基于虚拟同步逆变控制的储能方法

摘要

本发明公开了一种基于虚拟同步逆变控制的储能方法，解决电力电子储能系统零转动惯量的问题。由于电力电子变换器系统具有零转动惯量特性，电网电压扰动和频率扰动会对储能系统的控制性能造成严重影响，缩短储能系统寿命，危及电力电子储能装置和电力系统安全。本发明采用虚拟同步电机控制技术，使带电力电子系统的储能装置的交流接口的外特性可以等效为同步电机特性，从而提高电力电子储能系统的惯性和阻尼特性，增强电力系统的稳定性。

主权项

一种基于虚拟同步逆变控制的储能方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1)初始化，在该储能系统中由操作员根据系统要求设定以下参数值：DC/AC变换器的直流母线电压参考值储能系统的电磁功率参考值P_ref；储能系统的无功功率参考值Q_ref；设定调差系数R为30‑50之间、惯性常数M为1‑20之间、负荷‑阻尼常数D为1％或2％；设定虚拟转子x_q和定子的阻抗x_d均为1‑10之间；交流侧电压参考值U_ref，标么值设为1；设定励磁系统的第一补偿器的增益K_f和时间常数T_f为0‑1之间，励磁系统的增益K_a在100‑500之间，励磁系统的的时间常数T_e在0‑1之间，励磁电压幅值的上限E_fmax在0‑15之间，励磁电压幅值的下限E_fmin＝‑E_fmax；设定电气部分的虚拟转子暂态阻抗x′_d的取值范围在0.1‑0.5之间，定子的暂态阻抗x′_q的取值范围在0.3‑1之间，d轴的暂态开路时间常数T′_do的取值范围在1.5‑10之间，q轴的暂态开路时间常数T′_qo的取值范围在0.5‑2.0之间；第一PI控制器的控制系数为k_p1和k_i1，0<k_p1<1000，0<k_i1<1000；第二PI控制器的控制系数为k_p2和k_i2，0<k_p2<1000，0<k_i2<1000；第三PI控制器的控制系数为k_p3和k_i3，0<k_p3<1000，0<k_i3<1000；第四PI控制器的控制系数为k_p4和k_i4，0<k_p4<1000，0<k_i4<1000；第五PI控制器的控制系数为k_p5和k_i5，0<k_p5<1000，0<k_i5<1000；采用霍尔传感器对直流侧电压、交流侧电压和电流进行采样，得到DC/DC变换器(2)的输出端电压U_dc，单位为标么值，以及电网侧三相电压e_a，e_b，e_c和电网侧三相电流i_a，i_b，i_c；步骤2)、第一控制器按以下步骤执行：21)、第一比较器计算第一PI控制器的输入值：22)、第一PI控制器在接收到上述第一比较器的输出后进行计算，输出相应的控制量：$k_{p1}(U_{dc}^{*}-U_{dc})+k_{i1}\int (U_{dc}^{*}-U_{dc})dt;$步骤3)第二控制器(7)的虚拟同步逆变控制的机械部分按以下步骤执行：31)、通过第二比较器按下列公式计算虚拟机械功率P_m：$P_m=P_{ref}-\frac{1}{R}\Delta \omega ,$其中，P_ref是设定的电磁功率参考值，R为调差系数，Δω为虚拟转子角度偏移量为虚拟转子惯性环节的输出量，M为虚拟转子惯性环节中的惯性常数，D为虚拟转子惯性环节中的负荷‑阻尼常数，s为复频率，Δω的初始值设为零；32)、通过第三比较器计算机械部分的虚拟加速功率P_A：P_a＝P_m‑P_e，其中P_e为机械部分的电磁功率，P_e＝e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c；33)、通过第一加法器计算角速度为：ω＝ω₀+Δω，ω₀为角速度的初始值，当电网频率为50Hz，则ω_０＝2×π×50＝314rad/s；34)、通过第一积分器计算同步角度：θ＝∫ω；θ为角度转换模块的输入；35)、通过角度转换模块进行角度补偿，公式如下：$tan\left({\theta }_0\right)=\frac{x_{q}I}{e_g}$${\theta }^{\prime }=\theta -(\frac{\pi }{2}-{\theta }_0)$其中，θ′为锁相角度；I为电网电流幅值；e_g为电网电压幅值；x_q为虚拟转子阻抗；步骤4)、第二控制器虚拟同步逆变控制的励磁系统按以下步骤执行：41)、通过第四比较器计算虚拟励磁器的输入量U_t，公式如下：U_t＝U_ref‑U_x其中：U_ref为设定的交流侧电压值，K_f和T_f为第一补偿器的增益和时间常数；U_x为第一补偿器的输出；42)、通过虚拟励磁器计算电气部分的输入虚拟励磁电压E_f，公式如下：$E_f=\frac{K_a}{T_{e}s+1}{U}_t,$其中：K_a和T_e分别为虚拟励磁器的增益和时间常数，E_fmax和E_fmin分别为虚拟励磁器的电压幅值的上限和下限；43)、通过第一补偿器计算U_x,，公式如下：$U_t=\frac{{\mathrm{sK}}_f}{T_{f}s+1}{E}_f.$步骤5)、电压坐标变换模块和电流坐标变换模块按以下步骤执行：51)、由e_a、e_b和e_c经电压坐标变换模块计算出电网电压d‑q分量U_d和U_q，公式如下：$\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & \cos \left(\theta -\frac{2}{3}\pi \right)& \cos (\theta +\frac{2}{3}\pi \\ -\sin \theta & -\sin \left(\theta -\frac{2}{3}\pi \right)& -\sin \left(\theta +\frac{2}{3}\pi \right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$52)、由i_a、i_b和i_c经电流坐标变换模块计算出电网电压d‑q分量i_d和i_q，公式如下：$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & \cos \left(\theta -\frac{2}{3}\pi \right)& \cos (\theta +\frac{2}{3}\pi \\ -\sin \theta & -\sin \left(\theta -\frac{2}{3}\pi \right)& -\sin \left(\theta +\frac{2}{3}\pi \right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$步骤6)、第二控制器虚拟同步逆变控制的电气部分按以下步骤执行：61)、计算电流参考I_dref1和I_qref1，公式如下：$I_{dref1}=\frac{E_f-(T_{d0}^{\prime }s+1)U_q}{x_d^{\prime }{T}_{d0}^{\prime }s+x_d}$$I_{qref1}=\frac{(T_{q0}^{\prime }s+1)U_d}{x_q^{\prime }{T}_{q0}^{\prime }s+x_q}$其中：U_d和U_q是电网电压的d‑q分量；I_dref1和I_qref1是所述的DC/AC变换器(3)输出电流的虚拟定子电流部分，E_f是虚拟励磁电压；步骤7)、第二控制器功率控制部分按以下步骤执行：71)、通过第五比较器计算出第二PI控制器的输入：P_ref‑P_e；72)、第二PI控制器在接收到上述第五比较器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量I_dref2：I_dref2＝k_p2(P_ref‑P_e)+k_i2∫(P_ref‑P_e)dt；即为电流控制部分的输入；73)、通过第六比较器计算出第三PI控制器的输入：Q_ref‑Q_e；74)、第三PI控制器在接收到上述第六比较器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量I_qref2：I_qref2＝k_p3(Q_ref‑Q_e)+k_i3∫(Q_ref‑Q_e)dt；即为电流控制部分的输入；步骤8)、第二控制器(7)电流控制部分的d轴分量控制按以下步骤执行：81)、计算出d轴电流参考值I_dref，公式如下：I_dref＝I_dref1+I_dref2；82)、通过第七比较器计算出第四个PI控制器的输入：I_dref‑I_d；I_d为三相电流d轴分量，由i_a、i_b和i_c经坐标变换输出；83)、第四PI控制器在接收到上述第七个比较器的输出后进行控制运算，输出相应得控制量U_dref：U_dref＝k_p4(I_dref‑I_D)+k_i4∫(I_dref‑I_d)dt；步骤9)、第二控制器电流控制部分的q轴分量控制按以下步骤执行：91)、计算出q轴电流参考值I_qref，公式如下：I_qref＝I_qref1+I_qref2；92)、通过第八比较器计算出第五PI控制器的输入：I_qref‑I_q；I_q为三相电流q轴分量，由i_a、i_b和i_c经坐标变换输出；93)、第五PI控制器在接收到上述第八比较器的输出后进行控制运算，输出相应得控制量U_qref：U_qref＝k_p5(I_qref‑I_q)+k_i5∫(I_qref‑I_Q)dt；步骤10)、第二控制器输出量：101)、将所获得的U_dref和U_qref经逆坐标变换模块变换，得到U_aref、U_bref和U_cref三个调制波，将这三个量作为控制信号与载波比较，获得DC/AC变换器(3)的控制信号，公式如下：$\left[\begin{array}{c}{U}_{aref}\\ U_{bref}\\ U_{cref}\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ \cos \left(\theta -\frac{2}{3}\pi \right)& -\sin \left(\theta -\frac{2}{3}\pi \right)\\ \cos \left(\theta +\frac{2}{3}\pi \right)& -\sin \left(\theta +\frac{2}{3}\pi \right)\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{U}_{dref}\\ U_{qref}\end{array}\right].$