施例提出了超级电容储能下垂控制方法及系统，所述方法包括：构建储能系统线路阻抗表达式；根据所述储能系统线路阻抗表达式确定储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式；根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式，响应于输电线路线路阻抗为感性，对所述储能换流器输出电流有功分量的计算式、无功分量的计算式进行简化，以得到储能系统电流下垂控制方程，其中，所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式如下：

所述储能系统电流下垂控制方程如下：

式中，ω为储能换流器输出的频率，ω₀为储能换流器对应的额定角频率，I_d0为储能换流器对应的额定有功电流，m为有功下垂系数，E₀为储能换流器输出的额定电压，n为无功下垂系数，I_q0为储能换流器对应的额定无功电流；根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数；基于所述储能系统电流下垂控制方程及自适应惯性无功下垂系数对所述储能换流器输出的电压及频率进行控制。本公开实施例提出的技术方案，基于构建储能系统线路阻抗表达式确定储能系统电流下垂控制方程，然后基于所述自适应惯性无功下垂系数及储能系统电流下垂控制方程对储能换流器进行控制，能够有效抑制储能换流器输出电压的暂态波动。

本公开附加的方面以及优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

本公开上述的和/或附加的方面以及优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本公开一个实施例提供的一种超级电容储能下垂控制方法的流程图；

图2为根据本公开一个实施例提供的具有储能换流器的储能系统运行等效电路图；

图3为根据本公开一个实施例提供的电压调节系数与自适应无功下垂系数的对应关系图；

图4为根据本公开一个实施例提供的一种超级电容储能下垂控制系统的结构图；

图5为根据本公开一个实施例提供的第二确定模块的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。

本公开实施例提出的超级电容储能下垂控制方法及系统，所述方法包括：构建储能系统线路阻抗表达式；根据所述储能系统线路阻抗表达式确定储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式；根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定储能系统电流下垂控制方程；根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数；基于所述储能系统电流下垂控制方程及自适应惯性无功下垂系数对所述储能换流器输出的电压及频率进行控制。本公开实施例提出的技术方案，基于构建储能系统线路阻抗表达式确定储能系统电流下垂控制方程，然后基于所述自适应惯性无功下垂系数及储能系统电流下垂控制方程对储能换流器进行控制，能够有效抑制储能换流器输出电压的暂态波动。

下面参考附图描述本公开实施例的超级电容储能下垂控制方法及系统。

实施例一

图1为根据本公开一个实施例提供的一种超级电容储能下垂控制方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：步骤1至步骤5。

步骤1：构建储能系统线路阻抗表达式；

在本公开实施例中，构建的所述储能系统线路阻抗表达式如下：
Z＝R+jX＝r∠θ

步骤2：根据所述储能系统线路阻抗表达式确定储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式。

需要说明的是，如图2所示为具有储能换流器的储能系统运行等效电路，基于所述等效电路得出储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系。

步骤3：根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定储能系统电流下垂控制方程。

在本公开实施例中，所述步骤3具体包括：步骤3-1至步骤3-2。

步骤3-1：根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式；

其中，所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式如下：

步骤3-2：响应于输电线路线路阻抗为感性，对所述储能换流器输出电流有功分量的计算式、无功分量的计算式进行简化，得到储能系统电流下垂控制方程。

响应于输电线路线路阻抗为感性，将公式简化为根据简化后的公式可知：储能换流器输出I_d可以通过控制功角进行调节，因为功角δ＝∫ωdt，所以功角相位控制可以通过调节角频率ω实现。I_q可以通过控制储能换流器输出电压幅值进行调节，由此可以得到储能系统电流下垂控制方程为：

式中，ω为储能换流器输出的频率，ω₀为储能换流器对应的额定角频率，I_d0为储能换流器对应的额定有功电流，m为有功下垂系数，E₀为储能换流器输出的额定电压，n为无功下垂系数，I_q0为储能换流器对应的额定无功电流。

步骤4：根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数；其中，所述自适应惯性无功下垂系数，包括自适应无功下垂系数和定无功下垂系数。

需要说明的是，响应于所述储能换流器输出电压的变化率大于等于预设的电压变化率阈值，选择自适应无功下垂系数；

响应于所述储能换流器输出电压的变化率小于预设的电压变化率阈值，选择定无功下垂系数。

在一些实施例中，所述自适应惯性无功下垂系数的选择可以如下式所示：

式中，n_i为自适应惯性无功下垂系数，n₀为定无功下垂系数，n₁为自适应无功下垂系数，为储能换流器输出电压的变化率，k₁为第一电压调节系数，k₂为第二电压调节系数，C_st为预设的电压变化率阈值。

需要说明的是，n_imin为最小自适应惯性无功下垂系数，决定于储能换流器极限无功功率，可表示为：式中，Δi_qmax为无功电流最大调节量，ΔE为无功电流最大调节量对应的储能换流器输出电压变化量。

其中，如图3所示，可以根据选择的电压调节系数，自适应无功下垂系数进行自适应的变化。

步骤5：基于所述储能系统电流下垂控制方程及自适应惯性无功下垂系数对所述储能换流器输出的电压及频率进行控制。

综上所述，本实施例提出的超级电容储能下垂控制方法，基于构建储能系统线路阻抗表达式确定储能系统电流下垂控制方程，然后基于所述自适应惯性无功下垂系数及储能系统电流下垂控制方程对储能换流器进行控制，能够有效抑制储能换流器输出电压的暂态波动，同时为储能控制系统增加惯性支撑。

实施例二

图4为根据本公开一个实施例提供的一种超级电容储能下垂控制系统的结构图，如图4所示，所述系统包括：

构建模块100，用于构建储能系统线路阻抗表达式；

第一确定模块200，用于根据所述储能系统线路阻抗表达式确定储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式；

第二确定模块300，用于根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定储能系统电流下垂控制方程；

第三确定模块400，用于根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数；和

控制模块500，用于基于所述储能系统电流下垂控制方程及自适应惯性无功下垂系数对所述储能换流器输出的电压及频率进行控制。

在本公开实施例中，所述储能系统线路阻抗表达式如下：
Z＝R+jX＝r∠θ

在本公开实施例中，如图5所示，所述第二确定模块300，包括：

第一确定单元301，用于根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式；和

简化单元302，用于响应于输电线路线路阻抗为感性，对所述储能换流器输出电流有功分量的计算式、无功分量的计算式进行简化，得到储能系统电流下垂控制方程。

在一些实施例中，所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式如下：

所述储能系统电流下垂控制方程如下：

在本公开实施例中，所述第三确定模块400具体用于：

综上所述，本实施例提出的超级电容储能下垂控制系统，能够有效抑制储能换流器输出电压的暂态波动，同时为储能控制系统增加惯性支撑。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本公开的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本公开的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本公开的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本公开的限制，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

一种超级电容储能下垂控制方法，其特征在于，所述方法包括：

构建储能系统线路阻抗表达式；

根据所述储能系统线路阻抗表达式确定储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式；

根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式，响应于输电线路线路阻抗为感性，对所述储能换流器输出电流有功分量的计算式、无功分量的计算式进行简化，以得到储能系统电流下垂控制方程，其中，所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式如下：

其中，I_d为储能换流器输出电流有功分量，E为储能换流器输出电压，U_S为输电线路母线电压，δ为储能换流器输出电压与输电电路母线电压之间的功角，θ为阻抗角，r为输电线路阻抗模，I_q为储能换流器输出电流无功分量，

所述储能系统电流下垂控制方程如下：

式中，ω为储能换流器输出的频率，ω₀为储能换流器对应的额定角频率，I_d0为储能换流器对应的额定有功电流，m为有功下垂系数，E₀为储能换流器输出的额定电压，n为无功下垂系数，I_q0为储能换流器对应的额定无功电流；

根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数；

基于所述储能系统电流下垂控制方程及自适应惯性无功下垂系数对所述储能换流器输出的电压及频率进行控制。
如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述储能系统线路阻抗表达式如下：
Z＝R+jX＝r∠θ

式中，Z为储能系统线路阻抗，R为输电线路等效电阻，X为输电线路等效电抗，j为矢量，r为输电线路阻抗模，θ为阻抗角，其中，R＝rcosθ，X＝rsinθ。
如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式如下：

式中，为储能换流器输出电流矢量，E为储能换流器输出电压，δ为储能换流器输出电压与输电电路母线电压之间的功角，I_d为储能换流器输出电流有功分量，I_q为储能换流器输出电流无功分量，U_S为输电线路母线电压。
如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数，包括：

响应于所述储能换流器输出电压的变化率大于等于预设的电压变化率阈值，选择自适应无功下垂系数；

响应于所述储能换流器输出电压的变化率小于预设的电压变化率阈值，选择定无功下垂系数；

其中，所述自适应惯性无功下垂系数，包括自适应无功下垂系数和定无功下垂系数。
一种超级电容储能下垂控制系统，其特征在于，所述系统包括：

构建模块，用于构建储能系统线路阻抗表达式；

第一确定模块，用于根据所述储能系统线路阻抗表达式确定储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式；

第二确定模块，用于根据所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式确定所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式，响应于输电线路线路阻抗为感性，对所述储能换流器输出电流有功分量的计算式、无功分量的计算式进行简化，以得到储能系统电流下垂控制方程，其中，所述储能换流器输出电流有功分量、无功分量的计算式如下：

其中，I_d为储能换流器输出电流有功分量，E为储能换流器输出电压，U_S为输电线路母线电压，δ为储能换流器输出电压与输电电路母线电压之间的功角，θ为阻抗角，r为输电线路阻抗模，I_q为储能换流器输出电流无功分量，

所述储能系统电流下垂控制方程如下：

式中，ω为储能换流器输出的频率，ω₀为储能换流器对应的额定角频率，I_d0为储能换流器对应的额定有功电流，m为有功下垂系数，E₀为储能换流器输出的额定电压，n为无功下垂系数，I_q0为储能换流器对应的额定无功电流；

第三确定模块，用于根据储能换流器输出电压的变化率确定所述储能系统电流下垂控制方程中的自适应惯性无功下垂系数；

控制模块，用于基于所述储能系统电流下垂控制方程及自适应惯性无功下垂系数对所述储能换流器输出的电压及频率进行控制。
如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述储能系统线路阻抗表达式如下：
Z＝R+jX＝r∠θ

式中，Z为储能系统线路阻抗，R为输电线路等效电阻，X为输电线路等效电抗，j为矢量，r为输电线路阻抗模，θ为阻抗角，其中，R＝rcosθ，X＝rsinθ。
如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述储能换流器输出电流矢量与输出电压的矢量关系式如下：

式中，为储能换流器输出电流矢量，E为储能换流器输出电压，δ为储能换流器输出电压与输电电路母线电压之间的功角，I_d为储能换流器输出电流有功分量，I_q为储能换流器输出电流无功分量，U_S为输电线路母线电压。