一种提升新能源电网机电稳定性的控制方法和装置与流程
本发明属于储能辅助提升新能源电力系统稳定性技术领域，具体涉及一种提升新能源电网机电稳定性的控制方法和装置。
背景技术：
近年来，以风电、光伏为代表的新能源获得了迅速的发展，在电网中的占比急剧地升高。与此同时，以低惯量、弱阻尼为特征的并网逆变器也随之大规模地接入了公共电网，传统的旋转式同步发电机的装机比例就相应地降低，致使维系电网机电稳定性的旋转备用容量、转动惯量相对地减少，新能源电力系统的机电稳定性降低；另一方面，以风能、太阳能为代表的新能源电力具有空间尺度上的低密度分散性、时间尺度上的强随机波动性等特征，大规模新能源接入将导致电力系统“源”、“荷”均呈现出强随机性和波动性，频发的干扰导致系统容易出现机电稳定性问题。一方面电网自身的机电振荡稳定性减弱，另一方面诱发机电振荡过程的干扰因素增多，这两方面的不利因素给新能源电力系统的稳定运行与控制带来了巨大的挑战。
有效抑制电力系统机电振荡是电网稳定运行的前提。传统抑制电网机电振荡的措施作用范围和抑制能力受限制；并且，与可安装在最佳位置的无功电源不同，风电、光伏等新能源受安装位置所限，无法处于振荡抑制的最佳位置，此时的新能源有功控制将不可避免地影响了最大功率跟踪能力，导致发电量减少。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种提升新能源电网机电稳定性的控制方法和装置，通过储能系统的附加控制来辅助提升含高比例新能源的电力系统的惯量水平，在不影响新能源电站的最大功率输出能力的情况下，显著增强电力系统的惯量效应和机电稳定性。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种提升新能源电网机电稳定性的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：
根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速确定新能源电网中储能系统的总电流指令值；
利用所述总电流指令值控制新能源电网中的储能系统抑制新能源电网的机电振荡。
优选的，所述根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速确定新能源电网中储能系统的总电流指令值，包括：
根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速构造最佳的反馈信号；
将所述最佳的反馈信号分别通过四组模态处理通道，并将四组模态处理通道的输出值相加，获取机电振荡信号指令值；
将所述机电振荡信号指令值分别通过比例放大器和微分控制器，并将比例放大器和微分控制器的输出值相加后通过限幅模块获取总电流指令值。
进一步的，所述根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速构造最佳的反馈信号，包括：
按下式确定所述最佳的反馈信号ws：
其中，wh(t)为t时刻风力发电机机组轴系机头的转速，we(t)为t时刻风力发电机机组轴系机尾的转速。
进一步的，所述模态处理通道为依次连接的机电振荡模态滤波模块、比例移相模块和限幅模块。
进一步的，所述模态滤波模块由三个2阶butterworth滤波器串联组成。
进一步的，所述比例移相模块由依次串联的第一移相模块、第二移相模块和比例放大模块组成，其中，所述第一移相模块和第二移相模块的参数相同，所述比例移相模块中的比例系数与新能源电力系统的阻尼效应正相关。
进一步的，所述比例放大器系数可调，且所述比例放大器的系数与新能源电力系统的阻尼效应成正相关；所述微分控制器的比例系数可调，且所述微分控制器的比例系数与新能源电力系统的惯量效应成正相关。
优选的，所述利用总电流指令值控制新能源电网中的储能系统抑制新能源电网的机电振荡，包括：
获取储能系统输出的三相电流ia、ib、ic，并将其输入到abc/dq模块，得到dq坐标系下储能系统输出的d轴电流id和q轴电流iq；
将所述总电流指令值与dq坐标系下储能系统输出的d轴电流id做差，并将该差值通过pi调节器进行运算得到dq坐标系下的系统输出的d轴电压指令值；
将0与dq坐标系下储能系统输出的q轴电流iq做差，并将该差值通过pi调节器进行运算得到dq坐标系下的系统输出的q轴电压指令值；
将所述dq坐标系下的d轴电压指令值和q轴电压指令值输入dq/abc模块，得到abc坐标系下储能系统的指令电压值；
将所述abc坐标系下储能系统的指令电压值通过调制模块，生成储能逆变器的pwm控制信号；
利用所述pwm控制信号控制所述储能系统的储能逆变器。
一种提升新能源电网机电稳定性的控制装置，其改进之处在于，所述装置包括：
确定模块：用于根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速确定新能源电网中储能系统的总电流指令值；
抑制模块：用于利用所述总电流指令值控制新能源电网中的储能系统抑制新能源电网的机电振荡。
优选的，所述确定模块包括：
构造单元：用于根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速构造最佳的反馈信号；
第一获取单元：用于将所述最佳的反馈信号分别通过四组模态处理通道，并将四组模态处理通道的输出值相加，获取机电振荡信号指令值；
第二获取单元：用于将所述机电振荡信号指令值分别通过比例放大器和微分控制器，并将比例放大器和微分控制器的输出值相加后通过限幅模块获取总电流指令值。
进一步的，所述构造单元用于按下式确定所述最佳的反馈信号ws：
其中，wh(t)为t时刻风力发电机机组轴系机头的转速，we(t)为t时刻风力发电机机组轴系机尾的转速。
进一步的，所述模态处理通道为依次连接的机电振荡模态滤波模块、比例移相模块和限幅模块。
进一步的，所述模态滤波模块由三个2阶butterworth滤波器串联组成。
进一步的，所述比例移相模块由依次串联的第一移相模块、第二移相模块和比例放大模块组成，其中，所述第一移相模块和第二移相模块的参数相同，所述比例移相模块中的比例系数与新能源电力系统的阻尼效应正相关。
进一步的，所述比例放大器系数可调，且所述比例放大器的系数与新能源电力系统的阻尼效应成正相关；所述微分控制器的比例系数可调，且所述微分控制器的比例系数与新能源电力系统的惯量效应成正相关。
优选的，获取储能系统输出的三相电流ia、ib、ic，并将其输入到abc/dq模块，得到dq坐标系下储能系统输出的d轴电流id和q轴电流iq；
将所述总电流指令值与dq坐标系下储能系统输出的d轴电流id做差，并将该差值通过pi调节器进行运算得到dq坐标系下的系统输出的d轴电压指令值；
将0与dq坐标系下储能系统输出的q轴电流iq做差，并将该差值通过pi调节器进行运算得到dq坐标系下的系统输出的q轴电压指令值；
将所述dq坐标系下的d轴电压指令值和q轴电压指令值输入dq/abc模块，得到abc坐标系下储能系统的指令电压值；
将所述abc坐标系下储能系统的指令电压值通过调制模块，生成储能逆变器的pwm控制信号；
利用所述pwm控制信号控制所述储能系统的储能逆变器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速确定新能源电网中储能系统的总电流指令值，利用所述总电流指令值控制新能源电网中的储能系统，利用储能系统的附加控制来辅助提升含高比例新能源的电力系统的惯量水平与机电稳定性。
本发明增加了新能源电力系统的惯量调节资源，在不影响新能源电站的最大功率输出能力的前提下，显著地增强电力系统的惯量效应和机电稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的提升新能源电网机电稳定性的控制方法流程图；
图2是本发明实施例提供的总电流指令提取过程流程图；
图3是本发明实施例提供的储能系统控制流程图；
图4是本发明实施例提供的仿真模型结构示意图；
图5是本发明实施例提供的仿真结果示意图；
图6是本发明实施例提供的提升新能源电网机电稳定性的控制装置结构框图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
电力系统发生机电振荡过程时，电网中的主要电气参量均会包含系统的机电振荡信号，特别是同步发电机以及风力发电机的转子转速、电网的实时频率、线路功率，上述电气参量中包含了较多不同机电振荡周期的振荡信号，反馈到控制回路前需要进行机电振荡信号提取。本实施例以风力发电机的转子转速提取机电振荡信号为例进行说明，提供了一种提升新能源电网机电稳定性的控制方法，如图1所示，包括：
101.根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速确定新能源电网中储能系统的总电流指令值；
102.利用所述总电流指令值控制新能源电网中的储能系统抑制新能源电网的机电振荡。
具体的，所述步骤101，包括：
根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速构造最佳的反馈信号；
将所述最佳的反馈信号分别通过四组模态处理通道，并将四组模态处理通道的输出值相加，获取机电振荡信号指令值；
将所述机电振荡信号指令值分别通过比例放大器和微分控制器，并将比例放大器和微分控制器的输出值相加后通过限幅模块获取总电流指令值。
需要说明的是，本发明的实施例以四个机电振荡模态为例进行原理讲解，如图2所示，若关注的机电振荡模态更多或者更少，可以通过增减机电振荡模态处理通道数量来实现，且处理方法完全一致。
其中，所述根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速构造最佳的反馈信号，包括：
利用转速传感器检测机组轴系头尾两端的转速，将转速传感器的数据通过前置处理模块构造最佳的反馈信号，以降低对机电振荡模态的滤波要求；
按下式确定所述最佳的反馈信号ws：
其中，wh(t)为t时刻风力发电机机组轴系机头的转速，we(t)为t时刻风力发电机机组轴系机尾的转速。
所述模态处理通道为图2中依次连接的机电振荡模态滤波模块、比例移相模块和限幅模块。
将所述最佳的反馈信号ws通过机电振荡模态滤波模块，主要作用是抑制其它模态对该回路被控机电振荡模态的影响，这是实现模态分离设计的基础。模态滤波模块包含四个模态控制回路，每个模态滤波模块由三个2阶butterworth滤波器串联组成。
将四个机电振荡模态滤波模块输出值通过比例移相模块，实现信号的放大以及移相。所述比例移相模块包括两个移相补偿模块和一个比例放大模块，两个移相补偿模块的参数取相同，每个模块补偿相位设为0°～90°，总补偿相位0°～180°。其中，所述比例移相模块中的比例系数与新能源电力系统的阻尼效应正相关，通过调节比例移相模块中的比例系数等效调节新能源电力系统的阻尼能力，且比例系数越大，储能装置在单位时间内输出的功率也越大，新能源电力系统的阻尼能力越强，机电振荡过程衰减越快，新能源电力系统的机电稳定性越好。因此，可以通过调节目标模态处理通道中的比例移相模块中的比例系数来实现对目标振荡模态的阻尼效果。
将四个比例移相模块输出电流通过限幅模块，限制电流过高。将四个限幅模块输出电流相加，即为机电振荡信号指令值
将机电振荡信号指令值
所述比例放大器系数可调，且所述比例放大器的系数kp与新能源电力系统的阻尼效应成正相关；所述微分控制器的比例系数可调，且所述微分控制器的比例系数kd与新能源电力系统的惯量效应成正相关。通过调节比例放大器的系数kp等效地调节电力系统的阻尼效应，且比例放大器的系数kp越大，储能装置在单位时间内输出的功率也越大，新能源电力系统的阻尼能力越强，机电振荡过程衰减越快，新能源电力系统的机电稳定性越好。
通过调节微分控制器的比例系数kd等效地调节电力系统的惯量效应，且微分控制器的比例系数kd越大，新能源电力系统的惯量效应越强，新能源电力系统的机电稳定性越好。
通过调节新能源电力系统的惯量效应和阻尼效应，新能源电力系统的机电振荡过程得到有效控制，新能源电力系统的机电稳定性得到提升。
本发明提供的实施例中，获取总电流指令值之后，需利用利用总电流指令值控制新能源电网中的储能系统抑制新能源电网的机电振荡，因此，如图3所示，所述步骤102包括：
获取储能系统输出的三相电流ia、ib、ic，并将其输入到abc/dq模块，得到dq坐标系下储能系统输出的d轴电流id和q轴电流iq；
dq坐标系下的d轴电流指令值
dq坐标系下的q轴电流指令值
将所述dq坐标系下的d轴电压指令值
将所述abc坐标系下储能系统的指令电压值通过调制模块，生成储能逆变器的pwm控制信号；
利用所述pwm控制信号控制所述储能系统的储能逆变器，使储能装置能够响应电力系统潜在的机电振荡事件，增强新能源电力系统的惯量水平和机电稳定性。
进一步的，本发明提供的实施例中，通过如图4所示的仿真模型，仿真验证该方案的正确性和有效性，仿真模型包含储能系统、风电机组、光伏机组以及常规的同步发电机，以模拟新能源接入电网之后产生的惯量减弱效应。仿真模型中，假设电网在5s时产生了原动机功率扰动，导致电力系统经历了一次机电振荡过程。储能系统阻尼控制模块中的kp对电力系统机电振荡特性的影响规律。
仿真结果如图5所示，表明储能系统中的阻尼控制器对电力系统的机电振荡周期影响不大，但振荡幅度和衰减速度等发生了显著的变化。因此，随着kp的增加，机电振荡幅值越来越小，电力系统的等效阻尼水平逐步提升。同理，调节储能系统惯量控制模块中的比例系数kd即可等效地调节电力系统的惯量效应。由此可见，通过调节储能系统的阻尼控制系数kp、惯量控制系数kd即可方便、灵活地调节电力系统的阻尼效应、惯量效应，从而有效地抑制电网的机电振荡过程，提高电网的机电稳定性。
本发明提供的实施例中还提供了一种提升新能源电网机电稳定性的控制装置，如图6所示，所述装置包括：
确定模块：用于根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速确定新能源电网中储能系统的总电流指令值；
抑制模块：用于利用所述总电流指令值控制新能源电网中的储能系统抑制新能源电网的机电振荡。
具体的，所述确定模块包括：
构造单元：用于根据新能源电网中风力发电机机组轴系头尾两端的转速构造最佳的反馈信号；
第一获取单元：用于将所述最佳的反馈信号分别通过四组模态处理通道，并将四组模态处理通道的输出值相加，获取机电振荡信号指令值；
第二获取单元：用于将所述机电振荡信号指令值分别通过比例放大器和微分控制器，并将比例放大器和微分控制器的输出值相加后通过限幅模块获取总电流指令值。
所述构造单元用于：按下式确定所述最佳的反馈信号ws：
其中，wh(t)为t时刻风力发电机机组轴系机头的转速，we(t)为t时刻风力发电机机组轴系机尾的转速。
所述模态处理通道为依次连接的机电振荡模态滤波模块、比例移相模块和限幅模块。
所述模态滤波模块由三个2阶butterworth滤波器串联组成。
所述比例移相模块由依次串联的第一移相模块、第二移相模块和比例放大模块组成，其中，所述第一移相模块和第二移相模块的参数相同，所述比例移相模块中的比例系数与新能源电力系统的阻尼效应正相关。
所述比例放大器系数可调，且所述比例放大器的系数与新能源电力系统的阻尼效应成正相关；所述微分控制器的比例系数可调，且所述微分控制器的比例系数与新能源电力系统的惯量效应成正相关。
所述抑制模块用于：
获取储能系统输出的三相电流ia、ib、ic，并将其输入到abc/dq模块，得到dq坐标系下储能系统输出的d轴电流id和q轴电流iq；
将所述总电流指令值与dq坐标系下储能系统输出的d轴电流id做差，并将该差值通过pi调节器进行运算得到dq坐标系下的系统输出的d轴电压指令值；
将0与dq坐标系下储能系统输出的q轴电流iq做差，并将该差值通过pi调节器进行运算得到dq坐标系下的系统输出的q轴电压指令值；
将所述dq坐标系下的d轴电压指令值和q轴电压指令值输入dq/abc模块，得到abc坐标系下储能系统的指令电压值；
将所述abc坐标系下储能系统的指令电压值通过调制模块，生成储能逆变器的pwm控制信号；
利用所述pwm控制信号控制所述储能系统的储能逆变器。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
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