[發明專利]一種基于虛擬同步發電機技術的儲能機電暫態建模方法

有效

• 申請號: 202011062715.1
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112217239B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 和萍;陶玉昆;趙琛;李從善;季玉琦;李釗;靳浩然;宮智杰;董杰
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業大學
• 主分類號: H02J3/46
• 分類號: H02J3/46;H02J3/24;H02J3/32
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張真真

本發明提出一種基于虛擬同步發電機技術的儲能機電暫態建模方法，其步驟為：首先，計算并網逆變器的輸出有功功率和輸出無功功率，進而得到虛擬同步發電機與電網電壓的相位差、虛擬同步發電機的內電勢；其次，構建虛擬同步發電機的儲能變流器并網等效電路，計算注入電網的有功功率指令值和無功功率指令值，將其輸入內環控制模型，得到實際輸出有功功率和實際輸出無功功率；最后，構建儲能模型及其約束條件，根據儲能模型的約束條件對實際輸出有功功率和實際輸出無功功率進行調整，再由調整后的有功功率和無功功率計算有功電流實部和有功電流虛部注入電網。本發明能夠較好的改善新能源機組出力波動，較好的調節系統響應特性，并且具有很好的通用性。

技術領域

本發明涉及虛擬同步機技術領域，特別是指一種基于虛擬同步發電機技術的儲能機電暫態建模方法。

背景技術

隨著新能源滲透率的不斷增加，傳統同步發電機發電比例逐漸降低，電力系統中的旋轉備用容量及轉動慣量相對減少，降低了電網抗擾動的穩定支撐能力和自身調節能力，這對電網的安全穩定運行帶來了嚴峻挑戰。以電力電子裝置為接口的儲能系統(如儲能變流器)憑借其快速調節能力，是穩定常規機組出力和平抑高比例新能源波動的有效手段。并網變流器的優化控制是系統運行關鍵，而虛擬同步機技術(Virtual SynchronousGenerator，VSG)將同步發電機特性引入變流器控制中，通過模擬同步發電機的機電暫態特性和阻尼功率振蕩能力，在電網頻率或電壓發生波動時，主動參與系統的調頻和調壓，動態彌補功率差額，從而幫助改善系統頻率和電壓的穩定性，有望成為大規模儲能系統接入電力系統控制運行的重要技術。

目前，對于儲能變流器的控制策略主要有恒功率控制(PQ控制)、下垂控制、恒壓恒頻控制(V/f控制)等。文獻[1]-[中國電力科學研究院.電力系統分析綜合程序(PSASP)用戶手冊[R].北京：中國電力科學研究院,2019.]所建通用儲能模型分為廠站級控制和本地級控制，模型較為完善，支持恒功率因數控制、下垂控制、定電壓控制等多種控制策略轉換。文獻[2]-[張步涵,馬智泉,謝光龍,等.并聯儲能型FACTS裝置的PSASP建模與仿真[J].電網技術,2010,34(03):31-36.]和文獻[3]-[李建林,牛萌,張博越,等.電池儲能系統機電暫態仿真模型[J].電工技術學報,2018,33(08):1911-1918.]基于節點電流注入法建立含有功無功解耦控制和下垂控制的外環控制策略、模型接口和限制環節的儲能機電暫態模型，在三相接地短路故障下較好的抑制功角波動。文獻[4]-[李妍,荊盼盼,王麗,等.通用儲能系統數學模型及其PSASP建模研究[J].電網技術,2012,36(01):51-57.]在此基礎上加入有功前饋控制和充放電功率限制，并對光伏出力波動時儲能加入前后頻率、電壓、功角變化進行比較，驗證模型有效性。文獻[5]-[李朋,李欣然,韋肖燕,等.基于暫態勢能控制的儲能提高暫態穩定性研究[J].電力系統及其自動化學報,2017,29(05):41-47.]基于支路暫態勢能控制法將臨界支路角頻率差作為控制信號以此提高系統暫態勢能承受能力。文獻[6]-[韋肖燕,李欣然,錢軍,等.采用儲能電源輔助的暫態穩定緊急控制方法[J].電工技術學報,2017,32(18):286-300.]基于擴展等面積法計算參考切機量，并選擇最優切機組合在切機同時投入儲能電源，然后分析儲能有效控制時段并計算儲能退出動作時間。文獻[1-5]提出了在電力系統分析綜合程序(Power System Analysis SoftwarePackage，PSASP)仿真平臺上建立適用于機電暫態儲能模型，均采用頻率有功控制和電壓無功控制。文獻[7]-[王皓懷,湯涌,侯俊賢,等.提高互聯電網暫態穩定性的大規模電池儲能系統并網控制策略及應用[J].電網技術,2013,37(02):327-333.]在儲能原有平抑/平滑出力的基礎上提出了基于附加頻率響應的并網控制策略，不僅兼容現有控制策略抑制新能源出力波動，還能提高系統暫態穩定性。文獻[8]-[葉小暉,劉濤,吳國旸,等.電池儲能系統的多時間尺度仿真建模研究及大規模并網特性分析[J].中國電機工程學報,2015,35(11):2635-2644.]建立儲能多時間尺度統一模型，可在機電暫態和中長期時間尺度下提高電網穩定性，但并未考慮并網控制策略的改進。文獻[9]-[陸秋瑜,胡偉,鄭樂,等.多時間尺度的電池儲能系統建模及分析應用[J].中國電機工程學報,2013,33(16):86-93+14.]從儲能系統級控制策略出發建立其通用仿真模型，并計及荷電狀態(Source of Charge，SOC)和充放電電流對內部參數的影響，最后通過實測數據驗證模型有效性。文獻[7-9]建立多時間尺度的儲能模型并應用于提高大規模新能源并網穩定性，電池等效電路的部分相較儲能機電暫態模型更為精確，控制策略略有改進。對于應用于儲能變流器的虛擬同步機控制，文獻[李相俊,王上行,惠東.電池儲能系統運行控制與應用方法綜述及展望[J].電網技術,2017,41(10):3315-3325.]指出儲能對電網的功角穩定性產生一系列影響，該影響一方面是通過其充放電過程改變系統潮流分布，另一方面，是通過虛擬同步機技術使儲能系統產生的虛擬慣量與系統中其他發電機產生機電耦合作用。文獻[楊帆,邵銀龍,李東東,等.一種計及儲能容量和SOC約束的模糊自適應VSG控制策略[J/OL].電網技術:1-11[2020-05-19].https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2020.0046a.]根據SOC值動態調整有功參考功率并建立荷電狀態約束的VSG控制模型，然后結合模糊理論使慣性和阻尼系數實時調整來應對功率變化、負荷擾動以及頻率偏移。文獻[劉闖,孫同,蔡國偉,等.基于同步機三階模型的電池儲能電站主動支撐控制及其一次調頻貢獻力分析[J/OL].中國電機工程學報:1-13[2020-05-12].]提出基于三階VSG的儲能模型并定義儲能參與電網一次調頻貢獻因子為儲能實際出力與傳統機組實際出力的比值用以表征儲能在維持電網穩定的貢獻力。