基于虚拟同步逆变控制的储能方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及智能电网，特别是一种基于虚拟同步逆变控制的储能方法。
【背景技术】
[0002] 因为电力电子装置几乎没有转动惯量和阻尼特性，所以从两种角度考虑储能系统 充放电的问题。
[0003] 从电网的角度考虑，建立并完善一种对新能源发电更加友好的电网形式--智能 电网，能够很好地解决新能源发电的问题。智能电网最主要的两个特征就是智能化和大规 模利用可再生能源。未来的智能电网中，交流电网作为电力系统的主要输电方式，直流输电 作为交流输电重要的有益补充。相比于交流电网，直流电网对新能源发电更加友好。在小 型的分布式发电（主要指风力发电和光伏发电）集中的地方可以建立小型的直流配电网， 最终统一逆变后并入大型交流输电网络。由于大规模新能源设备的接入，储能设备也是未 来智能电网不可或缺的必要设备。建设智能电网是解决新能源发电并网的一项根本措施。
[0004] 从逆变器的角度考虑，交流电网的改造和发展出现了另一种思路。传统大电网的 发电装置（火力发电、水力发电等）几乎都是通过同步发电机发电，如果配网中的逆变器从 网侧看去能够呈现出同步发电机的运行特性，那么就能够与传统电网良好兼容。为此，需要 对逆变器进行改造，使其从网侧看去呈现同步发电机的特性，从而增加交流电网的稳定性。
[0005] 基于储能系统的虚拟同步逆变控制方法，根据同步发电机的电磁惯性，对逆变器 进行控制，更能反映出同步发电机的特性。控制器中模拟了同步发电机的电磁特性、转子掼 性、一次调频及励磁调压特性，从外特性上看更能模拟同步发电机的特性，且由于无功、有 功控制部分存在积分环节，可实现无功、有功的无差控制，并能大大改善系统稳定性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步逆变控制的储能系统及其控制方法，该 系统在电池充电时，逆变器采用虚拟同步逆变技术的控制策略，可提高系统的惯性和阻尼 特性，增强系统的稳定性。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] 一种基于虚拟同步逆变控制的储能系统，其特点在于，包含电池、DC/DC变换器、 DC/AC变换器、变压器、交流电网、第一控制器和第二控制器；
[0009] 所述的电池与DC/DC变换器的输入端相连，所述的DC/DC变换器的输出端与所述 的DC/AC变换器的输入端相连，该DC/AC变换器的输出端和所述的变压器的低压输入端相 连，所述的变压器的高压输出端与交流电网相连；
[0010] 所述的第一控制器的输出端与所述的DC/DC变换器的控制端相连，第一控制器的 输入端与DC/DC变换器的输出端相连，，所述的第二控制器的输出端与DC/AC变换器的控制 端相连，第二控制器的输入端与所述的DC/AC变换器的输出端相连；
[0011] 所述的第一控制器包括第一比较器和第一 PI控制器，该第一比较器的输出端接 第一PI控制器的输入端；
[0012] 所述的第二控制器包括虚拟同步逆变控制、功率控制、电流控制、电压坐标转换模 块、电流坐标转换模块和逆坐标转换模块六部分，所述的虚拟同步逆变控制部分包括机械 部分、励磁系统、角度转换模块和电气部分；
[0013] 所述的机械部分输出端分别接所述的角度转换模块的输入端和所述的逆坐标转 换模块的输入端，所述的角度转换模块的输出端分别接所述的电压坐标转换模块的输入端 和电流坐标转换模块的输入端，所述的电压坐标转换模块的输出端接所述的电气部分的输 入端，所述的励磁系统的输出端接所述的电气部分的输入端，所述的电气部分的输出端接 所述电流控制的输入端，所述的功率控制的输出端接所述的电流控制的输入端，所述的电 流控制的输出端接所述的逆坐标转换模块的输入端；
[0014] 所述的机械部分包括依次连接的第二比较器、第三比较器、虚拟转子惯性环节、第 一加法器和第一积分器，所述的虚拟转子惯性环节的输出端经调差反馈环节接所述的第二 比较器的第二输入端；
[0015] 所述的励磁系统包括第四比较器、虚拟励磁器和第一补偿器，所述的虚拟励磁器 的输出端经所述的第一补偿器接第四比较器的第二输入端；
[0016] 所述的功率控制部分包括第五比较器和第二PI控制器、第六比较器和第三PI控 制器；
[0017] 所述的电流控制部分包括d轴分量控制和q轴分量控制，所述的d轴分量控制包 括第二加法器、第七比较器和第四PI控制器，所述的q轴分量控制包括第三加法器、第八比 较器和第五PI控制器。
[0018] 所述的第一控制器和第二控制器为数字信号处理器、单片机或计算机。
[0019] 所述的DC/DC变换器是大功率、宽输出电压范围的直流变换器。
[0020]所述的DC/AC变换器是采用虚拟同步逆变控制和传统功率控制相结合的综合控 制算法的直流变交流的变换器，实现从网侧看将整个储能系统等效为一台同步发电机的目 的，自适应地响应电网的电压和频率扰动，增强系统的惯性特性和阻尼特性。
[0021] 利用所述的基于虚拟同步逆变控制的储能系统的调节方法，其特点在于，该方法 包括如下内容和步骤：
[0022] 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：
[0023] DC/AC变换器的直流母线电压参考值％c;
[0024] 储能系统的电磁功率参考值PMf;
[0025] 储能系统的无功功率参考值Q,ef;
[0026] 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%;
[0027] 设定虚拟转子Xq和定子的阻抗X d均为1-10之间；
[0028] 交流侧电压参考值UMf，标么值设为1 ;
[0029] 设定励磁系统的第一补偿器的增益Kf和时间常数TfS 0-1之间，励磁系统的增 益心在100-500之间，励磁系统的的时间常数T在0-1之间，励磁电压幅值的上限E _在 0-15之间，励磁电压幅值的下限Efniin= -E f_;
[0030] 设定电气部分的虚拟转子暂态阻抗X' d的取值范围在〇. l_〇. 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' d。的取值范围在1.5-10 之间，q轴的暂态开路时间常数T' q。的取值范围在0. 5-2. 0之间；
[0031] 第一 PI控制器的控制系数为kpl和k『(KflOOOJWlOOO ;
[0032] 第二 PI 控制器的控制系数为 kp2和 k i2,0〈kp2〈1000,0〈k i2〈1000 ;
[0033] 第三 PI 控制器的控制系数为 kp3和 k i3,0〈kp3〈1000,0〈k i3〈1000 ;
[0034] 第四 PI 控制器的控制系数为 kp4和 k i4,0〈kp4〈1000,0〈k i4〈1000 ;
[0035] 第五 PI 控制器的控制系数为 kp5和 k i5,0〈kp5〈1000,0〈k i5〈1000 ;
[0036] 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 ⑵的输出端电压Ud。，单位为标么值，以及电网侧三相电压ea，e b，e。和电网侧三相电流i a， ib' ic;
[0037]2)、第一控制器按以下步骤执行：
[0038]21)、第一比较器计算第一PI控制器的输入值：Wc _
[0039] 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：&pl(Kc _ 心c) + hi j (Kc _ "de)
[0040] 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：
[0041]31)、通过第二比较器按下列公式计算虚拟机械功率Pm:
[0043] 其中，PMf是设定的电磁功率参考值，R为调差系数，A?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，△ U的初始值设为零；
[0044]32)、通过第三比较器计算机械部分的虚拟加速功率Pa:
[0045]Pa= Pm-Pe，其中Pe为机械部分的电磁功率，Pe=e丄+ebib+ed