一种电解制氢系统一次调频响应控制参数自适应优化方法

本发明属于电力系统控制技术，具体涉及一种电解制氢系统一次调频响应控制参数自适应优化方法。

背景技术：

1、随着以风电、光伏为代表的间歇性新能源发电大规模并网，其带来的系统运行风险，以及由此造成的弃风弃光问题频发。新能源发电为电力电子接口的电源，在扰动条件下不具备传统同步发电机的惯量、阻尼和一次调频支撑能力。电解制氢既是灵活调节负荷，又可以作为储能，为新型电力系统提供优质的灵活调节资源。通过电解制氢运行策略与新能源出力波动的紧密结合，实现新能源的充分消纳利用，缓解弃风、弃光现象。

2、目前研究，通过对电解制氢系统进行控制，在平抑新能源并网功率波动上起到了效果，但多是考虑用调度指令来使电解制氢装置被动运行，并未充分利用电解制氢系统自身的特性，缺乏对电网频率的主动调节能力。

3、为了使新能源发电制氢系统具备一次调频主动响应特性，将vsg控制策略与新能源发电制氢系统相结合。vgs控制技术通过模拟传统同步发电机的转子运动特性，利用算法将虚拟转动惯量和阻尼系数引入控制系统，进而提升系统调频调压的能力。

4、一方面，转动惯量和阻尼系数是vsg动态特性的重要参数，它们的选取对系统的性能有很大的影响；另一方面，现有的vsg控制技术，其转动惯量和阻尼系数参数取值固定，在调度指令变化时，系统输出频率和有功功率将产生较大的波动，系统的稳定性较差。如何解决vsg控制参数存在的问题，是vsg并网控制策略能够高效运行的关键。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺陷和不足，基于虚拟同步控制的思想，提出了新能源发电制氢系统并网接口快速频率响应控制改造策略，使其能够在电网频率出现扰动时，提供主动功率支撑，本发明提出了一种电解制氢系统一次调频响应控制参数自适应优化方法，该方法包括如下步骤：

2、步骤1：建立新能源发电制氢系统并网仿真模型。

3、步骤2：建立虚拟同步发电机的惯量和阻尼特性模型。

4、步骤3：为vsg控制架构添加有功功率-频率下垂特性。

5、步骤4：建立仿真模型分析不同转动惯量和阻尼系数对vsg输出特性的影响。

6、步骤5：根据itae优化指标，利用改进的粒子群优化算法对vsg的初始转动惯量和阻尼系数进行优化。

7、步骤6：设计vsg控制参数自适应公式。

8、步骤7：基于优化后的转动惯量和阻尼系数进行新能源发电制氢系统并网仿真。

9、步骤8：在运行过程，对vsg输出角频率和角频率的变化率进行监测。

10、步骤9：判断vsg输出角频率变化率是否超出阈值，若超出阈值，根据设计的vsg控制参数自适应公式，在线调整vsg的转动惯量和阻尼系数。

11、进一步，所述步骤3的实现方法如下：

12、vsg通过对同步发电机的p-f下垂特性进行模仿，以此让网侧变流器在并网模式下具备一次调频的性能；当电网频率扰动时，将通过计算得出的实际电网频率与电网频率的参考值进行比较，再根据p-f下垂特性得出变流器侧需要输出的功率以此来调节电网的频率扰动，完成一次调频功能；其表达式如下：

13、pm-pref＝kp(δf)

14、式中：pm为vsg总输出功率；pref为vsg初始输出功率；δf为频率差值；kp为下垂系数。

15、进一步，所述步骤4具体为：

16、根据vsg有功功率的小信号模型，建立传递函数如下式，研究转动惯量和阻尼系数对系统动态特性的影响。

17、

18、式中：j为虚拟转动惯量；d为虚拟阻尼系数；e为vsg输出电压；u为电网电压；z为线路阻抗；ω0为额定角频率；kp为下垂系数。

19、根据vsg的转动惯量和阻尼系数对系统动态特性的影响，设计了基于粒子群算法的vsg自适应控制参数优化模型，弥补了传统自适应vsg控制初始控制参数选择困难的问题，同时在控制过程中，转动惯量和阻尼系数根据变流器输出角频率的偏移量进行动态自适应调节。

20、进一步，所述步骤5中初始转动惯量和阻尼系数的优化方法为：

21、利用改进的粒子群优化算法对vsg的初始转动惯量和阻尼系数进行优化，使变流器获得更稳定的输出性能和更快的响应速度。采用itae指标建立优化目标函数如下：

22、

23、式中：t为仿真时间；f为电网实际频率；fn为电网参考频率。

24、粒子群优化算法中的惯性权重体现了粒子群继承先前速度的能力，较大的惯性权重值对全局搜索更有利，较小的惯性权重值则对局部搜索更有利。为了更好的平衡粒子群算法的全局搜索能力与局部搜索能力，使用非线性递减的方法优化算法的惯性权，其表达式如下：

25、

26、式中：w为惯性权重；wmin为惯性权重取值下限；wmax为惯性权重取值上限；iter为当前迭代次数，g为最大迭代次数。

27、进一步，所述步骤6具体为：

28、根据优化后的初始转动惯量和阻尼系数，结合变流器输出角频率的变化值，建立vsg转动惯量和阻尼系数自适应公式：

29、

30、

31、式中：j0和d0分别是经过改进粒子群算法优化后的vsg初始转动惯量和阻尼系数；mj是dω/dt变换阈值；a-e和f-k分别是转动惯量和阻尼系数的调整系数；为了使控制参数能够更迅速的变化，同时使系统具有更好的动态性能，在自适应控制策略里添加补偿系数α，当dω/dt为正时α取1，当dω/dt为负时α取-1；j1、j2、d1、d2分别是转动惯量和阻尼系数支持系数。

32、本发明的有益效果

33、1、本发明建立了新能源发电制氢参与电网快速频率响应的控制模型，验证了电解制氢的动态调节特性，在新能源系统功率变化以及电网频率发生波动时，电解制氢装置能够响应的调整运行功率，主动维持系统功率平衡，参与一次调频。

34、2、基于惯性权重改进粒子群算法与自适应控制参数相结合的vsg控制策略，使整个系统的一次调频能力增强，同时改善系统的输出频率和有功功率响应特性。

技术特征：

1.一种电解制氢系统一次调频响应控制参数自适应优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种电解制氢系统一次调频响应控制参数自适应优化方法，其特征在于，所述步骤3的实现方法如下：

3.根据权利要求1所述的一种电解制氢系统一次调频响应控制参数自适应优化方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

4.根据权利要求1所述的一种电解制氢系统一次调频响应控制参数自适应优化方法，其特征在于，所述步骤5中初始转动惯量和阻尼系数的优化方法为：

5.根据权利要求1所述的一种电解制氢系统一次调频响应控制参数自适应优化方法，其特征在于，所述步骤6具体为：根据优化后的初始转动惯量和阻尼系数，结合变流器输出角频率的变化值，建立vsg转动惯量和阻尼系数自适应公式：

技术总结本发明提出了一种电解制氢系统一次调频响应控制参数自适应优化方法，涉及电力系统控制技术领域，该方法包含如下步骤：首先基于虚拟同步控制的思想，对新能源发电制氢系统的并网接口进行改造，使其能够在电网频率出现扰动时，提供主动功率支撑；其次建立小信号模型分析了VSG的转动惯量和阻尼系数对系统动态特性的影响，设计了基于改进粒子群算法的VSG自适应控制参数优化模型。接口改造后的电解制氢装置能够主动响应电力系统的频率扰动，参与电力系统的一次调频，为高比例新能源发电接入下电力系统的频率稳定性提供主动支撑；同时，改进的粒子群算法与自适应VSG控制策略的结合，能够有效改善电解制氢系统的快速频率响应控制特性。技术研发人员：施涛,许泽炎,居世浩受保护的技术使用者：南京邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2