一种用于电网机电仿真分析的电化学储能系统仿真模型的制作方法

本发明属于电网机电仿真
技术领域：
，具体涉及一种用于电网机电仿真电网机电仿真分析的电化学储能系统仿真模型。
背景技术：
：随着社会的不断进步,人们对于电力的需求量越来越大,电已经成为人们生活中不可缺少的一部分,这对于电力系统的安全性和可靠性提出了更高的要求。储能系统可用于平抑风电、光伏等间歇性能源的功率波动，同时可支撑电网频率和功角的稳定性，因此，越来越多的电网侧储能系统和户用储能系统接入配电网中，储能系统的暂态稳定性越来越明显地影响着整个配电网的安全稳定性。如何在电力机电仿真系统中对储能系统进行精确建模，实现对含有储能的电力机电系统进行仿真分析，对电网的安全稳定运行有非常重要的指导意义。目前，现有的电化学储能系统的模型考虑电流内环控制和桥臂电压控制构建，这种模型要求仿真的步长与电力系统机电暂态仿真步长不匹配，导致现有电力机电仿真系统无法对含有储能的电力系统进行精确仿真分析，因此，如何建立适用于电网机电仿真分析的电化学储能系统仿真模型，是本领域技术人员需要解决的问题。技术实现要素：为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于电网机电仿真分析的电化学储能系统仿真模型，包括：电化学储能电池模块、本地控制模块、故障穿越控制模块、保护控制模块和并网接口模块；所述电化学储能电池模块、本地控制模块、故障穿越控制模块和并网接口模块依次连接后接入配电母线模块；所述保护控制模块分别与所述故障穿越控制模块配电母线模块连接；所述本地控制模块分别与上级调度模块和配电母线模块连接；所述电化学储能电池模块，用于基于储能系统输出的有功功率、储能电池的初始荷电状态和储能电池的充放电效率，计算储能系统输出有功电流的上限和下限；所述本地控制模块，用于基于所述储能系统输出有功电流的上限和下限以及配电母线模块的有功功率和无功功率，对上级调度模块下达的上级控制指令进行响应，得到调控后储能系统的有功电流和无功电流值；所述保护控制模块：用于基于配电母线模块的电压幅值和频率输出保护控制信号；所述故障穿越控制模块：用于基于调控后储能系统的有功电流和无功电流值、配电母线模块的电压幅值以及保护控制信号，模拟故障穿越后储能系统的有功电流和无功电流值；所述并网接口模块：用于基于故障穿越后储能系统的有功电流和无功电流值、配电母线模块的电压向量，得到储能系统的输出电流向量。优选的，电化学储能电池模块的模块，包括：当前荷电状态计算单元，用于基于储能系统输出的有功功率、储能电池的初始荷电状态和储能电池的充放电效率，计算储能电池的当前荷电状态；有功电流计算单元，用于基于储能电池的当前荷电状态，确定储能系统输出有功电流的上限和下限。优选的，当前荷电状态计算单元采用的计算式如下：式中，soc为储能电池的当前荷电状态，μ1为储能电池的放电效率，μ2为储能电池的冲电效率，socinc为储能电池的初始荷电状态，p为储能系统输出的有功功率。优选的，有功电流计算单元采用的计算式如下：式中，socmin为储能电池的最小荷电状态，socmax为储能电池的最大荷电状态，imax为储能系统的最大输出电流，ipmax为储能系统输出有功电流的上限，ipmin为储能系统输出有功电流的上限。优选的，本地控制模块采用的计算式如下：式中，tp_ord为有功功率指令延时，pord为储能系统接收的有功功率指令，δpf为储能系统一次调频有功偏差量，tm为测量延时时间常数，p为储能系统输出的有功功率，kp为储能系统有功功率pi控制器比例系数，tp为储能系统有功功率pi控制器积分时间常数，ipmax为储能系统输出有功电流的上限，ipmib为储能系统输出有功电流的上限；qref为储能系统无功功率参考值，q为储能系统输出的无功功率，kq为储能系统无功功率pi控制器比例系数，tq为储能系统无功功率pi控制器积分时间常数，imax为储能系统的最大输出电流，ip_cmd为调控后储能系统的有功电流，iq_cmd为调控后储能系统的无功电流值。优选的，储能系统一次调频有功偏差量δpf的计算式如下：式中，kpf为一次调频系数，fref为频率参考值，fdb为一次调频死区，f为储能系统的输出频率。优选的，储能系统无功功率参考值qref的计算式如下：式中，tq_ord为无功功率指令延时，qord为储能系统接收的无功功率指令，pfref为储能系统功率因数参考值，pfflag为功率因数控制选择项。优选的，故障穿越控制模块采用的计算式如下：式中，iq为模拟故障穿越后储能系统的无功电流值，ip为模拟故障穿越后储能系统的有功电流值，kq-hv为高穿期间的无功电流支撑系数，uhv为进入高电压穿越控制的电压阈值，uterm为储能系统并网点的电压幅值，kflag-frt为低穿/高穿前无功电流叠加标志，iq0为低穿/高穿前无功电流，iq0_hv为高穿期间的无功电流起始值，iqmin_hv为高穿期间的最小无功电流iq-cmd调控后储能系统的无功电流值，kq_lv为低穿期间的无功电流支撑系数，ulv进入低电压穿越控制的电压阈值，iq0_lv为低穿期间的无功电流起始值，iqmax_lv为低穿期间的最大无功电流，ip_cmd为调控后储能系统的有功电流，ip_frt为低穿/高穿期间的有功电流。优选的，低穿/高穿期间的有功电流ip_frt计算式如下：式中，imax_frt为故障穿越期间的最大输出电流，kp1_frt为故障穿越期间的第一有功电流系数，kp2_frt为故障穿越期间的第二有功电流系数，ip0_frt为故障穿越期间的有功电流起始值，ip_flag为故障穿越期间的有功电流限幅标志位。优选的，并网接口模块采用的计算式如下：式中，为储能系统的输出电流向量，为储能系统并网点的电压向量，ip为模拟故障穿越后储能系统的有功电流值，iq为模拟故障穿越后储能系统的无功电流值，为储能系统并网点的电压相位。与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：本发明提供一种用于电网机电仿真分析的电化学储能系统仿真模型，包括：电化学储能电池模块、本地控制模块、故障穿越控制模块、保护控制模块和并网接口模块；电化学储能电池模块，用于基于储能系统输出的有功功率、储能电池的初始荷电状态和储能电池的充放电效率，计算储能系统输出有功电流的上限和下限；本地控制模块，用于基于所述储能系统输出有功电流的上限和下限以及配电母线模块的有功功率和无功功率，对上级调度模块下达的上级控制指令进行响应，得到调控后储能系统的有功电流和无功电流值；保护控制模块：用于基于配电母线模块的电压幅值和频率输出保护控制信号；故障穿越控制模块：用于基于调控后储能系统的有功电流和无功电流值、配电母线模块的电压幅值以及保护控制信号，模拟故障穿越后储能系统的有功电流和无功电流值；并网接口模块：用于基于故障穿越后储能系统的有功电流和无功电流值、配电母线模块的电压向量，得到储能系统的输出电流向量，本发明储能系统建模时简化电流内环控制和桥臂电压控制，使模型要求仿真的步长增加，达到与现有的电力系统机电暂态仿真系统的仿真步长相匹配的程度，提高了含有电化学储能的电力系统的机电暂态仿真的准确性。附图说明图1为本发明提供的一种用于电网机电仿真分析的电化学储能系统仿真模型示意图；图2为本发明实施例中提供的典型的电化学储能系统主电路拓扑图；图3为本发明实施例中提供的电化学储能系统仿真模型结构框图；图4为本发明实施例中提供的电化学储能电池模块示意图；图5为本发明实施例中提供的本地控制模块示意图；图6为本发明实施例中提供的故障穿越模块示意图；图7为本发明实施例中提供的保护控制模块示意图；图8为本发明实施例中提供的并网接口模块示意图；图9电化学储能系统的并网电压相角计算框图；图10为本发明实施例中提供的某型号电化学储能系统仿真模型仿真分析曲线。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。实施例1：本发明实施例提供的一种用于电网机电仿真分析的电化学储能系统仿真模型如图1所示，包括：电化学储能电池模块、本地控制模块、故障穿越控制模块、保护控制模块和并网接口模块；所述电化学储能电池模块、本地控制模块、故障穿越控制模块和并网接口模块依次连接后接入配电母线模块；所述保护控制模块分别与所述故障穿越控制模块配电母线模块连接；所述本地控制模块分别与上级调度模块和配电母线模块连接；所述电化学储能电池模块，用于基于储能系统输出的有功功率、储能电池的初始荷电状态和储能电池的充放电效率，计算储能系统输出有功电流的上限和下限；所述本地控制模块，用于基于所述储能系统输出有功电流的上限和下限以及配电母线模块的有功功率和无功功率，对上级调度模块下达的上级控制指令进行响应，得到调控后储能系统的有功电流和无功电流值；所述保护控制模块：用于基于配电母线模块的电压幅值和频率输出保护控制信号；所述故障穿越控制模块：用于基于调控后储能系统的有功电流和无功电流值、配电母线模块的电压幅值以及保护控制信号，模拟故障穿越后储能系统的有功电流和无功电流值；所述并网接口模块：用于基于故障穿越后储能系统的有功电流和无功电流值、配电母线模块的电压向量，得到储能系统的输出电流向量。下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种用于电网机电仿真分析的电化学储能系统仿真模型进行说明：典型电化学储能系统包括：电池组，双向直流变流器，逆变器、滤波器和变压器，其主电路的拓扑图如图2所示，针对典型的电化学储能系统建立的用于电网机电仿真分析的电化学储能系统仿真模型结构框图如图3所示，包括：电化学储能电池模块、本地控制模块、故障穿越控制模块、保护控制模块、和并网接口模块，具体的：电化学储能电池模块示意图如5所示，用于获取储能系统输出有功功率，计及放电效率μ1和充电效率μ2，与初始荷电状态socinc叠加，计算储能系统输出的有功电流上限ipmax、下限ipmin，用来模拟储能电池的充放电功能。具体的，电化学储能电池模块包括：当前荷电状态计算单元和有功电流计算单元；当前荷电状态计算单元，用于基于储能系统输出的有功功率、储能电池的初始荷电状态和储能电池的充放电效率，计算储能电池的当前荷电状态；有功电流计算单元，用于基于储能电池的当前荷电状态，确定储能系统输出有功电流的上限和下限。其中，当前荷电状态计算单元的计算式如下：式中，soc为储能电池当前荷电状态，μ1和μ2分别为放电效率和充电效率，socinc为初始荷电状态，p为储能系统输出有功功率；有功电流计算单元的计算式如下：式中，socmin和socmax分别为储能电池最小和最大荷电状态，imax为储能系统的最大输出电流。本地控制模块示意图如5所示，用于基于所述储能系统输出有功电流的上限和下限以及储能系统输出的有功功率和无功功率，对上级控制指令进行响应，实现一次调频控制、功率因数控制、功率控制等控制功能，得到调控后储能系统的有功电流和无功电流值。功率控制分为有功控制部分和无功控制部分，有功控制部分包含有功功率控制延迟tp_ord，一次调频控制kpf以及有功功率闭环控制(kp和tp)，接收电化学储能电池模块输出信号ipmax和ipmin，输出ip_cmd；同理，无功控制部分包括无功功率控制延迟tq_ord，功率因数控制pfref以及无功功率闭环控制(kq和tq)，有功电流优先输出，无功电流受限于有功电流大小，输出iq_cmd。其中，调控后储能系统的有功电流ip_cmd和无功电流值iq_cmd计算式如下：式中，tp_ord为有功功率指令延时，pord为储能系统接收的有功功率指令，δpf为储能系统一次调频有功偏差量，tm为测量延时时间常数，p为储能系统输出的有功功率，kp为储能系统有功功率pi控制器比例系数，tp为储能系统有功功率pi控制器积分时间常数，ipmax为储能系统输出有功电流的上限，ipmin为储能系统输出有功电流的上限；qref为储能系统无功功率参考值，q为储能系统输出的无功功率，kq为储能系统无功功率pi控制器比例系数，tq为储能系统无功功率pi控制器积分时间常数，imax为储能系统的最大输出电流，ip_cmd为调控后储能系统的有功电流，iq_cmd为调控后储能系统的无功电流值。其中，储能系统一次调频有功偏差量δpf的计算式如下：式中，kpf为一次调频系数，fref为频率参考值，fdb为一次调频死区，f为储能系统的输出频率；储能系统无功功率参考值qref的计算式如下：式中，tq_ord为无功功率指令延时，qord为储能系统接收的无功功率指令，pfref为储能系统功率因数参考值，pfflag为功率因数控制选择项。本地控制模块关键参数表如表1所示：表1本地控制模块关键参数名称说明tm测量延时时间常数(s)kpf一次调频系数(pu/hz)tp_ord有功功率指令延时(s)dpord_max有功功率参考值上升斜率限值(pu/s)dpord_min有功功率参考值下降斜率限值(pu/s)kp有功功率pi控制器比例系数tp有功功率pi控制器积分时间常数(s)tq_ord无功功率指令延时(s)kq无功功率pi控制器比例系数tq无功功率pi控制器积分时间常数(s)imax最大输出电流故障穿越控制模块示意图如图6所示，用于模拟储能变流器在电网电压发生跌落或抬升过程中的暂态特性，本模块接收本地控制模块的输出信号ip_cmd和iq_cmd、保护控制模块输出信号trip_flag，向并网接口模块输出信号ip和iq，是储能系统模型的核心模块。故障穿越模块的计算式如下所示：式中，iq为模拟故障穿越后储能系统的无功电流值，ip为模拟故障穿越后储能系统的有功电流值，kq-hv为高穿期间的无功电流支撑系数，uhv为进入高电压穿越控制的电压阈值，uterm为储能系统并网点的电压幅值，kflag-frt为低穿/高穿前无功电流叠加标志，iq0为低穿/高穿前无功电流，iq0_hv为高穿期间的无功电流起始值，iqmin_hv为高穿期间的最小无功电流iq-cmd调控后储能系统的无功电流值，kq_lv为低穿期间的无功电流支撑系数，ulv进入低电压穿越控制的电压阈值，iq0_lv为低穿期间的无功电流起始值，iqmax_lv为低穿期间的最大无功电流，ip_cmd为调控后储能系统的有功电流，ip_frt为低穿/高穿期间的有功电流。故障穿越模块的主要参数见表2：表2故障穿越控制模块关键参数名称说明kq_lv低穿期间的无功电流支撑系数iq0_lv低穿期间的无功电流起始值(pu)ulv进入低电压穿越控制的电压阈值(pu)kflag_frt低穿/高穿前无功电流叠加标志(1有叠加，0无叠加)iqmax_lv低穿期间的最大无功电流(pu)kq_hv高穿期间的无功电流支撑系数iq0_hv高穿期间的无功电流起始值(pu)uhv进入高电压穿越控制的电压阈值(pu)iqmin_hv高穿期间的最小无功电流(pu)imax_frt故障穿越期间的最大输出电流(pu)ip_flag故障穿越期间的有功电流限幅标志位kp1_frt故障穿越期间的有功电流系数1kp2_frt故障穿越期间的有功电流系数2ip0_frt故障穿越期间的有功电流起始值(pu)dip_lv低电压故障清除后的有功电流上升斜率限值(pu/s)储能系统保护控制模块如图7所示，设置二级电压、频率保护逻辑，用于基于储能系统并网点的电压幅值和频率模拟储能系统的过欠压和过欠频功能。保护控制信号trip_flag初始值为0，当下述任一事件发生时，trip_flag变为1，此时模拟故障穿越后储能系统的无功电流值和有功电流为0，模拟故障期间触发保护动作，逆变器不再输出电流，退出运行：1)若ulvp2≤uterm≤ulvp1且持续时间超过tlvp1，一级欠压保护动作，trip_flag＝1；2)若uterm<ulvp2且持续时间超过tlvp2，二级欠压保护动作，trip_flag＝1；3)若uhvp1≤uterm≤uhvp2且持续时间超过thvp1，一级过压保护动作，trip_flag＝1；4)若uhvp2<uterm且持续时间超过thvp2，二级过压保护动作，trip_flag＝1；5)若flfp2≤f≤flfp1且持续时间超过tlfp1，一级欠频保护动作，trip_flag＝1；6)若f<flfp2且持续时间超过tlfp2，二级欠频保护动作，trip_flag＝1；7)若fhfp1≤f≤fhfp2且持续时间超过thfp1，一级过频保护动作，trip_flag＝1；8)若fhfp2<f且持续时间超过thfp2，二级过频保护动作，trip_flag＝1。并网接口模块示意图如图8所示，用于基于故障穿越后储能系统的有功电流和无功电流值、并网点电压向量，得到储能系统的输出电流向量，模拟变流器向电网送出电流的控制特性。并网接口模块的计算式如下：式中，为储能系统的输出电流向量，为储能系统并网点的电压向量，ip为模拟故障穿越后储能系统的有功电流值，iq为模拟故障穿越后储能系统的无功电流值，为储能系统并网点的电压相位。并网接口模块从外部系统中读取储能系统并网点电压向量包含幅值丨uterm丨和相位∠uterm；结合储能系统前端模块计算出来的有功电流ip和无功电流iq，计算储能系统输出电流向量。其中，并网点电压相位可以通过直接读取外系统变量获取，也可以通过模拟储能变流器锁相环建立锁相环模型，如附图9所示，ur和ui分别为储能系统并网点电压在外部系统中坐标系下的实部和虚部，根据实部和虚部计算电压相位∠uterm。本发明的所有电气量为基波正序分量。本实施例中在电力机电仿真软件中建立了如上所述的电化学储能系统的仿真模型及外部系统，仿真设置2组工况，测试仿真模型的准确性，具体如下：储能系统测试工况1为交流侧短路故障，短路时间1s至1.15s，短路阻抗0.001ω，导致储能系统并网点电压跌落至32.8％，储能系统在短路故障期间，降低有功输出，输出无功电流支撑并网点电压；由于储能系统处于放电状态，荷电状态在整个仿真过程持续降低，如图10(a)所示；储能系统测试工况2为储能系统的冲放电状态切换，在1s时储能系统从放电状态切换为热备用状态，3s时切换为充电状态，5s时直接切换为放电状态。荷电状态随着充放电状态的变换而变化如图10(b)所示；从仿真结果可以看出，仿真结果与实际运行情况一致，说明利用本发明提供的电化学储能系统仿真模型进行电网机电仿真分析的可以提高仿真结果的准确性。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:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。当前第1页12