一种全钒液流电池储能系统黑启动控制参数动态优化方法与流程

本发明属于储能，尤其涉及一种全钒液流电池储能系统黑启动控制参数动态优化方法。

背景技术：

1、进入21世纪以来，由于自然灾害、设备故障、运行人员误操作、保护拒动和误动甚至网络攻击等内外部因素，世界范围内发生多起大规模停电事故，这些事故给国民经济和电力系统本身都带来了空前的损失。为此如何使电网尽快恢复供电，以减少停电带来的损失，就成了各大电网所面临的问题之一。

2、大规模储能逐步成为克服新能源发电不稳定、随机性、间歇性等缺点，弥补高比例新能源电力系统调频、调峰压力增大的重要手段。随着系统规模的不断增大，储能逐步成为了新能源场站、区域电网黑启动电源的新选项。

3、储能系统作为间歇性电源与电网间的缓冲纽带，具有功能多样、控制灵活等特点，在实际工程应用中，工作模式主要分为并网运行和离网运行。对于不同工作模式，需要针对运行特点采用合适的控制策略。当储能系统运行于并网模式，储能系统通常采用简单、可靠的pq控制策略，可以看作为系统中的pq节点；当储能系统运行于离网模式，控制方法可分为主从控制和对等控制两类：主从控制策略是由一台储能单元作为主电源，采用vf控制支撑系统电压、频率稳定，其他单元仍采用pq控制跟随功率指令输出电能；对等控制中所有储能单元都以电压源形式接入点电压，相互具有平等地位，共同维护系统功率平衡和频率稳定，而下垂控制是一种对等控制策略，目前己被广泛应用。在传统电力系统中，同步发电机组的下垂特性及转动惯量大等因素，在维持系统的电压和频率稳定方面起着关键作用。然而，越来越多的发电装置采用电力电子接口，不利于电力系统在系统频率和安全方面保持坚强的稳定性，为此要求逆变器具有能模拟传统同步发电机组为系统提供频率支撑和惯量调节能力，即虚拟同步机技术。

4、虚拟同步机技术vsg是将同步发电机的数学模型嵌入逆变器的控制算法中，将静止电力电子装置模拟为旋转电机的并网控制技术，并通过模拟同步发电机的一次调频、调压使其具有阻尼电压和频率快速波动、自动功率分配、同步电网运行的功能。

5、vsg拓扑结构包括直流电源、电力电子变流器、输出lc滤波器。通过在变流器控制系统中嵌入同步发电机方程，vsg能够实现直流电源与系统间按照同步发电机的特性进行功率交换。从系统角度来说，如果忽略电力电子器件开关动作产生的高频分量，vsg与同步发电机等效。在同步发电机中，机械转轴和绕组为系统的稳定运行提供必要的转动惯量和阻尼，而对于vsg而言，需要利用储能系统建立虚拟惯性和阻尼。同步发电机数学模型反映了其自身的包括惯性和阻尼在内的机械和电磁特性，是vsg技术的核心。控制算法能够保证vsg在规定范围内稳定运行，实现储能与vsg之间的协调运行。

6、上世纪80年代末期全钒液流电池的基础研究工作已经开展起来，全钒液流电池作为最新兴的技术之一应运而生，在储能系统等领域发挥着重要作用。全钒液流电池是通过钒离子的价态变化，实现化学能到电能的往复转换，从而实现电能存储与释放的一种储能技术。与其他储能技术相比，全钒液流电池储能技术具有如下安全性好、循环寿命长、充电性能良好、环保、可实时、准确监控电池系统荷电状态的优点。总体看，液流电池在输出功率为数千瓦至数百兆瓦，储能容量数小时以上级的规模化固定储能场合，液流电池储能具有明显的优势，是大规模高效储能技术的首选技术之一。

7、然而，在一些特定的储能系统当中，参数的设定导致的误差会对总体系统的构建带来十分不好的效果，甚至会造成器件的损坏以及系统的故障，或是在某些系统设计的实验中极大的影响实验结果，例如，在黑启动储能系统启动过程当中，导致储能系统的整体表现出输出功率不均的现象，进而导致多机并联产生环流。因此，本领域技术人员需要进一步的进行技术研发和更新。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种全钒液流电池储能系统黑启动控制参数动态优化方法。其目的是为了更好的解决储能与vsg更好的协调问题，通过仿真软件和控制策略的设计，最终实现动态参数的最有效的调节的发明目的。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

3、一种全钒液流电池储能系统黑启动控制参数动态优化方法，包括以下步骤：

4、步骤1.初始化参数的处理，建立储能系统的仿真模型；

5、步骤2.对建立的仿真模型进行设定，设定模糊控制器输入量和输出量的模糊子集；

6、步骤3.利用模糊控制模块得到优化后的动态参数；

7、步骤4.在储能系统中设定模糊控制器，对输出量进行优化，得到最佳的动态调节参数；

8、步骤5.对于储能系统的参考值和最佳的动态调节参数进行误差观察，从而获得超高效动态调节黑启动储能系统参数方法。

9、更进一步的，所述初始化参数的处理，包括：

10、对整体参数进行初始化，并建立储能系统的仿真模型；

11、储能系统的角速度偏差e＝ω-ω0和角速度化率ec＝dω/dt作为模糊控制器的输入。

12、更进一步的，所述初始化参数的处理，包括：

13、(1)vsg在模拟同步发电机运行特性时，其转子的振荡特性也随之表现出来；采用小信号法分析虚拟参数j、d对系统稳定性的影响，对转动惯量j和阻尼系数d对系统动态性能的影响进行分析如下：

14、定义vsg的转子运动方程为：

15、

16、上式中：pm为虚拟机械功率,pe为电磁功率，kω为虚拟调速系数；ω为虚拟角速度，ω0为角速度，δ为功角，dp为虚拟阻尼，j为虚拟惯量，ω为虚拟角速度，dω/dt为虚拟角速度ω对时间t求导，pref为参考有功功率，dω/dδ为虚拟角速度ω对功角δ求导；

17、(2)定义储能-vsg系统的有功功率和无功功率为：

18、

19、上式中：p为系统有功功率，e为系统电压，u为输出电压，δ为功角，z和θ分别为线路阻抗和阻抗角，表示为：

20、

21、(3)储能-vsg系统的闭环小信号模型；

22、结合储能-vsg的小信号模型分析方法，假设输出电阻r＝0，得到储能-vsg输出有功功率的二阶传递函数式为：

23、

24、上式中：s为系统对不同频率的输入信号的响应，k＝eu/z；

25、根据式(3)可得二阶系统的自然振荡角频率ωn和阻尼系数ξ分别为：

26、

27、取0<ξ<1，误差带控制在±5％时，则二阶系统的超调量σ％、调节时间ts、峰值时间tp和振荡次数n分别为：

28、

29、上式中：e为数学常数，自然对数的底数，近似等于2.718281828；

30、式(3)对应的二阶系统相位裕度γ不低于45度，截止角频率ωc等于0.8ω0，表达式为：

31、

32、上式中：ω0为角速度；

33、(4)根据vsg转子运动式，上式可得：

34、

35、上式中：δω为角频率变化量，为角频率对时间t的导数，pm、pe分别为虚拟机械功率和电磁功率；

36、由式(8)可知，δω和d、dω/dt和j呈反比关系，假设pm-pe-jω0(dω/dt)和pm-pe-d(ω-ω0)不变，d越大，δω越小；j越大，dω/dt越小；

37、

38、

39、式中：j、d分别为自适应惯量和阻尼，j0、d0分别为自适应惯量和阻尼的初始值，αj，αd分别为惯量和阻尼的调节系数，tj，td分别为角速度变化率和角速度偏差的变化阈值；

40、

41、式中：j0、d0分别为惯量和阻尼的初始值，jx、dx分别为惯量和阻尼的模糊自适应值；

42、表1为j和d对系统稳定性的影响对比表

43、 动态性能指标 d不变，j增大 j不变，d增大 超调量 变大 变小 调节时间 变长 变短 到达峰值的时间 越慢 越快 振荡次数 增加 减少

44、利用不同的惯量和阻尼系数变化参数相互对照，得到结论：j和d的取值影响系统输出有功功率的振荡衰减速率和振荡频率。

45、更进一步的，所述对建立的仿真型进行设定，设定模糊控制器输入量和输出量的模糊子集，根据角速度偏差e和角速度变化率ec、转动惯量jx和阻尼系dx进行物理论域的设定；隶属度函数是模糊集合论的基础，通过学习和不断的实践进行修正，最终确立输入量和输出量的隶属度函数。

46、更进一步的，所述利用模糊控制模块得到优化后的动态参数，利用模糊子集得到优化后的动态参数，通过j/d模糊自适应控制策略找出适合储能系统的最佳动态参数；利用仿真软件进行参数的调节和效果验证，输入量经过模糊控制器获得输出量，输出为jx和dx，分别代表经过模糊控制器处理后的惯量和阻尼；根据模糊子集的设定以及隶属度函数的存在，通过不断的实践和学习进行参数的最后修订。

47、更进一步的，所述在储能系统中设定模糊控制器，对输出量进行优化，得到最佳的动态调节参数，其中参数经过模糊控制器，得到新的优化后的参数；通过模糊控制模块隶属度函数的设定，得到最佳参数，通过学习和不断的实践进行修正，最终确立输入量和输出量。

48、一种全钒液流电池储能系统黑启动控制参数动态优化装置，包括：

49、初始化模块，用于初始化参数的处理，建立储能系统的仿真模型；

50、设定模块，用于对建立的仿真模型进行设定，设定模糊控制器输入量和输出量的模糊子集；

51、最佳动态参数模块，用于利用模糊控制模块得到优化后的动态参数；

52、优化模块，用于在储能系统中设定模糊控制器，对输出量进行优化，得到最佳的动态调节参数；

53、误差观察模块，用于对于储能系统的参考值和最佳的动态调节参数进行误差观察，从而获得超高效动态调节黑启动储能系统参数方法。

54、更进一步的，所述一种全钒液流电池储能系统黑启动控制参数动态优化装置，用于实现任一所述的一种全钒液流电池储能系统黑启动控制参数动态优化方法的步骤。

55、一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现任一所述的一种全钒液流电池储能系统黑启动控制参数动态优化方法的步骤。

56、一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一所述的一种全钒液流电池储能系统黑启动控制参数动态优化方法的步骤。

57、本发明具有以下有益效果及优点：

58、本发明针对传统vsg参数固定，因负载突变而会导致系统频率和输出功率振荡的问题，提出一种基于模糊控制策略的变参数储能系统控制策略，揭示了惯量和阻尼对系统动态性能的影响，然后基于系统的功频变化，确定惯量和阻尼系数的选取原则，最后引入模糊算法，实时修正虚拟参数，从而响应系统频率和输出有功功率的变化。

59、本发明利用现有控制策略设计动态参数的调节，解决了储能与vsg更好的协调的问题，通过仿真软件和控制策略的设计，最终可实现动态参数的最有效的调节，具备高度设计前瞻性，对于储能系统动态参数优化具有较好指导意义。

60、本发明还可以有效的对于储能系统的参数进行合理优化调节，可以更好地完成系统中器件的保护、或是提高黑启动储能系统在一些工况下的输出特性，对于系统性能的提升产生了极大的促进作用。

61、本发明优化方法与仿真软件相结合，可以快速生成最优参数，最终生成的参数具有较高的工程应用性。本发明优化方法使用的模糊自适应控制策略，因此可以充分满足快速和准确的设计目标。

62、本发明使用一种模糊自适应控制策略来动态调节黑启动储能系统参数，在具体的应用过程中，模糊自适应控制策略的参数选取具有更加精细化和准确的特点，在不同的暂态阶段可以进行更加合适的参数选择，能够对于大范围切换虚拟参数值对控制系统稳定性的损害进行避免，达到提升系统稳定性的效果。本发明适用于不同场合和系统，可高效进行参数的调节，指导复杂系统的参数优化。通过本发明可以完成所需最优参数的设定，在众多系统中进行使用，并且达到参数设定要求，在具体的工程应用方面也具有一定的可实施性。