[發明專利]一種基于虛擬同步發電機的儲能輔助調頻容量配置方法

在審

• 申請號: 202011031599.7
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112186786A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 潘霄;張明理;宋坤;張娜;王義賀;程孟增;商文穎;顏寧;崔嘉;穆昱壯;王鶴霏;候依昕;劉禹彤;滿林坤;吉星;李佳桓;楊方圓;朱赫焱;楊朔;李純正;徐熙林
• 申請（專利權）人: 國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院;沈陽工業大學
• 主分類號: H02J3/28
• 分類號: H02J3/28;H02J3/32;H02J3/24;H02J3/00
• 代理公司: 沈陽亞泰專利商標代理有限公司 21107
• 代理人: 許宇來

1.一種基于虛擬同步發電機的儲能輔助調頻容量配置方法，包括以下步驟：

步驟1，對虛擬同步發電機進行解耦。

步驟1-1，構建虛擬同步機二階數學模型，其定子方程為

式中u_abc表示端電壓，i_abc代表虛擬同步機電流，R代表虛擬同步機定子繞組上電阻，L_S代表虛擬同步機定子繞組電感，e_abc表示虛擬同步機內部電位。

步驟1-2，虛擬同步機轉子方程：

其中，J表示虛擬同步電機的轉動慣量，ω為其機械角速度，T_m為機械轉矩，T_e為電磁轉矩，K_D為阻尼系數，ω_n表示虛擬同步機的額定角速度，P_m為虛擬同步機機械功率，P_e表示從儲能變流器得到的輸出電磁功率。

步驟2，將同步機數學模型方程引入到虛擬同步機中，其中虛擬同步機的機械功率P_m表達式為

其中，1/D_P表示有功下垂系數，P_ref表示虛擬同步機標定的參考功率，(ω_ref-ω_pcc)/D_P是指功率偏差反饋指令。通過對虛擬同步機功率大小的調節，可以實現對電網頻率的調節。

步驟3，為了補充電網有功不足，復合儲能系統的功率P_H(t)為

P_H(t)＝P_SC(t)+P_VRB(t) (4)

其中，P_SC(t)和P_VRB(t)分別為超級電容器和全釩液流電池的輸出有功功率。

當電網中系統頻率出現波動的情況時，其缺失功率為

P_N(t)＝P_O(t)-P_L(t) (5)

其中，P_N(t)表示電網波動時的缺失功率，P_O(t)為電網內的機組輸出功率，P_L(t)表示調頻區域電網內負載的總的需求響應功率。當給出調頻周期指令時，設定開始時間t₀和結束時間t₁，則儲能額定輸出功率為

其中，P_HR(t)表示儲能額定輸出功率，η₀為DC/DC效率，η₁為DC/AC效率，η_{SC_Q}表示超級電容器放電效率，η_{VBR_Q}為全釩液流電池放電效率，P_N(t)_{_max}是某一時刻該區域電網調頻需求功率最大值。

考慮到實際工作中儲能系統的工作效率以及各個電源電池本身的充、放電效率，于是復合儲能系統的實時功率P_NH(t)表示為

其中，η_{SC_C}表示超級電容器充電效率，η_{VRB_C}表示全釩液流電池充電效率。

步驟4，基于調頻效果最佳設計復合儲能系統容量，其中儲能中超級電容器的荷電狀態Q_{SOC_SC}和全釩液流電池的荷電狀態Q_{SOC_VRB}分別表示為

其中，Q_{SOC_SC_0}表示超級電容器初始荷電狀態，P_{SC_0}(t)表示超級電容器實時功率，E_SC表示超級電容器容量，Q_{SOC_VRB_0}表示全釩液流電池的初始荷電狀態，P_{VRB_0}表示全釩液流電池實時功率，E_VRB表示全釩液流電池容量。

復合儲能系統整體荷電狀態Q_SOC表示為

其中，Q_{SOC_0}是超級電容器初始荷電狀態，P_{SC_0}表示超級電容器實時功率，E_SC表示超級電容器的容量。為了滿足電網調頻需求，以復合儲能系統調頻效果最佳為目標建立函數C₁，其表達式為

為了減少成本，延長壽命，減少電池損耗，需要滿足以下約束條件

其中，Q_{SOC_SC_max}表示超級電容器荷電狀態設置最大值，Q_{SOC_SC_min}表示超級電容器荷電狀態設置最小值。Q_{SOC_VRB_max}表示全釩液流電池允許荷電狀態最大值，Q_{SOC_VRB_min}表示全釩液流電池允許的荷電狀態最小值。

步驟5，以經濟效益最佳為目標設計復合儲能系統容量。復合儲能成本包括一次開發所產生的費用以及系統日常運行和維護費用，其總成本表達式為

C_T＝C_E+C_M (12)

其中，C_T為復合儲能系統總運行成本，C_M為復合儲能系統常規運行時所產生的維護成本，C_E為復合儲能系統年均一次投入成本。復合儲能系統的一次投入成本

C_E＝C_EVBR+C_ESC (13)

其中，C_EVBR為全釩液流電池一次投入成本，C_ESC為超級電容器一次投入成本。全釩液流電池和超級電容器一次投入成本計算公式為

其中，C_{P_VRB}表示VRB單位功率成本，P_VRB為其額定功率，C_{E_VRB}表示VRB單位容量成本，E_VRB為其額定容量。C_{P_SC}為SC單位功率成本，P_SC為其額定功率，C_{E_SC}為SC單位時間內單位容量成本，E_SC為其額定容量。由此可得，復合儲能系統運行維護成本計算公式為

C_M＝(C_{M_VRB}E_VRB+C_{M_SC}E_SC)×T (15)

其中，C_M表示復合儲能系統總體維護運行成本，C_{M_VRB}為全釩液流電池單位容量維護運行成本，C_{M_SC}為超級電容器單位容量維護成本，T代表循環的次數。

復合儲能系統綜合經濟效益計算公式為

I＝I₁+I₂ (16)

其中，I為總經濟效益，I₁為復合儲能系統的直接經濟效益，I₂為復合儲能系統的間接收益。

步驟5-1，直接收入計算公式為

I₁＝(λ_T+β)Q_T (17)

其中，λ_T表示調頻電價，β表示政府及電網公司制定的輔助調頻設施的補償電費單價，ω_T表示調頻電量。

步驟5-2，間接收益主要是指復合儲能系統參與電網調頻后減少棄風棄光所產生的損失費用，計算公式為

I₂＝U_SQ_S (18)

其中，U_S為損失電量每度成本，Q_S為損失電量。Q_S的求解公式為

其中，P_L為平均棄風棄光損失功率。由以上可以推出，復合儲能系統參與電網調頻的綜合經濟效益最佳數學模型為

M₂＝max{I-C_T} (20)

步驟6，多目標優化，在研究復合儲能參與電網調頻容量優化配置時，選取調頻效果最佳且經濟收益最大作為優化目標，根據改進的粒子群算法對二者進行優化，其改進目標函數為

M＝max{K₁M₁+K₂M₂} (21)

其中，K₁和K₂表示權重系數，滿足公式(11)的約束條件。