一种垂直式矩阵型重力储能系统的并网控制方法和系统与流程

本发明属于电力输送，具体涉及一种垂直式矩阵型重力储能系统的并网控制方法和系统。

背景技术：

1、为支撑大规模新能源接入，保障电网安全稳定运行，新型电力系统需要全面提升秒级、分钟级、小时级乃至周、季度等不同时间尺度的灵活调节能力。机械储能技术可以为解决以新能源为主体的新型电力系统多时间尺度功率能量平衡问题提供有效手段。机械储能是重要的储能类型之一，其种类包括飞轮储能、压缩空气储能、抽水蓄能和重力储能等。利用机械储能的差异化技术优势，可较好填补未来新型电力系统对于惯量支撑、长时能量存储的调节需求。

2、重力储能是一种逐步达到商业化应用条件的新型机械式储能技术，其储能介质为固体物质，采用发电/电动机利用高度落差对储能介质进行升降，实现储能系统的充放电过程，并可为电力系统提供一定的惯性支撑，具有环境友好、选址灵活、循环寿命长、综合成本低、储能介质无衰减、无火灾风险等优势。重力储能可对标抽水蓄能、盐穴压缩空气储能，实现系统级、大规模应用，同时不需建设水库、输水涵洞、储气室等工程，大幅减小工程量。

3、在现有技术中，尚未有基于垂直式矩阵型的重力储能并网控制方法，当前控制方法多针对于基于山体斜坡式或矿井式重力储能本体方面的建模假设，山体斜坡式重力储能利用山体海拔高度差和标准化重块重力势能，基于拖车在导轨上运动带来的重力势能变化产生的能量变化来实现储能和发电；依托煤矿矿井的重力储能系统基于矿井及滑轮实现重物的上升及下落，但这些建模假设并不适用于垂直式矩阵型重力储能并网控制方面，未见基于垂直式矩阵型的重力储能本体建模，且并不涉及并网控制模型，仅是针对重力储能的能量来源部分进行建模。因此，研究一种基于垂直式矩阵型的重力储能并网控制方法具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种垂直式矩阵型重力储能系统的并网控制方法和系统。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种垂直式矩阵型重力储能系统的并网控制方法，所述垂直式矩阵型重力储能系统中的若干组重力储能机组并联接入电网，每组重力储能机组包括设有数个重物块的重力储能机械装置、一个同步机和一个变压器，所述并网控制方法包括：

4、获取相关于垂直式矩阵型重力储能系统的输出功率与电网频率变化量的关系曲线，并分别建立每组重力储能机组的输出功率模型；所述关系曲线中各组重力储能机组的最大输出功率与各电网频率变化区间对应；所述输出功率模型的约束包括重物块投运数量约束和重物块投入间隔时间约束；

5、根据当前电网频率变化量以及所述关系曲线，配置各电网频率变化区间下各组重力储能机组的输出功率，并结合所述输出功率模型配置各组重力储能机组中投运的重物块数量以及重物块投入间隔时间，由此实现协同序贯控制。

6、进一步地，所述输出功率模型采用同步机的五阶标准参数模型，具体为：

7、

8、

9、

10、

11、

12、式中，tj为同步机惯性时间常数；

13、pm为重力储能机组中同步机的机械功率，即重力储能机组的输入功率；

14、pe为重力储能机组中同步机的电磁功率，即重力储能机组的输出功率；

15、d为阻尼系数；δ为功角；ω0为同步机的同步转速；ω为同步机的电气角速度；

16、t'd0，t'q0分别为d轴和q轴暂态开路时间常数；t”d0为d轴次暂态开路时间常数；

17、ed，eq分别为稳态内电势的d轴和q轴分量；e'd，e'q分别为暂态内电势的d轴和q轴分量；e”q为次暂态内电势的q轴分量；efd为励磁电动势；

18、id，iq分别为定子电流的d轴和q轴分量；xd，x'd和x”d分别为d轴同步、暂态电抗和次暂态电抗；xq，x'q分别为q轴同步、暂态；

19、所述重力储能机组中同步机的电磁功率pe通过定子电压方程、电磁功率方程以及励磁系统方程求解获得；其中，所述定子电压方程为：

20、ud＝ed+(xq-x'q)iq+x'qiq-rid

21、uq＝eq+(xd-x'd)id+x'qid-riq

22、式中，ud，uq分别为同步机机端的直轴和交轴电压分量，r为定子绕组的电阻；

23、所述电磁功率的方程为：

24、

25、式中，u为电网电压；

26、所述励磁系统方程为：

27、

28、式中：kef，tef分别为一阶励磁系统的增益常数和时间常数，△ut为发电机的机端电压差；δefd为发电机的励磁电压差。

29、进一步地，所述重物块投运数量约束为

30、pm＝tsg·ω

31、

32、式中，tsg为同步机的输入机械转矩；

33、ω为同步机的机械角速度，ω＝ω/p；p为同步机的极对数；

34、ti为第i个重物块提供给同步机的输入机械转矩，pgra＝ηpg，pg＝mgv，m为单位重物块质量；g为重力加速度；v为重物块速度，下降时，重物块所发功率pg为正值，上升时，该重物块所发功率pg为负值；η为重力势能转化为电能的效率；pg为重物块下落的重力功率，pgra为重物块输入至同步机的重力储能的功率；sn为同步机的容量。

35、进一步地，所述重物块投入间隔时间约束为

36、ton_i＝ton_1+(i-1)δt

37、ton_1为第1个重物块投入运行时间，δt为重物块间隔投入运行时间。

38、进一步地，所述垂直式矩阵型重力储能系统的输出功率与电网频率变化量的关系曲线的获取方法为：

39、截取电网需求功率与电网频率变化量的关系曲线中垂直式矩阵型重力储能系统的输出功率最小值与最大值之间的部分，作为垂直式矩阵型重力储能系统的输出功率与电网频率变化量的关系曲线；

40、将垂直式矩阵型重力储能系统中若干组重力储能机组进行相关于输出功率递增的顺序排序，并分别记为重力储能机组1、重力储能机组2、...、重力储能机组k；各重力储能机组的最大输出功率依次记为pe_1、pe_2、...、pe_k；

41、对所述关系曲线按各重力储能机组的最大输出功率进行划分，形成若干电网频率变化区间，所述电网频率变化区间包括动作死区区间(-δf0,δf0)、与重力储能机组1的最大输出功率pe_1对应的[-δf1,-δf0]∪[δf0,δf1]、重力储能机组2的最大输出功率pe_2对应的[-δf2,-δf1)∪(δf1,δf2]、...、重力储能机组k的最大输出功率pe_k对应的[-δfk,-δfk-1)∪(δfk-1,δfk]，由此使得所述关系曲线中各组重力储能机组的最大输出功率与各电网频率变化区间对应；其中，δf0、δf1、δf2、...、δfk-1分别为重力储能机组1、重力储能机组2、重力储能机组3、...、重力储能机组k对应的启动频率，δfk为垂直式矩阵型重力储能系统的输出功率最大值对应的电网频率波动量。

42、进一步地，所述根据当前电网频率变化量以及所述关系曲线，配置各电网频率变化区间下各组重力储能机组的输出功率的具体方法包括：

43、获取当前电网频率变化量δfc落入的频率变化区间的位置确定各重力储能机组的输出功率，具体如下：

44、当前电网频率变化量δfc落入动作死区区间(-δf0,δf0)，垂直式矩阵型重力储能系统不进行并网控制；

45、若当前电网频率变化量δfc落入[-δf1,-δf0]∪[δf0,δf1]，则根据所述关系曲线，获取当前电网频率变化量δfc对应的输出功率pc，并将输出功率pc配置给重力储能机组1，其余重力储能机组的输出功率为0；

46、若当前电网频率变化量δfc落入[-δf2,-δf1)∪(δf1,δf2]，则根据所述关系曲线，获取当前电网频率变化量δfc对应的输出功率pc，并将重力储能机组1的最大输出功率pe_1配置给重力储能机组1，且将pc与pe_1的差值配置给重力储能机组2，其余重力储能机组的输出功率为0；

47、依据上述的各重力储能机组协同控制逻辑，若当前电网频率变化量δfc落入[-δfk,-δfk-1)∪(δfk-1,δfk]，则根据所述关系曲线，获取当前电网频率变化量δfc对应的输出功率pc，并将重力储能机组1的最大输出功率pe_1配置给重力储能机组1，且将重力储能机组2的最大输出功率pe_2配置给重力储能机组2，...，同时将pc与的差值配置给重力储能机组k。

48、进一步地，所述同步机采用隐极式同步发电机。

49、一种垂直式矩阵型重力储能系统的并网控制系统，所述垂直式矩阵型重力储能系统中的若干组重力储能机组并联接入电网，每组重力储能机组包括设有数个重物块的重力储能机械装置、一个同步机和一个变压器，包括曲线模型获取模块和协同序贯控制模块；

50、所述曲线模型获取模块，用于获取相关于垂直式矩阵型重力储能系统的输出功率与电网频率变化量的关系曲线，并分别建立每组重力储能机组的输出功率模型；所述关系曲线中各组重力储能机组的最大输出功率与各电网频率变化区间对应；所述输出功率模型的约束包括重物块投运约束和重物块投入间隔时间约束；

51、所述协同序贯控制模块，用于根据当前电网频率变化量以及所述关系曲线，配置各电网频率变化区间下各组重力储能机组的输出功率，并结合所述输出功率模型配置各组重力储能机组中投运的重物块数量以及重物块投入间隔时间，由此实现协同序贯控制。

52、一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，所述处理器用于调用并运行所述存储器中存储的计算机程序执行如上述任一项所述的方法。

53、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上的上述任一项所述方法的步骤。

54、本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

55、本发明提供一种垂直式矩阵型重力储能系统的并网控制方法和系统，该并网控制方法基于垂直式矩阵型重力储能系统的能量转化过程，设计重力储能机组之间的功率分配方案，实现重力储能机组之间的协同序贯控制，并设计了重力储能机组中投运重物块数量以及重物块投入间隔时间的配置方案，实现了重力储能机组内投运重物块之间的协同序贯控制，由此在满足电网调峰调频需求的同时避免多组重力储能机组同时投运或单组重力储能机组内多个重物块同时投运造成对电网冲击电流过大的问题。

56、本发明的并网控制方法基于重物块的运动过程及同步机的并网方式建立了重力储能机组的输出功率模型，呈现垂直式矩阵型重力储能系统的重力势能-动能-电能的转化过程，将重物块的负载转矩作为重力储能系统放电过程中的能量来源，其与同步机的电磁转矩相互作用的结果体现为有功功率及转速的变化。

57、本发明的并网控制方法基于垂直式矩阵型重力储能系统的输出功率与电网频率变化量的关系曲线，设计了重力储能机组的协同序贯并网控制，避免多个同步发电机组同时投入运行，减少了机组多次启停带来的机械损耗，减小了重力储能装置整体对电网的冲击电流，可应对电网的下次功率扰动，体现出较高的灵活条件性能，具有科学合理、适用性好、机理清晰等优点。

58、本发明的并网控制方法还对关系曲线按各重力储能机组的最大输出功率进行划分，形成动作死区区间以及对应各重力储能机组的最大输出功率的区间，动作死区区间的设计避免了重力储能机组因电网较小的频率波动而频繁启停，提高了垂直式矩阵型重力储能系统的寿命，降低系统损坏率。