基于重力储能同步电机并网指标最优分配的并网控制方法与流程

本发明涉及电池管理，尤其涉及一种基于重力储能同步电机并网指标最优分配的并网控制方法。

背景技术：

1、重力储能是一种机械式的储能，其储能介质主要分为水和固体物质，基于高度落差对储能介质进行升降来实现储能系统的充放电过程。而重力储能的其基本原理是利用富裕电力提升重物，存储重力势能；待需要时释放重物，利用其势能带动发电机发电。重力储能的介质主要分为水和固体物质，水介质型重力储能因选址易受地形和水源限制，在自然水源附近更易建成大规模的储能系统；而固体物质型重物储能主要选择高密度的物质如金属、水泥、砂石等借助山体、地下竖井、人工构筑物等结构实现对重物的提升和下落。虽然储能需求持续增长，当前可规模化应用的储能技术中，抽水蓄能和化学电池都面临着可扩展性、平准化经济性、安全性和环境风险方面的重大挑战。因此，在全球去碳化背景下，具有高安全可靠性、环境友好型的重力储能成为最具发展潜力的一种储能技术。此外，对于缺水、风光资源丰富，且多山的三北地区，不受水资源的限制的基于固体的重力储能系统成为最优选择。相对于抽水蓄能，不用开挖水库和输水涵洞，大幅减小了工程量，从而降低了成本；因此，基于固体的重力储能技术有望发展成为一种超大规模低成本、安全的电力系统储能技术。

2、另一方面，以垂直式重力储能系统为例，其发电/电动机并网基本要求是：机端与网端电压相序、频率、幅值及相位均需一致。但在实际重力储能系统并网时，由于启动及并网方式不同，以及控制系统偏差等原因，使得机端和网端电压指标很难完全一致，且与常规发电机组相比，重力储能系统需根据电网需求在充放电运行工况间频繁切换，而每次切换均需完成发电/电动机的起动及并网。此时并网成功率以及频繁并网所引起的冲击问题将对并网安全运行构成威胁，若机端和网端电压指标始终存在较大误差则会产生稳定的瞬态冲击电流，若不进行人为干预和控制，长时运行下去会给并网系统的安全带来隐患，造成设备老化甚至损坏等一系列问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种基于重力储能同步电机并网指标数据最优分配的并网控制方法，采用权重分配及数据处理方法，提高了并网成功率并实现了并网指标数据的精确化处理，有效抑制频繁并网产生的持续且稳定的冲击电流，改善了电网供电的电能质量，具体由以下技术方案实现：基于重力储能同步电机并网指标最优分配的并网控制方法，包括如下步骤：

2、步骤1)基于机端电压相位、幅值、频率对冲击电流的影响特性确认重力储能同步电机并网的加权条件；

3、步骤2)基于相位、幅值、频率波动时产生最大冲击电流，确认不同并网指标对系统影响权重的优先级依次为频率、相位、幅值；

4、步骤3)机端电压的相位、幅值及频率三组数据通过三元线性回归综合判断能否完成并网，三组数据在同一个坐标系中，生成三条曲线：同步电机出口电压相位对应数据同步电机出口电压幅值v：对应数据v1，v2，v3…vi；同步电机出口电压频率f对应数据f1，f2，f3…fi；

5、步骤4)对机端电压指标数据进行数据拟合降低数据误差，优化数据模型后，结合并网指标对系统影响权重的优先级对指标数据进行了三次数据选取，降低了机端电压；

6、步骤5)根据多元线性回归算法得到刚好能够完成并网时的三组数据并网条件集合，实现数据的最优精确化处理。

7、所述基于重力储能同步电机并网指标最优分配的并网控制方法的进一步设计在于，所述步骤1)中首先通过仿真分析了机端电压相位、幅值及频率改变时对并网冲击电流的影响特性：

8、为最终分配合理权重，使相位、幅值、频率三者改变后达到相同的冲击电流，设定冲击电流阈值为120a，再分析每个并网指标偏离标准值的程度，并提出并网的加权条件，即：

9、

10、式中，ω为并网的加权指标，f、v分别为端口电压的频率、相位和幅值；当机端电压的相位、幅值、频率与网端完全一致时为进行并网的最优并网指标，即为最优并网时刻，此时并网的加权指标记为ω0，机端电压的相位、幅值、频率分别为v0、f0,则有：

11、

12、满足并网的加权指标最基本的要求为加权后的数值不超过最优并网指标ω0的±10％，即：|ω-ω0|≤10％ω0。

13、所述基于重力储能同步电机并网指标最优分配的并网控制方法的进一步设计在于，所述步骤3)中根据按照并网规范的电能质量波动范围的标准而调整的并网条件范围，初步确定三个并网条件的范围：设定同步电机出口电压相位偏差值作为相位修正值并确定相位范围即：为同步电机出口电压相位；设定同步电机出口电压幅值偏差值δv，作为幅值修正值vm＝v0-δv，vn＝v0+δv，并确定幅值范围即：vm≤vi≤vn，vi为同步电机出口电压幅值；设定同步电机出口电压频率偏差值δf，作为频率修正值fo＝f0-δf，fp＝f0+δf，并确定频率范围即：fo≤fi≤fp，fi为同步电机出口电压频率。

14、所述基于重力储能同步电机并网指标最优分配的并网控制方法的进一步设计在于，所述步骤4)中对机端电压指标数据进行数据拟合降低数据误差，优化数据模型的过程包括如下步骤：

15、步骤4-1)通过安装采集，得到重力储能同步电机运行过程中的机端电压相位、幅值及频率数据集合，由于采集和时间固定，因此机端电压相位、幅值及频率三组数据对应同一个时间轴t，即在由质量块拖动同步电机启动并在同步电机达的励磁达到额定励磁的过程中，同步电机出口电压的频率、相位、幅值均要随着时间t共同变化至标准值，因而三条曲线的横坐标都是使用同一个坐标轴，保证了三组数据的同步性；

16、三组数据在同一坐标系中生成三组曲线：

17、同步电机出口电压相位对应数据

18、同步电机出口电压幅值v:对应数据(v1，v2，v3…vi)；

19、同步电机出口电压频率f:对应数据(f1，f2，f3…fi)；

20、步骤4-2)若应用采集卡或者实验实测重力储能发电/电动机机端电压相位、幅值及频率数据，则数据均为观测值，一般无法保证数据的完全准确性。因此，需要引入数据拟合处理方法如最小二乘法，剔除坏数据，降低数据组的误差，达到优化数据模型的目的。

21、根据并网规范的电能质量波动范围的标准及工程实际应用经验而得到的符合并网的加权指标的并网指标数据范围，得到机端电压相位数据集合机端电压幅值数据集合v＝{v1，v2，v3…vi}，机端电压频率数据集合f＝{f1，f2，f3…fi}。引入最小二乘法处理，降低数据组的误差，优化数据模型，保证数据模型具有高准确性以及强鲁棒性。假设所采用的拟合函数为

22、

23、式中：xi(i＝1,2,…,n)为数据集合中的第i个数据，n为数据集合中总的数据个数；φ(xi)为通过分配权重进行数据拟合后得到的评分数据；为通过最小二乘法运算后得到的数据，假设真实的数据为y(xi)，则问题转化为求解未知参数a和b，使得和y(xi)的均方误差达到最小，即：

24、

25、分别对a和b求偏导可得：

26、

27、

28、分别令以上两式的值为零，可得到a和b的最优解为：

29、

30、

31、进而得到：

32、

33、将机端电压相位数据集合幅值数据集合v＝{v1，v2，v3…vi}，频率数据集合f＝{f1，f2，f3…fi}，分别代入上式，得到更准确的v、f数据集合；

34、

35、

36、

37、拟合后的数据集合记为：

38、

39、所述基于重力储能同步电机并网指标最优分配的并网控制方法的进一步设计在于，所述步骤4)中对指标数据进行了三次数据选取，降低了机端电压具体包括如下步骤：

40、步骤4-1)第一次提取三组数据：根据幅值范围vo≤vi≤vp，vi表示同步电机出口电压幅值，从第二次提取后的同步电机出口电压频率数据(fjm…fkn)，同步电机出口电压相位数据同步电机出口电压幅值数据(vjm…vkn)，再次提取同一时间范围内的频率数据(fjmo…fknp)，相位数据幅值数据(vjmo…vknp)；

41、步骤4-2)第二次选取三组数据：根据相位范围表示同步电机出口电压相位，从第一次提取后的同步电机出口电压频率数据(fj…fk)，同步电机出口电压相位数据同步电机出口电压幅值数据(vj…vk)中再次提取同一时间范围内的频率数据(fjm…fkn)，相位数据幅值数据(vjm…vkn)；步骤4-3)第三次选取三组数据：根据频率范围fo≤fi≤fp，fi表示同步电机出口电压频率，从同步电机出口电压频率数据(f1，f2，f3…fi)、同步电机出口电压相位数据同步电机出口电压幅值数据(v1，v2，v3…vi)中截取同一时间范围内的频率数据(fj…fk)，相位数据幅值数据(vj…vk)。

42、所述基于重力储能同步电机并网指标最优分配的并网控制方法的进一步设计在于，所述步骤5)中将重力储能同步电机机端电压指标数据精度达到最高后，将三组数据通过多元线性回归进行分析，降低判断数据准确性的难度，通过设置三组数据条件刚好能够完成并网时的数据集合y，对数据进一步筛选；

43、根据多元线性回归算法，设置因变量为三组数据条件刚好能够完成并网时的数据集合y；再次分析三组自变量：同步电机出开口电压频率数据(fjmo…fknp)，同步电机出口电压相位数据同步电机出口电压幅值数据(vjmo…vknp)，对因变量y的影响；

44、

45、式中，y为三组数据条件刚好能够完成并网时的数据集合，β0为截距；βi为xi的回归系数，其中，i＝1,2,3，ε为残差项，回归系数通过最小二乘法计算得到；

46、β＝(xtx)-1xty

47、其中，x为：

48、

49、式中，β＝[β1,β2,β3]t；y＝[yjmo,……yknp]t，为数据的响应变量，最终得到对应选定的三组数据并网条件集合y，完成了数据的最优精确化处理。

50、本发明的优点如下：

51、本发明通过引入重力储能同步发电/电动机并网的加权条件，提高了在频繁并网工况下电机并网的成功率。

52、本发明通过对电机运行数据的精确选取，实现了并网指标数据的精确化处理，减小了并网瞬态冲击电流，保证在频繁并网的情况下，重力储能同步发电/电动机机端电压指标拥有很高的精度，产生很小的瞬态冲击电流，更加满足并网合闸时对冲击电流的控制要求。

53、本发明没有将实测或仿真数据直接用于数据选取及优化，而是首先采用最小二乘法对数据模型进行了优化处理，保证了本发明数据模型具有较高准确性和较强鲁棒性。