融合生命周期和功率参数一致性的FESAS的功率分配方法

本发明属于电力，具体涉及一种融合生命周期和功率参数一致性的fesas的功率分配方法、采用该方法的功率分配装置，以及对应的fesas系统。

背景技术：

1、基于可再生能源的分布式发电系统天然具有难以保证电力供应稳定性的缺点，因此，这类分布式发电系统并网后可能会给电网带来冲击。在可再生能源不断发展的格局中，稳定高效的储能系统的集成变得越来越重要。在此背景下，飞轮储能系统因其独特的特性而备受关注。飞轮储能系统(fess)具有高能量密度、快速响应时间和显著的长寿潜力，为应对能源间歇性的挑战提供了一个很有前途的解决方案，以风力发电为例，飞轮储能系统可以在风力发电机组的发电功率超过电网负荷时消耗电能充电，并在风力发电机组功率降低后发电，进而为电网提供电力供应。飞轮储能系统在发电站与电网的功率平衡中发挥着关键作用，通过补偿风能的不可预测波动来优化电网，从而确保更可靠、更稳定的能源供应。

2、由于单个飞轮的容量有限，技术人员设计了分布式飞轮储能阵列系统(fesas)，该系统利用大量飞轮储能单元构成阵列，因而允许更大的存储容量，并增强了系统的模块性和可扩展性。然而，随着阵列规模的扩大，如何实现fesas的有效管理和优化，特别是在阵列中单个飞轮之间的能量管理和功率分配方面，技术人员将面临新的挑战。这些挑战源于在最大限度地延长飞轮阵列寿命的同时保持运营效率的需要，这些方面对可再生能源基础设施中fesas的可持续部署至关重要。

3、传统fesas的控制策略主要优先考虑初始容量裕度，这虽然在短期功率分配中有效，但会导致阵列设置中单个飞轮的磨损和寿命缩短。进而影响fesas系统的可持续运行，并降低了系统的成本效益。因此如何提供一种更加科学、高效的fesas控制策略正成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、为了解决现有调度方案对fesas中各个飞轮储能单元的功率分配不合理，影响飞轮阵列使用寿命的问题，本发明提供了一种融合生命周期和功率参数一致性的fesas的功率分配方法，及其对应的装置和系统。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种融合生命周期和功率参数一致性的fesas的功率分配方法，其用于在采用fesas消纳分布式发电站与电网之间的不平衡功率的电力系统中，对各个飞轮储能单元的充放电功率进行动态分配。该功率分配方法包括如下步骤：

4、s1：基于各个飞轮储能单元之间的通信关系构建一个表征当前fesas的简单图g：g＝{v,e}。其中，v是由表征各个飞轮储能单元的节点构成的集合；e是由表征各飞轮储能单元间的通信关系的边构成的集合。

5、s2：将fesas中能够与分布式发电站通信的各个飞轮储能单元作为领导者，其余飞轮储能单元仅能与邻居节点进行信息交换。

6、s3：定义一个用于分配各个飞轮储能单元的充电功率的比例因子ri_char和一个用于分配各个飞轮储能单元的放电功率的比例因子ri_dis。二者满足下式：

7、

8、上式，yi_char、zi_char、yi_dis、zi_dis分别为迭代过程中第i个飞轮在充/放电过程中的辅助变量；其中，zi_char与飞轮的充电裕量和生命裕量li_life的乘积有关；zi_dis与飞轮的放电裕量和生命裕量li_life的乘积有关。

9、s4：收集分布式发电站、电网和fesas的有功功率信息，计算电网和分布式发电站之间的不平衡功率δpun。

10、s5：将不平衡功率δpun在各个领导者间进行初始化的平均分配，然后由各个飞轮储能单元根据自身及其在简单图g中的邻居节点的能量和功率信息，采用基于一致性算法的功率分配策略对辅助变量yi_char、zi_char、yi_dis、zi_dis进行迭代更新，得到最终的功率分配系数ri，然后根据收敛后的功率分配系数ri对各个飞轮储能单元进行功率分配。

11、在功率分配过程中，系统根据不平衡功率δpun的方向决定fesas的工作模式，具体地：

12、(1)当δpun＞0时，则fesas处于充电工作模式，更新的ri即为ri_char；

13、(2)当δpun＜0时，则fesas处于放电工作模式，更新的ri即为ri_dis。

14、作为本发明进一步的改进，步骤s1中，节点集合v的表达式如下：

15、v＝{v1,v2,…vi…vn}，

16、上式中，vi代表各个飞轮储能单元，n为fesas中飞轮储能单元的数量。

17、边的集合e满足下式：

18、

19、上式中，eij表示节点vi和vj之间的边；若(vi,vj)是无序对，表示节点vi和vj之间可互相通信，则g为无向图；若(vi,vj)是有序对，表示节点vj仅能接收vi的信息，则g为有向图。

20、作为本发明进一步的改进，步骤s2中，假设领导者的数量为h，则将领导者编号为：1,…,h；其余飞轮储能单元编号为：h+1,…,n。

21、作为本发明进一步的改进，步骤s3中，辅助变量yi_char、zi_char、yi_dis、zi_dis的表达式如下：

22、

23、上式中，w1i表示佩龙矩阵p对应的1特征值的右特征向量；和分别为第i个飞轮的充电功率裕量和放电功率裕量；li_life表示第i个飞轮的生命裕量；[0]和[k]的标记分别表示各个参数的初始时刻和k时刻。

24、作为本发明进一步的改进，步骤s4中，不平衡功率δpun的计算公式如下：

25、δpun＝pw-pg，

26、上式中，pg为电网输出的有功功率，pw为分布式发电站输出的有功功率；不平衡功率δpun的符号还用于确定fesas的充放电运行状态。

27、作为本发明进一步的改进，在步骤s5的初始化阶段，各个辅助变量的初始值设置如下：

28、(1)若fesas处于充电工作模式，则：

29、

30、(1)若fesas处于放电工作模式，则：

31、

32、作为本发明进一步的改进，在步骤s5的迭代更新阶段，各辅助变量构成的矩阵满足如下的一致性收敛公式：

33、

34、上式中，y表示各个飞轮的辅助向量yi_char或yi_dis构成的矩阵；z分别各个飞轮的辅助向量zi_char或zi_dis构成的矩阵；ε表示收敛因子；p表示佩龙矩阵，i表示单位矩阵；l表示拉普拉斯矩阵；d表示简单图g的度矩阵；a表示简单图g的邻接矩阵。

35、作为本发明进一步的改进，和的计算公式如下：

36、

37、上式中，和分别为第i个飞轮的充电能量裕量和放电能量裕量；ei_max和ei_min分别为第i个飞轮的最大储能容量和最小储能容量；ωi_max和ωi_min分别为第i个飞轮最大储能容量和最小储能容量对应的角速度；ei_current为第i个飞轮当前时刻的储能容量，ωi_current为第i个飞轮当前时刻的角速度；δt为功率平抑采样周期；j是飞轮的转动惯量；

38、li_life的计算公式如下：

39、

40、上式中，li_max表示第i个飞轮的最大生命裕量；li_consume表示第i个飞轮当前已消耗生命；τ为飞轮的每次充放电的采样时间；表示每个采样间隔的充放电功率；lic_consume表示第i个飞轮当前消耗的生命。

41、本发明还包括一种功率分配装置，其由集成在fesas中各个飞轮储能单元处的功率控制器构成；每个功率控制器中包括存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序。处理器执行计算机程序时，实现如前述的融合生命周期和功率参数一致性的fesas的功率分配方法，进而在电力系统中产生新增不平衡功率时，对每个飞轮储能单元的充放电功率进行动态分配，并保证各个飞轮储能单元的生命周期和功率参数的一致性。

42、本发明还包括一种fesas系统，其采用了如前述的功率分配装置。

43、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

44、本发明提供的融合生命周期和功率参数一致性的fesas的功率分配方法在共识协调算法的基础上，引入了一个生命周期参数，以实现飞轮的均衡充放电，从而延长了阵列的寿命。在无向图中，辅助变量向平均一致性收敛，以实现对不平衡功率的抑制。在有向不平衡图中，提出了一种构造双随机矩阵p的新方法，使辅助变量最终收敛到平均一致性，有效地抑制了不平衡功率。

45、本发明的方案可以在不依赖中央控制器的前提下对fesas进行智能协调控制，该方案的功率分配策略强调了生命周期参数的关键作用，实现了fesas的性能和寿命的均衡。因而可以广泛应用于所有采用fesas消纳分布式发电站与电网间不平衡功率的电力系统中。可以有效提高分布式电网的稳定性，市场前景广阔，实用价值极高。