电化学储能电站的变流器机电仿真建模方法、系统及介质与流程

1.本发明涉及电力系统，具体涉及一种电化学储能电站的变流器机电仿真建模方法、系统及介质。


背景技术：

2.随着电化学储能技术的不断发展及应用的不断深入，电化学储能电站已从单纯的参与电网调峰转变为应用于参与电网调峰、调频、调压等多种场景。并且，随着新型电力系统建设目标的提出，电化学储能电站在电网中的应用占比将不断提升。当储能电站接入电网的比例呈现规模化趋势后，其参与电网的各种调节效果需要进行准确评估，由此提出对储能电站开展实测建模及参数辨识。因所要分析场景主要面向大电网稳定计算，其时间尺度及特性仍然是以工频为主的功率输出特性，其机电仿真可简化为受控功率源，本场景的建模也主要考虑其功率控制实现及实际调节效果。目前，针对风电、光伏等新能源厂站及电池本体的建模已有相当多的成果，文章《基于遗传算法的风电变流器控制环节参数辨识实用方法》提出了一种工程实用辨识策略，通过灵敏度分析确定影响仿真模型的重要参数，并基于时域试验数据及仿真结果采取遗传算法进行计算。申请号为202011540699.2的中国专利文献公开了一种pcs仿真运行方法，基于scd或icd模型信息文件建模，实现pcs与监控系统的信息交互模拟及仿真，主要用于满足自动测试系统与储能监控系统在各类控制业务的控制逻辑需求及业务过程的自动测试需求。但是，上述研究成果并不直接解决储能电站参与规模化电网的仿真分析，多着重于单站的储能站仿真建模或通信模型仿真。直接面向大电网计算的储能电站模型参数实测及辨识方法，尚无明确的指导方法。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种电化学储能电站的变流器机电仿真建模方法、系统及介质，本发明针对建模分析应用场景，主要关注储能电站并入电网后的功率响应特性，通过提取功率响应的超调量、响应时间及调节时间作为关键指标，构建适应度函数，结合现场实测及变流器机电仿真模型的仿真比对，可以方便快捷的建立准确度较高的储能电站机电仿真，用于开展储能接入电网的计算分析。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种电化学储能电站的变流器机电仿真建模方法，包括：
6.s1，建立变流器机电仿真模型；
7.s2，根据变流器机电仿真模型确定需要优化的参数；
8.s3，根据变流器机电仿真模型在不同参数下的超调量、响应时间以及调节时间作为适应度函数，将需要优化的参数作为粒子群优化算法的粒子，采用粒子群优化算法进行迭代优化并将适应度最小的粒子作为最优参数输出。
9.可选地，步骤s1中建立的变流器机电仿真模型包括d轴电压生成支路、q轴电压生成支路、坐标变换模块、脉宽调制模块和变流器；所述d轴电压生成支路的输入为当前有功p
和预设的参考有功指令p
ref
，用于根据当前有功p和参考有功指令p
ref
之差通过功率pid控制生成d轴参考电流，并根据d轴电流、d轴参考电流之差生成d轴电压；所述q轴电压生成支路的输入为当前无功q和预设的无功参考指令q
ref
，用于根据当前无功q和无功参考指令q
ref
之差通过功率pid控制生成q轴参考电流，并根据q轴电流、q轴参考电流之差生成q轴电压；所述d轴电压生成支路输出的d轴电压、q轴电压生成支路生成的q轴电压作为坐标变换模块的输入，所述坐标变换模块、脉宽调制模块和变流器依次相连。
10.可选地，根据d轴电流、d轴参考电流之差生成d轴电压以及根据q轴电流、q轴参考电流之差生成q轴电压的函数表达式为：
[0011][0012]
上式中，ud和uq为变流器的d轴和q轴电压，k
pi
和k
ii
为对电流之差进行电流pid控制的积分参数和微分参数，s为拉普拉斯算子，和分别为d轴和q轴参考电流，ω0为电流角频率，l为变流器的电感，iq和id为变流器的d轴和q轴电流，ed和eq为变流器的d轴和q轴电动势。
[0013]
可选地，根据当前有功p和参考有功指令p
ref
之差通过功率pid控制生成d轴参考电流，以及根据当前无功q和无功参考指令q
ref
之差通过功率pid控制生成q轴参考电流的函数表达式为：
[0014][0015]
上式中，k
pp
和k
ip
为对功率之差进行功率pid控制的积分参数和微分参数，s为拉普拉斯算子。
[0016]
可选地，步骤s2中根据变流器机电仿真模型确定需要优化的参数包括对电流之差进行电流pid控制的积分参数和微分参数、对功率之差进行功率pid控制的积分参数和微分参数中的部分或全部。
[0017]
可选地，步骤s3中适应度函数的函数表达式为：
[0018]
pi＝a|σ-σi|+b|t
r-t
ri
|+c|t
s-t
si
|,
[0019]
上式中，pi为适应度函数计算得到的适应度，a、b和c为权重参数，σ为超调量，tr为响应时间，ts为调节时间，σi为第i个粒子对应的超调量，t
ri
为第i个粒子对应的响应时间，t
si
为第i个粒子对应的调节时间，超调量σ、响应时间tr和调节时间ts为对变流器进行有功、无功功率指令阶跃扰动，记录有功功率、无功功率随时间的变化响应曲线，并通过变化响应曲线得到；第i个粒子对应的超调量σi、响应时间t
ri
和调节时间t
si
为对变流器机电仿真模型进行有功、无功功率指令阶跃扰动，记录有功功率、无功功率随时间的变化响应曲线，并通过变化响应曲线得到。
[0020]
可选地，步骤s3包括：
[0021]
s3.1，初始化设置种群数num与迭代代数阈值maxgen，以及迭代代数gen，需要优化的参数的变化范围；根据需要优化的参数的变化范围设置粒子群优化算法初始的种群，该
种群中包含多个粒子，每一个粒子表示一个需要优化的参数；
[0022]
s3.2，将当前种群中取出第i个粒子，并赋值给变流器机电仿真模型；
[0023]
s3.3，对变流器机电仿真模型进行有功、无功功率指令阶跃扰动，记录有功功率、无功功率随时间的变化响应曲线；根据记录得到的记录有功功率、无功功率随时间的变化响应曲线，确定第i个粒子对应的超调量σi、响应时间t
ri
和调节时间t
si
；根据第i个粒子对应的超调量σi、响应时间t
ri
和调节时间t
si
以及预设的适应度函数计算第i个粒子的适应度；
[0024]
s3.4，判断变量i等于种群数num是否成立，若不成立则跳转s3.2；否则将适应度最小的粒子的位置作为当前代最佳位置，重置变量i的值为1，将迭代代数gen加1；
[0025]
s3.5，判断是否满足预设的迭代收敛条件，若满足预设的迭代收敛条件，则将当前代最佳位置对应的粒子作为最优参数输出，结束并退出；否则跳转s3.6；
[0026]
s3.6，判断迭代代数gen等于迭代次数迭代代数阈值maxgen是否成立，若成立则将当前代最佳位置对应的粒子作为最优参数输出，结束并退出；否则跳转s3.6。
[0027]
可选地，步骤s3.5中预设的迭代收敛条件是指适应度函数计算得到的适应度小于设定阈值。
[0028]
此外，本发明还提供一种电化学储能电站的变流器机电仿真建模系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述电化学储能电站的变流器机电仿真建模方法的步骤。
[0029]
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述电化学储能电站的变流器机电仿真建模方法的步骤。
[0030]
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明方法包括建立变流器机电仿真模型；根据变流器机电仿真模型确定需要优化的参数；根据变流器机电仿真模型在不同参数下的超调量、响应时间以及调节时间作为适应度函数，将需要优化的参数作为粒子群优化算法的粒子，采用粒子群优化算法进行迭代优化并将适应度最小的粒子作为最优参数输出。本发明针对建模分析应用场景，关注储能电站并入电网后的功率响应特性，通过提取功率响应的超调量、响应时间及调节时间作为指标构建适应度函数，结合现场实测及变流器机电仿真模型的仿真比对，可方便快捷的建立准确度较高的储能电站机电仿真，用于开展储能接入电网的计算分析。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
[0032]
图2为本发明实施例中建立的变流器机电仿真模型示意图。
[0033]
图3为本发明实施例中粒子群优化算法的求解流程示意图。
[0034]
图4为本发明实施例中储能有功功率调节实测与仿真对比图。
[0035]
图5为本发明实施例中储能无功功率调节实测与仿真对比图。
具体实施方式
[0036]
如图1所示，本实施例电化学储能电站的变流器机电仿真建模方法包括：
[0037]
s1，建立变流器机电仿真模型；
[0038]
s2，根据变流器机电仿真模型确定需要优化的参数；
[0039]
s3，根据变流器机电仿真模型在不同参数下的超调量、响应时间以及调节时间作为适应度函数，将需要优化的参数作为粒子群优化算法的粒子，采用粒子群优化算法进行迭代优化并将适应度最小的粒子作为最优参数输出。超调量、响应时间和调节时间的定义如下：超调量：阶跃试验中被控量的最大值与最终稳态值的差值相对于阶跃量的百分数。响应时间：阶跃试验中，被控量从开始变化的时间到变化量达到预设上限阶跃量(一般为90％)的时间。调节时间：阶跃试验中，被控量从开始变化的时间到其变化值与阶跃量之差的绝对值小于预设下限阶跃量(一般为5％)所需的时间。
[0040]
参见图2，本实施例中步骤s1中建立的变流器机电仿真模型包括d轴电压生成支路、q轴电压生成支路、坐标变换模块、脉宽调制模块和变流器；所述d轴电压生成支路的输入为当前有功p和预设的参考有功指令p
ref
，用于根据当前有功p和参考有功指令p
ref
之差通过功率pid控制生成d轴参考电流，并根据d轴电流、d轴参考电流之差生成d轴电压；所述q轴电压生成支路的输入为当前无功q和预设的无功参考指令q
ref
，用于根据当前无功q和无功参考指令q
ref
之差通过功率pid控制生成q轴参考电流，并根据q轴电流、q轴参考电流之差生成q轴电压；所述d轴电压生成支路输出的d轴电压、q轴电压生成支路生成的q轴电压作为坐标变换模块的输入，坐标变换模块、脉宽调制模块和变流器依次相连。电化学储能电站的变流器(pcs)并网运行时，表现为电流源特性，以按照下发的有功、无功控制指令与电网进行功率交换为主要控制目标。并网模式下，主要采用功率外环+电流内环的控制结构实现对电池充放电状态及功率的控制，接收ems下发有功、无功指令后，转换为d、q轴的电流指令，进入电流内环，通过pi控制及前馈补偿方式实现电流的闭环跟踪及有功、无功解耦控制。当同步旋转dq坐标系与电网电压矢量e同步旋转，且同步旋转坐标系的d轴与电网电压矢量e重合，即有ed＝|e|，eq＝0。根据瞬时功率理论，系统的瞬时有功功率p和无功功率q分别为：
[0041][0042]
若不考虑电势波动，则ed为一固定值，则有功p、q则分别正比于逆变器的输出电流的d、q轴分量。通过pi控制将功率指令转换为电流指令，即有：
[0043][0044]
上式中，k
pp
和k
ip
为对功率之差进行功率pid控制的积分参数和微分参数，s为拉普拉斯算子。基于pi控制实现p、q目标值到电流目标值的转换。由三相并网逆变器的电压控制方程，将三相静止坐标系下数学模型变换到同步旋转dq坐标系下的数学模型，其数学模型为：
[0045][0046]
其中，ed，eq为电动势的d、q轴分量；ud，uq为变流器交流侧电压矢量的d，q轴分量，iq和id为变流器交流侧电流矢量的d，q轴分量。电流控制器采用pi调节器设计，即上式中电流
微分项由pi调节器运算获得，其他耦合项采用前馈补偿运算，即：
[0047][0048]
则有：
[0049][0050]
上式中，ud和uq为变流器的d轴和q轴电压，k
pi
和k
ii
为对电流之差进行电流pid控制的积分参数和微分参数，s为拉普拉斯算子，和分别为d轴和q轴参考电流，ω0为电流角频率，l为变流器的电感，iq和id为变流器的d轴和q轴电流，ed和eq为变流器的d轴和q轴电动势。此时，电流控制的d、q轴耦合得以消除，从而实现有功、无功的解耦控制。
[0051]
本实施例中，根据d轴电流、d轴参考电流之差生成d轴电压以及根据q轴电流、q轴参考电流之差生成q轴电压的函数表达式为：
[0052][0053]
上式中，ud和uq为变流器的d轴和q轴电压，k
pi
和k
ii
为对电流之差进行电流pid控制的积分参数和微分参数，s为拉普拉斯算子，和分别为d轴和q轴参考电流，ω0为电流角频率，l为变流器的电感，iq和id为变流器的d轴和q轴电流，ed和eq为变流器的d轴和q轴电动势。
[0054]
本实施例中，根据当前有功p和参考有功指令p
ref
之差通过功率pid控制生成d轴参考电流，以及根据当前无功q和无功参考指令q
ref
之差通过功率pid控制生成q轴参考电流的函数表达式为：
[0055][0056]
上式中，k
pp
和k
ip
为对功率之差进行功率pid控制的积分参数和微分参数，s为拉普拉斯算子。
[0057]
步骤s2中根据变流器机电仿真模型确定需要优化的参数包括对电流之差进行电流pid控制的积分参数和微分参数、对功率之差进行功率pid控制的积分参数和微分参数中的部分或全部。例如作为一种可选的实施方式，本实施例中根据变流器机电仿真模型确定需要优化的参数为对功率之差进行功率pid控制的积分参数和微分参数，包括k
pi
和k
ii
、k
pp
和k
ip
。
[0058]
本实施例中，步骤s3中适应度函数的函数表达式为：
[0059]
pi＝a|σ-σi|+b|t
r-t
ri
|+c|t
s-t
si
|,
[0060]
上式中，pi为适应度函数计算得到的适应度，a、b和c为权重参数，σ为超调量，tr为响应时间，ts为调节时间，σi为第i个粒子对应的超调量，t
ri
为第i个粒子对应的响应时间，
t
si
为第i个粒子对应的调节时间，超调量σ、响应时间tr和调节时间ts为对变流器进行有功、无功功率指令阶跃扰动，记录有功功率、无功功率随时间的变化响应曲线，并通过变化响应曲线得到；第i个粒子对应的超调量σi、响应时间t
ri
和调节时间t
si
为对变流器机电仿真模型进行有功、无功功率指令阶跃扰动，记录有功功率、无功功率随时间的变化响应曲线，并通过变化响应曲线得到。一般情况下，权重参数a、b和c之和为1，作为一种可选的实施方式，本实施例中a＝0.4，b＝0.3，c＝0.3。本实施例中，某储能系统规模为20mw/40mwh，全预制舱布置，电池种类为磷酸铁锂，其储能变流器(pcs)单机功率为2.5mw。对该储能系统的变流器进行有功、无功功率指令阶跃扰动，pcs以2000kw放电运行，进行500kw功率上阶跃试验，测量其有功调节超调量为1％、响应时间为65ms、调节时间为80ms。pcs并网以2000kw放电运行，进行无功功率由1000kvar到1500kvar的阶跃扰动，测量其无功调节超调量为2.6％，响应时间约为25ms，调节时间为60ms。
[0061]
如图3所示，本实施例中的步骤s3包括：
[0062]
s3.1，初始化设置种群数num与迭代代数阈值maxgen，以及迭代代数gen，需要优化的参数的变化范围；根据需要优化的参数的变化范围设置粒子群优化算法初始的种群，该种群中包含多个粒子，每一个粒子表示一个需要优化的参数；
[0063]
本实施例中，需要优化的参数为对功率之差进行功率pid控制的积分参数和微分参数，包括k
pi
和k
ii
、k
pp
和k
ip
。相关参数初始化结果如下表所示。
[0064]kpi
参数变化范围0.01～30k
p
i参数初始值0.2k
ii
参数变化范围0.01～30k
ii
参数初始值0.02k
pp
参数变化范围0.01～30k
pp
参数初始值0.3k
ip
参数变化范围0.01～30k
ip
参数初始值0.03maxgen最大迭代次数10种群数num8
[0065]
s3.2，将当前种群中取出第i个粒子，并赋值给变流器机电仿真模型；
[0066]
s3.3，对变流器机电仿真模型进行有功、无功功率指令阶跃扰动，记录有功功率、无功功率随时间的变化响应曲线；根据记录得到的记录有功功率、无功功率随时间的变化响应曲线，确定第i个粒子对应的超调量σi、响应时间t
ri
和调节时间t
si
；根据第i个粒子对应的超调量σi、响应时间t
ri
和调节时间t
si
以及预设的适应度函数计算第i个粒子的适应度；
[0067]
s3.4，判断变量i等于种群数num是否成立，若不成立则跳转s3.2；否则将适应度最小的粒子的位置作为当前代最佳位置，重置变量i的值为1，将迭代代数gen加1；
[0068]
s3.5，判断是否满足预设的迭代收敛条件，若满足预设的迭代收敛条件，则将当前代最佳位置对应的粒子作为最优参数输出，结束并退出；否则跳转s3.6；
[0069]
s3.6，判断迭代代数gen等于迭代次数迭代代数阈值maxgen是否成立，若成立则将当前代最佳位置对应的粒子作为最优参数输出，结束并退出；否则跳转s3.6。
[0070]
本实施例中，步骤s3.5中预设的迭代收敛条件是指适应度函数计算得到的适应度小于设定阈值。设定阈值的阈值一般为接近0的常数，越接近0，则需要迭代的次数越多。作为一种可选的实施方式，本实施例中设定阈值为0.02，即预设的迭代收敛条件为pi《0.02。最终，得到的适应度最优的粒子取值为：k
pi
＝0.1，k
ii
＝2，k
pp
＝0.1，k
ip
＝0.5。根据上述参数计算得到的动态响应指标如下表所示。
[0071][0072]
最终，针对前文的进行500kw功率上阶跃试验、进行无功功率由1000kvar到1500kvar的阶跃扰动两种测试，最终迭代后得到的适应度分别为：
[0073]
pi＝0.4*0.01+0.3*005+0.3*0.02＝0.0115
[0074]
pi＝0.4*0.016+0.3*0.01+0.3*0.01＝0.0124
[0075]
均满足预设的迭代收敛条件pi《0.02。且储能有功功率调节实测与仿真对比图如图4所示，其中pe为储能有功功率，实线为储能有功功率pe的实测波形，虚线为储能有功功率pe的仿真波形；储能无功功率调节实测与仿真对比图如图5所示，其中qe为储能无功功率，实线为储能无功功率qe的实测波形，虚线为储能无功功率qe的仿真波形。结合图4和图5可知，通过步骤s3采用粒子群优化算法对变流器机电仿真模型需要优化的参数进行优化，能够使得该变流器机电仿真模型的储能有功功率、储能无功功率均与实际变流器基本接近，从而证实了步骤s3粒子群优化算法对变流器机电仿真模型需要优化的参数优化的可行性。
[0076]
此外，本实施例还提供一种电化学储能电站的变流器机电仿真建模系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述电化学储能电站的变流器机电仿真建模方法的步骤。
[0077]
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行前述电化学储能电站的变流器机电仿真建模方法的步骤。
[0078]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术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，本技术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读存储介质(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。本技术是参照根据本技术实施例的方法、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。
[0079]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。