技术领域
[0001] 本发明涉及电气工程技术领域，具体地，涉及一种基于混合储能系统的交流微电网频率控制方法及系统，尤其涉及交流微电网中基于等效惯量模型的混合储能系统的控制设计和分析。
相关背景技术
[0002] 大力发展可再生能源是改善我国能源结构、保障国家能源安全、实现“双碳”目标的必然选择。可再生能源的大规模开发利用，可以有效减少对传统化石能源和进口能源的依赖，降低环境污染和温室气体排放。然而，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，电网系统惯量大幅减小。当惯性不足时，负载的变化会使电网频率产生超出阈值的波动，会导致计划外的负载削减、级联故障甚至电力系统停电等问题。
[0003] 为了增加系统惯量，增强电网的频率调节能力，提升电网稳定性和可靠性，储能系统调频得到了广泛应用。传统的储能设备可分为能量型与功率型两类。能量型设备如蓄电池储能，其能量密度大，但瞬时响应能力较弱，适合平滑系统低频功率的波动，功率型设备如超级电容(supercapacitor,SC)储能，其具有功率密度大的优势，因此适合响应系统高频功率，但其容量一般比蓄电池小，不适合过度充放。
[0004] 混合储能系统通过整合多种储能单元，可以在一定程度上解决传统储能设备存在的问题，但仍需考虑与交流微电网之间的互联互通。由于储能系统的功率响应一般与直流电压相关，因此需要设计双向功率变换器(bidirectionalinterlinkingconverter,BIC)的控制环路来实现友好并网，发挥出混合储能系统对交流微电网频率的支撑作用。
[0005] 文献H.Ali,"A Hybrid Energy Storage System Based on Supercapacitor and Electric Vehicle Batteries for Frequency Stability Improvement of Islanded Microgrids,"2022 23rd International Middle East Power Systems Conference(MEPCON),Cairo,Egypt,2022,pp.1‑6，公开了一种由超级电容器(SC)和电动汽车(EV)电池组成的混合储能系统来增强孤岛微电网的频率稳定性的策略。其中，采用SC具有高功率密度提供虚拟惯性特性，采用EV电池具有高能量密度提供虚拟阻尼特性，从而改善虚拟惯性。但是该文献所设计的功率分配方式过于简单，对并网后系统整体的惯量分析不友好。本文基于虚拟同步机的等效惯量模型设计了混合储能系统的功率分配方式，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，更方便并网和系统惯量分析。
[0006] 文献陈崇德.混合储能参与光伏电站一次调频研究[D].华北电力大学(北京),2024，公开了一种基于改进的自适应噪声完备集合经验模态分解的混合储能参与光伏一次调频容量优化配置方法,通过将光伏一次调频需求功率分解重构为高频和低频分量,分别作为飞轮和锂电池储能的调频指令，提升了光伏电站的频率稳定性。但是该文献的计算方法复杂。而本文的混和储能系统面向虚拟同步机的等效惯量进行建模，数学推导和传递函数更加简单的同时，也有效地实现了对交流微电网频率的快速支撑。
[0007] 针对上述问题，本文基于虚拟同步机的等效惯量模型，提出一种基于混合储能系统的交流微电网频率控制方法及系统，有助于增加交流微电网中的系统惯量，同时为混合储能系统的控制提供全新的思路。
具体实施方式
[0061] 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。
[0062] 实施例一
[0063] 根据本发明提供的一种基于混合储能系统的交流微电网频率控制方法，如图6所示，包括：
[0064] 步骤S1：构建基于下垂控制的虚拟同步机，计算得到交流微电网负载扰动量ΔPac与频率变化量Δf的关系，即所述虚拟同步机的等效惯量模型。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。所述交流微电网负载扰动量ΔPac与频率变化量Δf的关系如下所示：
[0065]
[0066] 式中，Rac表示频率下垂系数；，H表示交流网惯性系数，D表示交流网负载阻尼常数。
[0067] 同步发电机具有惯性和阻尼支撑，在励磁、调速器等控制环节的支持下，可以方便地进行一次调频。虚拟同步机是指通过控制技术，让逆变器模拟出同步发电机的阻尼和转动惯量。混和储能系统以虚拟同步机的方式入网，可以有效地增加系统的惯量，提供对系统频率的支撑。
[0068] 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。图1为该虚拟同步机的频率调节控制框图。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：
[0069]
[0070] 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分别表示机械输入功率和输出功率；fg为交流电网频率。
[0071] 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，对式(1)进行微分，可以得到摆动方程式(2)：
[0072]
[0073] 根据式(2)，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。大功率差会导致交流微电网在负荷转移事件下出现较大的频率偏差Δf。而负载惯性系数H和阻尼因子D的引入有效降低了功率差引起的频率波动，维持了系统频率的稳定。
[0074] 根据虚拟同步机的惯性控制框图，可以得到交流微电网负载扰动量ΔPac与频率变化量Δf的关系：
[0075]
[0076] 式中:Rac为频率下垂系数；H为交流网惯性系数；D为交流网负载阻尼常数。
[0077] 本发明将式(3)称为虚拟同步机的等效惯量模型。
[0078] 步骤S2：建立与所述等效惯量模型响应一致的混合储能系统，使混和储能系统以虚拟同步机的方式入网。所述混合储能系统包括SC和蓄电池两个储能单元，基于虚拟同步机的等效惯量模型，对两个储能单元进行合理的功率分配。通过对BIC的控制环路的设计，实现了混合储能系统的与交流微电网的互联互通，达到了平滑交流微电网频率波动，增强系统抗干扰能力的效果。
[0079] 为了使混和储能系统以虚拟同步机的方式入网，需要使该混和储能系统的响应与步骤S2中的等效惯量模型相一致。所述混合储能系统由蓄电池和SC两个储能单元组成，分别适用于低频功率响应和高频功率响应。两个储能单元的响应函数设计如下：
[0080]
[0081] 式中，V表示实际电压；Vn表示额定电压；PH表示SC的输出功率，PL表示蓄电池的输出功率；D为等效阻尼因子；m和n为设计的储能单元的特性参数。
[0082] 为了满足功率平衡条件，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：
[0083] PH+PL＝ΔPd (5)
[0084] 根据式(4)和式(5)，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：
[0085]
[0086] 负载扰动量ΔPd同时也是混合储能系统的功率输出量。根据式(6‑1)和式(6‑2)，可以得到功率输出ΔPd与直流电压变化量ΔVds的关系：
[0087]
[0088] 比较式(3)和式(7)，可以看出该混合储能系统与等效惯量模型形式相一致。
[0089] 步骤S3：所述混合储能系统通过BIC的控制环路调节，实现并入交流微电网，完成混合储能系统的与交流微电网的互联互通。
[0090] 所述混合储能系统需要通过BIC并入交流微电网才能发挥频率调节作用。BIC的控制框图如图2所示。 由式(7)确定， 由交流微电网的控制提供。上标“‑”表示对应物理量的标幺值，即实际值除以参考值。 和 经过一个比例积分控制器后提供了BIC的功率参考值Pref，可用式(8)表示。把Pref按一定比例映射为电流后再经过一个比例积分控制器，最后通过PWM调制得到逆变器的开关信号。
[0091]
[0092] 式中，Vref为混合储能系统直流电压参考值；fref为交流微电网频率参考值。
[0093] 根据式(8)，利用标幺化的混和储能系统直流电压和交流微电网频率之间的差值提供功率参考，实现对频率稳定性的支撑。BIC的控制环路使直流侧电压和交流侧频率之间的动态响应趋于一致。假设比例积分器调节时间远小于子网控制时间，则有如下约束：
[0094]
[0095] 通过控制流经BIC的功率流，实现了混合储能系统对交流微电网频率的支撑，完成了虚拟惯量在混合储能系统和交流微电网之间的传递。随着惯性的增加，交流微电网会获得更好的频率稳定性。
[0096] 本发明旨在增加交流微电网的惯量，提高系统的频率调节能力。为储能系统对交流微电网频率的调节提供了方案，有效减小了交流微电网频率波动的峰值，增强了电网的稳定性。本发明虚拟同步机的等效惯量模型，阐明了虚拟同步机平滑交流微电网频率波动的机理，为混合储能系统的控制设计提供了全新的策略。利用BIC对混和储能系统与交流微电网之间的互联互通进行了控制设计，并网更加友好。所采用的混合储能系统由SC和蓄电池两个储能单元组成，兼具两者的优点，实现了对交流微电网频率的快速支撑。
[0097] 进一步地，结合附图对本发明基于混合储能系统的交流微电网频率控制方法具体说明如下：
[0098] 如图3所示的混合储能系统通过BIC并入电网，对交流微电网进行频率支撑，交流微电网采用下垂控制。当电网中产生负载功率波动时混和储能系统能够减小频率偏移的峰值，平滑频率波动，增强电网的抗干扰能力，整体系统的参数设置如表1所示。
[0099] 表1系统参数
[0100]
[0101]
[0102] 当图3所示的交流微电网中产生负载功率波动时，对应的频率响应如图4所示，其中波动峰值大的是没有混合储能并网的情况，波动峰值小的是储能系统参与调频的情况，可以看出该混合储能系统对交流微电网的频率起到了有效的支撑作用。
[0103] 混合储能系统调频时，蓄电池和SC的功率分配如图5所示，其中，pol表示蓄电池的输出功率，poh表示SC的输出功率，符合设计预期。
[0104] 实施例二
[0105] 本发明还提供一种基于混合储能系统的交流微电网频率控制系统，所述基于混合储能系统的交流微电网频率控制系统可以通过执行所述基于混合储能系统的交流微电网频率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基于混合储能系统的交流微电网频率控制方法理解为所述基于混合储能系统的交流微电网频率控制系统的优选实施方式。
[0106] 根据本发明提供的一种基于混合储能系统的交流微电网频率控制系统，包括：
[0107] 模块M1：构建基于下垂控制的虚拟同步机，计算得到交流微电网负载扰动量ΔPac与频率变化量Δf的关系，即所述虚拟同步机的等效惯量模型。所述基于下垂控制的虚拟同步机是在下垂控制环路中增加了虚拟惯性环节。所述交流微电网负载扰动量ΔPac与频率变化量Δf的关系如下所示：
[0108]
[0109] 式中，Rac表示频率下垂系数；，H表示交流网惯性系数，D表示交流网负载阻尼常数。
[0110] 模块M2：建立与所述等效惯量模型响应一致的混合储能系统，使混和储能系统以虚拟同步机的方式入网。所述混合储能系统包括SC和蓄电池两个储能单元。使混和储能系统以虚拟同步机的方式入网的方式包括：基于虚拟同步机的等效惯量模型，对两个储能单元进行合理的功率分配。混和储能系统的负载功率变化ΔPd时SC和蓄电池两个储能单元的功率分配，如下所示：
[0111]
[0112] 式中，PH表示SC的输出功率，PL表示蓄电池的输出功率，s表示拉普拉斯算子，D表示等效阻尼因子，m和n表示储能单元的特性参数。根据上式，得到功率输出ΔPd与直流电压变化量ΔVds的关系，如下式：
[0113]
[0114] 蓄电池和SC两个储能单元分别适用于低频功率响应和高频功率响应。
[0115] 模块M3：所述混合储能系统通过BIC的控制环路调节，实现并入交流微电网，完成混合储能系统的与交流微电网的互联互通。模块M3包括将直流电压变化量标幺值和频率变化量标幺值经过一个比例积分控制器后提供了BIC的功率参考值Pref，如下所示：
[0116]
[0117] 式中，ΔVdS表示直流电压变化量，Vref为混合储能系统直流电压参考值，fref为交流微电网频率参考值，kp表示比例积分控制器的比例系数，ki表示比例积分控制器的积分系数，s表示拉普拉斯算子。
[0118] 然后，利用标幺化的混和储能系统直流电压和交流微电网频率之间的差值提供功率参考。
[0119] 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。
[0120] 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。
