CN117439113B - 一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储能系统控制技术领域，提供一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法。该方法包括：采集混合储能系统的并网点联络线的传输功率；根据传输功率进行振荡辨识，获得振荡功率及功率信息；预设振荡频率分区阈值，进行振荡分类获得分类结果并将振荡功率协调分配；将振荡功率附加至混合储能系统的虚拟同步机的机械功率，获得附加功率，通过混合储能系统的SOC状态值对附加功率进行限幅，获得输入功率；通过混合储能系统的系统阻尼比计算获得虚拟同步机的虚拟惯量及虚拟阻尼系数；将输入功率输入至虚拟同步机，获得输出电动势调节电网电压幅值。本发明解决了阻尼与惯量的矛盾，提高了混合储能系统的运行安全性及运行寿命。

Description

一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法
技术领域
本发明涉及储能系统控制技术领域，尤其涉及一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法。
背景技术
随着高比例新能源与高比例电力电子设备的接入，“双高”电力系统的低惯性特征日益显著，大规模变流器快速控制引发严重的宽频振荡问题，威胁电力系统的安全稳定运行。储能系统具有能量主动注入能力，在电力系统宽频振荡抑制方面具有显著优势。
现有的储能系统抑制宽频振荡方法主要分为两类，一是基于阻尼控制器和谐振控制器的储能抑制低频振荡方法，采用附加阻尼控制抑制负阻尼振荡，采用功率振荡谐振控制抑制强迫振荡与广义强迫振荡，可以有效辨识多类型低频振荡并抑制其向其他区域扩散；二是基于动态一致性阻尼的抑制风电场低频振荡的储能控制方法，通过在低频振荡点设置虚拟阻尼，对储能系统的振荡进行抑制。
但是当前的抑制宽频振荡的方法，并没有同时考虑储能系统最优寿命与抑制振荡的平衡性，系统整体的暂态稳定性较低，可能会造成储能系统的运行安全问题。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法。
本发明提供一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，包括：
S1：采集混合储能系统的并网点联络线的传输功率；
S2：根据所述传输功率进行振荡辨识，获得振荡功率及功率信息；
S3：基于所述功率信息中的振荡频率预设分区阈值，根据所述分区阈值进行振荡分类获得分类结果，由所述分类结果将所述振荡功率协调分配；
S4：将所述振荡功率附加至混合储能系统的虚拟同步机的机械功率，获得附加功率，通过混合储能系统的SOC状态值对所述附加功率进行限幅，获得输入功率；
S5：通过混合储能系统的系统阻尼比计算获得所述虚拟同步机的虚拟惯量及虚拟阻尼系数；
S6：将所述输入功率输入至虚拟同步机，获得输出电动势，通过所述输出电动势调节电网电压幅值，以完成宽频振荡抑制。
根据本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，步骤S2中的所述功率信息包括振荡幅值、振荡频率及相位信息。
根据本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，步骤S2中的所述振荡功率的表达式为：
；
其中，为振荡功率信息，/>为振荡幅值，/>为振荡频率，/>为采样时间，/>为相位信息。
根据本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，步骤S3中的所述分类结果包括高频振荡、中频振荡及低频振荡；
所述高频振荡的表达式为：
；
所述中频振荡的表达式为：
；
所述低频振荡的表达式为：
；
其中，为高频振荡功率，/>为中频振荡功率，/>为低频振荡功率，/>为第一虚变量，/>为分类结果中高频振荡和中频振荡的振荡频率分区阈值，/>为分类结果中中频振荡和低频振荡的振荡频率分区阈值。
根据本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，步骤S3中的所述协调分配的规则包括：
若所述分类结果为高频振荡，所述振荡功率由混合储能系统中的飞轮承担；
若所述分类结果为中频振荡，通过分配原则将所述振荡功率协调分配至飞轮及锂离子电池共同承担；
若所述分类结果为低频振荡，通过分配原则将所述振荡功率协调分配至飞轮及锂离子电池共同承担；
所述分配原则的表达式为：
；
其中，为分配至飞轮承担的振荡功率，/>为分配至锂离子电池承担的振荡功率，/>为飞轮储能功率容量，/>为锂离子电池承担的振荡功率。
根据本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，步骤S4中，对所述附加功率进行限幅的规则包括：
当所述SOC状态值小于电池安全下限值时，所述输入功率上限为0，所述混合储能系统进行以为充电下限的充电，其中/>为混合储能系统的最大功率；
当所述SOC状态值大于电池安全上限值时，所述输入功率下限为0，所述混合储能系统进行以为放电上限的放电；
当所述SOC状态值小于电池安全上限值且大于电池安全下限值时，所述输入功率的下限为，所述输入功率的上限为/>。
根据本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，步骤S5中的所述系统阻尼比的表达式为：
；
其中，为系统阻尼比，/>为一次调频下垂系数，/>为虚拟阻尼系数，/>为系统额定角频率，/>为同步电压系数，/>为虚拟惯量。
根据本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，步骤S6中的所述输入功率的表达式为：
；
其中，为虚拟同步机输入功率，/>为有功功率参考值，/>为系统实际角频率。
根据本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，步骤S6中的所述虚拟同步机的控制方程的表达式为：
；
其中，为混合储能系统的并网有功功率，/>为第二虚变量。
根据本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，步骤S6中的所述输出电动势的表达式为：
；
其中，为输出电动势，/>为额定电网电压幅值，/>为一次调压下垂系数，/>为无功功率参考值，/>为混合储能系统的并网无功功率。
本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，一是在飞轮-锂离子电池混合储能系统虚拟同步机控制的基础上，通过引入附加振荡功率以改进控制结构，使得飞轮-锂离子电池混合储能系统在主动吞吐电网不平衡振荡功率的同时，为电力系统提供正阻尼，实现电力系统宽频振荡的抑制；二是通过宽频振荡分频抑制策略，合理分配飞轮-锂离子电池混合储能系统功率，在保证飞轮-锂离子电池混合储能系统最优寿命的前提下最大化抑制电力系统宽频振荡的能力;三是通过考虑飞轮-锂离子电池混合储能系统SOC的功率限幅环节保证系统的安全运行；四是通过评价系统阻尼比优化虚拟惯量和虚拟阻尼，提高系统的暂态稳定性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，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。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1描述本发明的实施例。
本发明提供一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，包括：
S1：采集混合储能系统的并网点联络线的传输功率；
进一步的，首先基于高速通信网络与通信设备接收电网同步相量测量单元信号，获取飞轮-锂离子电池混合储能系统并网点电压以及并网处联络线的电流信号，计算联络线的传输功率振荡功率。
S2：根据所述传输功率进行振荡辨识，获得振荡功率及功率信息；
其中，步骤S2中的所述功率信息包括振荡幅值、振荡频率及相位信息。
其中，步骤S2中的所述振荡功率的表达式为：
；
其中，为振荡功率信息，/>为振荡幅值，/>为振荡频率，/>为采样时间，/>为相位信息。
进一步的，利用傅里叶变换等算法对联络线的传输功率信号进行变换与分解，从中提取辨识出振荡功率的幅值、频率、相位等信息，并利用这些信息生成电网振荡功率。
S3：基于所述功率信息中的振荡频率预设分区阈值，根据所述分区阈值进行振荡分类获得分类结果，由所述分类结果将所述振荡功率协调分配；
其中，步骤S3中的所述分类结果包括高频振荡、中频振荡及低频振荡；
所述高频振荡的表达式为：
；
所述中频振荡的表达式为：
；
所述低频振荡的表达式为：
；
其中，为高频振荡功率，/>为中频振荡功率，/>为低频振荡功率，/>为第一虚变量，/>为分类结果中高频振荡和中频振荡的振荡频率分区阈值，/>为分类结果中中频振荡和低频振荡的振荡频率分区阈值。
进一步的，基于预置频率阈值划分的振荡频段分区，将振荡频率与频率阈值进行比较，确定系统振荡类型，预置频率阈值将电力系统振荡分为高频振荡、中频振荡和低频振荡。
其中，步骤S3中的所述协调分配的规则包括：
若所述分类结果为高频振荡，所述振荡功率由混合储能系统中的飞轮承担；
若所述分类结果为中频振荡，通过分配原则将所述振荡功率协调分配至飞轮及锂离子电池共同承担；
若所述分类结果为低频振荡，通过分配原则将所述振荡功率协调分配至飞轮及锂离子电池共同承担；
所述分配原则的表达式为：
；
其中，为分配至飞轮承担的振荡功率，/>为分配至锂离子电池承担的振荡功率，/>为飞轮储能功率容量，/>为锂离子电池承担的振荡功率。
进一步的，高频振荡功率对电池储能系统的寿命有较大影响，需要由飞轮完全承担振荡功率，对于中频振荡采用最大飞轮储能功率的原则进行飞轮-锂离子电池混合储能系统的功率分配，对于低频振荡，按照两种储能系统的功率容量占比分配振荡功率。
S4：将所述振荡功率附加至混合储能系统的虚拟同步机的机械功率，获得附加功率，通过混合储能系统的SOC状态值对所述附加功率进行限幅，获得输入功率；
进一步的，飞轮-锂离子电池混合储能系统快速地吞吐电网不平衡功率实现振荡抑制，因此，在检测到系统振荡发生后，在虚拟同步机的输入功率附加振荡功率，附加的振荡功率由振荡辨识环节获取。
其中，步骤S4中，对所述附加功率进行限幅的规则包括：
当所述SOC状态值小于电池安全下限值时，所述输入功率上限为0，所述混合储能系统进行以为充电下限的充电，其中/>为混合储能系统的最大功率；
当所述SOC状态值大于电池安全上限值时，所述输入功率下限为0，所述混合储能系统进行以为放电上限的放电；
当所述SOC状态值小于电池安全上限值且大于电池安全下限值时，所述输入功率的下限为，所述输入功率的上限为/>。
进一步的，本发明在飞轮-锂离子电池混合储能系统振荡功率分配的基础上，设计一种考虑飞轮-锂离子电池混合储能系统SOC安全约束的功率限幅环节。
为了方便描述，本文规定储能系统放电时功率大于零，充电时功率小于零。功率限幅采取如下原则，若SOC小于其安全下限，输入功率上限为零，此时飞轮与锂离子电池只能进行充电，充电功率下限为，/>为飞轮或锂离子电池的最大功率；若SOC大于其安全上限，输入功率下限为零，此时飞轮与锂离子电池只能进行放电，放电功率上限为；若SOC在其安全下限与安全上限之间，则功率的下限与上限分别为/>和/>。
S5：通过混合储能系统的系统阻尼比计算获得所述虚拟同步机的虚拟惯量及虚拟阻尼系数；
进一步的，当系统振荡发生时，为了提高系统稳定性，需评估系统的阻尼比指标，用于优化虚拟惯量、虚拟阻尼与一次调频下垂系数。
其中，步骤S5中的所述系统阻尼比的表达式为：
；
其中，为系统阻尼比，/>为一次调频下垂系数，/>为虚拟阻尼系数，/>为系统额定角频率，/>为同步电压系数，/>为虚拟惯量。
实际运行时，飞轮-锂离子电池混合储能系统虚拟同步机应为电网提供正阻尼，一般要求阻尼比大于1，通过调节虚拟阻尼系数及虚拟惯量以使得系统阻尼比大于1。当系统不发生振荡时，飞轮-锂离子电池混合储能系统的虚拟同步机控制主要承担系统的一次调频任务，采用一次调频评价指标优化虚拟惯量、虚拟阻尼与一次调频下垂系数。
S6：将所述输入功率输入至虚拟同步机，获得输出电动势，通过所述输出电动势调节电网电压幅值，以完成宽频振荡抑制。
进一步的，飞轮-锂离子电池混合储能系统的基本控制采用虚拟同步机控制，通过模拟同步发电机的转子运动方程，构成飞轮-锂离子电池混合储能系统虚拟同步机，使其具备一次调频与调压能力。
其中，步骤S6中的所述输入功率的表达式为：
；
其中，为虚拟同步机输入功率，/>为有功功率参考值，/>为系统实际角频率。
进一步的，，/>为电网频率，而虚拟同步机通过模拟同步发电机调速器实现一次调频，因此输入功率在有功功率参考值的基础上叠加角速度的下垂分量。
其中，步骤S6中的所述虚拟同步机的控制方程的表达式为：
；
其中，为混合储能系统的并网有功功率，/>为第二虚变量。
其中，步骤S6中的所述输出电动势的表达式为：
；
其中，为输出电动势，/>为额定电网电压幅值，/>为一次调压下垂系数，/>为无功功率参考值，/>为混合储能系统的并网无功功率。
进一步的，虚拟同步机利用无功-电压下垂关系调节电网电压幅值，实现一次调压。
本发明提供的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，通过改进虚拟同步机控制结构，引入附加振荡功率，使得飞轮-锂离子电池混合储能系统具备主动吞吐电网不平衡振荡功率的能力，为电力系统提供正阻尼，实现电力系统宽频振荡的抑制。本发明所提出的基于振荡频率分区的振荡功率协调控制方法，充分利用飞轮与锂离子电池的响应特性与寿命特性，有助于提高飞轮-锂离子电池混合储能系统的运行寿命，本发明所提出的宽频振荡抑制方法考虑了飞轮与锂离子电池二者的安全运行约束，有利于系统的安全稳定运行，并且通过评价系统阻尼比优化虚拟惯量和虚拟阻尼，提高系统的暂态特性与稳定性，解决了正常系统运行时阻尼与惯量间的矛盾。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，包括：
S1：采集混合储能系统的并网点联络线的传输功率；
S2：根据所述传输功率进行振荡辨识，获得振荡功率及功率信息；
S3：基于所述功率信息中的振荡频率预设分区阈值，根据所述分区阈值进行振荡分类获得分类结果，由所述分类结果将所述振荡功率协调分配；
S4：将所述振荡功率附加至混合储能系统的虚拟同步机的机械功率，获得附加功率，通过混合储能系统的SOC状态值对所述附加功率进行限幅，获得输入功率；
S5：通过混合储能系统的系统阻尼比计算获得所述虚拟同步机的虚拟惯量及虚拟阻尼系数；
S6：将所述输入功率输入至虚拟同步机，获得输出电动势，通过所述输出电动势调节电网电压幅值，以完成宽频振荡抑制。
2.根据权利要求1所述的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S2中的所述功率信息包括振荡幅值、振荡频率及相位信息。
3.根据权利要求2所述的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S2中的所述振荡功率的表达式为：
；
其中，为振荡功率信息，/>为振荡幅值，/>为振荡频率，/>为采样时间，/>为相位信息。
4.根据权利要求3所述的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S3中的所述分类结果包括高频振荡、中频振荡及低频振荡；
所述高频振荡的表达式为：
；
所述中频振荡的表达式为：
；
所述低频振荡的表达式为：
；
其中，为高频振荡功率，/>为中频振荡功率，/>为低频振荡功率，/>为第一虚变量，/>为分类结果中高频振荡和中频振荡的振荡频率分区阈值，/>为分类结果中中频振荡和低频振荡的振荡频率分区阈值。
5.根据权利要求4所述的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S3中的所述协调分配的规则包括：
若所述分类结果为高频振荡，所述振荡功率由混合储能系统中的飞轮承担；
若所述分类结果为中频振荡，通过分配原则将所述振荡功率协调分配至飞轮及锂离子电池共同承担；
若所述分类结果为低频振荡，通过分配原则将所述振荡功率协调分配至飞轮及锂离子电池共同承担；
所述分配原则的表达式为：
；
其中，为分配至飞轮承担的振荡功率，/>为分配至锂离子电池承担的振荡功率，为飞轮储能功率容量，/>为锂离子电池承担的振荡功率。
6.根据权利要求1所述的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S4中，对所述附加功率进行限幅的规则包括：
当所述SOC状态值小于电池安全下限值时，所述输入功率上限为0，所述混合储能系统进行以为充电下限的充电，其中/>为混合储能系统的最大功率；
当所述SOC状态值大于电池安全上限值时，所述输入功率下限为0，所述混合储能系统进行以为放电上限的放电；
当所述SOC状态值小于电池安全上限值且大于电池安全下限值时，所述输入功率的下限为，所述输入功率的上限为/>。
7.根据权利要求3所述的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S5中的所述系统阻尼比的表达式为：
；
其中，为系统阻尼比，/>为一次调频下垂系数，/>为虚拟阻尼系数，/>为系统额定角频率，/>为同步电压系数，/>为虚拟惯量。
8.根据权利要求7所述的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S6中的所述输入功率的表达式为：
；
其中，为虚拟同步机输入功率，/>为有功功率参考值，/>为系统实际角频率。
9.根据权利要求8所述的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S6中的所述虚拟同步机的控制方程的表达式为：
；
其中，为混合储能系统的并网有功功率，/>为第二虚变量。
10.根据权利要求8所述的一种飞轮锂离子混合储能系统宽频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S6中的所述输出电动势的表达式为：
；
其中，为输出电动势，/>为额定电网电压幅值，/>为一次调压下垂系数，/>为无功功率参考值，/>为混合储能系统的并网无功功率。
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