一种电化学储能装置虚拟惯量常数化的优化计算方法

本发明涉及虚拟惯量控制，具体涉及一种电化学储能装置虚拟惯量常数化的优化计算方法。

背景技术：

1、随着并网新能源场站容量的增加，新能源渗透率不断提高，给包括频率稳定性在内的电力系统安全稳定运行带来了一系列的挑战。众所周知，常规同步发电机转子转速和系统频率之间直接耦合，能够直接响应系统频率变化，对电网呈现一定的惯性。然而利用变频器控制的风电与光伏通常与系统频率完全解耦，其动能被变频器控制“隐藏”。从系统的角度看，风电机组与光伏的惯量为零，大规模新能源的接入将会明显减弱系统频率稳定能力。

2、近年来，储能技术得到了迅猛的发展，储能装置被广泛用于补偿大量新能源并网系统的虚拟惯量，大大地改善了电网的运行特性。考虑到储能装置的快速功率响应特性，利用典型微分惯性控制方法为电网提供虚拟惯量支撑。但由于跟网型储能提供的虚拟惯量具有时变性，无法量化其对电网惯量的支撑能力，因此有必要对跟网型储能装置在虚拟惯量动态响应过程中产生的虚拟惯量常数化。

技术实现思路

1、本发明提供一种电化学储能装置虚拟惯量常数化的优化计算方法，使得常数化惯量的频率响应与时变的储能虚拟惯量的效果一致，为进一步研究含储能虚拟惯性控制的电力系统动态频率特性奠定了重要基础。

2、本发明采取的技术方案为：

3、一种电化学储能装置虚拟惯量常数化的优化计算方法，包括以下步骤：

4、步骤1.储能能量变化表征：

5、采用典型微分惯性控制策略，得到储能装置虚拟惯量表达式，利用储能释放的能量能够表示为与同步发电机旋转动能相似，利用储能时变虚拟惯量hess表征在储能虚拟惯量动态响应过程中储能装置释放能量δeess；利用常数化储能虚拟惯量hess_constant表征在储能虚拟惯量动态响应过程中储能装置释放能量δeess_constant；

6、步骤2.构建目标函数：

7、为使hess_constant与hess对电网惯量支撑效果相同，通过储能释放能量来实现惯量动态响应的物理本质，因此δeess_constant与δeess应在数值上最大化接近，构建以δeess与δeess_constant差值最小的目标函数；

8、步骤3.优化求解的约束条件：

9、以hess_constant为决策变量，考虑储能虚拟惯量常数化前后储能装置能量变化量最小值、能量变化量为零、能量变化量最大值三类指标相等，作为优化计算的第一约束条件；以储能虚拟惯量常数化前后每时刻能量变化率误差最小，作为优化计算的第二约束条件；

10、步骤4.分段求解常数化虚拟惯量：

11、将储能装置虚拟惯量动态响应过程分为储能释放能量降低过程、储能释放能量增加过程，分别利用步骤3方法求解两阶段下hess_constant最优解；

12、步骤5.根据步骤4求解两阶段下hess_constant最优解，求解出全网常数化等效惯量，得到虚拟惯量常数化前后馈入系统频率响应曲线。

13、所述步骤1中，采用典型微分惯性控制策略时，得到储能装置虚拟惯量表达式：

14、

15、式(1)中，sn_ess为储能装置的额定容量；jvir_ess为储能装置虚拟转动惯量；ωs、δωs分别为电力系统同步角速度和角速度变化量；un为储能装置的额定电压；qn为储能装置满充状态下的额定电量；δγsoc′为储能装置的荷电状态变化率；

16、式(1)中，sn_ess、qn、un、ωs为常数，由于δγsoc′和δωs为时变参数，δγsoc′/δωs也为时变物理量，因此hess具有时变特性。考虑对应同一个惯量动态响应过程以及支撑电网惯量效果相同前提下，利用等效的常数化hess_constant替代时变的hess参与系统频率响应过程。

17、根据式(1)可知，频率响应过程中，储能释放的能量能够表示为与同步发电机旋转动能相似的表达式，通过hess表征储能虚拟惯量动态响应过程中的能量变化量δeess：

18、

19、式(2)中，pn为等效同步发电机的极对数；jvir_ess为储能虚拟转动惯量；ωs0为系统初始同步角速度；δωs为系统同步角速度增量。

20、在储能虚拟惯量动态响应过程中，参照式(2)结果，采用一个恒定数值的虚拟惯量hess_constant来表示储能变化量δeess_constant：

21、

22、所述步骤2中，以δeess与δeess_constant差值最小构建目标函数：

23、

24、式(4)对应储能虚拟惯量动态响应全过程，表征取动态响应全过程中δeess与δeess_constant差值的最小值为最终解。

25、所述步骤3中，以hess_constant为决策变量，考虑储能虚拟惯量常数化前后储能装置能量变化量最小值、能量变化量为零、能量变化量最大值三类指标相等，作为优化计算的第一约束条件。该三类指标具体如图2所示。

26、△eess_constantmin＝△eessmin (5)；

27、△eess_constant0_i＝△eess0_i (6)；

28、△eess_constantmax＝△eessmax (7)；

29、式中：δeess min、δeess 0_i、δeess max分别表示在储能虚拟惯量动态响应过程中，储能装置释放能量变化量的最小值、数值为0、最大值，在储能虚拟惯量动态响应过程中分别对应图2中δeess min、δeess0_i、δeess max点，其中，图2中δeess 0_1、δeess 0_2分别表示第1个、第2个能量变化量为0的值；δeess_constant min、δeess_constant0_i、δeess_constant max分别表示在储能虚拟惯量动态响应过程中，利用常数化后的储能虚拟惯量表示的能量变化量最小值、能量变化量0值、能量变化量最大值，在储能虚拟惯量动态响应中分别对应图2中δeess_constant min、δeess_constant0_i、δeess_constant max点，其中，图2中δeess_constant0_1、δeess_constant0_2分别表示第1个、第2个虚拟惯量常数化后能量变化量为0的值。

30、另一方面，以储能虚拟惯量常数化前后每时刻能量变化率误差最小，作为优化计算的第二约束条件。该约束指标具体如图3所示。

31、|△e'k_constant-△e'k|≤α (8)；

32、式(8)中：δe′k表示第k时刻储能能量的变化率；δe′k_constant表示储能虚拟惯量常数化后第k时刻储能能量的变化率；α为数值误差，取值为15％。其中，图3表示在t1时刻，储能能量变化率为δe′1，储能虚拟惯量常数化后储能能量的变化率为δe′1_constant。

33、所述步骤4中，分段求解常数化虚拟惯量：

34、在储能虚拟惯量动态响应中，储能释放能量会经过能量降低、能量最低点、能量增加、储能趋于稳定的多阶段动态响应振荡过程。为使储能虚拟惯量常数化前后，储能装置馈入系统的惯量支撑效果基本一致，因此将储能装置虚拟惯量常数化分为两段：储能释放能量降低过程、能量增加过程。分别计算时变虚拟惯量hess1，hess2，然后再将hess1，hess2分别带入式(4)～式(8)计算，能够求解出两阶段过程分别对应的常数化虚拟惯量hess_constant1，hess_constant2。

35、所述步骤5中，引入常数化储能虚拟惯量的馈入系统频率响应验证：

36、将步骤4中计算的hess_constant1，hess_constant2代入电网等效惯量表达式(9)，则电网等效惯量为：

37、

38、式(9)中：m表示同步机组台数；n表示新能源场站个数；s表示具有虚拟惯量支撑的储能设备台数；hsys表示电网等效惯量；hgi、sgi分别表示第i台同步机组的惯量、额定容量；swfj表示第j个新能源场站的额定容量；hess_constantp、sessp分别表示第p台储能装置虚拟惯量常数化数值、储能装置额定容量。

39、步骤5中，为使hess_constant与hess对馈入系统频率响应效果相同，建立电力系统的频率响应等值sfr模型，来模拟系统机械功率调整的动态响应过程，如图4所示。

40、

41、式(10)中：δf为馈入系统频率偏差；δpl为电网功率缺额故障；km为同步机组的单位调节功率；r为调速器时间常数；fh为再热器增益；tr为再热器时间常数；d为负荷阻尼系数；s为拉普拉斯算子。

42、本发明一种电化学储能装置虚拟惯量常数化的优化计算方法，技术效果如下：

43、1)对于电化学储能装置虚拟惯量的时变特性，应用本发明方法，考虑对应同一个惯量动态响应过程以及支撑电网惯量效果相同前提下，利用等效的常数化储能装置虚拟惯量hess_constant替代时变的虚拟惯量hess参与系统频率响应过程，该方法为进一步研究含储能虚拟惯性控制的电力系统动态频率特性奠定了重要基础。

44、2)本发明的步骤1，针对电化学储能装置虚拟惯量的时变特性，创新性提出采用“具有动能变化最大化接近”的等效储能虚拟惯量表达储能能量变化，利用时变虚拟惯量、常数化后虚拟惯量分别表达电化学储能装置虚拟惯量动态响应过程中储能能量变化，为步骤2建立目标函数提供基础。

45、3)本发明的步骤2，根据储能装置虚拟惯量响应动态过程中释放能量变化量相等的原理，创新性提出构建以δeess与δeess_constant差值最小的目标函数，根据此式求解常数化虚拟惯量hess_constant，该公式言简意赅的体现了电化学储能装置虚拟惯量动态响应的物理本质。

46、4)本发明的步骤3，为使常数化虚拟惯量hess_constant在物理效果上能够更好代替时变hess，创新性地提出考虑储能虚拟惯量常数化前后储能装置能量变化量三类指标相等，作为优化计算的第一约束条件，每时刻能量变化率误差最小，作为优化计算的第二约束条件。

47、5)本发明的步骤4，避免在惯性响应全过程中仅有1个常数化结果导致求解误差过大，将储能装置虚拟惯量响应动态过程分解为释放能量增加、释放能量减少的2个阶段求解hess_constant1、hess_constant2最优解。

48、6)本发明的步骤5，将常数化hess_constant1、hess_constant2代入式(9)可直接求解出全网常数化等效惯量，并将该结果直接代入含储能装置的电力系统的频率响应等值sfr模型，可验证hess_constant、hess分别对馈入系统频率响应效果相同，若采用原无规律时变特征的储能虚拟惯量，无法通过式(9)求解全网常数化等效惯量。