弱电网条件下电池储能系统集群控制装置及控制方法与流程

1.本发明涉及规模化电池储能系统及智能电网应用技术领域，具体为一种 弱电网条件下电池储能系统集群控制装置及控制方法。


背景技术：

2.光伏、风电发电采用电力电子逆变器技术并网发电且其功率输出具有间 歇性波动的特点，这导致某些区域电网或微电网由于这些高比例新能源的接 入而变成弱电网系统。
[0003][0004]
基于电池和电力电子并网逆变器(储能变流器)技术构成的大规模电池 储能系统，凭借其安装布置灵活、功率响应时间快、控制精度高等技术优势， 将成为促进新能源跨越式发展、提升新能源消纳能力、构建以新能源为主体 的新型电力系统的重要技术手段之一。
[0005]
常规电池储能系统通常采用储能变流器(pcs)以跟随电网电压和相位的 控制技术，以电流源发电系统工作方式连接至电网，常规电池储能系统中的 电网需具有足够的容量和系统强度才能保证储能变流器pcs可靠、稳定运行 工作，储能系统布置离传统的同步发电机组的电厂越远、渗透率越高，其电 能输出电压波形越有可能受到网络干扰以及pcs本身工作方式的影响。
[0006]
弱电网条件下，电力系统的频率和电压的稳定控制技术相较于传统大电 网有很大不同，常规电池储能系统的控制装置和控制方法，难以确保储能变 流器在电网存在干扰和故障条件自身稳定工作，未实现储能电池系统像传统 同步发电机系统一样依靠其机械旋转惯量对电网的频率变化率提供抑制和调 节的功能和特性。


技术实现要素：

[0007]
针对现有技术的不足，本发明提供了一种弱电网条件下电池储能系统集 群控制装置及控制方法，具备能够向电网提供虚拟惯量稳定频率变化率，能 够实现光伏/风电厂站暂态频率电压主动快速支撑作用，并网运行与孤岛运行 无缝切换的优点，解决了低短路容量的弱电网条件下规模化储能系统的稳定、 可靠运行的问题。
[0008]
本发明提供如下技术方案：一种弱电网条件下电池储能系统集群控制装 置，包括：
[0009]
多功能电力表模块，用于输出uact、fact、pact、及qact信号；
[0010]
工厂层控制算法模块，用于接收所述多功能电力表模块输出的信号，并 根据接收的信号和pref、qref和fref计算并输出pext及qext信号；
[0011]
变流器pcs功率分配模块，用于接收所述工厂层控制算法模块的pext及 qext信号，并根据各独立电池储能系统的容量剩余值soc，分配pcs_pset和 pcs_qset信号；
[0012]
pcs虚拟同步控制算法模块，用于接收所述变流器pcs功率分配模块输出 的pcs_
pset和pcs_qset信号，并根据接收的信号输出pcs_vsup信号和 pcs_fsup信号；
[0013]
profinet通信模块；用于接收所述pcs虚拟同步控制算法模块输出的信 号，并把pcs_delta_f、pcs_pact及pcs_qact信号反馈到pcs虚拟同步控制 算法模块中。
[0014]
优选的，所述pcs虚拟同步控制算法模块的数量是200个，变流器pcs 功率分配模块把输出的pcs_pset和pcs_qset信号输入相应的pcs虚拟同步 控制算法模块中。
[0015]
优选的，所述工厂层控制算法模块由有功功率算法子模块和无功功率控 制算法子模块组成。
[0016]
优选的，所述工厂层控制算法模块中的有功功率算法子模块将得到的 fact及pref信号进行比较，并对比较后的信号进行频率下垂特性控制，所述 有功功率算法子模块将得到的pact信号进行滤波，频率下垂特性控制控制后 的信号、滤波后的信号及pref信号进行比较，得到一个新的信号，把得到的 信号依次经过频率偏差限幅、有功功率比例积分控制器、有功功率设定值限 辐和功功率控制一阶滞后，得到pext信号。
[0017]
优选的，所述工厂层控制算法模块中的无功功率控制算法子模块把得到 的qact信号进行滤波，并把滤波后的信号与qref信号进行比较，得到一个 新的信号，得到的新的信号经过无功功率偏差死区特性控制、无功功率比例 积分控制器、无功功率设定值限辐及无功功率控制超前滞后，得到需要输出 的qext信号。
[0018]
优选的，所述变流器pcs功率分配模块的功能实现方法如下：
[0019][0020][0021][0022][0023]
优选的，所述pcs虚拟同步控制算法模块由有功功率控制算法子模块和 无功功率控制算法子模块组成。
[0024]
优选的，所述pcs虚拟同步控制算法模块中的有功功率控制算法子模块 把接收的pcs_delta_f信号经过pcs虚拟调速器阻尼控制得到信号一，有功 功率控制算法子模块把接收到pcs_delta_f信号经过pcs虚拟调速器下垂特 性控制得到信号二，把信号二与pcs_pset信号比较，并把比较后的信号经过 pcs虚拟调速器和pcs有功功率偏差限辐，得到信号三，有功功率控制算法子 模块把pcs_pact信号经过滤波得到信号四，信号一、信号三与信号四进行比 较得到信号五，信号五经过pcs虚拟同步有功功率比例积分控制和pcs附加 频率设定值限辐得到pcs_fsup信号。
[0025]
优选的，所述pcs虚拟同步控制算法模块中的无功功率控制算法子模块 把接收的pcs_qset信号与滤波后的pcs_qact信号进行比较，比较后的信号 经过pcs虚拟同步无功功率比例积分控制和pcs附加电压设定值限辐得到 pcs_vsup信号。
[0026]
一种弱电网条件下电池储能系统集群控制装置的控制方法，根据以上任 一所述的弱电网条件下电池储能系统集群控制装置，包括以下步骤：
[0027]
步骤一：该装置与规模化电池储能系统电网系统结构连接，储能系统变 流器pcs
工作在独立的v/f控制电压源工作模式；
[0028]
步骤二：该装置中的多功能电力表模块测量并把测量到的uact、fact、 pact、及qact信号输入工厂层控制算法模块内；
[0029]
步骤三：工厂层控制算法模块根据接收到的信号和各独立电池储能系统 的容量剩余值soc，给虚拟同步控制算法模块分配pcs_pset和pcs_qset信号；
[0030]
步骤四：profinet通信模块接收pcs_pset和pcs_qset信号，并把 pcs_delta_f、pcs_pact及pcs_qact信号反馈到pcs虚拟同步控制算法模块 中。
[0031]
与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：
[0032]
1、该弱电网条件下电池储能系统集群控制装置及控制方法，将储能变流 器工作在电压源工作方式，通过控制算法实现这种工作模式下储能系统的功 率控制，并且通过算法中设置的相关传递函数功能，实现了储能系统在高压 母线连接点(poc)处具备类似传统同步发电机电厂的功率控制特性。
[0033]
2、该弱电网条件下电池储能系统集群控制装置及控制方法，基于此工作 模式的设置和控制算法，实现了储能变流器pcs之间功率的分配功能，该系 统解决了低短路容量的弱电网条件下规模化储能系统的稳定、可靠运行问题、 能够实现并网运行与孤岛运行的无缝切换，能够向电网提供虚拟惯量稳定频 率变化率，能够实现光伏/风电厂站暂态频率电压主动快速支撑作用。
附图说明
[0034]
图1为规模化电池储能系统电网系统结构图及本发明提出的控制装置与 其连接的接口示意图；
[0035]
图2为工厂层控制算法模块：有功功率控制算法子模块功能图与传递函 数示意图；
[0036]
图3为工厂层控制算法模块：无功功率控制算法子模块功能图与传递函 数示意图；
[0037]
图4为虚拟同步控制算法模块：有功功率控制算法子模块功能图与传递 函数示意图；
[0038]
图5为虚拟同步控制算法模块：无功功率控制算法子模块功能图与传递 函数示意图。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
请参阅图1
‑
5，一种弱电网条件下电池储能系统集群控制装置，包括：
[0041]
多功能电力表模块，用于输出uact、fact、pact、及qact信号，uact 信号表示高压并网点poc处实时测量的电压，单位是v，fact信号表示高压 并网点poc处实时测量的频率，单位是hz，pact信号表示高压并网点poc处 实时测量的有功功率，单位是kw，qact信号表示
高压并网点poc处实时测量 的无功功率，单位是kvar；
[0042]
工厂层控制算法模块，用于接收多功能电力表模块输出的信号，并根据 接收的信号和pref、qref和fref计算并输出pext及qext信号，pref信号 表示并网点poc处有功功率控制的设定值，单位是kw，qref信号表示并网点 poc处无功功率控制的设定值，单位是kvar，fref信号表示频率参考设定值， 单位：hz，缺省值＝50hz，pext信号是经工厂层控制算法模块计算后输出的系 统有功功率控制设定值，qext信号是经工厂层控制算法模块计算后输出的系 统无功功率控制设定值；
[0043]
变流器pcs功率分配模块，用于接收工厂层控制算法模块的pext及qext 信号，并根据各独立电池储能系统的容量剩余值soc，分配pcs_pset和 pcs_qset信号，pcs_pset表示储能变流器pcs的有功功率设定值，pcs_qset 表示储能变流器pcs的无功功率设定值；
[0044]
pcs虚拟同步控制算法模块，用于接收变流器pcs功率分配模块输出的 pcs_pset和pcs_qset信号，并根据接收的信号输出pcs_vsup信号和pcs_fsup 信号，pcs_vsup信号表示储能变流器pcs的附加电压设定值，pcs_fsup信号 表示储能变流器pcs的附加频率设定值；
[0045]
profinet通信模块；用于接收pcs虚拟同步控制算法模块输出的信号， 并把pcs_delta_f、pcs_pact及pcs_qact信号反馈到pcs虚拟同步控制算法 模块中，pcs_delta_f信号表示储能变流器pcs的输出频率实际值与设定频率 值的变差，pcs_pact信号表示储能变流器pcs的输出有功功率实际值， pcs_qact信号表示储能变流器pcs的输出无功功率实际值，profinet通信模 块支持工业以太网profinet irt等时通信协议，irt更新时间：125us。
[0046]
其中，pcs虚拟同步控制算法模块的数量是200个，变流器pcs功率分配 模块把输出的pcs_pset和pcs_qset信号输入相应的pcs虚拟同步控制算法 模块中。
[0047]
其中，工厂层控制算法模块由有功功率算法子模块和无功功率控制算法 子模块组成。
[0048]
其中，变流器pcs功率分配模块的功能实现方法如下：
[0049][0050][0051][0052][0053]
其中，pcs虚拟同步控制算法模块由有功功率控制算法子模块和无功功率 控制算法子模块组成。
[0054]
一种弱电网条件下电池储能系统集群控制装置的控制方法，包括以下步 骤：
[0055]
步骤一：该装置与规模化电池储能系统电网系统结构连接，储能系统变 流器pcs工作在独立的v/f控制电压源工作模式；
[0056]
步骤二：该装置中的多功能电力表模块测量并把测量到的uact、fact、 pact、及qact信号输入工厂层控制算法模块内；
[0057]
步骤三：工厂层控制算法模块根据接收到的信号和各独立电池储能系统 的容量
剩余值soc，给虚拟同步控制算法模块分配pcs_pset和pcs_qset信号；
[0058]
步骤四：profinet通信模块接收pcs_pset和pcs_qset信号，并把 pcs_delta_f、pcs_pact及pcs_qact信号反馈到pcs虚拟同步控制算法模块 中。
[0059]
图1显示了规模化电池储能系统电网系统结构图及本发明提出的控制装 置与其连接的接口，在此图中，该装置测量弱电网中110kv段母线poc连接 点处的电压电流，110kv段母线中的电流电压经过高压变压器流入35kv段汇 流母线中，35kv段汇流母线中的电流电压分别流入电池储能系统中，电池储 能系统中的电流电压依次经过升压变压器和储能变流器及电池及bms进入到 ess profinet通信模块中,ess profinet通信模块中的信号经过光纤电缆 输入该装置中的profinet通信模块中，弱电网的额定频率是50hz，plc控制 模块选用西门子s7
‑
1518 plc open odk控制器，可执行c/c code和 matlab/simulink模型算法程序；位操作时间：1ns；装载存储器：32gb；工 作内存存储区：512mb；profinet irt等时通讯接口：4个；控制器执行周期： 1ms；profinet子设备连接数量：256个。
[0060]
图2显示了工厂层控制算法模块中的有功功率控制算法子模块功能图与 传递函数，在此图中，工厂层控制算法模块中的有功功率算法子模块将得到 的fact及pref信号进行比较，并对比较后的信号进行频率下垂特性控制， 有功功率算法子模块将得到的pact信号进行滤波，频率下垂特性控制控制后 的信号、滤波后的信号及pref信号进行比较，得到一个新的信号，把得到的 信号依次经过频率偏差限幅、有功功率比例积分控制器、有功功率设定值限 辐和功功率控制一阶滞后，得到pext信号，图中的s0为包含死区特性的工 厂级有功功率
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频率下垂特性控制功能，fdb1和fdb2频率死区值，设定 fdb1＝fdb2＝0.01；dup和ddn为可调下垂特性斜率，设置dup＝ddn＝0.02；dmax 和dmin为输出限幅值，dmax＝10％，dmin＝
‑
10％；s1为有功功率测量滤波功 能，t4滤波时间常数，设置t4＝0.25s；s2为频率偏差限辐功能，femax频 率偏差上限限制值，设置femax＝10％；femin频率偏差下限限制值，设置 femin＝
‑
10％；s3为有功功率比例积分控制器功能，kpg比例增益，设置 kpg＝0.1；kig积分增益，设置kig＝0.05；s4为有功功率设定值限辐功能， pmax有功功率上限限制值，设置pmax＝200％；pmin有功功率下限限制值，设 置pmin＝
‑
200％；s5为有功功率控制一阶滞后功能，t5滞后时间常数，设置 t5＝0.15s。
[0061]
图3显示了工厂层控制算法模块：无功功率控制算法子模块功能图与传 递函数，在此图中，工厂层控制算法模块中的无功功率控制算法子模块把得 到的qact信号进行滤波，并把滤波后的信号与qref信号进行比较，得到一 个新的信号，得到的新的信号经过无功功率偏差死区特性控制、无功功率比 例积分控制器、无功功率设定值限辐及无功功率控制超前滞后，得到需要输 出的qext信号，s6为无功功率测量滤波功能，t1滤波时间常数，设置 t1＝0.02s；s7为无功功率偏差死区特性控制功能，db1和db2死区值，设定 db1＝db2＝0.01；s8为无功功率比例积分控制器功能，kp比例增益，设置 kp＝5；ki积分增益，设置ki＝10；s9为无功功率设定值限辐功能，qmax无 功功率上限限制值，设置qmax＝43.6％；qmin无功功率下限限制值，设置 qmin＝
‑
43.6％；s10为无功功率控制超前滞后功能，t2超前滤波时间常数， 设置t2＝0.02s；t3滞后滤波时间常数，设置t3＝0.15s。
[0062]
图4显示了虚拟同步控制算法模块：有功功率控制算法子模块功能图与 传递函数，在此图中，pcs虚拟同步控制算法模块中的有功功率控制算法子模 块把接收的pcs_delta_f信号经过pcs虚拟调速器阻尼控制得到信号一，有 功功率控制算法子模块把接收
到pcs_delta_f信号经过pcs虚拟调速器下垂 特性控制得到信号二，把信号二与pcs_pset信号比较，并把比较后的信号经 过pcs虚拟调速器和pcs有功功率偏差限辐，得到信号三，有功功率控制算 法子模块把pcs_pact信号经过滤波得到信号四，信号一、信号三与信号四进 行比较得到信号五，信号五经过pcs虚拟同步有功功率比例积分控制和pcs 附加频率设定值限辐得到pcs_fsup信号，图中的s11为pcs虚拟调速器下垂 特性控制功能，r为下垂特性系统，设置r＝5％；s12为pcs虚拟调速器功能， tg调速器时间常数，设置tg＝0.25s；s13为pcs虚拟调速器阻尼控制功能， kd为阻尼系统，设置kd＝0.75；s14为pcs有功功率偏差限辐功能，pmax 偏差上限限制，设置pmax＝120％；pmin偏差下限限制，设置pmin＝
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120％；s15 为pcs虚拟同步有功功率比例积分控制功能，pkp比例增益，设置kpg＝0.04；pki积分增益，设置pki＝0.04；s16为pcs附加频率设定值限辐功能，sfmax附 加频率上限限制值，设置sfmax＝20％；sfmin附加频率下限限制值，设置sfmin ＝
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20％；s17为pcs有功功率实际值低通滤波功能，z为阻尼比率，设置z＝0.707； w为特征频率，设置w＝5。
[0063]
图5显示了虚拟同步控制算法模块：无功功率控制算法子模块功能图与 传递函数，在此图中pcs虚拟同步控制算法模块中的无功功率控制算法子模 块把接收的pcs_qset信号与滤波后的pcs_qact信号进行比较，比较后的信 号经过pcs虚拟同步无功功率比例积分控制和pcs附加电压设定值限辐得到 pcs_vsup信号，图中的s18为pcs无功功率实际值低通滤波功能，z为阻尼 比率，设置z＝0.707；w为特征频率，设置w＝5；s19为pcs虚拟同步无功功 率比例积分控制功能，qkp比例增益，设置qkp＝0.1；qki积分增益，设置 qki＝0.5；s20为pcs附加电压设定值限辐功能，svmax附加频率上限限制值， 设置svmax＝50％；svmin附加频率下限限制值，设置svmin＝
‑
50％。
[0064]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。