CN108649596B - 一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型，涉及电池储能电源系统技术领域。所示电池储能系统动态模型，包括等效电压源模块、电阻模块以及惯性时间常数模块，利用等效电压源模块和电阻模块反映电池储能系统直流侧电压源的特性，利用惯性时间常数模块反映变流器的动态特性，从电网角度模拟了由并网处电网电压变化引起的并网电流的变化趋势，且考虑了相对于电网电池储能具有的惯性特性，能够较好的描述电池储能动态行为；该模型结构简单，参数少，不仅能够描述配网侧广义负荷模型中的电池储能动态行为，且对电池储能系统在并网处的暂态特性进行了较为准确的描述，以满足电力系统负荷建模的要求，为电力系统的仿真实验提供模型基础。

Description

一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型
技术领域
本发明属于电池储能电源系统技术领域，尤其涉及一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型。
背景技术
随着经济与社会的发展，一方面工业生产和居民生活用电需求的日益增长且呈明显的时间特性，使得电力负荷峰谷差进一步扩大，将能量储能技术应用到配电网，在低负荷时段作为负荷存储能量，而在高负荷时段作为电源释放能量，能有效降低峰谷差，从而实现削峰填谷，提高配电网资产的综合利用率；另一方面，在智能配电网中，将广泛存在小容量、分布式的间歇性能源接入，能量储能系统作为平抑功率波动于配电网来说将是必不可少的设备。电池储能由于其配置灵活、响应快、不受地理环境限制等特点非常适应于智能配电网，因此，未来智能配电网中将大量存在电池储能系统(Battery Energy Storage System，电池储能)，基于此，电池储能的动态特性显然会影响整个配电网的动态特性。
在大电网的计算仿真中，元件的模型结构和参数的精确程度决定了计算结果的可信度，在其它诸如发电机、变压器等元件模型已经成熟的前提下，对于含有电池储能的配电网，计及电池储能的动态特性的广义负荷模型成为了大电网仿真结果准确性的一个关键性因素，因此，研究适用于电力系统负荷建模的电池储能的动态模型结构及其参数辨识，建立一种能用于配网侧广义负荷建模的动态模型，用于描述配网侧广义负荷模型中的电池储能动态行为，有着非常重要的意义。
在现有技术中，并没有描述配网侧广义负荷模型中电池储能动态行为的模型，目前，储能系统的建模多是基于电池本体进行单体或成组建模的详细数字仿真模型，该类模型虽然精度高，但是模型过于复杂，且不适于辨识，以及配网侧广义负荷建模的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型，用于描述配网侧广义负荷建模中电池储能动态行为，该电池储能系统动态模型是基于储能系统并网的整体外特性，提取主要特征(包括等效电压源电压、等效电压源电压与电网电压之间的电阻以及惯性时间常数)进行模型构建，对并网使用的储能电池类型并未做限制，该模型结构简单，具有更强的泛化能力。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型，包括等效电压源模块、电阻模块以及惯性时间常数模块；
所述等效电压源模块与所述电阻模块串联形成串联模块，所述串联模块与所述惯性时间常数模块并联；所述惯性时间常数模块还与电网并联；
所述等效电压源模块，用于表示与电网电压同相位的电池储能系统等效电压源；所述电阻模块，用于表示电池储能系统等效电压源电压与电网电压之间的电阻；所述惯性时间常数模块，用于模拟整个电池储能系统的惯性特性。
该电池储能系统动态模型基于通用的储能电池单体模型，将电池组看成是带内阻的电压源，变流器等效为一个具有惯性动态特性的高比例增益环节，电网电压经过派克变换后，电池储能系统动态模型可以理解为带内阻的电压源U直接连接到电网电压的等效电路。在该电池储能动态模型中，等效电压源模块即为电池组的电压源U，电阻模块即为电池组的内阻，惯性时间常数模块即为变流器，所述惯性时间常数模块仅作用于并网功率，而不对电压和电流起作用，惯性时间常数模块的两侧同电位，都可理解为电网电压。
进一步的，所述电池储能系统动态模型的数学表达式为：
ig.abc＝(ub.abc-ug.abc)/R
Figure BDA0001696054390000021
Figure BDA0001696054390000022
其中，ig.abc表示并网电流(电池储能系统并入电网时，并网点的电网电流)；
Figure BDA0001696054390000023
表示并网电流ig.abc的共轭值；ub.abc表示电池储能系统等效电压源电压，与电网电压同相位；ug.abc表示电网电压；R表示ub.abc与ug.abc之间的电阻；P'表示并网功率的中间值(即电池储能系统经变流器前的输出功率)；P表示并网功率(即电池储能系统经变流器后的输出功率)；T表示惯性时间常数。
通过电池储能系统动态模型及其数学表示式可知，该模型是通过惯性时间常数模块来反映变流器的动态特性，变流器的动态特性是指电网信号(功率、电压、电流)在处理和传递过程中出现的延时特性，T表示惯性时间常数，利用惯性环节反映变流器对信号的延时特性，简单明了的实现目的，便于辨识得到模型参数。
进一步的，为了提高电池储能系统动态模型的泛化能力，对电池储能系统等效电压源电压与电网电压之间的电阻R进行修正，修正后的值R'为
R'＝R-kr·10ΔU
其中，R'表示R的修正值，kr表示修正系数，ΔU表示电压跌落值。
进一步的，所述修正系数kr在[0，1]区间内取任意值，且修正值R'不大于电阻R的20％。
有益效果：
本发明提出的一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型，包括等效电压源模块、电阻模块以及惯性时间常数模块，利用等效电压源模块和电阻模块反映电池储能系统直流侧电压源的特性，利用惯性时间常数模块反映变流器的动态特性，从电网角度模拟了由并网处电网电压变化引起的并网电流的变化趋势，且考虑了相对于电网电池储能具有的惯性特性，能够较好的描述电池储能动态行为；该模型结构简单，参数少，不仅能够描述配网侧广义负荷模型中的电池储能动态行为，且对电池储能系统在并网处的暂态特性进行了较为准确的描述，以满足电力系统负荷建模的要求，为电力系统的仿真实验提供模型基础；
本发明还考虑了电压跌落幅度与电阻R之间的关系，通过建立电压跌落幅度与R之间的函数关系式改进电池储能系统动态模型，提高了模型的泛化能力和参数的稳定性，使模型的描述能力更为精确；
本发明对于电力系统负荷建模来说，在考虑含电池储能的配电网时，一般把电池储能作为广义负荷的一部分，与传统意义上的负荷一起构成广义负荷模型，本发明所建立适用于负荷建模的电池储能系统动态模型主要基于并网功率因素为1时(作为有功负荷，从电网中吸收有功功率)的场景，也同样适用于电池储能并网功率因素为-1时(作为发电设备，向电网中释放有功功率)的情况，即该模型也可用于描述电池储能作为负荷从电网吸收有功功率的情形，虽然提出的模型是基于电力系统负荷建模，但是可应用于其它电力系统暂态仿真。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明电池储能系统动态模型的结构示意图；
图2是本发明改进后的电池储能系统动态模型的结构示意图；
图3是本发明电池储能系统动态模型与改进后的电池储能系统动态模型泛化能力的仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型，包括等效电压源模块、电阻模块以及惯性时间常数模块；
所述等效电压源模块与所述电阻模块串联形成串联模块，所述串联模块与所述惯性时间常数模块并联；所述惯性时间常数模块还与电网并联；
所述等效电压源模块，用于表示与电网电压同相位的电池储能系统等效电压源；所述电阻模块，用于表示电池储能系统等效电压源电压与电网电压之间的电阻；所述惯性时间常数模块，用于模拟整个电池储能系统的惯性特性。
该电池储能系统动态模型基于通用的储能电池单体模型，将电池组看成是带内阻的电压源，变流器等效为一个具有惯性动态特性的高比例增益环节，电网电压经过派克变换后，电池储能系统动态模型可以理解为带内阻的电压源U直接连接到电网电压的等效电路。在该电池储能动态模型中，等效电压源模块即为电池组的电压源U，电阻模块即为电池组的内阻，惯性时间常数模块即为变流器，所述惯性时间常数模块仅作用于并网功率，而不对电压和电流起作用，惯性时间常数模块的两侧同电位，都可理解为电网电压。
变流器的主要作用是改变信号的幅值，信号幅值的改变通过增益环节来实现，而变流器的延时特征则采用惯性环节来模拟实现，因此，变流器可以等效为一个具有惯性动态特性的高比例增益环节。
该电池储能系统动态模型从机理性与外特性等效的角度，以功率为控制对象，构建描述电池储能系统在并网处的电气特性，反映电池储能系统半机理性的适用于描述配网侧广义负荷模型中的电池储能动态行为。
半机理性是与机理性(从事物的原理来分析其变化或作用规律)和非机理性(在不明原理的基础上了解作用结果或规律)相对应的概念，介于机理性和非机理性之间的非机理性是指部分规律可以从原理上解释，而部分规律的原理仍是未知或无法分析和解释的，本发明中电池储能系统动态模型(U、R有电气意义)的电压、电流及功率符合基本欧姆定律，并可采用戴维南定理描述，而其动态特性直接采用惯性环节来描述(T不具备电气意义)，未能解释其机理，故称该电池储能系统动态模型为半机理性模型。
相比现有的储能模型，该电池储能系统动态模型在反映负荷建模领域储能基本特征量(电压、电流以及电压源内阻)的同时，模型等效元件更简单、更快捷。原有储能模型、简单储能模型(例如一阶惯性环节)仅可反映其对应的延时效果，无法反映其直流侧电压源特性(电压、电流以及电压源内阻特性)；相比复杂的机电暂态模型，在满足仿真需求(反映直流侧电压源特性)的基础上，该电池储能系统动态模型等效元件更简单、更便捷。
电池储能系统动态模型的数学表达式为：
ig.abc＝(ub.abc-ug.abc)/R (1)
Figure BDA0001696054390000051
Figure BDA0001696054390000052
其中，ig.abc表示并网电流(电池储能系统并入电网时，并网点的电网电流)；
Figure BDA0001696054390000053
表示并网电流ig.abc的共轭值；ub.abc表示电池储能系统等效三相电压源电压，与电网电压同相位；ug.abc表示电网电压；R表示ub.abc与ug.abc之间的电阻；P'表示并网功率的中间值(即电池储能系统经变流器前的输出功率)；P表示并网功率(即电池储能系统经变流器后的输出功率)；T表示惯性时间常数。ig.abc、ug.abc、ub.abc均可以利用设备直接采样获取。
式(3)可以转换为
Figure BDA0001696054390000054
由式(1)(2)(3)来描述电池储能系统动态模型及描述精度，在较小的时间间隔内，电池组总是能够基于戴维南定理等效为带内阻的电压源结构，而变流器等效为一高增益的小惯性环节，式(1)描述了并网电流与电池储能系统等效三相电压源电压、电网电压以及两者之间电阻的关系，即并网电流是由等效三相电压源电压(储能等效)与电网电压的差值来决定的；式(2)描述了电池储能系统经变流器前的输出功率情况；式(3)描述了变流器等效的高增益小惯性环节，因此，数学表达式(1)-(3)能够精确的表示电池储能系统动态模型。
通过电池储能系统动态模型及其数学表示式可知，该模型是通过惯性时间常数模块来反映变流器的动态特性，变流器的动态特性是指电网信号(功率、电压、电流)在处理和传递过程中出现的延时特性，T表示惯性时间常数，利用惯性环节反映变流器对信号的延时特性，简单明了的实现目的，便于辨识得到模型参数。
适用于配电网广义负荷建模的电池储能系统动态模型，需要满足负荷模型的一般要求且能够描述在并网处电气量的外特性，同时具有比较好的泛化能力；根据表1的实验数据可知，随着电压跌落深度增大，辨识后的参数R和T的值逐步减小，这种现象表明电池储能系统动态模型的参数是关于电压跌落深度的函数，也意味着电池储能系统动态模型的泛化能力将受到限制。因此，为提高模型的泛化能力和精确度，建立电压跌落幅度与模型参数之间的函数关系式以对模型进行改进。参数T为惯性时间常数，不影响电流或功率大小，又由式(1)、(2)知，电流或功率大小主要受参数R的影响，由此，可只考虑电压跌落幅度与R的函数关系，而忽略对T的影响。
表1电池储能系统动态模型的参辨识实验数据
编号 电压降落(％) R(p.u.) T 平均误差
1 10 1.2373 0.0105 0.000299
2 15 1.2294 0.0010 0.000648
3 20 1.2156 0.0098 0.001163
4 25 1.2032 0.0097 0.001664
5 30 1.1812 0.0095 0.002273
R(p.u.)表示电阻的标幺值，以设定值为基准后的标幺值，(p.u.)为标幺值的标识。
考虑到R与ΔU呈负向关系，选择式(5)作为修正表达式，修正后的值R'为
R'＝R-kr·10ΔU (5)
其中，R'表示R的修正值，kr表示修正系数，ΔU表示电压跌落值，ΔU＝ub.abc-ug.abc，ΔU的值可以通过实验或者仿真得到。对R进行修正后，改进后的电池储能系统动态模型如图2所示。修正系数kr在[0，1]区间内取任意值，修正部分占据比例较原始值更小，因此，修正后的R'不大于电阻R的20％，待定参数R具体取值采取辨识法进行取定，本实施例采用遗传算法进行辨识获取，遗传算法辨识获取待定参数为现有技术，可参见参考文献[1]。
本发明的电池储能系统动态模型与改进后的电池储能系统动态模型泛化能力比较，如图3所示，图3的纵坐标P(p.u.)表示有功功率的标幺值，以设定值为基准后的标幺值(单位：p.u.)；利用MATLAB/Simulink工具包进行仿真得到图3中仿真功率曲线、改进前动态模型功率曲线及改进后动态模型功率曲线的对比，可看出，改进后动态模型的功率曲线与实验数据(仿真功率曲线)更为贴近，即模型的描述能力更强，描述精度和泛化能力更强。
以上所述的具体实施方式，对本发明的技术领域、背景、目的、方案和有益效果做了进一步的详细说明，所应理解的是，本实施方式仅为本发明的优选方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
参考文献：
[1]李欣然,金群,刘艳阳,等.遗传策略的综合改进及其在负荷建模中的应用[J].电网技术,2006,30(11):40-46.

Claims (3)

1.一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型，其特征在于：包括等效电压源模块、电阻模块以及惯性时间常数模块；
所述等效电压源模块与所述电阻模块串联形成串联模块，所述串联模块与所述惯性时间常数模块并联；所述惯性时间常数模块还与电网并联；
所述等效电压源模块，用于表示与电网电压同相位的电池储能系统等效电压源；
所述电阻模块，用于表示电池储能系统等效电压源电压与电网电压之间的电阻；
所述惯性时间常数模块，用于模拟整个电池储能系统的惯性特性；
对电池储能系统等效电压源电压与电网电压之间的电阻R进行修正，修正后的值R'为
R'＝R-kr·10ΔU
其中，R'表示R的修正值，kr表示修正系数，ΔU表示电压跌落值。
2.根据权利要求1所述的一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型，其特征在于：其数学表达式为：
ig.abc＝(ub.abc-ug.abc)/R
Figure FDA0002381130480000011
Figure FDA0002381130480000012
其中，ig.abc表示并网电流；
Figure FDA0002381130480000013
表示并网电流ig.abc的共轭值；ub.abc表示电池储能系统等效电压源电压，与电网电压同相位；ug.abc表示电网电压；R表示ub.abc与ug.abc之间的电阻；P'表示并网功率的中间值；P表示并网功率；T表示惯性时间常数。
3.根据权利要求1所述的一种适于负荷建模的电池储能系统动态模型，其特征在于：所述修正系数kr在[0，1]区间内取任意值，且修正值R'不大于电阻R的20％。
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