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赵晋斌:储能电站虚拟同步机控制方法研究与应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-08-14 浏览:
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中国储能网讯:8月9—10日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司、西安北大科技园、中国科学院电工研究所储能技术组、深圳市科陆电子科技股份有限公司等单位联合主办“第二届全国发电侧储能技术与应用高层研讨会”在陕西西安金磐酒店举行。来自政府主管部门、能源监管部门、行业专家、设计院、新能源发电业主单位、电力公司、系统集成商、项目承包商、投融资机构等单位的260余位嘉宾出席了本次研讨会。  

主办方邀请到上海电力大学赵晋斌教授就“储能电站虚拟同步机控制方法研究与应用”做主题报告,以下为其报告主要内容。

赵晋斌

我前面也听了一下,大家可能对做电池本体和电池的应用说的多一点 我更偏重于研究储能变换装置。接下来把我们做的内容做一些汇报,我的题目是“储能电站虚拟同步机控制方法研究与应用”。

我们讲的内容是三个方面,第一个问题是研究背景。第二个是关键技术。第三个是展望。

在讲之前我们都要讲一下我们的研究背景,截至2018年底,我国峰巅并网峰巅并网容量达到1.84千瓦,光伏并网容量达到1.75亿千瓦,规模均居世界首位。高比例新能源成为未来电网的重要特征。那么存在的问题是主动支撑电网的能力缺失怎么办?我们知道它不具备根据机端频率合电压信号进行自主调节的能力,比如说惯量支撑和一次调频和主要跳崖能力等主动支撑能力比较弱一点,但是我们说新能源的二次调频和二次调压可能在某些方面可以去支持。

会议现场

我们现在虚拟同步机是什么?虚拟同步机技术通过在变换器控制环节中模拟同步发电机的运行机制,使新能源发电设备具备主动支撑电网能力,由“被动调节”转为“主动支撑”,当然前提条件是我前面接的源是好的。现在我们来说你这个储能建的大,我们所需资金太高,但是你可以借助与光、风等能源来进行互补。

我们知道以前做电网,大电网的电压都是由它来决定的。但是我们一般的光伏只要输入最大功率就可以了。那么这个东西能不能支撑?不一定的。我们通过这个图可以看出虚拟同步机直流侧储能系统对维持直流母线电压的稳定和系统功率平衡起着关键作用。储能单元作为功率缓冲单元通过控制逆变器的不同运行状态实现系统功率的平衡,研究储能系统和虚拟同步机之间的交互影响,对系统稳定运行起着关键作用。

接下来我们要考虑SOC特性的微电网VSG运行参数边界的分析,我的虚拟机首先要考虑到储能可以提供多少能量,我才可以让我的虚拟机做一个控制来做选择,然后我必须要给它配置一定比例的储能单元以及提供惯性功率,因此储能的荷电会对系统稳定性能产生的影响。然后分析VSG各参数对系统的稳定以及对储能充放电功率的影响。第一,我们需要通过模型的建立,得出以保护储能为目标的实时功率限值。也就是说这个我可以通过SOC进行举例。一般来说蓄电池在某一SOC的情况下,需充放电的双向特性使得蓄电池具有不同的充放电功率的限值,因此VSG控制参数在便捷里面会发生相应的改变,我们会有一个放电限值和充电的限值。

那么现在是惯量问题,它对我们的输出率有什么影响?惯量减小,蓄电池输出功率上升。如果转动惯量增大的话,它的频率变化速度和变化量就会减小,频率改善效果增强。

下面我们要考虑的是导入静态转子和虚拟调节阀的虚拟同步机控制,我的储能的种类比较多样化,因为我的储能的特性是不一样的,也就是说我们一般要考虑超级电容和锂电池甚至是一些其他储能的截至,一般来说超级电容可以非常短的时间来响应输出率的需求。但是功率的密度和能量密度之间产生了矛盾,如果纯粹靠电池那是可以的,但是我们一旦选择一个最佳的,怎么选?所以我们就考虑到超级电容和锂电怎么融合?我可以通过锂电容量的配置来实现这样的效果。我们通过分析VSG的暂态响应过程,可以分解出不同动态响应特性的转子惯性功率和调节阀功率。这样就引入了铅酸蓄电池和超级电容,通过反馈不同的参考量使得不同特性的静态储能模拟旋转转子和机械调节阀的特点。

这个是我们跟传统同步发电机的对比,这样看可能更清楚一点,可以看到调节阀起到什么样的作用。我们一般来说输出电功率表现出二阶振荡特性,调节阀功率表现出一阶惯性特性,转子惯性功率表现出振荡衰减特性。调节阀功率变化速度较慢,没有超调量,对响应速度要求不高。而转子惯性功率响应快同时振荡幅值比较大,但是暂态时间短释放的容量较小,因此在储能配置时需要更关注功率密度。

下面我们看一下不同储能类型有什么特点,比如说不同蓄电池充分方法电倍率、不同蓄电池阶跃响应,可以看到可将一定容量的铅酸电池及控制器等效为调节阀作为虚拟调节,超级电容可以代替发电机转子作为静态转子。这个是我们自己所提出来的,这个是我们发表的一个系列,其实我们当时没有做虚拟机,我们知道新能源接入最大的一个问题是电流元和电压元的问题,因为你的大系统是电压元,我接进去以后可能不会支持电压。所以我们当时考虑的像UPS一样,两个接入嘛,并嘛,这样算是间接增强了,所以这是我们当时考虑了入网电压控制器。我们当时考虑利用轴压调节的输出电压和内阻抗控制换,它包含了四个环路:调压轴控制换、输出电压控制换、并网电流前馈环、滤波器电容电流补偿环。第三张图片是带轴压调节的频率控制单元,就是说是单向锁相环,特增加了调频轴用于改变逆变器输出频率。

这个是我们当时做的在有功功率动态响应过程中,Tf决定了其振荡频率,Kf决定了其振荡衰减速率。随着Tf增大,VIA定效转子量J增大,振荡频率较大。随着Kf增大,其等效阻尼D增大,振荡衰减速率变起。因此我们在基础上做了不同电网电压下采用自适应控制策略前后的有功输出分析,分析结论是未采用比例系数自适应控制策略前,逆变器在不同无功输出以及不同电网电压下,逆变器有功输出与有功指令的偏差均迅速减小,最终稳定在功率指令值2kW附近,因此我才能实现比较好的并网。这样它存在两个问题:1.电压型逆变器直接并网瞬间存在较大冲击电流。2.基于一次同步调节和二次调频调节和预同步并网技术,可实现离并网无缝切换,抑制并网电流冲击。这个是我们整个同步调节单元控制的框图(图示)

这个是我们为了做不同工况的同步图,这个是我同步指令前到同步过程的两个并网,大家可以看到它影响大不大,这样我要考虑我的电网电压是200V,50Hz工况下同步过程实验波形。还有一个问题是当电压电网是240V,55Hz的情况下同步过程实验波形,相对来说它会受到一些界限的影响,它的效果会差一点,但是冲击是没有的,这是我们当时做的一个分析。也就是说,尽管同步开始时逆变器输出电压与电网在幅值、频率、相角方面均有较大差异,所涉及的同步控制策略能够正常工作,使逆变器输出向电网电压逐步不仅。无论是同步控制启动或者是并网开关闭合,均未造成明显暂态冲击,实验效果良好,符合并网的标准要求。

我们还做了一个功率控制,我们做了一个逆变器PQ控制策略,使逆变器基本实现功率的自主管理而且具备一次调压调频特性。这个PQ控制策略实现了逆变器与电网系统之间的功率交换,同时通过下垂机制可以有效的调节有功和无功输出,可以使它参与到微网的电压频率调节,为电网提供一定的频率和电压支撑,这个是我们一直强调的,只要我可以提供支撑,因为以后分布式是一个大问题,现在你是发电者,它中间这个长度是比较小的,但是你最后还是要用到负荷层,和用电层。那么如果你有提供支撑能力的话,这样也为增强电力系统包括电压频率稳定在内的安全稳定运行目标提供了一种有效的技术手段。的

当时我们做了一个电网频率变化图,当电网频率低于或者高于额定值时,VCI能够相应地增加或者合乎减少有功输出。第二个图表明VCI可以有效地跟踪电网频率,另一方面,当电网频率波动的时,VCI的无功输出波动很小,表明VCI具有良好的功率解耦性能,我是完全把它的耦合性降低了。这个是我们做的一个实验图,大家可以看出它为了比较好的表示出来,为什么指令在1000瓦和0阀的时候,这个是有功支撑,这个是我纯粹输出无功的时候,我无功支撑,这里是有功支撑的时候。那么在我负的1000瓦,我吸收有功时候的一个事情。这个是做了一个0瓦和负的1000阀的时候,也就是说我的所有的有功和无功都可以按照我的需求来做支撑。因此我们的第一个结果表明在初始阶段,设置参考功率PPfil乘为0W,Qfil乘为Var,不此时VCI输出电流为0A。然后以一定速率改变参考功率值,当系统稳定一段时间后重新设置参考功率为0。结果表明VCI可以精确地跟踪参考功率,实现入网电压控制型逆变器与电网系统之间的功率交互。

然后我们做了多台VSG五参与二次调频的研究,我做一台非常大的肯定不划算,但是我可以先做一台小的,然后不够再加,这个对我的投入来说无非是一个过程。可以看出可以按照自己本身的功率来实现,我们不是按照平均的,因为我们的输出率是不一样的,比如说二者近似2:1,那么是可以做的,这样可以承担负荷功率的特点。

我们还做了到底谁更适用于接入弱电网,我们把电压型VSG与电流型VSG进行了比较,在弱点网下或者VSG高渗透率下,电压控制型的VSG并网系统依旧可以稳定运行,而且无锁相环的约束,而电流控制型VSG非常容易发生振荡。电流控制型VSG并网台数由1台增加到2台时,系统开始振荡,电压控制型VSG并网数量增加到3台不会发生振荡。从系统稳定性的角度来说,电压控制型VSG比电流控制型VSG更适合应用在新能源发电中。

还有就是VSG对弱电网的适应能力较强,并且在VSG渗透率高的时候系统衣衫稳定。另外,VSG像同步发电机一样,稳定运行时无须锁相环。

现在我们还对电池内阻进行了检测,基于直流微电网系统结构特点,提出了一种主动阻抗检测方法,即通过主动注入单脉冲扰动,检测变换器输出电压、电流变化,获得线路阻抗信息。进而对下垂系数进行补偿,最终改善负荷分配精度和母线电压电能质量。通过对下垂系数进行补偿,可削弱线路阻抗对分布式电源负荷分配和电压电能质量的影响。这是我们做的一个效果图(图示)

这个是我们实验室做的一些情况,我们现在差不多有30个人,大家如果有机会可以一起来做相关的事情,感谢大家!

关键字:储能电站 虚拟同步机

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