多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法、装置及终端设备与流程

1.本技术属于电力频率控制技术领域，尤其涉及多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法、装置及终端设备。


背景技术：

2.对于光伏发电这一清洁能源来说，其区别于传统的同步发电机所具有的惯量特性。光电模块大多采用电力电子器件实现并网，当电网频率出现波动时无法具备传统发电机转子的特性来提供惯量支撑，因此随着大规模光伏不断接入电网，系统的惯量在特点和形式上发生改变，整体呈现出惯量下降且分布不均的特征，造成全系统的调频能力降低，不利于系统稳定性。为了解决这个问题，虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，vsg)控制方法成为了重要的研究方法之一。
3.vsg控制是在系统出现功率波动时，可以通过储能或超级电容充放电的形式，为系统提供虚拟惯量，保证频率能够较快恢复到稳定状态。光储一体机是将光伏和储能装置相结合，通过电力电子控制技术，协调控制光伏与储能电池的出力，平抑光伏电池的功率波动。因此，vsg控制适用到光储一体机可以最大程度地实现系统稳定。
4.针对单个光储vsg单元虚拟惯量控制的研究，现有文献多数是根据频率变化率或频率偏移量进行控制，但随着光储并网规模的不断扩大，仅根据频率变化率或偏移量进行调频的方法已不能满足电网稳定性需求。通过仿真实验证明，仅考虑频率变化率时，vsg控制虽能够快速响应频率变化，但调频阶段存在一定程度的波动，影响频率稳定性；仅考虑频率偏移量时，虽能够弥补上述存在的问题，平稳调节频率，但影响了vsg控制的响应速度。因此，迫切需要研究出一种vsg控制方法，能够结合频率变化率和偏移量的优点，使vsg控制能够快速响应频率变化的同时减少调频阶段的频率波动。
5.针对多个光储vsg单元虚拟惯量控制与分配的研究，现有研究存在一些不足。一方面，影响vsg控制的因素较多，多vsg单元协调配合时，存在互相冲突的经济性、可靠性指标，如果不能同时兼顾这些指标，会影响惯量的分配效果。另一方面，多vsg单元的影响因素在不同工况下对惯量分配的影响程度不同，为区分各影响因素的重要程度，需设置权重系数。然而，传统的权重选取方法存在较强的主观性，且不能随影响因素的变化而改变权值的大小，使得选取的权重系数只能在单一工况下实现惯量分配的最优化。


技术实现要素：

6.为克服相关技术中存在的问题，本技术实施例提供了多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法、装置及终端设备。
7.本技术是通过如下技术方案实现的：
8.第一方面，本技术实施例提供了一种多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，包括：根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，确定电力系统需要的总惯量；确定多个指标中各个指标对惯量分配的影响特性，根据所述影响特性生成表征各个指标对惯量分配作用
的满意度函数，并基于所述满意度函数确定各个指标的惯量控制效果的满意度值；根据各个虚拟同步发电机vsg单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数；基于各个指标的权重系数和电力系统需要的总惯量，确定每个vsg单元所对应的最终惯量。
9.本技术实施例，首先根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，确定电力系统需要的总惯量，兼顾了频率变化率和频率偏移量两个因素，当系统发生频率扰动时，能够在快速响应频率变化的同时，还能够降低频率的最大偏差。其次，对总惯量的分配，从每个指标出发，分别分析指标对惯量分配的影响效果，得到的惯量分配满意度函数能够清楚、直观地反映指标对惯量分配的影响特点。最后，根据各指标对惯量分配的满意度值，结合各个指标的权重系数，计算出各指标最终分配的惯量大小。本技术能够充分发挥系统的调频能力，所提的虚拟惯量控制能够弥补单独考虑频率变化率和偏移量时调频效果的不足；能够根据相同指标之间的满意度差值来实时调整权值大小，实现多个调频电源的虚拟惯量优化分配，提升电力系统频率响应速度及稳定性。
10.结合第一方面，在一些实施例中，所述根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，构造虚拟惯量控制方程，包括：计算某一时刻电力系统的频率变化率和频率偏差量；根据所述频率变化率和频率偏差量得该时刻电力系统需要的总惯量；其中，采用分段式对总惯量进行控制，当所述频率变化率与所述频率偏移量的比值大于或等于切换阈值时，对所述频率变化率采用指数函数控制，对所述频率偏移量采用反正切函数控制；当所述频率变化率与所述频率偏移量的比值小于所述切换阈值时，对所述频率变化率采用反正切函数控制，对所述频率偏移量采用指数函数控制。
11.结合第一方面，在一些实施例中，对总惯量的控制方程为：
[0012][0013]
式中，k1和k2为预设的调整系数，σ为预设常数，m为所述切换阈值，df/dt为所述频率变化率，δf为所述频率偏移量，δt为δf对应的时间尺度。
[0014]
结合第一方面，在一些实施例中，所述指标包括储能荷电状态soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标；
[0015]
充电状态时，所述soc指标的满意度函数为：
[0016][0017]
放电状态时，所述soc指标的满意度函数为：
[0018][0019]
式中，m1和σ1为soc指标的惯量控制参数，a1、b1、c1和d1为储能装置的剩余容量阈
值；a1、b1、c1和d1为0-1范围内的数值，一般设置a1～d1分别为0.1、0.25、0.75和0.9，也可以根据储能装置的类型来改变参数取值。
[0020]
所述换流器可调功率指标的满意度函数为：
[0021][0022]
式中，p2、q2和c2为构造二次函数的预设参数，a2、b2和c2为换流器容量阈值；a2、b2和c2为预设值，可以根据换流器自身的额定功率来设置具体数值；
[0023]
所述储能充放电可调功率指标的满意度函数为：
[0024][0025]
式中，p3、q3和c3为构造二次函数的预设参数，a3、b3和c3为储能充放电可调功率阈值。
[0026]
结合第一方面，在一些实施例中，所述根据各个vsg单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数，包括：
[0027]
对于n个vsg单元，soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标的权重优化模型分别为：
[0028][0029]
式中，m
soc
、和分别为soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标的权重系数，和分别为第i个vsg单元下soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标的已知量，和分别为n个vsg单元下soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标满意度的均值，n为大于或等于2的整数。和可以为预设的数值，也可以通过检测当前装置的储能剩余容量、
换流器额定功率和储能充放电可调功率确定。
[0030]
结合第一方面，在一些实施例中，所述基于各个指标的权重系数和惯量控制效果满意度值，确定每个vsg单元所对应的最终惯量，包括：
[0031]
对soc指标、换流器可调功率指标储能充放电可调功率指标进行加权得到第i个vsg单元对应的占比ki，i为大于0且小于或等于n的整数；
[0032]
根据第i个vsg单元对应的占比ki与系统需要的总惯量的乘积，得到对第i个vsg单元分配的惯量hi。
[0033]
结合第一方面，在一些实施例中，ki的表达式为hi的表达式为：hi＝kih，u
soci
为第i个vsg的soc指标的满意度函数，为第i个vsg的soc指标的满意度函数，为第i个vsg的soc指标的满意度函数，h为所述总惯量。
[0034]
第二方面，本技术实施例提供了一种多光储一体机的虚拟惯量控制分配装置，包括：总惯量确定模块，用于根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，确定电力系统需要的总惯量；满意度确定模块，用于确定多个指标中各个指标对惯量分配的影响特性，根据所述影响特性生成表征各个指标对惯量分配作用的满意度函数，并基于所述满意度函数确定各个指标的惯量控制效果的满意度值；权重确定模块，用于根据各个虚拟同步发电机vsg单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数；控制模块，用于基于各个指标的权重系数和电力系统需要的总惯量，确定每个vsg单元所对应的最终惯量。
[0035]
第三方面，本技术实施例提供了一种终端设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有、可在所述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如第一方面任一项所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法。
[0036]
第四方面，本技术实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法。
[0037]
第五方面，本技术实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在终端设备上运行时，使得终端设备执行上述第一方面中任一项所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法。
[0038]
可以理解的是，上述第二方面至第五方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
[0039]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
图1是本技术一实施例提供的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法的流程示意
等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0068]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0069]
图1是本技术一实施例提供的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法的示意性流程图，参照图1，对该多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法的详述如下：
[0070]
步骤101，根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，确定电力系统需要的总惯量。
[0071]
一些实施例中，所述根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，构造虚拟惯量控制方程，可以包括：计算某一时刻电力系统的频率变化率和频率偏差量；根据所述频率变化率和频率偏差量得该时刻电力系统需要的总惯量。
[0072]
其中，采用分段式对总惯量进行控制，当所述频率变化率与所述频率偏移量的比值大于或等于切换阈值时，对所述频率变化率采用指数函数控制，对所述频率偏移量采用反正切函数控制；当所述频率变化率与所述频率偏移量的比值小于所述切换阈值时，对所述频率变化率采用反正切函数控制，对所述频率偏移量采用指数函数控制。
[0073]
其中，上述切换阈值是根据特定工况下频率变化率和频率偏移量之间的大小关系而确定。根据频率变化曲线可知，频率调节过程中，曲线斜率的绝对值由最大值开始减小，直至为0。因此，为简化频率变化率和频率偏移量二者关系，近似将曲线斜率看作随时间单调递减的一次函数。如图2所示。图中a，b为一次函数系数，该一次函数的横坐标为时间t，纵坐标为频率变化率的绝对值|df/dt|，该曲线与x，y轴围成的面积为频率偏移量。
[0074]
将图2中的两个公式代入得到m绝对值关于时间的函数表达式，根据频率允许偏差范围和一次调频的最大可持续时间，得到m绝对值关于时间的函数表达式的约束条件，联立m的函数表达式和约束条件，得到m的取值范围为[-0.5，0]，因此可以折中选取切换阈值m为-0.25。
[0075]
示例性的，对总惯量的控制方程可以为：
[0076][0077]
式中，k1和k2为预设的调整系数，σ为预设常数，m为所述切换阈值，df/dt为所述频率变化率，δf为所述频率偏移量，δt为δf对应的时间尺度。
[0078]
步骤102，确定多个指标中各个指标对惯量分配的影响特性，根据所述影响特性生成表征各个指标对惯量分配作用的满意度函数，并基于所述满意度函数确定各个指标的惯
量控制效果的满意度值。
[0079]
其中，所述多个指标可以包括储能荷电状态soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标。
[0080]
充电状态时，所述soc指标的满意度函数为：
[0081][0082]
放电状态时，所述soc指标的满意度函数为：
[0083][0084]
式中，m1和σ1为soc指标的惯量控制参数，a1、b1、c1和d1为储能装置的剩余容量阈值。a1、b1、c1和d1为0-1范围内的数值，一般设置a1～d1分别为0.1、0.25、0.75和0.9，也可以根据储能装置的类型来改变参数取值。该函数的输入量为当前的储能荷电状态值，输出量为当前储能荷电状态soc指标对应的控制效果的满意度值。
[0085]
所述换流器可调功率指标的满意度函数为：
[0086][0087]
式中，p2、q2和c2为构造二次函数的预设参数，a2、b2和c2为换流器容量阈值。a2、b2和c2为预设值，可以根据换流器自身的额定功率来设置具体数值。该函数的输入量为换流器的额定功率值，输出量为当前换流器可调功率指标对应的控制效果的满意度值。
[0088]
所述储能充放电可调功率指标的满意度函数为：
[0089][0090]
式中，p3、q3和c3为构造二次函数的预设参数，a3、b3和c3为储能充放电可调功率阈值。该函数的输入量为储能的充放电可调功率值，输出量为当前换流器可调功率指标对应的控制效果的满意度值
[0091]
步骤103，根据各个虚拟同步发电机vsg单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数。
[0092]
一些实施例中，上述根据各个vsg单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数，可以包括：
[0093]
对于n个vsg单元，soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标的权
重优化模型分别为：
[0094][0095]
式中，m
soc
、和分别为soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标的权重系数，和分别为第i个vsg单元下soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标的已知量，和分别为n个vsg单元下soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标满意度的均值，n为大于或等于2的整数。和可以为预设的数值，也可以通过检测当前装置的储能剩余容量、换流器额定功率和储能充放电可调功率确定。
[0096]
步骤104，基于各个指标的权重系数和电力系统需要的总惯量，确定每个vsg单元所对应的最终惯量。一些实施例中，所述基于各个指标的权重系数和惯量控制效果满意度值，确定每个vsg单元所对应的最终惯量，包括：对soc指标、换流器可调功率指标储能充放电可调功率指标进行加权得到第i个vsg单元对应的占比ki，i为大于0且小于或等于n的整数；根据第i个vsg单元对应的占比ki与系统需要的总惯量的乘积，得到对第i个vsg单元分配的惯量hi。示例性的，ki的表达式可以为hi的表达式可以为：hi=kih，u
soci
为第i个vsg的soc指标的满意度函数，为第i个vsg的soc指标的满意度函数，为第i个vsg的soc指标的满意度函数，h为所述总惯量。上述多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，首先根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，确定电力系统需要的总惯量，兼顾了频率变化率和频率偏移量两个因素，当系统发生频率扰动时，在能够快速响应频率变化的同时，还能够降低频率的最大偏差。其次，对总惯量的分配，从每个指标出发，分别分析指标对惯量分配的影响效果，得到的惯量分配满意度函数能够清楚、直观地反映指标对惯量分配的影响特点。最后，根据各指标对惯量分配的满意度值，结合本发明所提的权重优化模型，计算出各指标最终分配的惯量大小。本技术能够充分发挥系统的调频能力，所提的虚拟惯量控制能够弥补单独考虑频率变化率和偏移量时调频效果
的不足；权重优化模型能够根据相同指标之间的满意度差值来实时调整权值大小，实现多个调频电源的虚拟惯量优化分配，提升电力系统频率响应速度及稳定性。以下以含多混合光储单元的六端交流系统为例，对本技术实施例进行说明。系统拓扑图如图3所示，其中g1为发电机组，g2为调频机组，bat为储能模块，pv为光伏模块。该系统含有三个光储vsg单元。系统正常运行时，光伏发电处在最大功率跟踪状态，当系统出现功率扰动时，三个vsg单元通过控制储能装置来提供虚拟惯量，维持功率平衡。已知vsg单元的有功-调频控制方程为：其中，ω为vsg单元输出电压的角频率，h为虚拟惯量，p
ref
为设定的有功功率值，p0为vsg单元输出的有功功率，kd为阻尼系数，ωg为公共母线电压的角频率。
[0097]
当系统发生频率扰动时，可根据灵活虚拟惯量(improved flexible virtual inertial，ifvi)控制计算出需要分配的全部惯量，计算公式如式为：
[0098][0099]
式中，α为考虑储能荷电状态时的调整系数，k1、k2为虚拟惯量调整系数，df/dt为实时检测的频率变化率，h0为数值较小的初始惯量，f为系统频率，m为频率变化的切换阈值。其中，α表达式可以为：
[0100][0101][0102]
其中，s
ni
为第i个svg单元的储能额定容量，δ
soc.a
和δ
soc.b
分别为储能的上限和下限，δ
soc.i
为第i个svg单元的储能实际容量，δ
soc.n
为储能的额定容量。
[0103]
系统总惯量确定之后，需要合理分配至各vsg单元中。由于多vsg单元的惯量分配是一个多目标寻优问题，不同量纲下的影响因素难以统一，且各影响因素在不同时期的作用效果不尽相同，选取固定的权重值不能充分发挥其惯量支撑能力。为解决上述问题，本技术提出了基于隶属函数(亦称前述的满意度函数)的惯量分配策略。首先，根据目标函数，构造各约束条件在[0,1]区间的隶属函数；其次，根据不同指标对系统的影响程度构建一种权重优化系数，实时调整指标在惯量分配中的占比；最后，通过加权再求比例的方法得到各指标需要分配的惯量值。
[0104]
1、惯量分配的多目标模型建立
[0105]
多vsg单元间影响频率稳定性的主要指标为储能装置的荷电状态soc指标、换流器可调功率指标δpn和储能充放电可调功率指标δp
t
。
[0106]
目标函数的建立原则如下：
[0107]
(1)当频率变化率df/dt大于0，即系统处于充电状态时，soc值越小，表明储能剩余容量越少，越有利于充电；
[0108]
(2)当频率变化率df/dt小于0，即系统处于放电状态时，soc值越大，表明储能剩余容量越多，越有利于放电；
[0109]
(3)换流器可调功率δpn和储能充放电可调功率δp
t
在满足额定功率的前提下均越大越好。
[0110]
根据上述原则，从合理分配惯量和提高系统稳定性两个角度出发，构建多目标函数模型f：
[0111][0112]
式中，荷电状态soc、换流器可调功率δpn和储能充放电可调功率δp
t
三个指标的具体表达式需根据各指标对虚拟惯量的影响特性来确定，后续隶属函数是在多目标优化模型的基础上建立的。多目标模型需满足的约束条件为：
[0113]
(1)系统有稳定的功率输出，保证不失负荷；
[0114]
(2)系统具备良好的频率监测装置；
[0115]
(3)当|df/dt|《m时，保证虚拟惯量不超过初始惯量h0。
[0116]
2、隶属函数选取
[0117]
不同类型的隶属函数对惯量分配有不同的影响。隶属函数从总体上可分为偏大型和偏小型，偏大型是指目标函数随着对应的隶属度的增加而增大，适合于决策值越大满意度越高的情况，偏小型则反之。隶属函数进一步可分为非线性函数和线性函数，其中非线性函数有不同的曲线类型，需要根据目标函数预期达到的效果来设定具体的函数类型。
[0118]
对于soc指标：储能单元在系统中起着能量双向流动的作用，对维持系统稳定性至关重要。根据储能单元荷电状态将系统工作状态划分为：
[0119][0120]
储能soc的惯量分配原则为：当系统工作在储能放电状态时，希望处在过度放电区的蓄电池出力尽可能小，处在过度充电区的蓄电池出力尽可能大，故应选取偏大型隶属函数；当系统工作在储能充电状态时，希望处在过度放电区的蓄电池出力尽可能大，处在过度充电区的蓄电池出力尽可能小，此时应选偏小型隶属函数。
[0121]
依据上述划分的工作状态和soc的惯量分配原则，得到soc模块的隶属函数曲线如图4所示。为了能够更好地体现图4中的变化趋势，本技术选取指数函数作为储能soc指标的隶属函数类型。
[0122]
充电状态时的隶属函数为：
[0123][0124]
放电状态时的隶属函数为：
[0125][0126]
对于换流器可调功率指标：换流器可调节的功率范围应该越大越好，但最大不能超过换流器的额定功率，因此应选取偏大型隶属函数。δpn的隶属函数曲线如图5所示，本技术选取二次函数来描述δpn指标隶属函数变化趋势。
[0127]
换流器可调功率指标的隶属函数表达式为
[0128][0129]
对于储能充放电可调功率指标：
[0130][0131]
根据上述指标对应隶属度，通过加权求和的方式，得到最终各个vsg单元分配的惯量值。因此在虚拟惯量分配前，需对不同指标进行权重选取。
[0132]
假设有n个vsg单元，soc、δpn、δp
t
三个指标的权重优化系数表达式为：
[0133][0134]
通过对三个指标进行加权得到第i个vsg单元对应的占比ki，进而得到对应分配的
惯量，ki和hi表达式分别如下：
[0135][0136][0137]
综上所述，基于隶属函数的惯量分配策略步骤如下：首先，利用改进的ifvi控制得到系统所需的总惯量。其次，根据δ
soci
，δp
ni
，δp
ti
三个指标量要达到的惯量分配预期效果确立目标函数，分析各指标对惯量分配效果的影响，构造对应的隶属函数。最后，通过构建的权重优化系数计算每个指标对应的权重值，并运用加权求比例的方法得到各vsg单元对应分配的惯量。总控制流程图如图6所示，其中fn为系统额定频率。
[0138]
为充分发挥虚拟惯量灵活可变的特点，可通过改变隶属函数中的控制参数来调整惯量分配曲线。但多vsg系统结构复杂，控制参数选取不当会影响惯量的最终分配效果，进而影响系统的稳定。因此，为提高参数选取的准确性，对图3所示的六端交流系统建立小信号模型，利用根轨迹法分析隶属函数中关键参数m1、σ1以及p2的变化对系统稳定性的影响，确定参数的取值范围。
[0139]
图3中，由于发电机组g1的有功输出和交流负载p
l
在系统运行中能够保持恒定，可以忽略其对系统稳定性的影响，故建立三个vsg单元和调频机组g2的小信号模型。
[0140]
各vsg单元的模型建立过程相似，现以光储vsg1单元为例阐述其小信号模型的建立过程。vsg1单元的控制结构图如图7所示，为了方便计算，将图7中dc/dc模块进行简化，等效电路如图8所示，功率环控制框图如图8所示。
[0141]
图8中，u0，分别为逆变器输出的电压幅值和相角，r，x分别为输电线路的电阻和电抗，e为电网侧交流电压有效值。逆变器输出的实际功率为：
[0142][0143]
对上式线性化得到：
[0144][0145]
其中，代表的稳态值。将vsg单元的有功-调频控制方程线性化，并联立上式，
可得vsg1单元的小信号模型：
[0146][0147]
将上式改写成相量形式为：
[0148][0149]
其中，矩阵a
b1
的表达式为：
[0150][0151]
调频机组g2的等效模型如图10所示，主要包括控制系统、原动机和调速器三个模块，其中控制系统和原动机模块的控制框图分别如图11、图12所示。
[0152]
根据图10、图11、图12推导出发电机g2的状态方程为：
[0153][0154]
式中，为发电机g2输出电压与母线电压相角差，x3、x4为图11中虚设的状态变量，τ
pm
为燃油喷射系统时间常数，k
pm
为柴油发动机的增益与燃油喷射系统的增益之和，k
p
为pi控制器比例增益，ki为积分增益，τd为柴油发动机停滞时间的一半，p1、p
g1
为光储vsg单元、发电机单元g1输入到交流母线的有功功率，pm相当于发电机的输出功率p
g1
，j
g2
为发电机g2的转动惯量，k
l
为发电机损耗系数。
[0155]
将上式的状态方程线性化，得到调频发电机g2的小信号模型为：
[0156][0157]
其中，矩阵a
g2
和b1的表达式如下
[0158][0159][0160]
其中τ
pm
为燃油喷射系统时间常数，k
pm
为柴油发动机的增益与燃油喷射系统的增益之和，ω
ref
为角频率设定值，k
p
为pi控制器比例增益，ki为积分增益，τd为柴油发动机停滞时间的一半，j
g2
为发电机g2的转动惯量，k
l
为发电机损耗系数。
[0161]
联立上述各模块的小信号模型，得到整体六端系统小信号模型为：
[0162][0163]
整体小信号模型一共有10个变量，系数矩阵a
sys
的表达式为：
[0164][0165]
其中：
[0166][0167][0168]
基于上述小信号模型，采用根轨迹法，对指标的隶属函数参数进行稳定性分析。一共有10个特征根，图13和图14中只显示主导根s1，s2的变化，非主导根基本不变，不改变系统的稳定性。
[0169]
首先对储能soc模块的m1参数进行分析，图13中左侧部分(a)中，设定参数σ1＝0.5不变，观察参数m1变化对系统稳定性影响。随着m1从0到6逐渐增大，s1，s2根轨迹逐渐远离虚
轴，系统稳定性增强。
[0170]
其次，对储能soc模块的σ1参数进行分析，如图13中右侧部分(b)中，设定控制参数m1＝5，观察σ1从0到3过程中根轨迹变化趋势。与图13中左侧部分(a)中变化轨迹相似，随着σ1的增加，系统稳定性逐渐增强。综上，参数m1和σ1增大均会使得系统的稳定性增强。
[0171]
为了进一步确定参数的取值范围，需要对图4进行分析。根据图4的曲线走势可以得到储能soc下的隶属函数应满足以下约束：
[0172]
充电状态时：
[0173][0174]
放电状态时：
[0175][0176]
综合根轨迹分析结果和上述两个公式的约束条件，经过多次试验，得到参数m1和σ1的最优取值范围分别为[3，6]，[0.01，0.8]。
[0177]
图14为换流器可调功率δpn隶属函数下的根轨迹变化曲线。图14中左侧部分(a)为参数p2从0到10的根轨迹曲线，可以看出有特征根位于复平面右侧，系统不稳定。图14中右侧部分(b)为参数p2从0到10的根轨迹曲线，特征根均在复平面左半平面，且随着p2减小，根轨迹逐渐靠近虚轴，系统稳定性逐渐减弱。上述可以看出，只有在参数p2《0时才能够保证系统稳定，为了进一步确定参数取值范围，根据图5的大致曲线得到δpn下的隶属函数应满足以下约束条件：
[0178][0179]
化简得：
[0180][0181]
将p2《0代入上式并化简得到参数p2、q2、c2的取值范围为：
[0182][0183]
式中可以看出，当参数a2和b2确定时，可以得到p2、q2、c2的取值范围。储能充放电可调节功率δp
t
隶属函数下的根轨迹变化曲线与δpn基本相同，此处不再赘述。
[0184]
为验证所提控制策略的有效性，在matlab/simulink中搭建光储多vsg单元交流系统模型。验证本文所提基于隶属函数算法的有效性，仿真分别从储能荷电状态soc、换流器额定功率δpn两个指标出发，与传统的惯量平均分配算法进行对比验证。由于储能充放电可调功率δp
t
与换流器额定功率δpn的仿真结果相似，因此本技术实施例不再对其展开。
[0185]
为方便对比，仿真均设置在20s时负荷突增5kw，太阳能光伏发电系统的辐照强度恒为1000w/m2。仿真的具体参数如表1，所选的隶属函数关键参数如下：m1＝4，δ1＝0.03，p2＝-1/16，q2＝5/8，c2＝-9/16，储能充放电可调节功率δp
t
隶属函数与δpn一致。
[0186]
表1六端交流系统参数
[0187][0188]
注：ud为各vsg单元中直流母线电压大小；u
bat
为蓄电池的额定电压。
[0189]
储能荷电状态的大小影响着系统调频能力，是惯量分配的重要指标。为突出基于隶属函数算法在不同soc值下惯量分配的优化效果，仿真从惯量变化、荷电状态变化、有功功率变化以及系统频率变化四个方面，与传统平均分配算法进行对比验证。仿真中设置的三个vsg单元的soc值分别为：δ
soc.1
＝80％，δ
soc.2
＝50％，δ
soc.3
＝20％，各vsg单元的其他两项指标取相近值。
[0190]
图15是基于隶属函数算法下三个vsg单元分配的惯量曲线图，可以看出在负荷突增需要储能放电时，δ
soc.1
最大，表示剩余可用电量最大，故分配给vsg1的惯量h1最多；δ
soc.3
最小，表示剩余可用电量最少，分配给vsg3单元的h3最少。
[0191]
图16中左侧和右侧分别是soc值为80％和20％时，基于隶属函数算法和平均分配算法的惯量分配对比图。可以看出，图16中平均分配算法分配的惯量曲线没有变化，表明平
均分配算法没有考虑soc值对惯量分配的影响，而基于隶属函数算法能够根据soc值的大小来合理调整分配的惯量。当负荷突增需要储能放电时，图16左侧的soc值较大，基于隶属函数算法分配给soc指标的惯量更多。图16右侧的soc值较小，基于隶属函数算法分配给soc指标的惯量更少。
[0192]
上述表明，基于隶属函数的算法能够根据需求来合理分配惯量，而平均分配算法忽略了soc值的影响，使得储能剩余容量大的装置不能够充分发挥支撑惯量的能力，储能剩余容量小的装置因出力过度而不能提供对应的惯量。
[0193]
图17中左侧和右侧分别是soc值为80％和20％时，隶属函数算法和平均分配算法的荷电状态变化对比图。图17左侧图中，在20s后基于隶属函数算法下的soc下降幅度较平均分配算法下降幅度小，而图17右侧图中的soc下降幅度较平均分配算法下降幅度大。这表明基于隶属函数的算法尽可能地让“能力”大的储能元件出力更多，故下降得更慢，让“能力”小的储能元件出力更少，故下降得较快，体现了算法分配的合理性。
[0194]
图18为换流器额定容量δpn均为5kw时，两种算法下的p1有功功率变化对比图。图中在负荷突变后，基于隶属函数算法控制的有功功率曲线变化幅度较小，并且恢复速度比平均分配算法快。这说明在负荷突变时，基于隶属函数的算法能够在一定程度上抑制功率波动并快速恢复至正常水平，提高系统稳定性。
[0195]
图19为两种算法下的系统频率对比图。可以看出基于隶属函数算法控制下的频率下降幅度较平均分配算法小，表明基于隶属函数的算法能够在功率扰动时提供更多的惯性支撑，维持频率稳定。
[0196]
换流器额定功率也是多vsg单元惯量分配的重要指标，超过额定功率的vsg单元将退出运行，这会造成系统频率波动。验证本技术实施例在部分vsg单元退出运行后的频率调节能力。仿真中设置三个换流器的额定功率分别为p
n1
＝1.5kw，p
n2
＝2kw，p
n3
＝5kw，并设置断路器开断来模拟变流器超出额定功率时的场景。系统在20s时突增负荷5kw，当功率超出所设置的额定功率时，触发断路器断开，模拟变流器过电流停机。
[0197]
图20中左侧部分为三个vsg单元在不同换流器额定功率差异下的有功功率曲线图。图中20s后p1达到额定容量并迅速切机，随后p2也达到额定功率退出运行，剩下p3承担所有功率运行。图20中右侧部分为基于隶属函数算法和平均分配算法下的频率变化对比图，可以看出基于隶属函数算法在负荷突变时频率下降幅度比平均分配算法要小。这表明在部分换流器发生过电流停机时，基于隶属函数算法相较于平均分配算法能够更好地抑制频率的下降，提高了系统稳定性。
[0198]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
[0199]
对应于上文实施例所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，图21示出了本技术实施例提供的多光储一体机的虚拟惯量控制分配装置的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本技术实施例相关的部分。
[0200]
参见图21，本技术实施例中的多光储一体机的虚拟惯量控制分配装置可以包括总惯量确定模块201、202、203和204。
[0201]
其中，总惯量确定模块201用于根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，确定电
力系统需要的总惯量。满意度确定模块202用于确定多个指标中各个指标对惯量分配的影响特性，根据所述影响特性生成表征各个指标对惯量分配作用的满意度函数，并基于所述满意度函数确定各个指标的惯量控制效果的满意度值。权重确定模块203用于根据各个虚拟同步发电机vsg单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数。控制模块204用于基于各个指标的权重系数和电力系统需要的总惯量，确定每个vsg单元所对应的最终惯量。
[0202]
需要说明的是，上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本技术方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
[0203]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0204]
本技术实施例还提供了一种终端设备，参见图22，该终端设备300可以包括：至少一个处理器310和存储器320，所述存储器320中存储有可在所述至少一个处理器310上运行的计算机程序，所述处理器310执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤，例如图1所示实施例中的步骤101至步骤104。或者，处理器310执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图21所示模块201至204的功能。
[0205]
示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器320中，并由处理器310执行，以完成本技术。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序段，该程序段用于描述计算机程序在终端设备300中的执行过程。
[0206]
本领域技术人员可以理解，图22仅仅是终端设备的示例，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0207]
处理器310可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0208]
存储器320可以是终端设备的内部存储单元，也可以是终端设备的外部存储设备，例如插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)等。所述存储器320用于存储所述计算机程序以及终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器320还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0209]
总线可以是工业标准体系结构(industry standard architecture，isa)总线、外部设备互连(peripheral component，pci)总线或扩展工业标准体系结构(extended industry standard architecture，eisa)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，本技术附图中的总线并不限定仅有一根总线或一种类型的总线。
[0210]
本技术实施例提供的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法可以应用于控制器、服务器、云平台、计算机、笔记本电脑、上网本、个人数字助理(personal digital assistant，pda)、增强现实(augmented reality，ar)/虚拟现实(virtual reality，vr)设备、手机等终端设备上，本技术实施例对终端设备的具体类型不作任何限制。
[0211]
本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法各个实施例中的步骤。
[0212]
本技术实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在移动终端上运行时，使得移动终端执行时可实现上述多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法各个实施例中的步骤。
[0213]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如u盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不可以是电载波信号和电信信号。
[0214]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0215]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0216]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/网络设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/网络设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0217]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显
示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0218]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，其特征在于，包括：根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，确定电力系统需要的总惯量；确定多个指标中各个指标对惯量分配的影响特性，根据所述影响特性生成表征各个指标对惯量分配作用的满意度函数，并基于所述满意度函数确定各个指标的惯量控制效果的满意度值；根据各个虚拟同步发电机vsg单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数；基于各个指标的权重系数和电力系统需要的总惯量，确定每个vsg单元所对应的最终惯量。2.如权利要求1所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，其特征在于，所述根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，构造虚拟惯量控制方程，包括：计算某一时刻电力系统的频率变化率和频率偏差量；根据所述频率变化率和频率偏差量得该时刻电力系统需要的总惯量；其中，采用分段式对总惯量进行控制，当所述频率变化率与所述频率偏移量的比值大于或等于切换阈值时，对所述频率变化率采用指数函数控制，对所述频率偏移量采用反正切函数控制；当所述频率变化率与所述频率偏移量的比值小于所述切换阈值时，对所述频率变化率采用反正切函数控制，对所述频率偏移量采用指数函数控制。3.如权利要求2所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，其特征在于，对总惯量的控制方程为：式中，k1和k2为预设的调整系数，σ为预设常数，m为所述切换阈值，df/dt为所述频率变化率，δf为所述频率偏移量，δt为δf对应的时间尺度。4.如权利要求1所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，其特征在于，所述多个指标包括储能荷电状态soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标；充电状态时，所述soc指标的满意度函数为：放电状态时，所述soc指标的满意度函数为：式中，m1和σ1为soc指标的惯量控制参数，a1、b1、c1和d1为储能装置的剩余容量阈值；所述换流器可调功率指标的满意度函数为：
式中，p2、q2和c2为构造二次函数的预设参数，a2、b2和c2为换流器容量阈值；所述储能充放电可调功率指标的满意度函数为：式中，p3、q3和c3为构造二次函数的预设参数，a3、b3、c3为储能充放电可调功率阈值。5.如权利要求4所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，其特征在于，所述根据各个vsg单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数，包括：对于n个vsg单元，soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标的权重优化模型分别为：式中，m
soc
、和分别为soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标的权重系数，和分别为第i个vsg单元下soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标的已知量，和分别为n个vsg单元下soc指标、换流器可调功率指标和储能充放电可调功率指标满意度的均值，n为大于或等于2的整数。6.如权利要求5所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，其特征在于，所述基于各个指标的权重系数和惯量控制效果满意度值，确定每个vsg单元所对应的最终惯量，包括：对soc指标、换流器可调功率指标储能充放电可调功率指标进行加权得到第i个vsg单
元对应的占比k
i
，i为大于0且小于或等于n的整数；根据第i个vsg单元对应的占比k
i
与系统需要的总惯量的乘积，得到对第i个vsg单元分配的惯量h
i
。7.如权利要求6所述的多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法，其特征在于，k
i
的表达式为h
i
的表达式为：h
i
＝k
i
h，u
soci
为第i个vsg的soc指标的满意度函数，为第i个vsg的soc指标的满意度函数，为第i个vsg的soc指标的满意度函数，h为所述总惯量。8.一种多光储一体机的虚拟惯量控制分配装置，其特征在于，包括：总惯量确定模块，用于根据电力系统的频率变化率和频率偏移量，确定电力系统需要的总惯量；满意度确定模块，用于确定多个指标中各个指标对惯量分配的影响特性，根据所述影响特性生成表征各个指标对惯量分配作用的满意度函数，并基于所述满意度函数确定各个指标的惯量控制效果的满意度值；权重确定模块，用于根据各个虚拟同步发电机vsg单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数；控制模块，用于基于各个指标的权重系数和电力系统需要的总惯量，确定每个vsg单元所对应的最终惯量。9.一种终端设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的方法。

技术总结
本申请适用于电力频率控制技术领域，提供了多光储一体机的虚拟惯量控制分配方法、装置及终端设备。该方法包括：根据的频率变化率和频率偏移量，确定系统需要的总惯量；确定各个指标对惯量分配的影响特性，根据影响特性生成表征各个指标对惯量分配作用的满意度函数，并基于满意度函数确定各个指标的惯量控制效果的满意度值；根据各个VSG单元对应相同指标之间的满意度差值，确定每个指标的权重系数；基于权重系数和总惯量，确定每个VSG单元所对应的最终惯量。本申请能够在快速响应电力系统频率变化的同时，还能够根据相同指标之间的满意度差值来实时调整权值大小，实现多个调频电源的虚拟惯量优化分配，提升电力系统频率响应速度及稳定性。度及稳定性。度及稳定性。


技术研发人员：戎士洋 梁纪峰 范辉 于腾凯 王蕾报 刘佳敏 王庚森
受保护的技术使用者：国家电网有限公司 国网河北能源技术服务有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/5