一种匹配虚拟同步机储能容量的惯量配置方法技术

一种匹配虚拟同步机储能容量的惯量配置方法，属于惯量匹配技术领域。根据虚拟同步机转子运动方程和虚拟同步机输出有功功率表达式求得电网频率与输出有功功率之间的小信号模型，得到在电网频率变化时虚拟同步机输出有功功率的最大值，即储能需配置的功率。并由此提出了虚拟同步机储能容量与虚拟惯量的匹配方法。实现了储能容量与虚拟惯量间的优化配置，为虚拟同步机技术的应用和发展提供重要的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种匹配虚拟同步机储能容量的惯量配置方法
本专利技术属于惯量匹配
，尤其是涉及一种匹配虚拟同步机储能容量的惯量配置方法。
技术介绍
近年来，由于能源问题和环境压力的不断增大，诸如光伏发电、风力发电等分布式发电形式得到了快速发展。逆变器在电力系统的渗透率愈来愈高，导致传统电力系统结构发生了巨大的变化。为解决分布式电源接入带来的电力系统低惯性、低阻尼问题，有学者提出了虚拟同步机(VirtualSynchronousMachine,VSM)的概念，近些年对VSM的研究表明，VSM可有效增加电力系统的惯性和阻尼，抑制电力系统的振荡，增强电力系统的稳定性。而系统的惯性和阻尼需要通过储能系统提供，因而VSM的储能容量配置与惯量匹配问题亟待解决。目前国内外学者针对虚拟同步机惯量和阻尼选取方法取得的研究成果：(1)由曾正等发表于《电力系统自动化》2015年第39卷第13期22-31页，题为“虚拟同步发电机的模型及储能单元优化配置”的论文，该论文通过理论计算，利用储能单元平抑可再生能源出力设计了虚拟同步发电机的储能单元优化配置方法，并未提出一套惯量匹配的方法。(2)由程冲等发表于《电力系统自动化》2015年第39卷第19期82-89页，题为“虚拟同步发电机的转子惯量自适应控制方法”，以及由JaberAlipoor等发表于《IEEEJOURNALOFEMERGINGANDSELECTEDTOPICSINPOWERELECTRONICS》,2015年第3卷第2期451-458页，题为“PowerSystemStabilizationUsingVirtualSynchronousGeneratorWithAlternatingMomentofInertia”的文章，通过对频率的监测，实现了虚拟惯量值跟随频率实时变化，但该方法未计及阻尼因子对系统的影响，存在局限性。(3)由M.A.TorresL等发表于《IEEETransactionsonEnergyConversion》，2014年第29卷第4期833页-840页，题为“Self-TuningVirtualSynchronousMachine:AControlStrategyforEnergyStorageSystemstoSupportDynamicFrequencyControl”的文章，提出了一种通过实时监测负载侧频率的方法控制储能单元的充放电，并以此提供实时的虚拟惯量和阻尼，实现了储能系统的充放电优化控制。综上所述，现有的研究成果未提出明确有效的匹配虚拟同步机储能容量的惯量配置方法。本专利技术提出了一种新的虚拟同步机储能容量配置方法，并在此基础上考虑虚拟惯量与阻尼因子等参数的配合，提出了一种匹配虚拟同步机储能容量的惯量配置方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种匹配虚拟同步机储能容量的惯量配置方法，解决了虚拟同步机储能容量的配置及其为系统所提供惯量大小的问题。本专利技术根据虚拟同步机转子运动方程和虚拟同步机输出有功功率表达式求得频率与输出有功功率之间的小信号模型，并以此得到虚拟同步机输出有功功率的最大值，即储能需配置的功率。并由此提出了虚拟同步机储能容量与虚拟惯量的匹配方法。实现了储能容量与虚拟惯量间的优化配置，为虚拟同步机技术的应用和发展提供重要的方法。由附图1所示的虚拟同步机与同步发电机的等效关系图，虚拟同步机是通过控制方法实现逆变器虚拟同步运行的一种方法，为系统提供惯性和阻尼，提高系统的稳定性。步骤1：与同步发电机类似，虚拟同步机的转子运动方程可写作：其中Pm为机械功率；Pe为电磁功率；J为虚拟惯量；D为虚拟阻尼因子；ω虚拟转子角频率；δ为VSM功角；ωbus为负载所在母线频率；ω0为额定转子角频率。本专利技术中VSM的极对数为1。步骤2：根据步骤1的转子运动方程，在负载变化频率发生波动时，假设机械功率不变，可由式(1)得到小信号模型。步骤3：对步骤2中结果，做拉普拉斯变换可得：-ΔPe(s)＝Jω0sΔω(s)+Dω0(Δω(s)-Δωbus(s))(3)步骤4：求虚拟同步机输出有功功率表达式，如下步骤5、步骤6所示。步骤5：由基本的电路定律求解VSM的输出电流:其中E为VSM的电势,U为VSM的机端电压。步骤6：求解VSM输出的视在功率:一一对应可求得VSM输出有功功率和无功功率的表达式：*表示复数运算，P为VSM输出的有功功率，Q为VSM输出的无功功率。步骤7：求解步骤6其中滤波电路的阻抗Z和阻抗角α：步骤8：当P＝Pref，Q＝Qref时，其中Pref、Qref分别为VSM输出有功功率的参考值、输出无功功率的参考值，由步骤6可求得此时对应的VSM电势Es和VSM的功角δs：步骤9：由步骤6中的表达式可得Pe小信号模型：由于功角的变化量很小，即Δδ→0,cos(Δδ)→1,sin(Δδ)→Δδ，步骤9可化简为：步骤10：对步骤9中表达式进行拉普拉斯变换可得频域中二者的关系：令同步功率系数SE＝EUsin(α-δ)/Z.步骤11：由步骤1中表达式可得小信号模型：步骤12：对步骤11中的表达式做拉普拉斯变换可得：sΔδ(s)＝Δω(s)-Δωbus(s)(13)步骤13：由步骤3、10、11中的表达式可得VSM的传递函数模型，输出功率变化量ΔPe与电网频率Δωbus之间的关系如下：步骤14：当电磁功率在频率ΔPe发生Δωbus的阶跃时，根据步骤13中的传递函数，求得此时输出功率变化量ΔPe:步骤15：令步骤14表达式的分母为零，可求得两个极点s1,根据D2与4Jω0SE的大小关系，极点分为以下三种情况：D2小于4Jω0SE时，有两个实部为负的共轭复数根；D2大于4Jω0SE时，有两个不相等的负实数根；D2等于4Jω0SE时，有两个相等的负实数根。所求得的在频率变化时ΔPe.max的表达式即为储能所需配置的最小功率。步骤16：当步骤14中表达式有两个实部为负的共轭复极点时，对步骤14中表达式拉普拉斯反变换ΔPe可写作：其中步骤17：将步骤16中表达式对时间求导可得:步骤18：令步骤17中表达式等于零，可求得时间t的表达式：步骤19：将步骤18中的t代入步骤16可得ΔPe.max为步骤20：当步骤14中的表达式有两个不相等的负实数极点时，对其式拉普拉斯反变换ΔPe可写作：其中步骤21：将步骤20中的式对时间求导可得:步骤22：令步骤21中式等于零，可得时间t的表达式:步骤23：将步骤22中式代入步骤20中表达式可得ΔPe.max为步骤24：当步骤14式有两个相等的负实数根时，对式拉普拉斯反变换ΔPe可写作：步骤25：将步骤24中式对时间求导可得:步骤26：令步骤25中表达式等于零，可得时间t的表达式：步骤27：将步骤26中式代入步骤24中表达式可得ΔPe.max为求得步骤14中电网频率变化量与虚拟同步机输出功率变化量最大值(即储能所需配置的容量)之间的传递函数表达式，该式明确给出了电网频率变化量与储能容量之间严格的数学关系。步骤15所述可将系统分为三类，根据步骤14所得表达式的分母等于零时根的类型对系统进行分类。步骤15除储能容量外其他的条件均已知时，可由步骤15对已知条件所属类型分类，再依据步骤19、步骤23、步骤27中的表达式获得储能所需配置的容量。步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种匹配虚拟同步机储能容量的惯量配置方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：与同步发电机类似，虚拟同步机的转子运动方程可写作：dδdt=ω-ωbusPm-Pe=Jω0dωdt+Dω0(ω-ωbus)---(1)]]>其中Pm为机械功率；Pe为电磁功率；J为虚拟惯量；D为虚拟阻尼因子；ω虚拟转子角频率；δ为VSM功角；ωbus为负载所在母线频率；ω0为额定转子角频率；VSM的极对数为1；步骤2：根据步骤1的转子运动方程，在负载变化频率发生波动时，假设机械功率不变，可得到小信号模型：-ΔPe=Jω0dΔωdt+Dω0(Δω-Δωbus)---(2)]]>步骤3：对步骤2中结果做拉普拉斯变换得：‑ΔPe(s)＝Jω0sΔω(s)+Dω0(Δω(s)‑Δωbus(s))   (3)步骤4：求虚拟同步机输出有功功率表达式，如下步骤5、步骤6所示；步骤5：由基本的电路定律求解VSM的输出电流；I·=E∠δ-UR+jωL---(4)]]>其中E为VSM的电势,U为VSM的机端电压；步骤6：求解VSM输出的视在功率:S=UI·*=UE∠(-δ)-UR-jωL=EU∠(-δ)-U2Z∠-α=EUZcos(α-δ)+jEUZsin(α-δ)-U2Zcosα-jU2Zsinα=P+jQ---(5)]]>一一对应可求得VSM输出有功功率和无功功率的表达式：P=EU cos(α-δ)/Z-U2cosα/ZQ=EU sin(α-δ)/Z-U2sinα/Z---(6)]]>*表示复数运算，P为VSM输出的有功功率，Q为VSM输出的无功功率；步骤7：求解步骤6其中滤波电路的阻抗Z和阻抗角α：Z=(ωL)2+R2α=tan-1(ωL/R)---(7)]]>步骤8：当P＝Pref，Q＝Qref时，其中Pref、Qref分别为VSM输出有功功率的参考值、输出无功功率的参考值，由步骤6中表达式可求得此时对应的VSM电势Es和VSM的功角δs：δs=α-tan-1(Qref+U2sinα/ZPref+U2cosα/Z)Es=QrefZ+U2sinαUsin(α-δs)---(8)]]>步骤9：由步骤6中的表达式得Pe小信号模型：ΔPe=EUZ[cos(α-δ-Δδ)-cos(α-δ)]=EUZ[cos(α-δ)cos(Δδ)+sin(α-δ)sin(Δδ)-cos(α-δ)]---(9)]]>由于功角的变化量很小，即Δδ→0,cos(Δδ)→1,sin(Δδ)→Δδ，步骤9表达式化简为：ΔPe=EUZsin(α-δ)Δδ---(10)]]>步骤10：对步骤9中表达式进行拉普拉斯变换可得频域中二者的关系：ΔPe(s)=EUZsin(α-δ)Δδ(s)---(11)]]>令同步功率系数SE＝EU sin(α‑δ)/Z，步骤11：由步骤1可得小信号模型：dΔδdt=Δω-Δωbus---(12)]]>步骤12：对步骤11中的表达式做拉普拉斯变换得：sΔδ(s)＝Δω(s)‑Δωbus(s)   (13)步骤13：分别由步骤3、10、11中的表达式得到VSM的传递函数模型，输出功率变化量ΔPe与电网频率Δωbus之间的关系如下：ΔPe(s)Δωbus(s)=-Jω0SEsJω0s2+Ds+SE---(14)]]>步骤14：当电磁功率在频率ΔPe发生Δωbus的阶跃时，根据步骤13中的传递函数，求得此时输出功率变化量ΔPe；Δωbus(s)=&Delt...

【技术特征摘要】
1.一种匹配虚拟同步机储能容量的惯量配置方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：与同步发电机类似，虚拟同步机的转子运动方程可写作：其中Pm为机械功率；Pe为电磁功率；J为虚拟惯量；D为虚拟阻尼因子；ω为虚拟转子角频率；δ为VSM功角；ωbus为负载所在母线频率；ω0为额定转子角频率；VSM的极对数为1；步骤2：根据步骤1的转子运动方程，在负载变化频率发生波动时，假设机械功率不变，可得到小信号模型：步骤3：对步骤2中结果做拉普拉斯变换得：-ΔPe(s)＝Jω0sΔω(s)+Dω0(Δω(s)-Δωbus(s))(3)步骤4：求虚拟同步机输出有功功率表达式，如下步骤5、步骤6所示；步骤5：由基本的电路定律求解VSM的输出电流；其中E为VSM的电势,U为VSM的机端电压；步骤6：求解VSM输出的视在功率：一一对应可求得VSM输出有功功率和无功功率的表达式：*表示复数运算，P为VSM输出的有功功率，Q为VSM输出的无功功率；步骤7：求解步骤6其中滤波电路的阻抗Z和阻抗角α：步骤8：当P＝Pref，Q＝Qref时，其中Pref、Qref分别为VSM输出有功功率的参考值、输出无功功率的参考值，由步骤6中表达式可求得此时对应的VSM电势Es和VSM的功角δs：步骤9：由步骤6中的表达式得Pe小信号模型：由于功角的变化量很小，即Δδ→0,cos(Δδ)→1,sin(Δδ)→Δδ，步骤9表达式化简为：步骤10：对步骤9中表达式进行拉普拉斯变换可得频域中二者的关系：令同步功率系数SE＝EUsin(α-δ)/Z，步骤11：由步骤1可得小信号模型：步骤12：对步骤11中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁敞，刘昌，赵天扬，谢佩琳，肖湘宁，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11