基于虛擬同步逆變控制的儲能系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)，特別是一種基于虛擬同步逆變控制的儲能系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 因為電力電子裝置幾乎沒有轉(zhuǎn)動慣量和阻尼特性，所以從兩種角度考慮儲能系統(tǒng) 充放電的問題。
[0003] 從電網(wǎng)的角度考慮，建立并完善一種對新能源發(fā)電更加友好的電網(wǎng)形式--智能 電網(wǎng)，能夠很好地解決新能源發(fā)電的問題。智能電網(wǎng)最主要的兩個特征就是智能化和大規(guī) 模利用可再生能源。未來的智能電網(wǎng)中，交流電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的主要輸電方式，直流輸電 作為交流輸電重要的有益補充。相比于交流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)對新能源發(fā)電更加友好。在小 型的分布式發(fā)電（主要指風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電）集中的地方可以建立小型的直流配電網(wǎng)， 最終統(tǒng)一逆變后并入大型交流輸電網(wǎng)絡(luò)。由于大規(guī)模新能源設(shè)備的接入，儲能設(shè)備也是未 來智能電網(wǎng)不可或缺的必要設(shè)備。建設(shè)智能電網(wǎng)是解決新能源發(fā)電并網(wǎng)的一項根本措施。
[0004] 從逆變器的角度考慮，交流電網(wǎng)的改造和發(fā)展出現(xiàn)了另一種思路。傳統(tǒng)大電網(wǎng)的 發(fā)電裝置（火力發(fā)電、水力發(fā)電等）幾乎都是通過同步發(fā)電機發(fā)電，如果配網(wǎng)中的逆變器從 網(wǎng)側(cè)看去能夠呈現(xiàn)出同步發(fā)電機的運行特性，那么就能夠與傳統(tǒng)電網(wǎng)良好兼容。為此，需要 對逆變器進行改造，使其從網(wǎng)側(cè)看去呈現(xiàn)同步發(fā)電機的特性，從而增加交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
[0005] 基于儲能系統(tǒng)的虛擬同步逆變控制方法，根據(jù)同步發(fā)電機的電磁慣性，對逆變器 進行控制，更能反映出同步發(fā)電機的特性。控制器中模擬了同步發(fā)電機的電磁特性、轉(zhuǎn)子摜 性、一次調(diào)頻及勵磁調(diào)壓特性，從外特性上看更能模擬同步發(fā)電機的特性，且由于無功、有 功控制部分存在積分環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)無功、有功的無差控制，并能大大改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于虛擬同步逆變控制的儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電池充 電時，逆變器采用虛擬同步逆變技術(shù)的控制策略，可提高系統(tǒng)的慣性和阻尼特性，增強系統(tǒng) 的穩(wěn)定性。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0008] 一種基于虛擬同步逆變控制的儲能系統(tǒng)，其特點在于，包含電池、DC/DC變換器、 DC/AC變換器、變壓器、交流電網(wǎng)、第一控制器和第二控制器；
[0009] 所述的電池與DC/DC變換器的輸入端相連，所述的DC/DC變換器的輸出端與所述 的DC/AC變換器的輸入端相連，該DC/AC變換器的輸出端和所述的變壓器的低壓輸入端相 連，所述的變壓器的高壓輸出端與交流電網(wǎng)相連；
[0010] 所述的第一控制器的輸出端與所述的DC/DC變換器的控制端相連，第一控制器的 輸入端與DC/DC變換器的輸出端相連，，所述的第二控制器的輸出端與DC/AC變換器的控制 端相連，第二控制器的輸入端與所述的DC/AC變換器的輸出端相連；
[0011] 所述的第一控制器包括第一比較器和第一PI控制器，該第一比較器的輸出端接 第一PI控制器的輸入端；
[0012] 所述的第二控制器包括虛擬同步逆變控制、功率控制、電流控制、電壓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模 塊、電流坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊和逆坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊六部分，所述的虛擬同步逆變控制部分包括機械 部分、勵磁系統(tǒng)、角度轉(zhuǎn)換模塊和電氣部分；
[0013] 所述的機械部分輸出端分別接所述的角度轉(zhuǎn)換模塊的輸入端和所述的逆坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換模塊的輸入端，所述的角度轉(zhuǎn)換模塊的輸出端分別接所述的電壓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端 和電流坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，所述的電壓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端接所述的電氣部分的輸 入端，所述的勵磁系統(tǒng)的輸出端接所述的電氣部分的輸入端，所述的電氣部分的輸出端接 所述電流控制的輸入端，所述的功率控制的輸出端接所述的電流控制的輸入端，所述的電 流控制的輸出端接所述的逆坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；
[0014] 所述的機械部分包括依次連接的第二比較器、第三比較器、虛擬轉(zhuǎn)子慣性環(huán)節(jié)、第 一加法器和第一積分器，所述的虛擬轉(zhuǎn)子慣性環(huán)節(jié)的輸出端經(jīng)調(diào)差反饋環(huán)節(jié)接所述的第二 比較器的第二輸入端；
[0015] 所述的勵磁系統(tǒng)包括第四比較器、虛擬勵磁器和第一補償器，所述的虛擬勵磁器 的輸出端經(jīng)所述的第一補償器接第四比較器的第二輸入端；
[0016] 所述的功率控制部分包括第五比較器和第二PI控制器、第六比較器和第三PI控 制器；
[0017] 所述的電流控制部分包括d軸分量控制和q軸分量控制，所述的d軸分量控制包 括第二加法器、第七比較器和第四PI控制器，所述的q軸分量控制包括第三加法器、第八比 較器和第五PI控制器。
[0018] 所述的第一控制器和第二控制器為數(shù)字信號處理器、單片機或計算機。
[0019] 所述的DC/DC變換器是大功率、寬輸出電壓范圍的直流變換器。
[0020] 所述的DC/AC變換器是采用虛擬同步逆變控制和傳統(tǒng)功率控制相結(jié)合的綜合控 制算法的直流變交流的變換器，實現(xiàn)從網(wǎng)側(cè)看將整個儲能系統(tǒng)等效為一臺同步發(fā)電機的目 的，自適應(yīng)地響應(yīng)電網(wǎng)的電壓和頻率擾動，增強系統(tǒng)的慣性特性和阻尼特性。
[0021] 利用所述的基于虛擬同步逆變控制的儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法，其特點在于，該方法 包括如下內(nèi)容和步驟：
[0022] 1)初始化，在該儲能系統(tǒng)中由操作員根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定以下參數(shù)值：
[0023] DC/AC變換器的直流母線電壓參考值％c;
[0024] 儲能系統(tǒng)的電磁功率參考值PMf;
[0025] 儲能系統(tǒng)的無功功率參考值Q,ef;
[0026] 設(shè)定調(diào)差系數(shù)R為30-50之間、慣性常數(shù)M為1-20之間、負荷-阻尼常數(shù)D為1% 或2%;
[0027] 設(shè)定虛擬轉(zhuǎn)子xq和定子的阻抗xd均為1-10之間；
[0028] 交流側(cè)電壓參考值UMf，標(biāo)么值設(shè)為1;
[0029] 設(shè)定勵磁系統(tǒng)的第一補償器的增益Kf和時間常數(shù)TfS0-1之間，勵磁系統(tǒng)的增 益心在100-500之間，勵磁系統(tǒng)的的時間常數(shù)T在0-1之間，勵磁電壓幅值的上限E_在 0-15之間，勵磁電壓幅值的下限Efniin=-Ef_;
[0030] 設(shè)定電氣部分的虛擬轉(zhuǎn)子暫態(tài)阻抗x'd的取值范圍在〇.l_〇. 5之間，定子的暫態(tài) 阻抗X' q的取值范圍在0.3-1之間，d軸的暫態(tài)開路時間常數(shù)T' d。的取值范圍在1.5-10 之間，q軸的暫態(tài)開路時間常數(shù)T' q。的取值范圍在0. 5-2. 0之間；
[0031] 第一PI控制器的控制系數(shù)為kpl和kvCKflOOOJWlOOO;
[0032] 第二 PI 控制器的控制系數(shù)為 kp2和 ki2,0〈kp2〈1000,0〈ki2〈1000 ;
[0033] 第三 PI 控制器的控制系數(shù)為 kp3和 ki3,0〈kp3〈1000,0〈ki3〈1000 ;
[0034] 第四 PI 控制器的控制系數(shù)為 kp4和 ki4,0〈kp4〈1000,0〈ki4〈1000 ;
[0035] 第五 PI 控制器的控制系數(shù)為 kp5和 ki5,0〈kp5〈1000,0〈ki5〈1000 ;
[0036] 采用霍爾傳感器對直流側(cè)電壓、交流側(cè)電壓和電流進行采樣，得到DC/DC變換器 ⑵的輸出端電壓Ud。，單位為標(biāo)么值，以及電網(wǎng)側(cè)三相電壓ea，eb，e。和電網(wǎng)側(cè)三相電流ia， ib'ic;
[0037]2)、第一控制器按以下步驟執(zhí)行：
[0038]21)、第一比較器計算第一PI控制器的輸入值：
[0039] 22)、第一PI控制器在接收到上述第一比較器的輸出后進行計算，輸出相應(yīng)的控 制量
[0040] 3)第二控制器（7)的虛擬同步逆變控制的機械部分按以下步驟執(zhí)行：
[0041] 31)、通過第二比較器按下列公式計算虛擬機械功率Pm:
[0042]
[0043] 其中，PMf是設(shè)定的電磁功率參考值，R為調(diào)差系數(shù)，A?為虛擬轉(zhuǎn)子角度偏移量
3虛擬轉(zhuǎn)子慣性環(huán)節(jié)的輸出量，M為虛擬轉(zhuǎn)子慣性環(huán)節(jié)中的慣性常數(shù)，D為虛 擬轉(zhuǎn)子慣性環(huán)節(jié)中的負荷-阻尼常數(shù)，s為復(fù)頻率，△ ?的初始值設(shè)為零；
[0044] 32)、通過第三比較器計算機械部分的虛擬加速功率Pa:
[0045] Pa=Pm_Pe，其中Pe為機械部分的電磁功率，Pe=e丄+ebib+ed
[0046] 33)、通過第一加法器計算角速度為：《 = ?(!+A?，為角速度的初始值，當(dāng)電 網(wǎng)頻率為 50Hz，則《Q= 2XJiX50 = 314rad/s;
[0047] 34)、通過第一積分器計算同步角度：0 =J0為角度轉(zhuǎn)換模塊的輸入；
[0048] 35)、通過角度轉(zhuǎn)換模塊進行角度補償，公式如下：
[0049]
[0050]
[0051] 其中，0 '為鎖相角度；I為電網(wǎng)電流幅值；eg為電網(wǎng)電壓幅值；xq為虛擬轉(zhuǎn)子阻 抗；
[0052]4)、第二控制器虛擬同步逆變控制的勵磁系統(tǒng)按以下步驟執(zhí)行：
[0053] 41)、通過第四比較器計算虛擬勵磁器的輸入量Ut，公式如下：
[0054] Ut=Uref-Ux
[0055] 其中：U,ef為設(shè)定的交流側(cè)電壓值，1({和Tf為第一補償器的增益和時間常數(shù)；^為 第一補償器的輸出；
[0056]42)、通過虛擬勵磁器計算電氣部分的輸入虛擬勵磁電壓Ef，公式如下：
[0057]
[0058] 其中屯和Te分別為虛擬勵磁器的增益和時間常數(shù)，Efmax和Efmin分別為虛擬勵磁 器的電壓幅值的上限和下限；
[0059]43)、通過第一補償器計算Ux，，公式如下：
[0060]
[0061]5)、電壓坐標(biāo)變換模塊和電流坐標(biāo)變換模塊按以下步驟執(zhí)行：
[0062] 51)、由ea、eb和e。經(jīng)電壓坐標(biāo)變換模塊計算出電網(wǎng)電壓d-q分量U河Uq，公式如 下：
[0063]
[0064] 52)、由ia、ib和i。經(jīng)電流坐標(biāo)變換模塊計算出電網(wǎng)電壓d_q分量i，和iq，公式如 下：
[0066] 6)、第二控制器虛擬同步逆變控制的電氣部分按以下步驟執(zhí)行：[0067]61)、計算電流參考UPI_f1，公式如下：
[0065]
[0070] 其中：仏和Uq是電網(wǎng)電壓的d-q分量；IdrefJPI咖丨是所述的DC/AC變換器⑶輸 出電流的虛擬定子電流部分，Ef是虛擬勵磁電壓；
[0071] 7)、第二控制器功率控制部分按以下步驟執(zhí)行：
[0072] 71)、通過第五比較器計算出第二PI控制器的輸入：PMf_Pe;
[0073] 72)、第二PI控制器在接收到上述第五比較器的輸出后進行控制運算，輸出相應(yīng) 的控制量Idref2:Uef2=kp2(Pref_Pe)+ki2J(PMf_Pe)dt;即為電流控制部分的輸入；
[0074]73)、通過第六比較器計