一种大容量集中式虚拟同步机控制方法、装置及系统技术领域
本发明属于电气工程领域，特别涉及一种大容量集中式虚拟同步机控制方法、装置及系统。
背景技术
目前，我国的风力发电、光伏发电的装机规模已经位居世界第一，并保持高速发展。但与传统的火电等同步发电机相比，风力发电、光伏发电等存在功率间歇性、随机性波动等问题，且不具备阻尼功率振荡、惯性调频、自主调压的能力，在大规模接入电网后，将影响电网的电压/频率稳定性。
针对该问题，可以通过在风电、光伏场站增加大容量集中式储能，来平抑波动的功率。受储能电池及其电池管理系统(BMS)技术所限，无法实现大容量电池的直接并联，故现有的大容量储能电站一般都是通过多台PCS实现储能电池与电网的连接，每台PCS连接相应容量的储能电池，实现电池的SOC控制。各台PCS接受后台调度的指令，从电网吸收或向电网释放功率。当容量较大时，由于储能电池及各台PCS的差异，响应时间也存在差异，从而不能作为一个协调的整体。
借鉴传统同步发电机组的运行外特性，基于虚拟同步发电机算法的电力电子变流器控制策略成为当前的一个研究热点，其结合储能系统，使变流器输出接近于同步发电机的外特性。大规模间歇式新能源场站中的储能系统采用虚拟同步机技术接入电网，一是能够主动参与一次调频、调压，提供一定的有功和无功支撑；二是能够提供惯性阻尼，有效抑制频率振荡。采用虚拟同步机技术，可使间歇式新能源发电具备与常规同步发电机组接近的外特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大容量集中式虚拟同步机控制方法、装置及系统，用于解决大容量储能电池的SOC均衡控制比较难的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种大容量集中式虚拟同步机控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)：采集直流母线电压及各储能电池组的SOC；
步骤2)：设定直流电流-直流母线电压的下垂控制曲线，即I-U下垂控制曲线；
步骤3)：根据各储能电池组的SOC，以及直流母线电压，结合所述I-U下垂控制曲线，计算DC/DC电路的指令电流，控制DC/DC电路按该指令电流输出；其中通过各储能电池组的SOC对DC/DC电路的指令电流进行补偿，补偿量与各储能电池组SOC之间的均衡程度有关；
步骤4)：建立虚拟同步发电机的机械模型和电磁模型，控制DC/AC电路输出。
所述I-U下垂控制曲线为：
其中，ijref为指令电流，Udc为采集的直流母线电压，I1j、I2j为DC/DC电路的指令电流标幺值。
所述DC/DC电路的指令电流标幺值I1j、I2j为：
其中：SOCj为第j个DC/DC电路对应储能电池的SOC，SOCmax为系统中各个储能电池的SOC的最大值，SOCmin为系统中各个储能电池的SOC的最小值，ΔSOC＝SOCmax-SOCmin。
本发明还提供了一种大容量集中式虚拟同步机控制装置，该装置包括：
采集单元：用于采集直流母线电压及各储能电池组的SOC；
设定单元：用于设定直流电流-直流母线电压的下垂控制曲线，即I-U下垂控制曲线；
计算单元：用于根据各储能电池组的SOC，以及直流母线电压，结合所述I-U下垂控制曲线，计算DC/DC电路的指令电流，控制DC/DC电路按该指令电流输出；其中通过各储能电池组的SOC对DC/DC电路的指令电流进行补偿，补偿量与各储能电池组SOC之间的均衡程度有关；
建立单元：用于建立虚拟同步发电机的机械模型和电磁模型，控制DC/AC电路输出。
所述I-U下垂控制曲线为：
其中，ijref为指令电流，Udc为采集的直流母线电压，I1j、I2j为DC/DC电路的指令电流标幺值。
所述DC/DC电路的指令电流标幺值I1j，I2j为：
其中，SOCj为第j个DC/DC电路对应储能电池的SOC，SOCmax为系统中各个储能电池的SOC的最大值，SOCmin为系统中各个储能电池的SOC的最小值，ΔSOC＝SOCmax-SOCmin。
本发明还提供了一种大容量集中式虚拟同步机控制系统，包括n组储能电池组，n路DC/DC电路，n路DC/AC电路，每个储能电池组依次连接对应的DC/DC电路和DC/AC电路，DC/AC电路的直流侧并联连接直流母线，DC/AC电路的交流侧并联接入变压器。
所述DC/AC电路的交流侧连接有n路滤波回路。
本发明的有益效果是：
本发明采用下垂控制来控制直流母线电压，下垂曲线又根据储能电池SOC状态动态调整，来实现各个储能电池单元的SOC均衡。
本发明的方法能够实现较大的系统功率。
本发明采用两级拓扑结构来实现大容量储能电池的接入，前级采用多路DC/DC电路，可避免单个储能电池系统并联容量过大，后级采用多路DC/AC电路，可实现虚拟同步发电机功能，增强电力系统的稳定性。
附图说明
图1为大容量集中式虚拟同步机的拓扑结构图；
图2为大容量集中式虚拟同步机的SOC均衡下垂控制曲线图；
图3为下垂曲线中的各电压分布图；
图4为虚拟同步发电机模型及指令电流的生成方法图。
具体实施方式
一种大容量集中式虚拟同步机控制系统，包括n组储能电池组，n路DC/DC电路，n路DC/AC电路，每个储能电池组依次连接对应的DC/DC电路和DC/AC电路，DC/AC电路的直流侧并联连接直流母线，DC/AC电路的交流侧并联接入变压器，DC/AC电路的交流侧连接有n路滤波回路。
具体的，如图1所示，采用两级拓扑结构，系统容量为5MW，前级采用10路DC/DC的电路与匹配的电池连接，受电池容量所限，单个DC/DC功率为500kW，可避免单个储能电池系统并联容量过大，电路输出侧直接并联；后级采用4路1.25MW的DC/AC电路，交流侧直接并联后通过690:35000的变压器接入电网，可实现较大的容量。
此拓扑结构的特点是包括多路DC/DC电路和多路DC/AC电路，即本发明适用于多路控制的情况，特别是多路DC/DC电路应用的比较多，如果其他类型的拓扑结构，只要包括多路DC/DC电路，都可以使用本发明的方法。
一种大容量储能的虚拟同步机控制方法，用于对如图1所示每个DC/DC电路和DC/AC电路进行控制，该控制方法的步骤包括：
对于任一个DC/DC电路，包括步骤1)：采集直流母线电压及各储能电池组的SOC；
步骤2)：设定直流电流-直流母线电压的下垂控制曲线，即I-U下垂控制曲线；
步骤3)：根据各储能电池组的SOC，以及直流母线电压，结合所述I-U下垂控制曲线，计算DC/DC电路的指令电流，控制DC/DC电路按该指令电流输出；其中通过各储能电池组的SOC对DC/DC电路的指令电流进行补偿，补偿量与各储能电池组SOC之间的均衡程度有关；
对于DC/AC电路，包括步骤4)：建立虚拟同步发电机的机械模型和电磁模型，控制DC/AC电路输出。
该控制方法的具体步骤如下：
步骤2)中，计算出的曲线如图2所示，I>0时，为储能电池向外放电；I<0时，为向储能电池充电。UL、UH分别为直流母线电压的欠压和过压保护值，U1～U2区间为储能电池充电区间；U3～U4区间为储能电池放电区间；U2～U3区间为储能电池充放电电死区，在此区间内既不充电也不放电。U1、U2、U3、U4、UL、UH的值根据实际系统要求确定。
步骤3)中，充放电电流指令ijref由下式确定：
其中Udc为采集的直流母线电压。
所述指令电流I1j和I2j为(j＝1～n1，n1为前级DC/DC电路数)储能电池的电流指令的标幺值，I1j和I2j的值由下式确定：
其中，SOCj为第j个DC/DC电路对应储能电池的SOC，SOCmax为系统中各个储能电池的SOC的最大值，SOCmin为系统中各个储能电池的SOC的最小值，ΔSOC＝SOCmax-SOCmin，表达式中ΔSOC×10可以使储能电池充放电时最大电流和最小电流的差值控制在10％额定以内，以保证系统的输入输出功率。
根据交流侧电网690V线电压，结合开关器件的电压等级，可将下垂曲线中的电压确定为如图3所示。
上述控制方法的特点是在下垂控制的基础上增加SOC均衡，采用的手段是将SOC作为补偿量对下垂控制补偿。上面的实施例中，给出的是一种具体的、分段式的下垂控制曲线，作为其他实施方式，也可以采用其他类型的下垂控制曲线。具体的补偿公式为作为其他实施方式，也可以采用体现SOC均衡程度的不同的公式进行补偿电流指令标幺值I1j和I2j。
步骤4)中，虚拟同步电机的机械模型表述为：
其中，J为虚拟同步发电机的转动惯量，ω0为电网同步角速度，Tm、Te、Td分别为虚拟同步机的机械、电磁和阻尼转矩，D为阻尼系数。
电磁模型为：
其中，eabc为虚拟同步机三相电枢电势，uabc为定子端电压，iabc为电枢电流，R为同步电阻，L为同步电抗。
根据虚拟同步电机的机械模型和电磁模型，按照图3所示结构计算出DC/AC电路的指令电流，按照指令电流控制DC/AC电路输出，实现虚拟同步电机功能。
由于将虚拟同步机用于DC/AC控制属于现有技术，现有技术中也有很多不同的控制形式，因此本发明仅介绍同步控制的原理，如图4所示，不再具体给出控制框图和控制过程，本领域技术人员可以采用现有技术中的各种控制方式实现同步机控制。
本发明还提供了一种大容量集中式虚拟同步机控制装置，该装置包括采集单元、设定单元、计算单元和建立单元，其中采集单元用于采集直流母线电压及各储能电池组的SOC；设定单元用于设定直流电流-直流母线电压的下垂控制曲线，即I-U下垂控制曲线；计算单元用于根据各储能电池组的SOC，以及直流母线电压，结合所述I-U下垂控制曲线，计算DC/DC电路的指令电流，控制DC/DC电路按该指令电流输出；其中通过各储能电池组的SOC对DC/DC电路的指令电流进行补偿，补偿量与各储能电池组SOC之间的均衡程度有关；建立单元用于建立虚拟同步发电机的机械模型和电磁模型，控制DC/AC电路输出。
上述控制装置，实际上是一种软件构架，其中的各单元是与上述控制方法的步骤1)-4)相对应的进程或程序。因此，不再对该控制装置进行详细说明。
上述控制装置作为一种程序，在虚拟同步发电机中运行，并采用下垂控制来稳定直流母线电压，下垂曲线又根据储能电池的SOC状态动态调整，来实现各个储能电池单元的SOC均衡，而且能够实现系统较大的功率，采用两级拓扑结构来实现大容量储能电池的接入，前级采用多路DC/DC电路，可避免单个储能电池系统并联容量过大，后级采用多路DC/AC电路，可实现虚拟同步发电机功能。