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基于振幅锁相环的电池储能系统快速电网频率和电压控制


Lei Shang ,Member,IEEE;Xuzhu Dong,Senior Member,IEEE;Chengxi Liu ,Senior Member,IEEE、

和 Zhen Gong ,IEEE 学生会员

 摘要


本文提出了一种基于振幅相位锁定环(APLL)的新型电池储能系统(BESS)快速频率和电压调节方法。在该方法中,基于电网频率偏差 和 APLL 检测到的其差分 信号,设计了一次频率调节和惯性仿真控制,避免了复杂而敏感的差分运算,从而获得更好的动态支持性能。此外,与传统的电压控制仅使用电网电压偏差 不同,所提出的方法还使用了电压微分控制( control),以改善传统电压控制的动态性能和基于 APLL 的 信号的电网电压行为。最后,通过仿真和实验验证了所提出的基于 APLL 的 BESS 在改善电网频率和电压动态特性方面的有效性。


索引词条-幅相锁相环 (APLL)、惯性仿真控制、一次频率控制、电压调节。

 I.引言


通常,快速频率调节是通过一次频率调节和同步发电机(SGs)的惯性响应来实现的[1]。一次频率调节由同步发电机的调速器根据转子的局部速度偏差进行。而 的惯性响应是一种被动响应,通过自发向电网释放发电机转子的旋转动能来降低频率变化率(ROCOF)[2], [3],其主动功率响应在扰动后比一次频率调节更快。

最近,快速频率调节和电压控制已初步应用于现代电力系统中的电池储能系统(BESS)[4]-[9]。

使用 BESS 进行快速频率调节主要涉及两个方面[10]、[11]。第一,储能的动态性限制了快速频率调节的响应。其次,BESS 通过电力转换系统(PCS)集成到电网中[10]。由于 BESS 中没有物理转子,因此 PCS 中的惯性仿真控制和一次频率调节对电网频率的动态性能(即快速频率调节)起着至关重要的作用,这也是本文关注的重点。

一些研究人员在利用单级 PCS 和通用并网电压源变换器 (VSC) 实现快速频率调节方面做出了重大努力。文献 [12] 提出了通用 VSC 的功率同步控制,以提高其在弱电网中的稳定性。文献[13]-[17]开发了虚拟同步发电机(VSG)技术。基本上,将 SG 的机电和电磁方程集成到 VSC 的控制系统中,这样 VSC 就能作为 VSG 模拟 SG 的动态特性 [13]-[15]。在 [16]、[17] 中,PCS 和 VSC 只使用了 SG 的摆动方程。在[18]-[20]中,电网频率偏差信号 被用于风能和太阳能系统的 VSC 一次频率调节。此外,电网频率偏差信号 被用作控制系统的反馈,通过模拟 SG 的惯性响应来降低 ROCOF

这些方法可分为两大主流。一种是模拟 SG 的运行,对传统的 VSC 控制结构进行创新。这种方法刚刚在一些示范项目中得到应用。另一种主流方法是将补充信号馈入成熟的矢量电流控制中,这种方法已在实际项目中得到广泛应用。对于后者,电网频率的检测至关重要。电网频率检测的主要方法是过零检测和锁相环(PLL)。然后,采用一系列高通和低通滤波器来计算频差,以消除噪声污染。然而,滤波器引起的相移和不稳定性可能会影响惯性响应,恶化电网频率的动态特性[23]。[24]和[25]中开发了用于频率和电压信号检测以及电网同步的幅相锁定环(APLL)。APLL 可以


同时检测电网频率和电压动态,如电网频率偏差 及其差分 ,电压幅值 及其差分 ,但这些检测信号并未应用于任何场景。本文将 检测到的信号用于一次频率调节和惯性仿真控制,避免了复杂而敏感的微分计算,从而实现更快、更稳定的动态响应,这也是本文的主要贡献之一。

除频率调节外,BESS 还可利用 PCS 的无功调节参与快速电压调节 [26]。电力系统的稳态电压由分层自动电压控制系统实现,而快速电压调节则由自动电压调节器(AVR)实现。AVR 是基于局部 电压幅值偏差而开发的 [27],已装备于风力发电系统 [28] 和 STATCOM [29]。传统的 AVR 是通过比例控制实现的。在理想条件下,它是提高控制增益和减少滞后以改善动态性能的主要方法 [30],[31]。一方面,控制增益 [32] 与 、短路比 (SCR) 和工作点有关。过大的控制增益可能会导致电压不稳定 [33]。另一方面,电压幅值检测引入的滞后会降低 AVR 的动态响应。因此,在实际运行条件下,控制增益和动态响应都会降低。本文应用 APLL 的电压幅值差分 作为传统电压控制的补充,以提高快速电压调节的动态性能,这是本文的另一个主要贡献。

本文接下来的内容安排如下。第二节介绍了幅相锁定环路 (APLL),并对其动态进行了分析。第三节介绍了所提出的基于 APLL 的 BESS 频率和电压控制。第四节和第五节分别分析和介绍了稳定性限制和控制参数的影响。第六节介绍了一个案例研究,以说明基于 APLL 的 BESS 在动态频率和电压支持方面的性能。第七节得出结论。


II.振幅-相位锁定环路


A.振幅-相位锁定环路(APLL)的机制


电网频率和电压由检测单元测量。传统上,电网频率和电压是分开测量的。与传统方法不同,幅相锁定环路(APLL)是 [25] 提出的一种电网频率和电压动态检测单元,它结合了改进的相位锁定环路(PLL)和开创性的幅相锁定环路 ,同时检测电网电压和频率,如图 1 (a) 所示。

中,利用 APLL 的相位角将三相电压信号投射到 APLL 参考框架中。
 (a) 拟议的 APLL
 (b) 传统 PLL

(c) 传统的电压幅值检测

图 1.拟议的振幅相位锁定环路 和传统 PLL 的控制框图。

其中, 为端电压幅值和相位。 为基于 APLL 的参考帧中端电压的 轴分量。 为 APLL 的相位角。

中修改后的 设计为

其中, 分别是角频率及其导数。 是 PLL 的控制参数。本文提出的改进型 PLL 由一个积分器和一个比例积分(PI)控制器构成,不同于传统的 。在传统的 中,电网频率由 控制器从电网电压的 轴分量获得,然后通过测量电网频率的积分获得电网相位,如图 1 (b) 所示。与传统的 相比,改进型 的测量电网频率与其导数之间的关系非常清晰。因此,APLL 的改进型 PLL 不仅可以测量电网频率 ,还可以得到电网频率的导数 ,而无需额外的微分计算。

此外,电压幅值通常通过均方根值计算,通常采用一些滤波器来消除噪声,如图 1 (c)。在 中,采用了振幅锁定回路 ,其设计如下

其中, 分别为电压幅值及其导数。 的控制参数。 不仅能测量电网电压幅值,还能获得所测电网电压幅值的动态变化率 ,这在电力系统中仍未得到关注。

(a) 稳定相量图

(b) 动态相量图


图 2.APLL 的相量图。


B.虚拟有功功率和无功功率特性


APLL 是一个电网频率和电压检测单元,但它可以反映电网中有功功率和无功功率的动态平衡。在 APLL 内部,测量结果可视为一个虚拟矢量 ,其转速为 ,幅值为 。从虚拟矢量到终端电压矢量的虚拟功率可表示为

其中, 分别为从虚拟矢量到终端电压矢量的虚拟有功功率和无功功率。 为虚拟阻抗。

将 (1) 项代入 (4)项,幂的计算公式为

稳态时,电网电压和频率恒定,APLL 可捕捉电网频率和电压幅值,即虚拟矢量 与电网电压矢量重合,如图 2 (a)。虚拟矢量 与电网电压矢量的幅值、频率和相位相等。

稳态时电网频率和电压的导数均为零。因此,从 的稳态虚拟有功功率和无功功率均为零。

当电网受到干扰时,电网电压矢量会发生变化,但 APLL 的虚拟矢量在滞后效应的作用下会保持不变。因此,在图 2 (b) 所示的动态状态下,从 的虚拟功率可表示为 (8),而无需考虑 虚拟矢量的变化。

虚拟有功功率和无功功率反映了扰动后电网需要提供的功率。由 APLL 测量的 信号

图 3.电池储能系统(BESS)的结构。

(a) 传统频率控制

(b) 传统的电压控制


图 4.传统的频率和电压控制

分别与所需的电网有功功率和无功功率成正比。

因此,电源的频率控制和电压控制可根据 APLL 测得的 信号向电网注入实际有功功率和无功功率。


III.拟议的蝙蝠蓄能系统快速频率和电压控制器


从理论上讲,所提出的基于 APLL 的频率和电压控制适用于所有具有有功和无功功率调节功能的电力电子接口设备,如风力发电、太阳能发电和电池储能系统 (BESS)。但它不适用于燃气热电和水电发电机。此外,在实际应用中,原动机的能量是风力或太阳能发电的限制因素。因此,本文提出的基于 APLL 的频率和电压控制采用了 BESS,从而避免了原动机能量限制。


A.BESS 的并网控制


图 3 展示了商业化 BESS 的典型单级结构。功率转换系统(PCS)负责并网以及向电网注入有功和无功功率的调节。本文忽略了储能的动态特性,并将储能模拟为直流电源。

BESS 的有功功率和无功功率由有功功率 (APC) 和无功功率 (RPC) 控制器调节,方法是设置


- 轴电流基准。

其中 分别为 APC 和 RPC 的控制参数。 为 BESS 向电网注入有功和无功功率的参考值。

有功功率和无功功率 的计算公式为

其中, 是 BESS 端电压和注入电流的 - 轴分量。

然后,根据有功和无功功率控制产生的电流参考值,应用交流电流控制来调节 BESS 的电流。交流电流控制通常在 - 旋转参考框架内实现,如图 3 所示,其设计基于比例积分控制器,即

其中 是 PCS 滤波器的电感值。 是锁相环的角频率, 是电流控制器的控制参数。 是脉宽调制 (PWM) 电压基准的 轴分量。

此外, 用于使 BESS 与电网同步。典型的 设计为

其中 是额定电网角频率。 的控制参数。 的相位角。


B.传统的快速频率和电压控制


  1. BESS 中的传统快速频率控制:传统的快速频率调节控制[23]通常包括一次频率控制( -control)和惯性模拟控制(df/dt-control),如图 4(a)所示。

其中 分别是主频和惯性控制的增益。 分别是 控制中 LPF 和 HPF 的时间常数。

  1. BESS 中的传统快速电压控制:在传统电压控制中,BESS 的无功功率参考是根据电网电压幅值的偏差来确定的 [31],如图 4 (b)。

其中 分别为基准电压和测量电压。 为电压控制增益。


C.拟议的基于 APLL 的频率和电压控制


  1. 控制结构:本文根据 APLL 检测到的 设计了一次频率调节控制和惯性控制,如图 5 所示。基于