[0001] 本发明涉及电气工程领域，具体地，涉及一种面向等效惯量建模的混合储能控制方法及系统。

[0002] 可再生能源接入电网是推动环境可持续和能源革新的重要一步。太阳能和风能等清洁能源的融入电力系统，不仅减少温室气体排放，提升能源安全性，还推动了绿色经济的崛起。随着光伏、风电等可再生能源的大规模应用，由于可再生能源通常通过无惯性的快速响应电源变换器与电网耦合，传统的同步机接入电网的占比降低，电网系统惯量减小，且新能源发电具有随机性，导致系统的抗干扰能力降低，严重影响电能质量。

[0003] 为了有效平滑发电出力，优化系统的电压、频率响应特性，混合储能系统(hybrid energy storage system，HESS)成为一个广泛应用的解决方案。通过将传统的蓄电池储能结构与超级电容等具有快速响应特性的储能单元相结合，能够增加系统惯量，有助于减缓系统直流电压和交流频率的变化，提高系统的抗干扰能力。在实际应用当中，系统整体的复杂性和互联互通的问题会给储能系统的设计和系统惯量分析带来挑战。

[0004] [1]J.Song,X.Gao,H.Sun and W.Guo,"Improved Virtual Inertia Damping Adaptive VDG Control Strategy for DC Microgrid Hybrid Energy Storage 
Converter,"2022 4th International Conference on Electrical Engineering and Control Technologies(CEECT),Shanghai,China,2022,pp.1188‑1192.

[0005] Abstract:When the power supply or load changes,the traditional control strategy of hybrid energy storage bidirectional DC‑DC converter has the shortcomings of low inertia and weak damping,which has a great impact on the frequency and voltage of the system.To solve this problem,an improved 
adaptive VDG control with inertia damping is proposed,in which different 
adaptive control  strategy is  employed according  to the working 
characteristics of the supercapacitor and the battery.The simulation results show that when system is disturbed,the improved control strategy effectively reduces the amplitude of bus voltage fluctuation and recovery time compared with other control strategies,which provides a conducive solution for the 
safe and stable operation of DC micro‑grid hybrid storage system.该文献提出了一种改进的虚拟惯性阻尼自适应VDG控制的混合储能系统控制策略，根据超级电容器和电池的工作特性采用不同的自适应控制，从而降低母线电压波动幅度和恢复时间，但是该文献没有阐明混合储能系统的功率分配情况和设计方法；本发明从虚拟同步机的等效惯量角度进行建模，设计了混合储能系统的功率分配方式，使控制更加简明高效。

[0006] [1]张祥宇,李凌斐,付媛.可控惯量光储互联系统的稳定性分析与区域协同控制[J].高电压技术,2021,47(5):1694‑1703.利用混合储能装置扩展惯量来源能够有效改善光伏高渗透率系统的频率稳定,但系统惯量大小与分布的改变必然对系统暂态稳定的多种特性产生显著影响。可控惯量对系统阻尼特性及功角稳定性的影响机理十分复杂,不合理的惯量分布对系统阻尼及功角振荡存在负面影响,甚至互联系统两侧区域电网惯量的改变对系统阻尼特性的影响也会呈现相反的作用效果。为提高新能源高渗透系统的暂态稳定性,本文深入分析含可控惯量光储互联系统的暂态稳定机理,主要研究成果如下：

[0007] 1、建立电池储能、电容储能与同步发电机旋转机械动能间的能量转化关系,使静止混合储能设备具有与系统同步耦合运行的能力。建立具有虚拟惯量的等值三机系统小扰动模型,通过观察系统特征根随虚拟惯量系数的变化,分析可控惯量对系统频率及阻尼特性的影响。

[0008] 2、基于分析结论,提出一种基于混合储能的变惯量虚拟同步耦合控制技术,使静止储能设备在更加灵活的同步耦合运行方式下,转移同步发电机组承受的暂态能量,减小系统内旋转机械的频率及功角振荡。

[0009] 3、推导光储两区域互联系统的等值数学模型并分析不同区域可控惯量对系统功角首摆的影响。建立互联系统小信号模型,通过特征根分析法定性分析不同发电区域的虚拟惯量对互联系统阻尼特性的影响。提出一种基于光储互联系统的区域协同控制策略,合理配置不同区域的虚拟惯量控制系数,改善系统阻尼特性。

[0010] 4、为验证所提控制策略的正确性与有效性,利用MATLAB/Simulink搭建含光伏、混合储能高渗透的仿真系统。结果表明在所提变惯量虚拟同步耦合控制和区域协同控制策略下,含静止能量的储能设备可显著改善包含频率、功角在内的多种系统暂态稳定特性。

[0011] 该文献提出了一种基于混合储能的变惯量虚拟同步耦合控制技术和一种基于光储互联系统的区域协同控制策略,通过合理配置不同区域的虚拟惯量控制系数,改善系统阻尼特性；而本发明的混和储能系统面向虚拟同步机的等效惯量进行建模，数学推导更加简便，有效地增强了系统的稳定性，同时方便了复杂系统整体惯量的分析和整定。

[0012] 在公开号为CN115276048B的中国专利文献中，公开了一种发电机黑启动的混合储能系统功率优化分配控制方法，包括混合储能系统，该系统包括蓄电池、超级电容、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、双向PWM变换器、柴油发电机组。该专利文献采用混合储能系统的功率优化分配控制策略，通过改变PI控制器参数以及LPF中的时间常数τ，进而改变蓄电池和超级电容的充放电功率分配，与本发明所要解决的问题具有本质性不同。

[0094] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0095] 考虑到系统中经常存在多种以虚拟同步机方式运行的复合式能源，本发明基于虚拟同步发电机的控制模型，提出一种等效惯量建模的控制策略，有助于对混合储能系统进行控制，平滑系统的电压波动，并简化复杂系统中整体惯量的分析和整定。

[0096] 本发明将复杂具体的电路结构抽象为数学模型，从数学层面和传递函数层面研究和分析惯量，通过设计混合储能系统的功率响应函数，使其具有和虚拟同步机相一致的数学形式，达到系统分析方便、控制简单高效、并网友好的效果。

[0097] 参照图1所示，具体实现如下：

[0098] 一、虚拟同步机的惯量模型

[0099] 发电机在考虑不同影响因素的条件下具有多阶数学模型，但为了简化控制，大多采用其二阶模型进行分析计算。假定同步发电机为隐极机，气息均匀，不必区分直轴和交轴电抗。同步发电机的转子机械方程为：

[0100]

[0101] 式中：Pm和Pe分别为原动机机械功率和同步发电机输出的电磁转矩；J为转动惯量；D为阻尼系数；ω为电机转子的角频率；ωg为电网角频率。

[0102] 为了迎合电网特性，模拟同步发电机的惯性特性，在下垂控制环路中增加了虚拟惯性环节，得到了一种基于下垂控制的虚拟同步机。参照图2所示，为这种虚拟同步机的直流母线电压调节惯量控制框图。FHP、TCH和TRH为热涡轮机系数，TG为调速器的时间常数。该虚拟同步机的机电特性定义为：

[0103]

[0104] 式中：H和D表示与频率相关的负载惯性系数和阻尼因子；Pm和Pl分别表示虚拟同步机的机械输入功率和输出功率；f为虚拟同步机转子的频率；fg为交流电网频率。

[0105] 比较公式一和公式二，可以看出虚拟同步机的机电特性与实际的同步发电机是相一致的。

[0106] 在稳态时，机械输入功率Pm等于负载功率Pl和阻尼功率D(f‑fg)之和，因此频率保持不变，f为定值。当发生小信号的负载功率扰动时，频率产生Δf的偏移，机电特性方程(公式二)可以推导为摆动方程：

[0107]

[0108] 根据公式三，负载功率的波动ΔPl由惯性功率、输入功率的变化ΔPm和阻尼功率DΔf来平衡。负载惯性系数H和阻尼因子D的引入有效降低了功率波动引起的频率变化，维持了频率的稳定。

[0109] 类似的，直流微电网的摆动方程如下所示：

[0110]

[0111] 其中ΔVdc表示直流母线电压的变化量，负载惯性系数H和阻尼因子D的引入有效降低了功率波动引起的直流母线电压变化，维持了电压的稳定。

[0112] 根据惯性控制框图，可以得到负载扰动量ΔPd与直流母线电压变化量ΔVdc的关系：

[0113]

[0114] 式中：Rdc为电压下垂系数；s为拉普拉斯算子，H为直流网惯性系数；D为直流网负载阻尼常数。

[0115] 二、混合储能系统的设计

[0116] 参照图3所示，为了使混和储能系统与上一节的虚拟同步机具有相同的数学形式，需要设计两个储能单元，分别适用于暂态响应和稳态响应。两个储能单元(记为单元L和单元H)的功率‑电压响应函数设计如下：

[0117]

[0118] 式中：V表示实际电压；Vn表示额定电压；PL和PH为两个储能单元各自的输出功率；D为等效阻尼因子；m和n为设计的储能单元的特性参数。

[0119] 单元L的功率‑电压响应特性与蓄电池类似，适合在稳态提供功率输出；单元H的功率‑电压响应特性与超级电容类似，适合在暂态提供功率输出。为了满足功率平衡，两个储能单元的功率输出之和需要与系统的负载功率变化ΔPd相等，即：

[0120] PH+PL＝ΔPd   公式七

[0121] 根据公式组六和公式七，可以推导出系统的负载功率变化ΔPd时两个储能单元的功率分配，如下所示：

[0122]

[0123] 参照图2所示，根据公式八，可以设计混合储能系统的控制框图。负载扰动量ΔPd同时也是混合储能系统的功率输出量。根据混和储能系统的控制框图，可以得到功率输出ΔPd与直流母线电压变化量ΔV的关系：

[0124]

[0125] 比较公式五和公式九可知，对两个混合储能单元进行功率分配后，该混和储能系统与虚拟同步机的功率‑电压响应具有相同的数学形式，实现了对混合储能系统的简单高效的控制，方便了系统分析。

[0126] 为实现对混合储能系统简单高效的控制，本发明提出了面向等效惯量建模的混合储能控制模型。该模型具有以下特点：

[0127] 将复杂具体的电路结构抽象为数学模型，从数学层面和传递函数层面研究和分析惯量，将混合储能系统的功率‑电压响应的数学形式和传递函数与虚拟同步机对比分析。

[0128] 通过电力电子变换器设计混合储能系统的功率响应函数，对电容和电池进行暂态功率分配，使该模型兼具在暂态时有响应快速、稳态时有响应容量大的优点。

[0129] 面向等效惯量建模的混合储能系统，能简单高效地实现对复杂系统中整体惯量的分析整定，对电网的电压、频率调节发挥重要作用。

[0130] 以上为本发明的基础实施例，下面通过一个优选实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

[0131] 实施例1

[0132] 参照图4和图5所示，混和储能系统的两个储能单元并联接到直流电网母线，当母线产生负载功率波动时混和储能系统的虚拟惯量能够平滑电压波动，增强电网的抗干扰能力，起到和如图5所示的虚拟同步机并网相类似的效果。两个系统的参数设置如表1所示。

[0133] 表1系统参数

[0134]

[0135] 当图4和图5所示的直流母线上产生负载功率波动时，对应的电压响应如图6所示。可以发现接有混合储能系统的直流母线电压响应与虚拟同步机相同，并且波动都较为平缓。

[0136] 本发明提出的下垂控制的虚拟同步机的惯量模型，为混合储能系统的控制设计提供全新方式，大大简化了混合储能系统的控制复杂度和并网难度，为混合储能系统发挥对直流组网和交流微电网的支撑作用设计提供基础。对混和储能系统的储能单元进行功率‑电压响应特性设计和储能分配，使该混和储能系统具有与虚拟同步机相同的数学形式，实现简单高效的控制；提出的混合储能系统的控制设计，迎合了电网中存在多种以虚拟同步机方式运行的复合式能源的特性，方便进行系统整体惯量的分析，便于更大地发挥混合储能系统的作用。

[0137] 本发明还提供一种面向等效惯量建模的混合储能控制系统，所述面向等效惯量建模的混合储能控制系统可以通过执行所述面向等效惯量建模的混合储能控制方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述面向等效惯量建模的混合储能控制方法理解为所述面向等效惯量建模的混合储能控制系统的优选实施方式。

[0138] 具体的，一种面向等效惯量建模的混合储能控制系统，包括：

[0139] 模块M1：采集电路结构信息，建立虚拟同步机的惯量模型；

[0140] 模块M2：基于虚拟同步机的惯量模型建立虚拟同步机；

[0141] 模块M3：调整混合储能系统并与虚拟同步机进行对比分析，得出分析结果；

[0142] 模块M4：基于分析结果构建面向等效惯量建模的混合储能控制模型，完成对混合储能系统的控制。

[0143] 所述虚拟同步机基于在虚拟同步机的惯量模型的下垂控制环路中增加的虚拟惯性环节得到，所述虚拟同步机的惯量模型能够从数学层面和传递函数层面研究和分析惯量。

[0144] 所述模块M2包括定义同步发电机的转子机械方程：

[0145]

[0146] 式中，Pm和Pe分别为原动机机械功率和同步发电机输出的电磁转矩；J为转动惯量；D为阻尼系数；ω为电机转子的角频率；ωg为电网角频率；

[0147] 定义虚拟同步机的机电特性：

[0148]

[0149] 式中，H和D分别表示与频率相关的负载惯性系数和阻尼因子；Pm和Pl分别表示虚拟同步机的机械输入功率和输出功率；f为虚拟同步机转子的频率；fg为交流电网频率；

[0150] 当发生小信号的负载功率扰动时，频率产生Δf的偏移，将机电特性方程推导为摆动方程：

[0151]

[0152] 其中，ΔPl为负载功率的波动；ΔPm为惯性功率、输入功率的变化；DΔf为阻尼功率；

[0153] 直流微电网的摆动方程为：

[0154]

[0155] 其中，ΔVdc表示直流母线电压的变化量；

[0156] 负载扰动量ΔPd与直流母线电压变化量ΔVdc的关系为：

[0157]

[0158] 式中，Rdc为电压下垂系数；s为拉普拉斯算子。

[0159] 所述混合储能系统经过调整后与所述虚拟同步机具有相同的数学形式，且所述混合储能系统包括暂态响应的储能单元和稳态响应的储能单元。

[0160] 所述模块M3包括以下子模块：

[0161] 模块M3.1：将暂态响应的储能单元记为单元L，将稳态响应的储能单元记为单元H；

[0162] 两个储能单元的功率‑电压响应函数分别为：

[0163]

[0164] 式中，V实L表示单元L的实际电压，V实H表示单元H的实际电压；Vn表示额定电压；PL和PH分别为单元L、单元H的输出功率；D为等效阻尼因子；m和n为设计的储能单元的特性参数；

[0165] 模块M3.2：使两个储能单元的功率输出之和与系统的负载功率变化ΔPd相等：

[0166] PH+PL＝ΔPd；

[0167] 模块M3.3：推导出系统的负载功率变化ΔPd时两个储能单元的功率分配：

[0168]

[0169] 模块M3.4：得到功率输出ΔPd与直流母线电压变化量ΔV的关系：

[0170]

[0171] 本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

[0172] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0173] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。