本发明涉及一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法和装置。
背景技术：
1、近年来，传统能源短缺和日益严重的环境问题亟待解决，电力系统逐步从传统火电机组向风、光等新能源发电转型，煤炭污染问题得到了有效的治理。新能源在一次能源消费中的比重不断提高。因此，电力系统即将迎来高比例新能源时代，积极推动新能源替代化石能源是今后的重点任务之一，新能源发电是未来电力系统发展的必然趋势。
2、随着电力系统中传统机组逐渐被新能源机组所取代，电力系统的总体惯量逐渐下降，其原因为以风能为代表的新能源，一般通过电力电子变换器接入电网，从而导致与电网解耦，在有功功率扰动下无法主动为电网提供惯量支撑。同时，新能源机组遵循最大功率跟踪控制向电网输送功率，当系统中发生较大的功率扰动时，无法像传统机组那样通过原动机调速系统来增加机组的输出功率为系统提供有功支撑。新能源高占比系统将会导致系统惯量退化，频率偏移较大，致使系统不稳定或者崩溃。
3、为应对新能源高占比配置方案所引起的低惯量系统，学者们针对虚拟惯量进行了大量研究。包括提出虚拟同步机、同步变频器、虚拟同步发电机(virtual synchronousgenerator,vsg)，均用以增强构网型逆变器的惯量，或者基于双馈风机的虚拟惯量控制方法，使风机具有虚拟转动惯量；利用光伏发电机和变频空调为低惯性微电网提供虚拟惯性和频率调节的虚拟储能系统(vess)，改善微电网的虚拟惯量，使用频率微分控制方法，控制储能输出功率，为系统提供虚拟惯量等控制方法。
技术实现思路
1、为了克服现有研究方法的不足，本发明提出了一种考虑频率空间动态分布的虚拟惯量调度方法和装置。
2、本发明基于“分频器”理论，建立全网各节点独立频率动态响应模型；使用频率微分控制在虚拟惯量与储能的输出功率之间建立等式关系，为部分节点提供虚拟惯量。通过系统各节点的频率动态，能够更直观的观察到高比例新能源并网所引起的惯量分布步均匀问题，并在此基础上进行虚拟惯量优化调度，以达到保证系统各节点的频率安全性。
3、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
4、本发明的第一个方面涉及一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法，该方法包括以下步骤：
5、s1：基于逆变器的储能设备能够模拟同步发电机的惯性响应，因此将增强电力系统的频率瞬态稳定性并避免新能源发电的削减，分析逆变器工作过程中的基本控制逻辑；
6、s2：根据提出的时空分布模型，考虑了发电机节点的内部阻抗[18]，扩展了导纳矩阵，从扩展的导纳矩阵数据中可以看到，扩展的发电机内部电抗与线路参数的电纳数值上相差一个数量级，故本文所提对负荷节点接入储能提供虚拟惯量，接入方式不能将注入功率直接加在负荷节点处，需要同本文中发电机模型做相似处理，即考虑接入储能处的虚拟导纳。兼顾上述内容建立本文需求的扩展直流潮流；
7、s3：建立扰动瞬间的惯性响应时空动态模型，并分析发电机节点在扰动初始时刻的工作状态，作为优化调度模型的约束条件；
8、s4：建立扰动瞬间储能节点与负荷节点的动态输出模型，分析储能节点与负荷节点在扰动初始时刻的工作状态，并作为优化调度模型的约束条件；
9、s5：正确调度分布式虚拟惯量设备是增强电力系统中所有节点频率稳定性的一种有效方法。建立了一种最优调度策略，以确保时空频率的稳定性，同时将分布式虚拟惯性支持的成本降至最低；
10、s6：该优化调度模型中存在各种非线性约束，为顺利进行优化求解，需要对非线性约束进行线性化，使用不同的线性化方法线性化模型中不同的非线性问题；步骤s1中，逆变器的基本控制逻辑分析包括以下过程：
11、s1-1：电压控制回路，设备的输出电压由电压控制器控制其追踪参考电压vref∠θref。为了模拟同步发电机在初级频率响应中的行为，相位角的变化θref遵循摆动方程。具体来说，角速度ωref是功率参考pref与输出功率ps的差值积分的2hv倍得到的数值，因此hv是虚拟惯量，它描述了角速度关于一段时间内功率偏差积分的灵敏度；
12、s1-2：电流控制回路，为了实现受控的输出电压，电感电流需要快速追踪电压控制器给出的参考电流同时，电流幅度应始终在[-imax,imax]范围内，为了避免触发逆变器的过流保护。如果出现参考电流复制越限情况，逆变器的输出电压将无法跟踪电压参考值，此时该器件退化成恒流源，换句话说，如果逆变器的储能设备电流饱和，则无法提供虚拟惯量；
13、步骤s2中，扩展直流潮流建模包括以下内容：
14、s2-1：提出的时空分布模型中考虑了发电机节点的内部阻抗，扩展了导纳矩阵，从扩展的导纳矩阵数据中可以看到，扩展的发电机内部电抗与线路参数的电纳数值上相差一个数量级，故本文所提对负荷节点接入储能提供虚拟惯量，接入方式不能将注入功率直接加在负荷节点处，需要同本文中发电机模型做相似处理，即考虑接入储能处的虚拟导纳。扩展后的潮流方程如下：
15、
16、式中下标g、s和d分别表示电力系统中的发电机、储能和负荷的集合；pg、ps和pd分别为发电机节点的注入有功功率、储能节点的注入有功功率和负荷节点的注入有功功率组成的列向量；θg、θs和θd分别为发电机转子角度位置、储能节点电压相角和负荷电压相角组成的列向量；bgg、bgb和bbg为利用同步电机的内阻抗获得电纳矩阵；bss、bbs和bsb为利用虚拟阻抗获得的电纳矩阵；bbb为节点电纳矩阵，其对角线元素增广了发电机母线上同步电机的内部电抗与储能节点的虚拟电抗；
17、步骤s3中，扰动瞬间惯性响应时空动态模型以及分析发电机节点的工作状态，建模步骤如下：
18、s3-1：扰动瞬间惯性响应时空动态模型建模，假设t＝0时，负荷节点发生功率突变，此时将立即改变电力系统的功率流分布，各个节点的功率与相角分为初始量与突变量，如式(2)所示：
19、
20、式中，δps(0+)、δpg(0+)、δpd(0+)与δθg(0+)、δθs(0+)、δθd(0+)为基于式(1)中pg、ps、pd、θg、θs、θd的扰动量。将式(2)、式(3)带入式(1)，并消除稳态项，得到：
21、
22、s3-1：扰动瞬间发电机节点的动态过程分析，发电机转子由于存在一定的惯性，其相角相对位置θg在扰动瞬间不会发生突变，有：
23、δθg(0+)＝[0,…,0,…,0]t (5)
24、扰动发生瞬间发电机节点处的电磁功率与发电机输出的机械功率不平衡使得频率变化率开始变化，响应过程如下：
25、
26、式中，rocofgi(0+)表示扰动瞬间发电机节点的频率变化率；δpgi(0+)表示在t＝0+时发电机的电磁功率变化量；表示发电机在t＝0+时的机械功率输出变化量；hi表示第i台发电机的惯量大小；表示发电机的节点集。值得注意的是，发电机的机械功率受到调速器和汽轮机的动态性能的制约，不能突然改变，因此有：
27、
28、发电机的电磁功率会在扰动瞬间产生变化，求解式(4)可以得到发电机节点的电磁功率的变化；
29、步骤s4中储能节点与符合节点的动态过程分析，步骤如下：
30、s4-1：本文扩展储能节点即控制储能节点的注入功率以期达到为系统提供额外惯量的效果。对接入储能提供虚拟惯量的节点其处理过程与发电机节点类似，由于储能提供的惯量为虚拟惯量，该惯量与其容量相关并且储能的容量存在上限，由于此特殊性质，故需要进行特殊处理，可以得到：
31、
32、将式(8)中的两种的两个边界条件约束改写成如下互补松弛条件：
33、
34、上述过程描述储能在调频过程中存在的两种输出情况：1)当储能容量足够时，其处理过程与发电机节点近似，即可通过摆动方程进行下一步计算，此时表示该节点处的相角变化可控；2)当储能容量不足时，出现另一种情况，此时该节点处的相角不可控，只可通过潮流计算出此时的节点相角变化；
35、由于储能输出存在两种情况，对于不同情况储能的处理方式不同，为了区分两种不同的情况，引入式(11)区分两种情况，同时为了保证储能不“过量”输出，引入式(12)进行约束；
36、
37、对于上述第一种情况，在扰动瞬间采用式(13)表示，即储能开启且储能输出未到达上限，此时储能容量充足时相角可控，下式可表示其控制过程。对于储能容量不足的节点，其处理过程近似负荷节点，具体过程将在下文中展示。
38、
39、式中，表示第j台储能提供的虚拟惯量；xj表示第j储能的启停；yj为二进制变量，0/1分别表示储能工作时是否达到上限；表示第j台储能的最大容量；s表示储能的节点集。通过联立方程组求解得到扰动瞬间发电机节点的频率变化率，可以实现发电机节点对下一时刻的频率变化与相角变化的控制；
40、s4-2：在本文中，所有载荷本身都被认为是无惯性的。因此，它们的相位角可能会经历0-到0+的阶跃变化。并且假设除发生功率突变的节点外其余节点功率不发生变化，则有：
41、δpd(0+)＝[0,…,δpt,…,0]t (14)
42、由于负荷节点功率不随时间发生变化，那么对式(4)求二阶导，则有：
43、bbg·rocofg(0+)+bbs·rocofs(0+)+bbb·rocofd(0+)＝0 (15)
44、对于上文中提到的储能输出达到容量上限的情况，该节点可以近似为负荷节点处理。由于储能输出功率在扰动瞬间达到最大值，那么在扰动瞬间这一时刻的功率右导数必为0，故对于这部分节点，满足：
45、(1-yj)(bss(j,:)·rocofsj(0+)+bsb(j,:)·rocofdj(0+))＝0 (16)步骤s5中，建立虚拟惯量优化调度模型包括以下步骤：
46、s5-1：建立目标函数，确保时空频率的稳定性的同时将分布式虚拟惯性支持的成本降至最低。上文中区分了储能在应对突发故障时的两种运行方式，根据不同方式其成本计算方式不同。当储能输出没有达到上限时，储能能够完全提供相应的虚拟惯量，此时成本为惯量成本；当储能输出达到上限时，其提供的虚拟惯量失效，通过功率计算此时的运行成本。为了最大限度地降低分布式虚拟惯量设备的总运行成本，搭建成本函数：
47、
48、式中，cj为节点j提供虚拟惯量的价格系数，在本例中，惯量服务采用$200/s[19]；rj表示节点j所提供的功率成本，根据最大容量所提供的最大虚拟惯量，估计功率成本系数，取rj＝$50/mw。不同节点上的虚拟惯量设备需要申报他们想要提供的虚拟惯量的单价以及逆变器的最大输出功率，系统运营商将决定谁中标；
49、s5-2：建立约束条件，考虑频率时空分布模型，对调频过程中各变量进行暂态稳定约束。扰动发生瞬间约束，包括式(4)～(16)。除此之外还要添加频率安全约束与虚拟惯量约束：
50、-rocofmax≤rocof(0+)≤rocofmax (18)
51、rocof＝[rocofg,1…rocofg,n,rocofs,1…rocofs,m]t (19)
52、
53、式中，rocofmax分别表示各节点上的最大频率变化率与最大频率偏差；表示虚拟惯量设备所提供虚拟惯量的上下限。
54、步骤s6中，非线性约束线性化过程包括以下步骤：
55、s6-1：上述建立的优化模型中存在许多非线性方程，进行优化求解过程中需要进行线性化。非线性约束包括式(9)、(10)、(11)、(13)、(17)，下面对线性化过程进行详细说明。
56、上述提到的五组非线性约束共含有三种非线性情况，1)二进制变量与连续变量相乘；2)两个连续变量相乘；3)两个二进制变量相乘。
57、1)以式(9)中xjδps,j(0+)为例，采用大m法[20]进行线性化，过程如下，首先记：
58、pj(k)＝xj·δps,j(0+) (21)
59、-m(1-xj)≤pj(k)-δps,j(0+)≤m(1-xj) (22)
60、-mxj≤pj(k)≤mxj (23)
61、2)式(13)中的非线性项是两个连续变量相乘，我们选择进行二进制展开为：
62、
63、式中，l与zlj分别表示二进制展开的位和对应的二进制变量，记：则有：
64、
65、记yl,j(k)＝zlj·rocofsj(k)，则：
66、
67、通过标准的大m法线性化方法可以得到：
68、-m(1-zlj)≤yl,j(k)-rocofsj(k)≤m(1-zlj) (27)
69、-mzlj≤yl,j(k)≤mzlj (28)
70、3)式(17)中存在两个二进制变量相乘，可引入一个新的二进制变量bj，做逻辑’与’运算，有：
71、-(1-xj)≤bj-yj≤(1-xj) (29)
72、-xj≤bj≤xj (30)
73、式中提到的所有m为一个足够大的量，上述线性化过程中新添加的变量包括pj(k)、uj(k)等，均无实际意义，为线性化过程中的中间变量。
74、本发明的第二个方面涉及一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度装置，其特征在于，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现本发明的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法。
75、本发明的第三个方面涉及一种计算机可读存储介质，其其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现本发明的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法。
76、本发明基于“分频器”理论，建立全网各节点独立频率动态响应模型；使用频率微分控制在虚拟惯量与储能的输出功率之间建立等式关系，为部分节点提供虚拟惯量；进一步，考虑到扩展导纳矩阵中同步发电机的内部电抗与线路电抗数量级不一致，提供虚拟惯量的储能装置需要做近似处理，引入虚拟阻抗，以保证模型可行性；然后，以优化扰动初始惯性响应过程中各节点的频率变化率，调度虚拟惯量，提高电力系统各节点的频率变化率稳定性。
77、本发明的有益效果是：
78、1、对于高新能源占比系统来说，随着高比例电力电子设备的并网，系统网络中各节点惯量分布不均匀问题日趋严重，传统基于中心惯量估计系统总体的频率分析方法误差逐渐增大，本发明考虑全网各节点的频率指标，能够更精确判断系统是否稳定。
79、2、通过调用虚拟惯量为系统网络中惯性薄弱的位置增加惯量，对比传统的削风削光，增加在线发电机运行的方法，本发明具有明显的经济优越性。
80、3、考虑虚拟惯量本质是通过储能装置的快速反应特性给予系统惯量支撑得到的，本发明充分考虑了虚拟惯量与功率之间的关系，并说明了储能容量上限对于调频效果的影响。
1.一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法，其特征在于，所述步骤s1中，逆变器的基本控制逻辑分析包括以下过程：
3.如权利要求2所述的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法，其特征在于，所述步骤s2中，扩展直流潮流建模包括以下内容：
4.如权利要求3所述的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法，其特征在于，在所述步骤s3中，扰动瞬间惯性响应时空动态模型以及分析发电机节点的工作状态，建模步骤如下：
5.如权利要求4所述的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法，其特征在于，在所述步骤s4中储能节点与符合节点的动态过程分析，步骤如下：
6.如权利要求5所述的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法，其特征在于，在所述步骤s5中，建立虚拟惯量优化调度模型包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法，其特征在于，在所述步骤s6中，非线性约束线性化过程包括以下步骤：
8.一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度装置，其特征在于，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现权利要求1-7中任一项所述的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现权利要求1-7中任一项所述的一种考虑频率时空分布的虚拟惯量优化调度方法。
