[发明专利]一种基于虚拟同步发电机技术的储能机电暂态建模方法

说明书

本发明提出一种基于虚拟同步发电机技术的储能机电暂态建模方法，其步骤为：首先，计算并网逆变器的输出有功功率和输出无功功率，进而得到虚拟同步发电机与电网电压的相位差、虚拟同步发电机的内电势；其次，构建虚拟同步发电机的储能变流器并网等效电路，计算注入电网的有功功率指令值和无功功率指令值，将其输入内环控制模型，得到实际输出有功功率和实际输出无功功率；最后，构建储能模型及其约束条件，根据储能模型的约束条件对实际输出有功功率和实际输出无功功率进行调整，再由调整后的有功功率和无功功率计算有功电流实部和有功电流虚部注入电网。本发明能够较好的改善新能源机组出力波动，较好的调节系统响应特性，并且具有很好的通用性。

技术领域

本发明涉及虚拟同步机技术领域，特别是指一种基于虚拟同步发电机技术的储能机电暂态建模方法。

背景技术

随着新能源渗透率的不断增加，传统同步发电机发电比例逐渐降低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，降低了电网抗扰动的稳定支撑能力和自身调节能力，这对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。以电力电子装置为接口的储能系统(如储能变流器)凭借其快速调节能力，是稳定常规机组出力和平抑高比例新能源波动的有效手段。并网变流器的优化控制是系统运行关键，而虚拟同步机技术(Virtual SynchronousGenerator，VSG)将同步发电机特性引入变流器控制中，通过模拟同步发电机的机电暂态特性和阻尼功率振荡能力，在电网频率或电压发生波动时，主动参与系统的调频和调压，动态弥补功率差额，从而帮助改善系统频率和电压的稳定性，有望成为大规模储能系统接入电力系统控制运行的重要技术。

目前，对于储能变流器的控制策略主要有恒功率控制(PQ控制)、下垂控制、恒压恒频控制(V/f控制)等。文献[1]-[中国电力科学研究院.电力系统分析综合程序(PSASP)用户手册[R].北京：中国电力科学研究院,2019.]所建通用储能模型分为厂站级控制和本地级控制，模型较为完善，支持恒功率因数控制、下垂控制、定电压控制等多种控制策略转换。文献[2]-[张步涵,马智泉,谢光龙,等.并联储能型FACTS装置的PSASP建模与仿真[J].电网技术,2010,34(03):31-36.]和文献[3]-[李建林,牛萌,张博越,等.电池储能系统机电暂态仿真模型[J].电工技术学报,2018,33(08):1911-1918.]基于节点电流注入法建立含有功无功解耦控制和下垂控制的外环控制策略、模型接口和限制环节的储能机电暂态模型，在三相接地短路故障下较好的抑制功角波动。文献[4]-[李妍,荆盼盼,王丽,等.通用储能系统数学模型及其PSASP建模研究[J].电网技术,2012,36(01):51-57.]在此基础上加入有功前馈控制和充放电功率限制，并对光伏出力波动时储能加入前后频率、电压、功角变化进行比较，验证模型有效性。文献[5]-[李朋,李欣然,韦肖燕,等.基于暂态势能控制的储能提高暂态稳定性研究[J].电力系统及其自动化学报,2017,29(05):41-47.]基于支路暂态势能控制法将临界支路角频率差作为控制信号以此提高系统暂态势能承受能力。文献[6]-[韦肖燕,李欣然,钱军,等.采用储能电源辅助的暂态稳定紧急控制方法[J].电工技术学报,2017,32(18):286-300.]基于扩展等面积法计算参考切机量，并选择最优切机组合在切机同时投入储能电源，然后分析储能有效控制时段并计算储能退出动作时间。文献[1-5]提出了在电力系统分析综合程序(Power System Analysis SoftwarePackage，PSASP)仿真平台上建立适用于机电暂态储能模型，均采用频率有功控制和电压无功控制。文献[7]-[王皓怀,汤涌,侯俊贤,等.提高互联电网暂态稳定性的大规模电池储能系统并网控制策略及应用[J].电网技术,2013,37(02):327-333.]在储能原有平抑/平滑出力的基础上提出了基于附加频率响应的并网控制策略，不仅兼容现有控制策略抑制新能源出力波动，还能提高系统暂态稳定性。文献[8]-[叶小晖,刘涛,吴国旸,等.电池储能系统的多时间尺度仿真建模研究及大规模并网特性分析[J].中国电机工程学报,2015,35(11):2635-2644.]建立储能多时间尺度统一模型，可在机电暂态和中长期时间尺度下提高电网稳定性，但并未考虑并网控制策略的改进。文献[9]-[陆秋瑜,胡伟,郑乐,等.多时间尺度的电池储能系统建模及分析应用[J].中国电机工程学报,2013,33(16):86-93+14.]从储能系统级控制策略出发建立其通用仿真模型，并计及荷电状态(Source of Charge，SOC)和充放电电流对内部参数的影响，最后通过实测数据验证模型有效性。文献[7-9]建立多时间尺度的储能模型并应用于提高大规模新能源并网稳定性，电池等效电路的部分相较储能机电暂态模型更为精确，控制策略略有改进。对于应用于储能变流器的虚拟同步机控制，文献[李相俊,王上行,惠东.电池储能系统运行控制与应用方法综述及展望[J].电网技术,2017,41(10):3315-3325.]指出储能对电网的功角稳定性产生一系列影响，该影响一方面是通过其充放电过程改变系统潮流分布，另一方面，是通过虚拟同步机技术使储能系统产生的虚拟惯量与系统中其他发电机产生机电耦合作用。文献[杨帆,邵银龙,李东东,等.一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制策略[J/OL].电网技术:1-11[2020-05-19].https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2020.0046a.]根据SOC值动态调整有功参考功率并建立荷电状态约束的VSG控制模型，然后结合模糊理论使惯性和阻尼系数实时调整来应对功率变化、负荷扰动以及频率偏移。文献[刘闯,孙同,蔡国伟,等.基于同步机三阶模型的电池储能电站主动支撑控制及其一次调频贡献力分析[J/OL].中国电机工程学报:1-13[2020-05-12].]提出基于三阶VSG的储能模型并定义储能参与电网一次调频贡献因子为储能实际出力与传统机组实际出力的比值用以表征储能在维持电网稳定的贡献力。