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一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统

阅读：1031发布：2021-01-03

专利汇可以提供一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统，其包括电网调度端、系统级集中协调控制器、有源电力滤波器 APF、交流电源以及环境监测模块；还包括光伏发电模块、电力电子负荷模块、储能系统模块、无功补偿模块、用户负荷模块以及设备级调频调压控制器；所述设备级调频调压控制器对所述电力电子负荷模块和所述储能系统模块进行实时控制，所述系统级集中协调控制器对整个系统进行控制，使负荷虚拟同步机达到一次调频和二次调频的控制目标。本发明根据不同负荷虚拟同步机的响应时间、可控范围，提出基于虚拟同步调频调压技术的设备级可控负荷分散式控制方法，实现短时间内或通信失败时系统的虚拟同步机自主运行。，下面是一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统，其特征在于，所述楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统包括电网调度端、系统级集中协调控制器、有源电力滤波器APF、交流电源以及环境监测模块；所述电网调度端与所述系统级集中协调控制器通过信号传输线进行双向连接；所述系统级集中协调控制器与信号传输总线进行双向连接；所述有源电力滤波器APF通过并网开关连接到电力总线，所述有源电力滤波器APF及相应并网开关均通过信号传输线连接到信号传输总线；所述交流电源通过并网开关连接到电力总线，该并网开关还通过信号传输线连接到信号传输总线；所述环境监测模块通过信号传输线连接到信号传输总线；
所述楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统还包括光伏发电模块、电力电子负荷模块、储能系统模块、无功补偿模块及用户负荷模块；所述光伏发电模块包括光伏组件阵列、汇流箱、逆变器及相应并网开关，所述光伏组件阵列依次通过汇流箱、逆变器及相应并网开关连接到电力总线，汇流箱、逆变器及相应并网开关均通过信号传输线连接到信号传输总线；所述电力电子负荷模块包括冷/热负荷、整流器及相应并网开关，所述冷/热负荷依次通过整流器及相应并网开关连接到电力总线；所述储能系统模块包括电池管理系统BMS、电池堆、双向整流逆变器及相应并网开关，所述电池堆依次通过双向整流逆变器及相应并网开关连接到电力总线，所述电池管理系统BMS通过信号传输线连接到电池堆；所述无功补偿模块通过相应并网开关连接到电力总线，该并网开关通过信号传输线连接到信号传输总线；所述用户负荷模块包括电动汽车充电桩、一般负荷以及可切负荷，电动汽车充电桩、一般负荷以及可切负荷均通过各自相应的并网开关连接到电力总线，每个相应并网开关均通过信号传输线连接到信号传输总线；
所述楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统还包括设备级调频调压控制器，所述设备级调频调压控制器通过信号传输线连接到信号传输总线，所述设备级调频调压控制器还通过信号传输线与电力电子负荷模块的冷/热负荷、整流器及相应并网开关相连接，所述设备级调频调压控制器还通过信号传输线与储能系统模块的电池管理系统BMS及双向整流逆变器相连接；
所述设备级调频调压控制器对所述电力电子负荷模块和所述储能系统模块进行实时控制，所述系统级集中协调控制器对整个系统进行控制，使负荷虚拟同步机达到一次调频和二次调频的控制目标。
2.根据权利要求1所述的一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统，其特征在于，虚拟同步机的电压调节系统是一个闭环的电压控制系统，通过测量同步发电机的端电压，根据端电压的变化控制励磁电压，以保持发电机端电压的稳定。
3.根据权利要求2所述的一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统，其特征在于，所述电压调节系统包括电压调差模块以及比例-积分调节模块；所述电压调差模块的电压调差系数的公式为其中，ΔUD为发电机的端电压变化，ΔIQ为无功电流变化，调差系数的取值越小，负荷突变时电压的波动就越小，为保证各个并联的逆变电源按额定容量承担相应的负载，调差系数与分配功率之间还满足下面的关系：K1Q1＝K2Q2＝…＝HnQn，调差系数越小，分配的功率就越大；所述比例-积分调节模块共有三个输入，分别为虚拟同步发电机的额定电压Uref、电压调差模块输出U′ref以及逆变电源输出U0，其具体的调节过程为：
当QN＝Q时，也就是虚拟同步发电机运行在额定无功的状态时，U′ref＝Uref，系统的输出电压为额定电压，当无功负载突变时，ΔQ≠0，通过励磁控制器的调节，系统运行在一个新的电压水平。
4.根据权利要求1所述的一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统，其特征在于，虚拟同步机的频率调节的具体过程为：当系统运行在额定频率时，同步电机输入功率变化ΔPm为零，功频调节器输出为额定功率PmN，此时与电磁功率平衡；当负载突增时，虚拟同步电机输出电磁功率随之增大，但机械功率调节滞后，此时并不能随之变化，虚拟同步发电机功率失衡，系统频率随之减小，检测到频率变化后，系统通过频率调节系统调整输入机械功率，直至其再次与电磁功率平衡，频率重新稳定下来；当负载突减时，虚拟同步电机输出电磁功率随之减小，但机械功率调节滞后，此时并不能随之变化，虚拟同步发电机功率失衡，系统频率随之增大，检测到频率变化后，系统通过功频调节系统调整输入机械功率，直至其再次与电磁功率平衡，频率重新稳定下来；当负载突增时，在增加输入机械功率的同时频率也在变小，这为一次调频；通过改变频率调节曲线使系统重新回到额定频率，即为二次调频。
5.根据权利要求4所述的一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统，其特征在于，对于容量不同的逆变电源，其负载分配满足R1P1＝R2P2＝…＝RnPn，Rn为调差系数，Pn为第n台逆变电源分配的负载。

说明书全文

一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统

技术领域

[0001] 本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统。

背景技术

[0002] 随着新能源渗透率的不断增加，传统同步发电机的装机比例将逐渐降低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，这对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。再者，并网逆变器控制策略各异，加之分布式电源输出功率具有波动性、不确定性等特点，很难实现其即插即用与自主协调运行。同步发电机具有对电网天然友好的优势，若借鉴传统电力系统运行经验，使并网逆变器具有类似同步发电机的运行特性，则可实现分布式电源的友好接入并提高电力系统稳定性。此外，传统同步发电机的相关控制策略与理论分析方法也可有效地引入其中。

[0003] 为此，国内外学者提出了虚拟同步发电机(VSG)技术，可使并网逆变器模拟同步发电机运行机理。具体而言，主要通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使并网逆变器从运行机制和外特性上可与传统同步发电机相比拟。VSG因集成了同步发电机的优点而备受学者青睐，其在现代电力系统中的应用也将日益广泛。VSG本质是通过控制逆变器模拟同步发电机的工作原理，从而获得类似同步发电机的运行特性。VSG控制与常规逆变器控制的本质区别在于前者通过控制算法模拟同步发电机的运行机制，但其仍可部分保留传统的逆变器控制环节。

发明内容

[0004] 本发明根据不同负荷虚拟同步机的响应时间、可控范围，提出基于虚拟同步调频调压技术的设备级可控负荷分散式控制方法，实现短时间内或通信失败时系统的虚拟同步机自主运行。

[0005] 本发明具体为一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统，所述楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统包括电网调度端、系统级集中协调控制器、有源电力滤波器APF、交流电源以及环境监测模块；所述电网调度端与所述系统级集中协调控制器通过信号传输线进行双向连接；所述系统级集中协调控制器与信号传输总线进行双向连接；所述有源电力滤波器APF通过并网开关连接到电力总线，所述有源电力滤波器APF及相应并网开关均通过信号传输线连接到信号传输总线；所述交流电源通过并网开关连接到电力总线，该并网开关还通过信号传输线连接到信号传输总线；所述环境监测模块通过信号传输线连接到信号传输总线；

[0006] 所述楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统还包括光伏发电模块、电力电子负荷模块、储能系统模块、无功补偿模块及用户负荷模块；所述光伏发电模块包括光伏组件阵列、汇流箱、逆变器及相应并网开关，所述光伏组件阵列依次通过汇流箱、逆变器及相应并网开关连接到电力总线，汇流箱、逆变器及相应并网开关均通过信号传输线连接到信号传输总线；所述电力电子负荷模块包括冷/热负荷、整流器及相应并网开关，所述冷/热负荷依次通过整流器及相应并网开关连接到电力总线；所述储能系统模块包括电池管理系统BMS、电池堆、双向整流逆变器及相应并网开关，所述电池堆依次通过双向整流逆变器及相应并网开关连接到电力总线，所述电池管理系统BMS通过信号传输线连接到电池堆；所述无功补偿模块通过相应并网开关连接到电力总线，该并网开关通过信号传输线连接到信号传输总线；所述用户负荷模块包括电动汽车充电桩、一般负荷以及可切负荷，电动汽车充电桩、一般负荷以及可切负荷均通过各自相应的并网开关连接到电力总线，每个相应并网开关均通过信号传输线连接到信号传输总线；

[0007] 所述楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统还包括设备级调频调压控制器，所述设备级调频调压控制器通过信号传输线连接到信号传输总线，所述设备级调频调压控制器还通过信号传输线与电力电子负荷模块的冷/热负荷、整流器及相应并网开关相连接，所述设备级调频调压控制器还通过信号传输线与储能系统模块的电池管理系统BMS及双向整流逆变器相连接；

[0008] 所述设备级调频调压控制器对所述电力电子负荷模块和所述储能系统模块进行实时控制，所述系统级集中协调控制器对整个系统进行控制，使负荷虚拟同步机达到一次调频和二次调频的控制目标。

[0009] 进一步的，虚拟同步机的电压调节系统是一个闭环的电压控制系统，通过测量同步发电机的端电压，根据端电压的变化控制励磁电压，以保持发电机端电压的稳定。

[0010] 进一步的，所述电压调节系统包括电压调差模块以及比例-积分调节模块；所述电压调差模块的电压调差系数的公式为其中，ΔUD为发电机的端电压变化，ΔIQ为无功电流变化，调差系数的取值越小，负荷突变时电压的波动就越小，为保证各个并联的逆变电源按额定容量承担相应的负载，调差系数与分配功率之间还满足下面的关系：K1Q1＝K2Q2＝…＝KnQn，调差系数越小，分配的功率就越大；所述比例-积分调节模块共有三个输入，分别为虚拟同步发电机的额定电压Uref、电压调差模块输出U′ref以及逆变电源输出U0，其具体的调节过程为：当QN＝Q时，也就是虚拟同步发电机运行在额定无功的状态时，U′ref＝Uref，系统的输出电压为额定电压，当无功负载突变时，ΔQ≠0，通过励磁控制器的调节，系统运行在一个新的电压水平。

[0011] 进一步的，虚拟同步机的频率调节的具体过程为：当系统运行在额定频率时，同步电机输入功率变化ΔPm为零，功频调节器输出为额定功率PmN，此时与电磁功率平衡；当负载突增时，虚拟同步电机输出电磁功率随之增大，但机械功率调节滞后，此时并不能随之变化，虚拟同步发电机功率失衡，系统频率随之减小，检测到频率变化后，系统通过频率调节系统调整输入机械功率，直至其再次与电磁功率平衡，频率重新稳定下来；当负载突减时，虚拟同步电机输出电磁功率随之减小，但机械功率调节滞后，此时并不能随之变化，虚拟同步发电机功率失衡，系统频率随之增大，检测到频率变化后，系统通过功频调节系统调整输入机械功率，直至其再次与电磁功率平衡，频率重新稳定下来；当负载突增时，在增加输入机械功率的同时频率也在变小，这为一次调频；通过改变频率调节曲线使系统重新回到额定频率，即为二次调频。

[0012] 进一步的，对于容量不同的逆变电源，其负载分配满足R1P1＝R2P2＝…＝RnPn，Rn为调差系数，Pn为第n台逆变电源分配的负载。附图说明

[0013] 图1为本发明一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统的结构组成示意图；

[0014] 图2为本发明电压调节系统的结构框图；

[0015] 图3为本发明频率调节系统的结构框图。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图对本发明一种楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统的具体实施方式做详细阐述。

[0017] 如图1所示，本发明的楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统包括电网调度端、系统级集中协调控制器、有源电力滤波器APF、交流电源以及环境监测模块；所述电网调度端与所述系统级集中协调控制器通过信号传输线进行双向连接；所述系统级集中协调控制器与信号传输总线进行双向连接；所述有源电力滤波器APF通过并网开关连接到电力总线，所述有源电力滤波器APF及相应并网开关均通过信号传输线连接到信号传输总线；所述交流电源通过并网开关连接到电力总线，该并网开关还通过信号传输线连接到信号传输总线；所述环境监测模块通过信号传输线连接到信号传输总线。

[0018] 所述楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统还包括光伏发电模块、电力电子负荷模块、储能系统模块、无功补偿模块及用户负荷模块；所述光伏发电模块包括光伏组件阵列、汇流箱、逆变器及相应并网开关，所述光伏组件阵列依次通过汇流箱、逆变器及相应并网开关连接到电力总线，汇流箱、逆变器及相应并网开关均通过信号传输线连接到信号传输总线；所述电力电子负荷模块包括冷/热负荷、整流器及相应并网开关，所述冷/热负荷依次通过整流器及相应并网开关连接到电力总线；所述储能系统模块包括电池管理系统BMS、电池堆、双向整流逆变器及相应并网开关，所述电池堆依次通过双向整流逆变器及相应并网开关连接到电力总线，所述电池管理系统BMS通过信号传输线连接到电池堆；所述无功补偿模块通过相应并网开关连接到电力总线，该并网开关通过信号传输线连接到信号传输总线；所述用户负荷模块包括电动汽车充电桩、一般负荷以及可切负荷，电动汽车充电桩、一般负荷以及可切负荷均通过各自相应的并网开关连接到电力总线，每个相应并网开关均通过信号传输线连接到信号传输总线。

[0019] 所述楼宇型负荷虚拟同步机协调控制系统还包括设备级调频调压控制器，所述设备级调频调压控制器通过信号传输线连接到信号传输总线，所述设备级调频调压控制器还通过信号传输线与电力电子负荷模块的冷/热负荷、整流器及相应并网开关相连接，所述设备级调频调压控制器还通过信号传输线与储能系统模块的电池管理系统BMS及双向整流逆变器相连接。

[0020] 所述设备级调频调压控制器对所述电力电子负荷模块和所述储能系统模块进行实时控制，所述系统级集中协调控制器对整个系统进行控制，使负荷虚拟同步机达到一次调频和二次调频的控制目标。

[0021] 如图2所示，虚拟同步机的电压调节系统是一个闭环的电压控制系统，通过测量同步发电机的端电压，根据端电压的变化控制励磁电压，以保持发电机端电压的稳定。

[0022] 所述电压调节系统包括电压调差模块以及比例-积分调节模块；所述电压调差模块的电压调差系数的公式为其中，ΔUD为发电机的端电压变化，ΔIQ为无功电流变化，调差系数的取值越小，负荷突变时电压的波动就越小，为保证各个并联的逆变电源按额定容量承担相应的负载，调差系数与分配功率之间还满足下面的关系：K1Q1＝K2Q2＝…＝KnQn，调差系数越小，分配的功率就越大；所述比例-积分调节模块共有三个输入，分别为虚拟同步发电机的额定电压Uref、电压调差模块输出U′ref以及逆变电源输出U0，其具体的调节过程为：当QN＝Q时，也就是虚拟同步发电机运行在额定无功的状态时，U′ref＝Uref，系统的输出电压为额定电压，当无功负载突变时，ΔQ≠0，通过励磁控制器的调节，系统运行在一个新的电压水平。

[0023] 如图3所示，虚拟同步机的频率调节的具体过程为：当系统运行在额定频率时，同步电机输入功率变化ΔPm为零，功频调节器输出为额定功率PmN，此时与电磁功率平衡；当负载突增时，虚拟同步电机输出电磁功率随之增大，但机械功率调节滞后，此时并不能随之变化，虚拟同步发电机功率失衡，系统频率随之减小，检测到频率变化后，系统通过频率调节系统调整输入机械功率，直至其再次与电磁功率平衡，频率重新稳定下来；当负载突减时，虚拟同步电机输出电磁功率随之减小，但机械功率调节滞后，此时并不能随之变化，虚拟同步发电机功率失衡，系统频率随之增大，检测到频率变化后，系统通过功频调节系统调整输入机械功率，直至其再次与电磁功率平衡，频率重新稳定下来；当负载突增时，在增加输入机械功率的同时频率也在变小，这为一次调频；通过改变频率调节曲线使系统重新回到额定频率，即为二次调频。

[0024] 对于容量不同的逆变电源，其负载分配满足R1P1＝R2P2＝…＝RnPn，Rn为调差系数，Pn为第n台逆变电源分配的负载。

[0025] 最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

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