CN119834227A - 一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，涉及储能系统构网控制领域，包括以下步骤：S1：储能系统通过变压器供电；S2：通过逆变器限制变压器在供电过程中产生的冲击电流；S3：通过储能电池和直流侧电容提供储能系统负荷功率；S4：获取并网点的三相电压幅值、频率和相角，分别与网侧的三相电压幅值、频率和相角进行差值计算，通过预同步将差值限制在阈值内；S5：预同步完成后合闸并网，电网和储能系统同时供电，并向直流侧电容充电，恢复额定电压；采用构网型储能系统作为黑启动电源，采用匹配控制策略，集成能量管理功能，为储能系统灵活提供了惯性和阻尼，缓解了储能电池在极端情况下作为黑启动电源的压力。

Description

一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略

技术领域

本发明涉及储能系统构网控制领域，尤其是涉及一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略。

背景技术

随着电力系统的不断扩充和可再生能源的逐步渗透，其安全性和稳定性受到了极大的挑战。在大规模停电事故中，电力系统必须在具备自启动能力的发电机的带动下恢复供电，即黑启动，同时随着可再生能源RES渗透率的提高，黑启动电源逐渐从传统的燃气轮机转向可再生能源，但是RES固有的多变性和不可预测性也降低了黑启动过程的可靠性和稳定性；

电池储能系统BESS广泛应用于RES中，一般情况下，电池的荷电状态SOC要严格控制在一定范围内，以防止过充或过放，大多数能量管理方法只是简单地根据SOC调节电池的输出功率，但是简单调节方式通常采用粗略的技术手段，难以实现对输出功率的精确控制，输出功率不稳定，会导致设备性能不稳定或直接受到损害，在复杂环境下难以保持稳定运行，除此之外，简单调节方法无法根据实际需求动态调整输出功率，会导致能量浪费；

在黑启动这一应用场景中，储能侧逆变器的控制策略也直接影响黑启动的效率和可靠性，常见的GFM控制策略有下垂控制、虚拟同步发电机VSG控制以及虚拟振荡器VOC控制，它们均可以提供稳定的电压和频率支撑，但是以上策略控制无法避免稳态误差，在黑启动场景下的研究较为欠缺，在面对快速变化的负载或电网扰动时，GFM系统的响应速度较慢，无法及时调整输出以维持稳定，会产生振荡现象，严重影响系统的稳定性和可靠性。

因此，提供一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，集成能量管理功能，可以为储能系统灵活提供惯性和阻尼，同时有助于缓解储能电池在极端情况下作为黑启动电源的压力。

为实现上述目的，本发明提供了一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，包括以下步骤：

S1：储能系统通过变压器供电；

S2：通过逆变器限制变压器在供电过程中产生的冲击电流；

S3：通过储能电池和直流侧电容提供储能系统负荷功率；

S4：获取并网点的三相电压幅值、频率和相角，分别与网侧的三相电压幅值、频率和相角进行差值计算，通过预同步将差值限制在阈值内；

S5：预同步完成后合闸并网，电网和储能系统同时供电，并向直流侧电容充电，直流侧电容恢复额定电压并保持稳定。

优选的，在步骤S1中，供电方式采用零起升压供电法。

优选的，步骤S2具体包括以下步骤：

S21：将逆变器输出的额定参考电压设置为斜坡电压v_ref，斜坡电压v_ref设置为：

其中，T_ramp表示斜坡电压v_ref的上升时间；

S22：通过直流侧电容的动态变化模拟同步发电机的转子运动，转子运动的摇摆方程设置为：

其中，ω_n表示额定角频率，ω_g表示电网角频率，C_dc表示直流侧电容值，v_dc表示直流侧电容电压，J表示电网惯量，D表示阻尼系数，P_m表示同步发电机的输出功率，P_E表示同步发电机的电磁功率，P_s表示电源的输出功率，P_e表示逆变器的输出功率；

S23：通过匹配控制策略控制逆变器的输出功率P_e，并在控制结构中加入级联的电压电流闭环控制结构。

优选的，在步骤S22中，角频率ω和直流侧电容电压v_dc的耦合关系设置为：

其中，ω_ref表示逆变器角频率的参考值，K_T表示直流侧电压跟踪系数，K_J表示惯性模拟系数，K_D表示阻尼系数，v_dcref表示直流侧电压的参考值，s表示复数频率。

优选的，步骤S3具体包括以下步骤：

S31：通过储能电池提供不大于额定功率的负荷功率，结合同步发电机的转子运动的摇摆方程，通过集成了能量管理的匹配控制策略控制储能电池的输出功率；

S32：通过直流侧电容对大于额定功率的负荷功率进行完全补偿，补偿公式设置为：

其中，ΔP_load表示负荷功率波动。

优选的，在步骤S32中，若负荷功率波动ΔP_load保持恒定，直流侧电容电压v_dc跟踪直流侧电压的参考值v_dcref，直流侧电压的参考值v_dcref设置为：

其中，v_dcn表示直流侧电容电压v_dc的额定值，t_f表示负荷功率开始波动的时刻。

优选的，在步骤S31中，集成了能量管理的匹配控制策略设置为：

优选的，步骤S4具体包括以下步骤：

S41：进行幅值同步，修改并网点相应环路的幅值，使并网点相应环路的幅值与网侧的幅值相同；

S42：进行频率同步，修改并网点相应环路的频率，使并网点相应环路的频率与网侧的频率相同；

S43：通过锁相环获取并网点处相角，将并网点处相角与逆变器相角的差值输入PI控制器并产生附加角频率，得到新的参考值ω′_ref，新的参考值ω′_ref设置为：

ω′_ref＝ω_ref+ω_sync

其中，_ωref表示原角频率参考值，_ωsync表示同步角频率。

因此，本发明采用上述结构的一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，具有以下有益效果：

(1)本发明采用构网型储能系统作为黑启动电源，不需要外部电源或燃料供应即可启动，在电力完全中断的情况下依然可以独立运行，能够实现毫秒级的快速响应，迅速为电网提供所需的电能，有效缩短恢复时间；

(2)本发明并网逆变器采用匹配控制策略，可以为储能系统灵活提供惯性和阻尼，使储能系统在面对不同负荷条件或电网扰动时更加稳定，同时通过优化阻抗特性，有效抑制储能系统中的振荡现象，避免电压和频率的大幅波动；

(3)本发明并网逆变器集成了能量管理功能，根据实际需求动态调整输出功率，避免资源浪费，同时通过直流侧电容进行辅助供给，有助于缓解储能电池在极端情况下作为黑启动电源的压力。

下面通过附图和实施例，对本发明的方法方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明储能系统的拓扑结构图；

图2为本发明DC/DC变换器的控制框图；

图3为本发明逆变器的控制框图；

图4为本发明储能系统的功率流向示意图；

图5为本发明逆变器输出的a相电流在黑启动全过程的变化图；

图6为本发明储能电池与直流侧电容输出功率的波形仿真图；

图7为本发明实施能量管理的匹配控制策略时波形仿真图；

图8为本发明无能量管理的匹配控制策略时波形图仿真图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的方法方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的方法术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“附着”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1至图4所示，本发明提供了一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，包括以下步骤：

S1：储能系统通过变压器供电；

在步骤S1中，供电方式采用零起升压供电法。

S2：由于饱和的变压器在通电过程中可能会产生高达6-8倍额定值的励磁涌流，因此需要应用缓启动措施来限制冲击电流，通过逆变器限制变压器在供电过程中产生的冲击电流，本实施例中缓启动时间设置为0.5s，如图5所示，逆变器输出的a相电流从0开始线性上升，直至达到额定值，同时变压器在启动过程中没有出现冲击电流，即缓启动措施有效；

步骤S2具体包括以下步骤：

S21：将逆变器输出的额定参考电压设置为斜坡电压v_ref，斜坡电压v_ref设置为：

其中，T_ramp表示斜坡电压v_ref的上升时间；

S22：通过直流侧电容的动态变化模拟同步发电机的转子运动，转子运动的摇摆方程设置为：

其中，ω_n表示额定角频率，ω_g表示电网角频率，C_dc表示直流侧电容值，v_dc表示直流侧电容电压，J表示电网惯量，D表示阻尼系数，P_m表示同步发电机的输出功率，P_E表示同步发电机的电磁功率，P_s表示电源的输出功率，P_e表示逆变器的输出功率；

在步骤S22中，角频率ω和直流侧电容电压v_dc的耦合关系设置为：

其中，ω_ref表示逆变器角频率的参考值，K_T表示直流侧电压跟踪系数，K_J表示惯性模拟系数，K_D表示阻尼系数，v_dcref表示直流侧电压的参考值，s表示复数频率；

通过将角频率ω和直流侧电容电压v_dc耦合，可实现无锁相环与电网频率的同步，在应用了匹配控制的逆变器控制中，有功功率P被直流侧电容电压v_dc代替，是不存在对有功功率P的控制的，但是在构网系统中，有功功率P的控制其实是必须的；

因此需要在前级DC/DC环节给定功率参考值P_ref，功率参考值P_ref是固定值，但电源侧功率与负荷消耗的功率之间存在功率差，所以添加一与直流侧电容电压v_dc相关的反馈(v_dcref)²-(v_dc)²抵消电源与负荷之间的功率不平衡，以实现有功功率控制的功能；

S23：通过匹配控制策略控制逆变器的输出功率P_e，并在控制结构中加入级联的电压电流闭环控制结构，不仅使逆变器输出特性更贴近理想电压源，还能实现电流和电压的d、q轴解耦。

S3：储能系统达到稳态1s后，闭合开关S₂，连接10kW的负荷，通过储能电池和直流侧电容提供储能系统负荷功率，如图7所示，连接负荷时，逆变器输出的总有功功率P约为12kW，无功功率Q约为2kW，此时直流侧电容电压v_dc小幅度下降，输出频率f略微上升；

步骤S3具体包括以下步骤：

S31：通过储能电池提供不大于额定功率的负荷功率，结合同步发电机的转子运动的摇摆方程，通过集成了能量管理的匹配控制策略控制储能电池的输出功率；

在步骤S31中，集成了能量管理的匹配控制策略设置为：

S32：黑启动时负荷功率可能出现较大波动，当储能电池能量较低时，供给波动的负荷可能会使之过度放电，从而损害其寿命，降低安全性，当检测到负荷功率波动时，为了保证储能电池输出功率恒定，通过直流侧电容对大于额定功率的负荷功率进行完全补偿，补偿公式设置为：

其中，ΔP_load表示负荷功率波动；

如图6所示，储能系统达到稳态1.5s时，负荷出现0.5kW的波动，当负荷波动0.5kW时，为了防止储能电池多度放电，直流电容释放能量来补偿波动的功率，储能电池输出功率P_b在1.5-2.0s内近似保持不变，而直流电容输出功率在该时间范围内有较为明显的变化；

在步骤S32中，若负荷功率波动ΔP_load保持恒定，直流侧电容电压v_dc跟踪直流侧电压的参考值v_dcref，直流侧电压的参考值v_dcref设置为：

其中，v_dcn表示直流侧电容电压v_dc的额定值，t_f表示负荷功率开始波动的时刻，由于计算过程中包含时变的量，实时影响角频率ω的之，因此需要谨慎设计电网惯量J和阻尼系数D；

如图7所示，总有功功率P增加约0.5kW，无功功率Q几乎保持不变，由于直流侧电容电压v_dc跟踪直流侧电压的参考值v_dcref，直流侧电容电压v_dc一直下降到并网前一刻。

S4：为了满足直流侧电容存储能量的限制和预同步时间的要求，预同步同样被设置为1.5s启动，获取并网点的三相电压幅值、频率和相角，分别与网侧的三相电压幅值、频率和相角进行差值计算，通过预同步将差值限制在阈值内；

步骤S4具体包括以下步骤：

S41：进行幅值同步，修改并网点相应环路的幅值，使并网点相应环路的幅值与网侧的幅值相同；

S42：进行频率同步，修改并网点相应环路的频率，使并网点相应环路的频率与网侧的频率相同；

S43：通过锁相环获取并网点处相角，将并网点处相角与逆变器相角的差值输入PI控制器并产生附加角频率，得到新的参考值ω′_ref，新的参考值ω′_ref设置为：

ω_r′_ef＝ω_ref+ω_sync

其中，_ωref表示原角频率参考值，_ωsync表示同步角频率。

如图8所示，为了排除预同步对总有功功率P、无功功率Q、直流侧电容电压v_dc和输出频率f的影响，对无能量管理时进行图形仿真，直流侧电容电压参考值始终保持800V不变，分析各电路参数的变化情况；

如图7和图8所示，无论有无能量管理，在储能系统达到稳态1.5s时，逆变器的输出频率均突增至50.7Hz，表示这种剧烈的变化来源于预同步策略，而在图8中不存在能量管理，仅有预同步的曲线，在储能系统达到稳态1.5-2.0s内直流侧电容电压v_dc无明显变化，表示预同步对直流侧电容电压v_dc不存在明显影响，证明能量管理策略是有效的。

S5：在储能系统达到稳态2s时，并网点的三相电压幅值、频率和相角均符合并网要求，预同步完成后，闭合开关S₃，电网和储能系统同时供电，电网在并网点处注入5kW的有功功率，并向直流侧电容充电，直流侧电容从放电模式转换为充电模式，直流侧电容慢慢充电恢复至额定值并保持稳定，恢复时间约为0.25s，如图6所示，储能电池输出功率P_b在小幅度震荡后保持稳定；

如图7所示，总有功功率P和无功功率Q均在小幅度震荡后保持稳定，其中总有功功率P最终稳定在7.5kW左右，符合电网注入5kW的条件，储能系统达到稳态2s后，直流侧电容电压v_dc稳步上升，经过0.25s后最终稳定在800V，输出频率f在小幅度抖动后迅速稳定在50Hz。

因此，本发明采用上述一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，采用构网型储能系统作为黑启动电源，其并网逆变器采用匹配控制策略，集成了能量管理功能，不仅可以为储能系统灵活提供惯性和阻尼，还有助于缓解储能电池在极端情况下作为黑启动电源的压力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的方法方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通方法人员应当理解：其依然可以对本发明的方法方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的方法方案脱离本发明方法方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，其特征在于，包括以下步骤：

S1：储能系统通过变压器供电；

S2：通过逆变器限制变压器在供电过程中产生的冲击电流；

S3：通过储能电池和直流侧电容提供储能系统负荷功率；

S4：获取并网点的三相电压幅值、频率和相角，分别与网侧的三相电压幅值、频率和相角进行差值计算，通过预同步将差值限制在阈值内；

S5：预同步完成后合闸并网，电网和储能系统同时供电，并向直流侧电容充电，直流侧电容恢复额定电压并保持稳定。

2.根据权利要求1所述的一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，其特征在于，在步骤S1中，供电方式采用零起升压供电法。

3.根据权利要求1所述的一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：

S21：将逆变器输出的额定参考电压设置为斜坡电压_vref，斜坡电压v_ref设置为：

其中，T_ramp表示斜坡电压v_ref的上升时间；

S22：通过直流侧电容的动态变化模拟同步发电机的转子运动，转子运动的摇摆方程设置为：

其中，ω_n表示额定角频率，ω_g表示电网角频率，C_dc表示直流侧电容值，v_dc表示直流侧电容电压，J表示电网惯量，D表示阻尼系数，P_m表示同步发电机的输出功率，P_E表示同步发电机的电磁功率，P_s表示电源的输出功率，P_e表示逆变器的输出功率；

S23：通过匹配控制策略控制逆变器的输出功率P_e，并在控制结构中加入级联的电压电流闭环控制结构。

4.根据权利要求3所述的一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，其特征在于，在步骤S22中，角频率ω和直流侧电容电压v_dc的耦合关系设置为：

其中，ω_ref表示逆变器角频率的参考值，K_T表示直流侧电压跟踪系数，K_J表示惯性模拟系数，K_D表示阻尼系数，v_dcref表示直流侧电压的参考值，s表示复数频率。

5.根据权利要求1所述的一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：

S31：通过储能电池提供不大于额定功率的负荷功率，结合同步发电机的转子运动的摇摆方程，通过集成了能量管理的匹配控制策略控制储能电池的输出功率；

S32：通过直流侧电容对大于额定功率的负荷功率进行完全补偿，补偿公式设置为：

其中，ΔP_load表示负荷功率波动。

6.根据权利要求5所述的一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，其特征在于，在步骤S32中，若负荷功率波动ΔP_load保持恒定，直流侧电容电压v_dc跟踪直流侧电压的参考值v_dcref，直流侧电压的参考值v_dcref设置为：

其中，v_dcn表示直流侧电容电压v_dc的额定值，t_f表示负荷功率开始波动的时刻。

7.根据权利要求5所述的一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，其特征在于，在步骤S31中，集成了能量管理的匹配控制策略设置为：

8.根据权利要求1所述的一种黑启动场景下集成能量管理的构网型匹配控制策略，其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤：

S41：进行幅值同步，修改并网点相应环路的幅值，使并网点相应环路的幅值与网侧的幅值相同；

S42：进行频率同步，修改并网点相应环路的频率，使并网点相应环路的频率与网侧的频率相同；

S43：通过锁相环获取并网点处相角，将并网点处相角与逆变器相角的差值输入PI控制器并产生附加角频率，得到新的参考值ω′_ref，新的参考值ω′_ref设置为：

ω_r′_ef＝ω_ref+ω_sync

其中，_ωref表示原角频率参考值，_ωsync表示同步角频率。