一种光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频方法

本申请涉及电力系统控制，尤其涉及一种光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频方法。

背景技术：

1、当输电系统的频率下降时，由于水流和管道之间的水锤效应，水电机组出力存在一个先短暂下降后再上升的过程，称为水电机组的功率反调，这种功率反调现象会导致电网频率产生波动，进而可能出现跳闸、断电等现象，对电网的稳定运行造成不利影响。

2、因此，需要一种快速响应系统频率且能够调频的光伏储能系统，来有效补偿水锤效应带来的功率反调现象，确保电网的稳定运行。

3、上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现思路

1、本申请的主要目的在于提供一种光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频方法，旨在解决如何避免水电系统中的水锤效应而导致电网运行不稳定问题。

2、为实现上述目的，本申请提供一种光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频方法，所述方法包括以下步骤：

3、当检测到水锤效应发生时，基于预先建立的水电机组、光伏系统和混合储能系统组成的系统模型，采用基于模型预测控制的鲸鱼优化算法优化所述水电机组的调速器参数；

4、获取所述光伏系统输出的光伏有功功率，和所述混合储能系统中的电池荷电状态；

5、根据所述光伏有功功率和所述电池荷电状态，确定光伏系统与混合储能的目标协同控制策略；

6、调用所述光伏系统与混合储能的目标协同控制策略控制所述光伏系统和/或所述混合储能系统，以响应水电机组的功率反调。

7、可选地，所述电池荷电状态包括铅炭电池荷电状态和超级电容器电池荷电状态，所述光伏系统与混合储能的目标协同控制策略包括以下至少一个：

8、（1）判断所述光伏有功功率是否大于预设功率阈值，若是，将减载系数乘以所述光伏有功功率，以获得减载后光伏系统输出的有功功率，其中，所述减载系数表达式为：

9、

10、式中，kf为额定减载率，δf为电网频率偏差，f0为电网频率额定值；

11、（2）判断所述超级电容器电池荷电状态是否处于第一电池荷电状态区间，若是，判断所述铅炭电池荷电状态是否处于第二电池荷电状态区间，若是，将铅炭电池的下垂系数、充放电功率系数和所述电网频率偏差三者的积作为铅炭电池的充放电功率，以及将所述超级电容器的虚拟惯性系数、充放电功率系数和所述电网频率偏差的频率变化率三者的积作为超级电容器的充放电功率；

12、（3）判断所述超级电容器电池荷电状态是否处于第一电池荷电状态区间，若是，判断所述铅炭电池荷电状态是否处于第二电池荷电状态区间，若否，将所述超级电容器的虚拟惯性系数、充放电功率系数和所述电网频率偏差的频率变化率三者的积作为超级电容器的充放电功率；

13、可选地，所述铅炭电池与超级电容的放电功率系数满足下式约束：

14、

15、式中，socmin为soc最低警戒值，socmax为soc最高警戒值，p0为初始值，kmax为终值，n为适应因子。

16、可选地，所述铅炭电池与超级电容的充电功率系数满足下式约束：

17、

18、可选地，所述系统模型包括水电机组模型，所述水电机组模型包括发电机的转子运动方程、发电机传递函数、pid型调速器传递函数和引水系统传递函数，所述发电机的转子运动方程如下：

19、

20、所述发电机传递函数的表达式为：

21、

22、其中，ta为惯性时间常数，δ w为转子角速度偏差，δpm和δpe分别为水轮机的机械功率偏差和电磁功率偏差，en为水轮机阻尼系数， s为拉普拉斯算子；

23、所述pid型调速器传递函数的表达式为：

24、

25、其中，δμ为水轮机导叶开度偏差；bp为调差系数；kp、ki、kd分别为调速器的比例系数、积分系数、微分系数；ty为执行机构时间常数；

26、所述引水系统传递函数的表达式为：

27、

28、其中，tw为水流惯性时间常数。

29、可选地，所述系统模型包括光伏系统模型，所述光伏系统模型的传递函数为：

30、

31、其中，kpv为光伏有功下垂系数，tdc、tac为dc-dc变换器和dc-ac变换器的时间常数，δppv为光伏有功功率偏差，j为虚拟转动惯量；d为虚拟阻尼系数。

32、可选地，所述系统模型包括混合储能系统模型，其中，所述混合储能系统模型的传递函数为：

33、

34、其中，δphbess为混合储能系统的充放电功率，klc为铅炭电池的下垂系数，ksc为超级电容器的虚拟惯性系数，ks与k l分别对应超级电容与铅炭电池的充/放电功率系数。

35、可选地，所述基于预先建立的水电机组、光伏系统和混合储能系统组成的系统模型，采用基于模型预测控制的鲸鱼优化算法优化所述水电机组的调速器参数的步骤之前，还包括：

36、获取水轮机组的水轮机角速度偏差值和机械功率偏差值；

37、确定所述水轮机角速度偏差值和所述机械功率偏差值之间的符号正反关系；

38、若所述水轮机角速度偏差值和所述机械功率偏差值之间的符号相同，则判断所述水轮机组发生所述水锤效应。

39、此外，为实现上述目的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频程序，所述光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频程序被处理器执行时实现如上所述的光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频方法的步骤。

40、本申请至少具备以下有益效果：

41、1、通过在水电系统中增加光伏系统和混合储能系统，来补偿水电机组出现水锤效应时的功率反调，并根据光伏系统输出的光伏有功功率，和混合储能系统中的电池荷电状态来制定相应的减载控制策略，来加速系统频率的恢复，快速平抑功率振荡，从而保证电网的稳定运行和供电的可靠性；

42、2、改善了水电机组的水锤效应，减小了水电机组调频初期的功率反调；

43、3、实现了混合储能系统的协同控制，能够快速响应系统频率，同时避免电池过充或过放，有利于电池使用寿命的延长。

44、4、采用基于模型预测控制的鲸鱼优化算法实现了水电机组调速器性能的优化。

技术特征：

1.一种光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频方法，其特征在于，应用于水电系统，所述水电系统包括水电机组、光伏系统和混合储能系统，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铅炭电池与超级电容的放电功率系数满足下式约束：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铅炭电池与超级电容的充电功率系数满足下式约束：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统模型包括水电机组模型，所述水电机组模型包括发电机的转子运动方程、发电机传递函数、pid型调速器传递函数和引水系统传递函数，所述发电机的转子运动方程如下：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统模型包括光伏系统模型，所述光伏系统模型的传递函数为：

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统模型包括混合储能系统模型，其中，所述混合储能系统模型的传递函数为：

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预先建立的水电机组、光伏系统和混合储能系统组成的系统模型，采用基于模型预测控制的鲸鱼优化算法优化所述水电机组的调速器参数的步骤之前，还包括：

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频程序，所述光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频方法方法的步骤。

技术总结本申请涉及电力系统控制技术领域，尤其涉及一种光储系统补偿水轮机水锤效应及其协同调频方法。所述方法包括：当检测到水锤效应发生时，基于预先建立的水电机组、光伏系统和混合储能系统组成的系统模型，采用基于模型预测控制的鲸鱼优化算法优化所述水电机组的调速器参数；获取所述光伏系统输出的光伏有功功率，和所述混合储能系统中的电池荷电状态；根据所述光伏有功功率和所述电池荷电状态，确定光伏系统与混合储能的目标协同控制策略；调用所述光伏系统与混合储能的目标协同控制策略控制所述光伏系统和/或所述混合储能系统，以响应水电机组的功率反调。旨在解决如何避免水电系统中的水锤效应而导致电网运行不稳定问题。技术研发人员：束洪春,何业福,王广雪,张瀚心,唐玉涛受保护的技术使用者：昆明理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27