新能源發(fā)電技術 課件 第五章-儲能控制技術

第五章儲能控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院本章內容：儲能電池數(shù)學模型儲能變流器控制技術儲能變流器黑啟動控制技術

第五章儲能控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數(shù)學模型簡單電池模型

簡單電池模型由理想電池和等價電阻串聯(lián)組成：

圖中，E0為開路電壓，V0為儲能電池的端電壓。

該模型不考慮電池內阻隨荷電狀態(tài)和電解液濃度而變化的特性，一般應用于不限電量和不考慮荷電狀態(tài)的電路仿真實驗中。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數(shù)學模型

Thevenin電池模型 Thevenin電池模型由電壓E0，內阻R0，電容Cp和過壓電阻Rp組成：

圖中，Cp為平行金屬板間的電容，Rp為非線性阻抗，即極化阻抗；該模型的所有元件值都是電池在不同狀態(tài)條件下的函數(shù)。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數(shù)學模型三階動態(tài)等效模型

主要由主支路和寄生支路組成：

主反應支路由電阻R1、R2、電容C和電壓源Em構成，考慮了電極反應、能量散發(fā)和歐姆效應；寄生支路由Rp、Ep和一個二極管組成，考慮了充電過程的析氣效應等副反應。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數(shù)學模型其他等效模型 RC模型：結構相對簡單，但精度很差； PNGV模型：具有很高精度，但結構非常復雜，溫度、電流和SOC之間的耦合度很高。RC模型PNGV模型儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數(shù)學模型各模型適用情況

在并非針對儲能電池特性進行研究的仿真中，一般采用簡單等效電路；

對于Thevenin模型和三階等效電路模型，為了精確反應電池內部反應情況，其具有非常高的耦合度和復雜的計算過程；

模型能滿足研究需求，但是要大量時間用于調整參數(shù)。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數(shù)學模型動態(tài)模型

將可控電壓源和固定電阻串聯(lián)，可兼顧電池模型的準確性和易用性：

儲能電池內阻的變化轉化為端電壓的動態(tài)變化，從而簡化內部化學變化。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數(shù)學模型動態(tài)模型

可控電壓源的充電電壓可表示為：

放電電壓可表示為：E0：儲能電池起始電壓K：極化阻抗Q：儲能電池容量i*：低頻動態(tài)電流

儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術主電路模型igabc、vgabc：交流測的三相電流和電壓Vdc：儲能變流器直流側電壓Rgabc：包括電抗器電阻在內的每相線路電阻C：直流母線電容Iload：直流側的電流Lgabc：每相進線電抗器的電感儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術三相靜止坐標系下式中，Sgabc為三相PWM變換器中各相橋臂的開關函數(shù)，定義上橋臂功率元件導通時為1、下橋臂功率元件導通時為0。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術三相靜止坐標系下儲能變流器交流側三相電流之和應為零：

將上式代入變流器數(shù)學模型可得：儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術三相靜止坐標系下儲能變流器交流側的三相線電壓與各相橋臂開關函數(shù)Sga、Sgb、Sgc關系為：轉換為相電壓儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術三相靜止坐標系下

將開關函數(shù)與相電壓的關系式代入變流器數(shù)學模型，可得：

由于該式的推導過程對單儲能變流器的運行條件未做任何假定，故在電網電壓波動、三相不平衡等情況下均能有效適用。?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術幅值守恒原則下的坐標變換關系

由三相靜止坐標系到兩相靜止αβ坐標系的變換簡稱為3s/2s變換，其變換矩陣和矢量關系如下：

從兩相靜止αβ坐標系到兩相同步速ω1旋轉坐標系的變換簡稱為2s/2r變換，其變換矩陣和矢量關系如下：儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術

根據3s/2s與2s/2r變換，可得由三相靜止坐標系到兩相同步速旋轉dq坐標系間的變換矩陣為：

三相靜止(a，b，c)坐標系、兩相靜止(α，β)坐標系以及兩相同步速ω1旋轉(d，q)坐標系中，空間矢量F(廣義地代表電壓、電流、磁鏈等)的空間位置關系如圖：儲能控制技術幅值守恒原則下的坐標變換關系?浙江大學電氣工程學院兩相靜止坐標系下

若三相進線電抗器的電感、電阻相等，即Lga=Lgb=Lgc=Lg，Rga=Rgb=Rgc=Rg，αβ坐標系下儲能變流器數(shù)學模型為：ugα

、ugβ

:電網電壓的α

軸、β

軸分量igα

、igβ

:變流器輸入電流的α

軸、β

軸分量vgα、vgβ

:變流器中三相交流側電壓的α

軸、β

軸分量Sα、Sβ

:開關函數(shù)的α

軸、β

軸分量5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院兩相同步旋轉坐標系下

若三相進線電抗器的電感、電阻相等，即Lga=Lgb=Lgc=Lg，Rga=Rgb=Rgc=Rg，dq坐標系下儲能變流器數(shù)學模型為：ugd、ugq:電網電壓的d軸、q軸分量igd、igq:變流器輸入電流的d軸、q軸分量vgd、vgq

:變流器中三相交流側電壓的d軸、q軸分量Sd、Sq:開關函數(shù)的d軸、q軸分量儲能控制技術5.2儲能變流器控制技術?浙江大學電氣工程學院兩相同步旋轉坐標系下

令Ug=ugd+jugq為電網電壓矢量，當坐標系的d軸定向于電網電壓矢量時，則有ugd=|Ug|=Ug，ugq=0，其中Ug為電網相電壓幅值。

變流器數(shù)學模型可改寫為：儲能控制技術5.2儲能變流器控制技術?浙江大學電氣工程學院儲能變流器矢量控制技術

矢量控制是常見的變流器控制策略之一，儲能變流器的控制系統(tǒng)包含功率外環(huán)控制和電流內環(huán)控制兩個部分。5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

變流器dq坐標系下數(shù)學模型：

儲能變流器的d軸、q軸電流不僅受vgd、vgq的控制，還受到電流交叉耦合項ω1Lgigq、ω1Lgigd，電阻壓降Rgigd、Rgigq以及電網電壓ugd的影響。

為了實現(xiàn)對d軸、q軸電流的有效控制，需要消除d軸、q軸電流耦合以及電壓擾動。儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

，

定義為：為了消除控制靜差，通過比例積分調節(jié)器來設計如下電流控制器:儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

由此可得儲能變流器的電壓指令：

在儲能變流器的控制中引入了電流狀態(tài)反饋量ω1Lgigq、ω1Lgigd來實現(xiàn)解耦，同時引入電阻壓降項Rgigd、Rgigq和電網擾動電壓項ugd進行前饋補償。

實現(xiàn)d軸、q軸電流的獨立控制，并提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

儲能變流器采用功率、電流雙閉環(huán)控制，通過電流狀態(tài)反饋實現(xiàn)兩軸電流間的解耦控制，通過功率前饋實現(xiàn)對電網功率擾動的補償。儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院功率外環(huán)控制器采取經典的PI控制器，將瞬時功率與給定功率比較后送入PI控制器，進而得到有功電流與無功電流的數(shù)值。傳統(tǒng)矢量控制控制目標為輸出功率，動態(tài)響應速度快，對應的儲能變流器具有調峰控制和緊急功率控制能力。通過添加電壓下垂控制環(huán)節(jié)和頻率下垂控制環(huán)節(jié)，也可使儲能變流器具有調壓控制和調頻控制能力。不足的是，矢量控制依賴鎖相環(huán)，電網電壓頻率擾動會影響其動態(tài)響應，進而影響矢量控制性能。儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院傳統(tǒng)矢量控制的儲能變流器由于幾乎沒有轉動慣量，無法為電網提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐，也無法提供必要的慣性和阻尼。傳統(tǒng)控制策略大多需要鎖相環(huán)來提供電網電壓的幅值和相位基準，無法實現(xiàn)自同步并網。虛擬同步機(VirtualSynchronousGenerator,VSG)控制策略的本質是通過控制逆變器模擬同步發(fā)電機的運行原理，從而獲得類似同步發(fā)電機一樣的運行特性。儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

虛擬同步機控制的基本拓撲結構：儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術Vdc：直流母線電壓vga,vgb,vgc：逆變器交流側輸出的三相電壓L1,R1,R2,C：LC濾波器參數(shù)iga,igb,igc：電網三相電流?浙江大學電氣工程學院

虛擬同步機控制策略的有功控制環(huán)和無功控制環(huán)分別模擬了同步發(fā)電機的調速器和勵磁調節(jié)功能。虛擬同步機的有功環(huán)和無功環(huán)的數(shù)學模型為：儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術P*、Q*：VSG輸出有功和無功功率的參考值P、Q：VSG輸出有功和無功功率的反饋值Ug*、Ug：電網電壓幅值的額定值和反饋值E：VSG輸出電勢的幅值ω*、ω：電網電角速度的額定值和實際值J：虛擬轉動慣量K：模擬勵磁調節(jié)的慣性系數(shù)Dp：阻尼系數(shù)Dq：無功-電壓下垂系數(shù)?浙江大學電氣工程學院 VSG算法的基本控制框圖如圖：儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術

通過有功-頻率和無功-電壓的控制作用，VSG控制策略可以獲得與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相似的運行特性，從而為電網提供慣性和阻尼支持。?浙江大學電氣工程學院

引入dq旋轉坐標系下的電流控制環(huán)以提高穩(wěn)定性和電流控制能力，將VSG輸出電勢的角度θ設為d軸方向。儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術E：VSG輸出的電勢矢量Ug：電網電壓矢量ugd、ugq：電網電壓矢量的d,q軸分量igd、igq：電網電流的d,q軸分量igd*、igq*：電網電流的d,q軸分量的參考值PI：比例-積分控制器?浙江大學電氣工程學院有功—頻率控制環(huán)節(jié)可以響應電網頻率的變化，并為電網提供頻率和慣量支撐，可以實現(xiàn)儲能變流器一次調頻的功能。無功—電壓控制環(huán)節(jié)中的電壓下垂控制可以實現(xiàn)儲能變流器的一次調壓功能；且控制無需鎖相環(huán)定向，避免了電網擾動對鎖相環(huán)的動態(tài)性能的影響。虛擬同步機控制作為一種慣性控制策略，可以有效為電網提供慣性支撐。儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院電池的荷電狀態(tài)：電池的可利用容量與額定容量的百分比。電池的循環(huán)壽命：電池在容量衰減至某一規(guī)定值之前經歷的總充放電次數(shù)。荷電狀態(tài)反饋：使儲能系統(tǒng)在補償功率波動的同時保證其荷電狀態(tài)不超出既定的范圍。在儲能系統(tǒng)SOC過高（充電）或過低（放電）時動態(tài)調整充放電系數(shù)，以此來減小該儲能裝置的出力。計及儲能電池荷電狀態(tài)的儲能變流器改進控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

將儲能系統(tǒng)SOC劃分為5個區(qū)間：

Dm為儲能系統(tǒng)的充放電系數(shù)，設定最小值（QSOC_min）為0.1，較低值（QSOC_low）為0.2，較高值（QSOC_high）為0.8和最大值（QSOC_max）為0.9。計及儲能電池荷電狀態(tài)的儲能變流器改進控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

采用線性分段函數(shù)來設置充放電曲線，既可以實現(xiàn)平滑出力，還能避免復雜函數(shù)所帶來的控制難題：

在儲能系統(tǒng)起始的功率參考值上乘充放電系數(shù)Dm便可得到儲能系統(tǒng)的實際功率參考值。計及儲能電池荷電狀態(tài)的儲能變流器改進控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

計及SOC變化的儲能系統(tǒng)控制框圖如圖：計及儲能電池荷電狀態(tài)的儲能變流器改進控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

基于dq旋轉坐標系的雙閉環(huán)控制策略：外環(huán)采用V/f控制方式實現(xiàn)電壓的無靜差控制；內環(huán)采用電感電流反饋方式，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，同時在短路故障時起到限流的作用。儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

將abc相電流和電壓通過坐標變換方程，由三相坐標系轉換至兩相同步旋轉dq坐標系。

dq電流分量、電壓分量相互耦合，需要對其進行解耦控制：儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術K：PI調節(jié)器的比例系數(shù)id*，iq*：濾波電感電流的參考值Kp、Ki

：PI調節(jié)器的比例、積分系數(shù)u2d*、u2q*：輸出電壓的參考值?浙江大學電氣工程學院

在兩相同步旋轉dq坐標系下，逆變器的電路方程如下：儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

將控制方程代入模型，實現(xiàn)對dq電流及電壓分量的解耦控制：?浙江大學電氣工程學院儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

通過調節(jié)輸出電壓的參考值u2d*和u2q*，可以實現(xiàn)對電壓的精準控制。在儲能系統(tǒng)啟動時，將電壓參考值由0緩慢增加至額定值，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的零起升壓啟動。?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

儲能變流器采用VSG控制策略時，具備自主調頻、自主調壓、慣性、阻尼等優(yōu)良特質，對外呈現(xiàn)電壓源型外特性，適用于黑啟動應用場合。

同步發(fā)電機的簡化轉子運動方程如下：Pset：有功設定Po：實際有功輸出Dp：頻率有功下垂系數(shù)J：轉動慣量θ：電角度ω：電角速度ω0：額定電角速度?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

按下垂控制算法生成電壓參考值，為避免大容量儲能系統(tǒng)由多個儲能單元VSG離網并聯(lián)時形成環(huán)流及振蕩，可通過虛擬阻抗方法進行抑制。

可在控制中虛擬一個感性的阻抗實現(xiàn)解耦：Qset：無功設定Qo：實際無功輸出Dq：無功電壓下垂系數(shù)V0：額定電壓Xvir：虛擬的感性阻抗uod、uoq、iod、ioq：輸出電流的D、Q軸分量?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

通過電壓外環(huán)、電流內環(huán)實現(xiàn)輸出端口電壓的控制，提高控制精度并限制過流。VSG整體控制框圖如圖：?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

多臺儲能變流器采用VSG模式并聯(lián)運行時，由于下垂和虛擬阻抗的存在，導致頻率、電壓發(fā)生偏差，在系統(tǒng)中會造成非預期的頻率、電壓誤差。

以單臺儲能變流器為例，其端口處的穩(wěn)態(tài)頻率偏差Δf為：?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

電壓向量圖可表示為：、、：下垂和虛擬阻抗產生的電壓偏差相量

穩(wěn)態(tài)電壓偏差Δu為：?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

儲能變流器只補償穩(wěn)態(tài)下虛擬阻抗造成的電壓偏差，采用電流低通濾波后補償?shù)姆椒?，控制框圖如右圖所示