本发明涉及新能源发电领域，具体涉及一种储能系统基于等值模型进行仿真的方法及装置。
背景技术：
随着新能源技术的不断发展，太阳能和风能以清洁、无污染、可再生等优点成为了新型能源中的代表。而大规模储能系统的出现，不但推动了光伏、风力发电的发展；而且能够配合光伏、风电机组实现平滑输出、削峰填谷、跟踪计划出力等功能，增加了发电的可控性，降低了发电系统的随机性和波动性，提高了风光发电并网能力。然而大规模电池储能系统运行时，网络结构系统复杂，电池组及储能变流器数量多，将存在难以在短时间内得到仿真结果的问题，不利于储能系统研究与发展，由于储能系统中各储能单元在运行过程中某些参数会逐渐接近，储能系统仿真过程中存在对不必要的对参数相近的储能单元重复计算，导致降低了仿真效率。
技术实现要素：
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种储能系统基于等值模型进行仿真的方法及装置。在储能系统划分为多个储能单元的前提下，各储能单元功率合理分配同时采用虚拟同步机控制方式，通过建立等值判别标准，将工作状态相近的储能单元进行等值计算，从而提高仿真速度。
本发明提供的技术方案是：一种储能系统基于等值模型进行仿真的方法，包括：
采集调度需求、电网发电数据以及计算下一时刻各储能单元中电池组的荷电状态；
将所述调度需求、电网发电数据以及各储能单元内电池组的荷电状态代入预先构建的等值模型中进行计算，得到储能子系统的运行数据直到仿真结束。
优选的，所述等值模型的构建，包括：
根据各储能单元内电池组的初始荷电状态，将调度需求分配到各储能单元；
根据分配到各储能单元的调度需求，计算每一个储能单元对应的虚拟同步机的功角值；
将所述虚拟同步机的功角变化小于阈值的储能单元合并为储能子系统；
在每一个储能子系统内部进行等值计算；
基于经过所述等值计算的储能子系统构建等值模型。
优选的，根据各储能单元内电池组的初始荷电状态，将调度需求分配到各储能单元，包括：
式中：Pi(t)：储能单元i在t时刻的功率；P总(t)：储能系统在t时刻的调度需求；λ：储能充放电状态参数；当P总(t)>0时λ＝1，P总(t1)<0时λ＝0；SOCi(t)：储能单元i在t时刻电池组的初始荷电状态；i：储能单元标号，i＝1、2、3...x...y...n。
优选的，所述根据分配到各储能单元的调度需求，计算每一个储能单元对应的虚拟同步机的功角值，如下式所示：
式中：Pi(t)：储能单元i在t时刻的功率；U：虚拟同步发电机的端电压；E0：虚拟同步发电机的电动势；X：虚拟同步发电机的电抗；δi_t：储能单元i在t时刻的功角。
优选的，所述将所述虚拟同步机的功角变化小于阈值的储能单元合并为储能子系统，包括：
计算两个储能单元之间功角变化之差的绝对值；
若所述绝对值小于阈值，则将两个储能单元合并为一个储能子系统并用一个虚拟同步机控制。
优选的，所述两个储能单元之间功角变化之差的绝对值，按下式计算：
A(t∈[t1,t2])＝|Δδx_t-Δδy_t|＜ε
式中：A：两个储能单元在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值的差的绝对值；Δδx_t：储能单元x在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值；Δδy_t：储能单元y在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值。
优选的，所述储能单元在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值，按下式计算：
式中：储能单元i在t1时刻的功角值；储能单元i在t2时刻的功角值；i：储能单元标号，i＝1、2、3...x...y...n。
优选的，所述储能子系统的运行数据包含有功功率、无功功率、储能变流器输出的电压和变压器输出的电流，分别通过下述公式计算：
式中：P(t)m：储能子系统m的有功功率；有功功率；P(t)n：储能单元n的有功功率；l：等值的储能单元数量；
式中：Q(t)m：储能子系统m的无功功率；Q(t)n：储能单元n的无功功率；
式中：U(t)m：储能子系统m对应的储能变流器输出的电压；U(t)n：储能单元n对应储能变流器输出的电压；
式中：I(t)m：储能子系统m对应的变压器输出的电流；I(t)n：储能单元n对应储能变流器输出的电流。
优选的，所述储能子系统的运行数据还包含：
按下式计算储能子系统中电池组的荷电状态：
式中：Ssoc(t)m：储能子系统m在t时刻的荷电状态；Ssoc(t)n：储能子系统中储能单元n在t时刻的荷电状态；l：储能子系统中等值的储能单元数量。
优选的，所述计算下一时刻各储能单元中电池组的荷电状态，如下式所述：
式中：Ssoc(t+Δt)：储能单元在Δt时刻后的荷电状态；Δt：时刻间隔；Ssoc(t)：储能单元在t时刻的荷电状态；P(t)n：储能单元n在t时刻的有功功率；C：储能单元的电池容量，单位kW·h。
优选的，所述计算下一时刻各储能单元中电池组的荷电状态之前，包括：
采集各储能单元内电池组的初始荷电状态。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种储能系统基于等值模型进行仿真的装置，包括：
采集模块：用于采集调度需求、电网发电数据以及计算下一时刻各储能单元中电池组的荷电状态；
调用模块：用于将所述调度需求、电网发电数据以及各储能单元内电池组的荷电状态代入预先构建的等值模型中进行计算，得到储能子系统的运行数据直到仿真结束。
优选的，装置还包括：
分配模块：用于根据各储能单元内电池组的初始荷电状态，将调度需求分配到各储能单元；
计算模块：用于根据分配到各储能单元的调度需求，计算每一个储能单元对应的虚拟同步机的功角值；
合并模块：用于将所述虚拟同步机的功角变化小于阈值的储能单元合并为储能子系统；
等值模块：用于在每一个储能子系统内部进行等值计算；构建模块：用于基于经过所述等值计算的储能子系统构建等值模型。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的技术方案，采集调度需求、电网发电数据以及计算下一时刻各储能单元中电池组的荷电状态；再将所述调度需求、电网发电数据以及各储能单元内电池组的荷电状态代入预先构建的等值模型中进行计算，得到储能子系统的运行数据直到仿真结束，通过等值模型提高的仿真速度。
本发明提供的技术方案，根据各储能单元内电池组的初始荷电状态，将储能需求分配到各储能单元；然后计算每一个储能单元对应的虚拟同步机的功角值；将所述虚拟同步机的功角变化小于阈值的储能单元合并为储能子系统；在每一个储能子系统内部进行等值计算；再基于经过所述等值计算的储能子系统构建等值模型，使得储能单元结构简单，减小计算量。
本发明提供的技术方案，可根据储能电站实际情况调整计算参数，以实现储能系统稳定的前提下实时仿真。
本发明提供的技术方案，从储能及新能源发展的角度看，具有一定的可扩展性，充分考虑了工程实际中储能电站中储能变流器及其电池组工作状态不一致性的特点，降低储能仿真计算的复杂性，提高了储能系统仿真的计算速度。
附图说明
图1为本发明基于等值模型进行仿真的流程图；
图2为本实施例中基于虚拟同步机控制大规模电池储能电站的结构图；
图3为本实施例中的同步电机功角关系曲线示意图；
图4为本实施例中采用等值建模方法的仿真流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
本实施例中，提供了一种储能系统基于等值模型进行仿真的方法及装置，基于虚拟同步机VSG(virtual synchronous generator)技术，可控制储能系统并网储能变流器在一定程度上模拟出同步发电机的运行特征，使并网储能变流器具备甚至超越同步发电机的优良性能。在考虑将储能系统划分为多个储能单元的前提下，各储能单元功率合理分配同时采用虚拟同步机控制方式，通过预先建立的等值判别标准，将工作状态相近的储能单元进行等值计算，从而提高仿真速度。
图1为本实施中基于等值模型进行仿真的流程图，如图1所示，一种储能系统基于等值模型进行仿真的方法流程如下：
步骤S101采集调度需求、电网发电数据以及计算下一时刻各储能单元中电池组的荷电状态；
步骤S102将所述调度需求、电网发电数据以及各储能单元内电池组的荷电状态代入预先构建的等值模型中进行计算，得到储能子系统的运行数据直到仿真结束。
本实施例中提供了等值模型的构建过程，包括：
根据各储能单元内电池组的初始荷电状态，将调度需求分配到各储能单元；
根据分配到各储能单元的调度需求，计算每一个储能单元对应的虚拟同步机的功角值；
将所述虚拟同步机的功角变化小于阈值的储能单元合并为储能子系统；
在每一个储能子系统内部进行等值计算；
基于经过所述等值计算的储能子系统构建等值模型。
图2为基于虚拟同步机控制大规模电池储能电站的结构图，本实施例中以储能变流器为单位将储能系统划分为N个储能单元，各储能单元分别包含储能变流器和容量不等的电池组，如图2所示，可以看出各储能单元属于并列结构，整个系统中每个储能单元分别通过虚拟同步机控制方式进行控制，各储能单元通过变压器接交流母线并入电网。
图3为同步电机功角关系曲线示意图，可见当功率变化时，虚拟同步机的功角也会相应发生变化。给定有功功率P从P1增加到P2时，系统会从原来的稳定运行点a切换到新的稳定点b。功角的变化存在一种重复的衰减振荡过程，此振荡过程在功角曲线中的表示如图3所示。
本实施例中提供了一个典型的振荡周期为δ1—δ2，δ2—δ3，δ3—δ2，δ2—δ1这4个区间(分别记为区间1，2，3，4)，每个区间的功率变化和功角变化的特征不同。从物理意义角度分析,当输入功率从P1增加到P2时,虚拟转子的角速度将加快,即dω/dt>0。
在区间1内,由于此时VSG的虚拟转子角速度已大于电网的角速度,即ω>ωg,因此需利用较大的转子惯量来约束虚拟转子角速度的增加,以防止角速度的过快增加造成更大的转速超调。
在区间2内,VSG的虚拟转子角速度依然大于电网的角速度,但此时VSG的虚拟转子角速度进入了减速的状态,即dω/dt<0，以此类推。
本实施例中储能单元采用虚拟同步机控制方式，虚拟同步机模型考虑采用二阶模型，以转速ω和发电机功角δ作为状态变量，如下式给出同步电机二阶模型。
其中，J为转动惯量；Tm和Te分别为机械转矩和电磁转矩；D为来自机械摩擦、定子损耗、励磁和阻尼绕组的阻尼转矩对应的阻尼系数。
同步发电机通过对原动机机械转矩Tm的控制来调节发电机的输出有功功率，同时利用调频器来实现对电网频率偏差的响应。借鉴同步电机的调节方式，虚拟同步机的Tm由各储能单元Pi(t)及频率ω共同决定：
对于电磁转矩Te，可用储能单元实际输出的有功功率Pi及频率来表示：
转动惯量J及反应阻尼转矩及频率偏差的阻尼系数D与一般意义上虚拟同步机定义相似。
由于采用虚拟同步机控制的储能系统存在转动惯量J，当分配至储能单元的有功功率参考值Pi(t)与实际功率Pi之间存在差异时，不会立即产生功率及频率的变化，从而有利于电网稳定。同时，由于在同一时刻有功功率参考值与实际功率存在差异，虚拟转子转速的变化相当于震荡衰减的有差调节，从而导致功角的震荡变化。
如图4所示，本实施例结合构建等值模型进行仿真的具体步骤如下：
步骤1)初始化参数，包括虚拟同步机的功角，储能单元初始有功功率，储能单元SOC等。并根据实际情况调整模型参数，即调整转动惯量J和阻尼系数D，调整目的为使各储能单元在虚拟同步机不会超调的前提下稳定运行，同时能够针对下一时刻储能单元功率需求变化及时做出反应；
步骤2)根据调度需求及光伏/风电实时数据，计算储能电站当前时刻应该发出的总功率，并根据各储能单元内电池组的荷电状态，将储能需求分配到各储能单元，按下式计算：
式中：Pi(t)：储能单元i在t时刻的功率；P总(t)：储能系统在t时刻的调度需求；λ：储能充放电状态参数；当P总(t)>0时λ＝1，P总(t1)<0时λ＝0；SOCi(t)：储能单元i在t时刻的电池组的初始荷电状态；i：储能单元标号，i＝1、2、3...x...y...n。
步骤3)计算当前时刻各储能单元新分配的功率参考值对应的虚拟同步机的功角值，如下式所示：
式中：Pi(t)：储能单元i在t时刻的功率；U：虚拟同步发电机的端电压；E0：虚拟同步发电机的电动势；X：虚拟同步发电机的电抗；δi_t：储能单元i在t时刻的功角。
按下式计算两个储能单元之间功角变化之差的绝对值：
A(t∈[t1,t2])＝|Δδx_t-Δδy_t|＜ε
式中：A：两个储能单元在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值的差的绝对值；Δδx_t：储能单元x在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值；Δδy_t：储能单元y在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值。
按下式计算储能单元在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值：
式中：储能单元i在t1时刻的功角值；储能单元i在t2时刻的功角值；i：储能单元标号，i＝1、2、3...x...y...n。
步骤4)根据等值判据，将每个储能单元两两对比，计算两个储能单元之间功角变化之差的绝对值，找出绝对值小于预设的阈值ε的储能单元，则将两个储能单元合并为一个储能子系统并用一个虚拟同步机控制。
步骤5)若储能单元进行了合并，则将等值的储能单元进行参数整合，根据每一个储能子系统中的等值储能单元计算储能子系统的运行数据，运行数据包括：有功功率、无功功率、储能变流器输出的电压和变压器输出的电流；否则进行步骤6)。
通过下式分别计算储能子系统的有功功率、无功功率、储能变流器输出的电压和变压器输出的电流：
式中：P(t)m：储能子系统m的有功功率；P(t)n：储能单元n的有功功率；l：等值的储能单元数量；
式中：Q(t)m：储能子系统m的无功功率；Q(t)n：储能单元n的无功功率；
式中：U(t)m：储能子系统m对应的储能变流器输出的电压；U(t)n：储能单元n对应储能变流器输出的电压；
式中：I(t)m：储能子系统m对应的变压器输出的电流；I(t)n：储能单元n对应储能变流器输出的电流。
按下式计算储能子系统中电池组的荷电状态：
式中：Ssoc(t)m：储能子系统m在t时刻的荷电状态；Ssoc(t)n：储能子系统中储能单元n在t时刻的荷电状态；l：储能子系统中等值的储能单元数量。
步骤6)根据储能单元功率参考值，计算储能单元当前时刻结束后的SOC，同时将功角一并作为下一时刻计算的初始参数，作为下一时刻仿真的初始值。根据每一个储能子系统中的等值储能单元的荷电状态计算下一时刻储能单元的荷电状态，如下式所示：
式中：Ssoc(t+Δt)：储能单元在Δt时刻后电池组荷电状态平均值；Ssoc(t)：储能单元在t时刻的电池组荷电状态平均值；P(t)n：储能单元n在t时刻的有功功率；C：储能单元的电池容量，单位kW·h。
步骤7)继续采集调度需求和电网发电数据，并将下一时刻各储能单元中电池组的荷电状态作为初始值，带入等值模型中进行计算直到仿真结束。
基于同一发明思路，本实施例还提供了一种储能系统基于等值模型进行仿真的装置，包括：
采集模块：用于采集调度需求、电网发电数据以及计算下一时刻各储能单元中电池组的荷电状态；
调用模块：用于将所述调度需求、电网发电数据以及各储能单元内电池组的荷电状态代入预先构建的等值模型中进行计算，得到储能子系统的运行数据直到仿真结束。
进一步的，装置还包括：
分配模块：用于根据各储能单元内电池组的初始荷电状态，将调度需求分配到各储能单元；
计算模块：用于根据分配到各储能单元的调度需求，计算每一个储能单元对应的虚拟同步机的功角值；
合并模块：用于将所述虚拟同步机的功角变化小于阈值的储能单元合并为储能子系统；
等值模块：用于在每一个储能子系统内部进行等值计算；构建模块：用于基于经过所述等值计算的储能子系统构建等值模型。实施例中，所述合并模块，包括：
计算绝对值子模块：用于计算两个储能单元之间功角变化之差的绝对值；
判断子模块：用于若所述绝对值小于阈值，则将两个储能单元合并为一个储能子系统并用一个虚拟同步机控制。
实施例中，所述计算绝对值子模块，包括：
第一计算单元：用于按下式计算两个储能单元之间功角变化之差的绝对值，
A(t∈[t1,t2])＝|Δδx_t-Δδy_t|＜ε
式中：A：两个储能单元在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值的差的绝对值；Δδx_t：储能单元x在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值；Δδy_t：储能单元y在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值；
第二计算单元：用于按下式计算储能单元在t1时刻至t2时刻的功角变化最大值，
式中：储能单元i在t1时刻的功角值；储能单元i在t2时刻的功角
值；i：储能单元标号，i＝1、2、3...x...y...n。
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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。