一种基于虚拟同步发电机的储能辅助调频容量配置方法与流程

本发明属于复合储能系统与清洁能源电网调频容量配置领域，尤其涉及一种基于虚拟同步发电机的储能辅助调频容量配置方法。

背景技术：

目前，在化石能源危机以及严峻的环境保护的压力下，清洁能源电网建设已经成为各国电网方向研究的主流趋势。由于大部分清洁能源所具有的随机性、不定性的特点，对于电力系统的频率指标影响严重，一直困扰着电力行业工作者和相关科研人员。

技术实现要素：

本发明就是针对上述问题，提供一种基于虚拟同步发电机的储能辅助调频容量配置方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括以下步骤：

步骤1，对虚拟同步发电机进行解耦。

步骤1-1，构建虚拟同步机二阶数学模型，其定子方程为

式中uabc表示端电压，iabc代表虚拟同步机电流，r代表虚拟同步机定子绕组上电阻，ls代表虚拟同步机定子绕组电感，eabc表示虚拟同步机内部电位。

步骤1-2，虚拟同步机转子方程：

其中，j表示虚拟同步电机的转动惯量，ω为其机械角速度，tm为机械转矩，te为电磁转矩，kd为阻尼系数，ωn表示虚拟同步机的额定角速度，pm为虚拟同步机机械功率，pe表示从储能变流器得到的输出电磁功率。

步骤2，将同步机数学模型方程引入到虚拟同步机中，其中虚拟同步机的机械功率pm表达式为

其中，1/dp表示有功下垂系数，pref表示虚拟同步机标定的参考功率，(ωref-ωpcc)/dp是指功率偏差反馈指令。通过对虚拟同步机功率大小的调节，可以实现对电网频率的调节。

步骤3，为了补充电网有功不足，复合储能系统的功率ph(t)为

ph(t)＝psc(t)+pvrb(t)(4)

其中，psc(t)和pvrb(t)分别为超级电容器和全钒液流电池的输出有功功率。

当电网中系统频率出现波动的情况时，其缺失功率为

pn(t)＝po(t)-pl(t)(5)

其中，pn(t)表示电网波动时的缺失功率，po(t)为电网内的机组输出功率，pl(t)表示调频区域电网内负载的总的需求响应功率。当给出调频周期指令时，设定开始时间t0和结束时间t1，则储能额定输出功率为

其中，phr(t)表示储能额定输出功率，η0为dc/dc效率，η1为dc/ac效率，ηsc_q表示超级电容器放电效率，ηvbr_q为全钒液流电池放电效率，pn(t)_max是某一时刻该区域电网调频需求功率最大值。

考虑到实际工作中储能系统的工作效率以及各个电源电池本身的充、放电效率，于是复合储能系统的实时功率pnh(t)表示为

其中，ηsc_c表示超级电容器充电效率，ηvrb_c表示全钒液流电池充电效率。

步骤4，基于调频效果最佳设计复合储能系统容量，其中储能中超级电容器的荷电状态qsoc_sc和全钒液流电池的荷电状态qsoc_vrb分别表示为

其中，qsoc_sc_0表示超级电容器初始荷电状态，psc_0(t)表示超级电容器实时功率，esc表示超级电容器容量，qsoc_vrb_0表示全钒液流电池的初始荷电状态，pvrb_0表示全钒液流电池实时功率，evrb表示全钒液流电池容量。

复合储能系统整体荷电状态qsoc表示为

其中，qsoc_0是超级电容器初始荷电状态，psc_0表示超级电容器实时功率，esc表示超级电容器的容量。为了满足电网调频需求，以复合储能系统调频效果最佳为目标建立函数c1，其表达式为

为了减少成本，延长寿命，减少电池损耗，需要满足以下约束条件

其中，qsoc_sc_max表示超级电容器荷电状态设置最大值，qsoc_sc_min表示超级电容器荷电状态设置最小值。qsoc_vrb_max表示全钒液流电池允许荷电状态最大值，qsoc_vrb_min表示全钒液流电池允许的荷电状态最小值。

步骤5，以经济效益最佳为目标设计复合储能系统容量。复合储能成本包括一次开发所产生的费用以及系统日常运行和维护费用，其总成本表达式为

ct＝ce+cm(12)

其中，ct为复合储能系统总运行成本，cm为复合储能系统常规运行时所产生的维护成本，ce为复合储能系统年均一次投入成本。复合储能系统的一次投入成本

ce＝cevbr+cesc(13)

其中，cevbr为全钒液流电池一次投入成本，cesc为超级电容器一次投入成本。全钒液流电池和超级电容器一次投入成本计算公式为

其中，cp_vrb表示vrb单位功率成本，pvrb为其额定功率，ce_vrb表示vrb单位容量成本，evrb为其额定容量。cp_sc为sc单位功率成本，psc为其额定功率，ce_sc为sc单位时间内单位容量成本，esc为其额定容量。由此可得，复合储能系统运行维护成本计算公式为

cm＝(cm_vrbevrb+cm_scesc)×t(15)

其中，cm表示复合储能系统总体维护运行成本，cm_vrb为全钒液流电池单位容量维护运行成本，cm_sc为超级电容器单位容量维护成本，t代表循环的次数。

复合储能系统综合经济效益计算公式为

i＝i1+i2(16)

其中，i为总经济效益，i1为复合储能系统的直接经济效益，i2为复合储能系统的间接收益。

步骤5-1，直接收入计算公式为

i1＝(λt+β)qt(17)

其中，λt表示调频电价，β表示政府及电网公司制定的辅助调频设施的补偿电费单价，ωt表示调频电量。

步骤5-2，间接收益主要是指复合储能系统参与电网调频后减少弃风弃光所产生的损失费用，计算公式为

i2＝usqs(18)

其中，us为损失电量每度成本，qs为损失电量。qs的求解公式为

其中，pl为平均弃风弃光损失功率。由以上可以推出，复合储能系统参与电网调频的综合经济效益最佳数学模型为

m2＝max{i-ct}(20)

步骤6，多目标优化，在研究复合储能参与电网调频容量优化配置时，选取调频效果最佳且经济收益最大作为优化目标，根据改进的粒子群算法对二者进行优化，其改进目标函数为

m＝max{k1m1+k2m2}(21)

其中，k1和k2表示权重系数，满足公式(11)的约束条件。

本发明有益效果。

本发明适用于储能参与调频静态研究的改进的等效电路模型，对储能接入方式、变流器、电压型滤波器选型并且给出参数计算方法。其次，通过使用虚拟同步机技术控制并网变流器，以及进行储能调频。最后，针对大规模复合储能参与清洁能源电网调频的容量配置问题，对于调频效果和综合经济性两项指标，建立目标函数得到最佳复合储能容量配置方案。

本发明在对区域电网进行调控时，考虑了复合储能调频效果以及综合经济性的因素，在满足电力系统调频需求的情况下，完成大规模储能系统容量优化模型。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是基于虚拟同步发电机的辅助储能调频容量配置流程图。

图2是虚拟同步机复合储能调频原理图。

图3是改进粒子群算法流程。

具体实施方式

本发明提出一种基于虚拟同步发电机的储能辅助系统容量配置方法，如附图1所示，首先要构建虚拟同步发电机数学模型，包括其定子方程和转子方程。之后，需要给出复合储能系统的功率ph(t)，它包含超级电容器和全钒液流电池的输出有功功率。再通过其缺失功率pn(t)以及设定的开始和结束时间，得出储能额定输出功率phr，以及考虑现实工作中系统和电池的工作效率的复合储能系统实时功率pnh(t)，之后使用基于改进粒子群算法的多目标优化函数m＝max{k1m1+k2m2}，分别设计对基于调频效果最佳和基于经济效益最佳的方案，最后对二者进行多目标优化，得出最优解。

步骤1，对虚拟同步发电机进行解耦。

步骤1-1，构建虚拟同步机二阶数学模型，其定子方程为

式中uabc表示端电压，iabc代表虚拟同步机电流，r为虚拟同步机定子绕组电阻，ls表示虚拟同步机定子绕组电感，eabc表示虚拟同步机内部电位。

步骤1-2，虚拟同步机转子方程：

其中，j表示同步电机的转动惯量，ω表示虚拟同步机机械角速度，tm表示其机械转矩，te为电磁转矩，kd表示阻尼系数，ωn表示虚拟同步机额定角速度，pm为虚拟同步机机械功率，pe表示从储能变流器得到的输出电磁功率。

步骤2，将同步机数学模型方程引入到虚拟同步机中，其中虚拟同步机的机械功率pm表达式为

其中，1/dp表示有功下垂系数，pref表示虚拟同步机标定的参考功率，(ωref-ωpcc)/dp是指功率偏差反馈指令。通过对虚拟同步机功率大小的调节，可以实现对电网频率的调节。

步骤3，为了补充电网有功不足，复合储能系统的功率ph(t)为

ph(t)＝psc(t)+pvrb(t)(4)

其中，psc(t)和pvrb(t)分别为超级电容器和全钒液流电池的输出有功功率。

当电网中系统频率出现波动的情况时，其缺失功率为

pn(t)＝po(t)-pl(t)(5)

其中，pn(t)表示电网波动时的缺失功率，po(t)为电网内的机组输出功率，pl(t)表示调频区域电网内负载的总的需求响应功率。当给出调频周期指令时，设定开始时间t0和结束时间t1，则储能额定输出功率为

其中，phr(t)表示储能额定输出功率，η0为dc/dc效率，η1为dc/ac效率，ηsc_q表示超级电容器放电效率，ηvbr_q为全钒液流电池放电效率，pn(t)_max是某一时刻该区域电网调频需求功率最大值。

考虑到实际工作中储能系统的工作效率以及各个电源电池本身的充、放电效率，那么复合储能系统实时功率pnh(t)可表示为

其中，ηsc_c表示超级电容器充电效率，ηvrb_c表示全钒液流电池充电效率。步骤4，基于调频效果最佳设计复合储能系统容量，其中储能中超级电容器的荷电状态qsoc_sc和全钒液流电池的荷电状态qsoc_vrb分别表示为

其中，qsoc_sc_0为超级电容器初始荷电状态，psc_0(t)为超级电容器实时功率，esc表示超级电容器容量，qsoc_vrb_0表示全钒液流电池的初始荷电状态，pvrb_0表示全钒液流电池实时功率，evrb表示全钒液流电池容量。

复合储能系统整体荷电状态qsoc表示为

其中，qsoc_0是超级电容器初始荷电状态，psc_0表示超级电容器的实时功率，esc表示超级电容器容量。为了满足电网调频需求，以复合储能系统调频效果最佳为目标建立函数c1，其表达式为

为了减少成本，延长寿命，减少电池损耗，需要满足以下约束条件

其中，qsoc_sc_max表示超级电容器荷电状态设置最大值，qsoc_sc_min表示超级电容器荷电状态设置最小值。qsoc_vrb_max表示全钒液流电池允许荷电状态最大值，qsoc_vrb_min表示全钒液流电池允许的荷电状态最小值。

步骤5，以经济效益最佳为目标设计复合储能系统容量。复合储能成本包括一次开发所产生的费用以及系统日常运行和维护费用，其总成本表达式为

ct＝ce+cm(12)

其中，ct为复合储能系统总运行成本，cm为复合储能系统常规运行时所产生的维护成本，ce表示复合储能系统年均一次投入成本。复合储能系统的一次投入成本可表示为

ce＝cevbr+cesc(13)

其中，cevbr为全钒液流电池一次投入成本，cesc为超级电容器一次投入成本。全钒液流电池和超级电容器一次投入成本计算公式为

其中，cp_vrb表示vrb单位功率成本，pvrb为其额定功率，ce_vrb表示vrb单位容量成本，evrb为其额定容量。cp_sc为sc单位功率成本，psc为其额定功率，ce_sc为sc单位时间内单位容量成本，esc为其额定容量。由此可得，复合储能系统运行维护成本计算公式为

cm＝(cm_vrbevrb+cm_scesc)×t(15)

其中，cm表示复合储能系统总体维护运行成本，cm_vrb为全钒液流电池单位容量维护运行成本，cm_sc为超级电容器单位容量维护成本，t代表循环的次数。

复合储能系统综合经济效益计算公式为

i＝i1+i2(16)

其中，i为总经济效益，i1为复合储能系统的直接经济效益，i2为复合储能系统的间接收益。

步骤5-1，直接收入计算公式为

i1＝(λt+β)qt(17)

其中，λt表示调频电价，β表示政府及电网公司制定的辅助调频设施的补偿电费单价，ωt表示调频电量。

步骤5-2，间接收益主要是指复合储能系统参与电网调频后减少弃风弃光所产生的损失费用，计算公式为

i2＝usqs(18)

其中，us为损失电量每度成本，qs为损失电量。qs的求解公式为

其中，pl为平均弃风弃光损失功率。由以上可以推出，复合储能系统参与电网调频的综合经济效益最佳数学模型为

m2＝max{i-ct}(20)

步骤6，多目标优化，在研究复合储能参与电网调频容量优化配置时，选取调频效果最佳且经济收益最大作为优化目标，根据改进的粒子群算法对二者进行多目标优化，其优化目标函数为

m＝max{k1m1+k2m2}(21)

其中，k1和k2表示权重系数，其满足的约束条件为公式(11)。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。