一种基于集中式储能与分布式逆变器轮换协同的电力系统频率支撑方法及系统

本发明属于电力系统频率调节，具体涉及一种基于集中式储能与分布式逆变器轮换协同的电力系统频率支撑方法及系统。

背景技术：

1、随着以光伏为代表的分布式新能源在配电网中的装机占比快速提升。分布式光伏通过并网逆变器接入电网，逆变器的控制模式直接决定了其与电网的交互特性和对系统稳定性的影响。传统跟网型逆变器采用电流源控制策略，依赖锁相环实现与电网的同步，在强电网条件下运行稳定且最大功率点跟踪效率高，但无法为电网提供频率和电压支撑。随着分布式光伏渗透率的持续提升，系统等效惯量和短路容量持续下降，频率稳定裕度逐渐收窄。

2、为提升含高比例分布式光伏的电力系统频率支撑能力，需要部分并网逆变器运行于构网型控制模式。构网型逆变器通过虚拟同步机或下垂控制算法自主建立频率和电压参考，能够为电网提供虚拟惯量响应和一次调频服务。然而，构网型逆变器为提供上述支撑能力需要预留一定比例的有功功率裕度（通常为额定功率的10%至20%），导致光伏发电量损失。

3、现有技术中，逆变器频率支撑能力的实现主要依赖以下几种方案。第一种为分散配储方案，即每台光伏逆变器单独配置小型储能装置，由储能提供惯量和调频服务。该方案存在单位容量投资成本高、储能利用率低和运维困难等缺陷。第二种为固定构网型配比方案，即将部分逆变器永久设为构网型模式，其主要缺陷在于被固定的逆变器长期承担额外经济损失，公平性差。第三种为全构网型方案，即所有逆变器均运行于构网型模式，该方案的发电量损失最为严重。

4、因此，现有技术中缺乏一种将集中式储能与逆变器分组轮换相结合、兼顾经济性和频率支撑能力的系统性频率支撑方法。

技术实现思路

1、1．要解决的技术问题：

2、为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于集中式储能与分布式逆变器轮换的电力系统频率支撑方法及系统，以集中式储能替代分散配储降低系统投资成本，以分组轮换机制实现构网型调节责任的公平分担，并在逆变器模式切换窗口期由集中式储能提供惯量缓冲，保障切换过渡过程中系统频率的连续稳定。

3、2．技术方案：

4、为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

5、一种基于集中式储能与分布式逆变器轮换的电力系统频率支撑方法，包括以下步骤：

6、步骤s1：在区域电网的公共连接点母线部署集中式储能单元，并将m台具备构网型模式与跟网型模式双模运行能力的分布式并网逆变器划分为n个逆变器组，其中m≥n≥2，且m和n均为整数；

7、步骤s2：确定所述n个逆变器组中运行于构网型模式的逆变器组的容量占所有逆变器总容量的比例，记为构网型模式容量占比；为各逆变器组设定统一的轮换周期t，并按照预设的时序关系确定各逆变器组的切换时间点，使得所述n个逆变器组在时间轴上依次交替切换运行模式；每个逆变器组在所述切换时间点从跟网型模式与构网型模式中的一种切换至另一种，并维持切换后的运行模式持续一个预设的运行时长，其中，若切换后的模式为构网型模式，则所述运行时长为；若切换后的模式为跟网型模式，则所述运行时长为；

8、步骤s3：各逆变器组根据本地电压与预设电压阈值的关系，在其各自的切换窗口期内自主触发模式切换；在所述切换窗口期内，所述集中式储能单元通过本地频率检测感知切换事件，并根据公共连接点处的频率变化率，利用虚拟惯量方程自动计算并释放惯量支撑功率，以补偿切换暂态过程中的功率缺额，逆变器与储能之间无需通信协调；

9、步骤s4：实时监测电网频率偏差，并根据所述频率偏差的动态变化，自适应地调整所述轮换周期t和/或运行于构网型模式的逆变器容量占比；

10、步骤s5：在非切换时段，调度所述集中式储能单元参与峰谷套利和辅助服务市场交易。

11、进一步地，所述步骤s2中，第i个逆变器组的切换时间点满足如下关系：

12、；

13、其中，为系统参考起始时间，，k为轮换轮次计数器，取值为0,1,2,…。

14、进一步地，所述步骤s3中，所述集中式储能单元提供的惯量支撑功率通过以下虚拟惯量方程计算：

15、；

16、其中，为储能的等效虚拟惯量常数，为储能的额定容量，df/dt为电网公共连接点处的频率变化率。

17、进一步地，所述步骤s5还包括：建立储能日前调度优化模型，所述模型以最大化储能综合收益为目标函数：

18、；

19、并至少包括惯量支撑备用约束，所述惯量支撑备用约束要求在每个切换窗口时刻，储能荷电状态不低于预设的惯量支撑备用最低值，根据最大惯量补偿功率和最长切换窗口时间确定。

20、进一步地，所述步骤s3还包括：在所述切换窗口期内，所述集中式储能单元同时提供一次调频响应，其调频功率根据有功-频率下垂系数和频率偏差计算：

21、；

22、其中，为储能的有功-频率下垂系数，为额定频率，为电网实时频率。

23、进一步地，所述步骤s4中，所述自适应调整包括：

24、当所述频率偏差超过第一阈值时，缩短所述轮换周期t和/或提高所述构网型模式容量占比阈值；

25、当所述频率偏差超过第二阈值时，控制全部逆变器切换至构网型模式运行，其中所述第二阈值大于所述第一阈值。

26、进一步地，所述步骤s3中，所述集中式储能单元的总输出功率为日前调度计划功率、所述惯量支撑功率和一次调频功率三项的叠加，从而实现同一储能硬件的多功能复用。

27、进一步地，所述方法还包括：监测所述集中式储能单元的荷电状态，当所述荷电状态低于预警阈值时，限制所述集中式储能单元用于惯量支撑和一次调频的输出功率；在所述频率偏差未超过所述第二阈值的情况下，当所述荷电状态低于紧急阈值时，优先提高所述构网型模式容量占比阈值，以减少对储能惯量支撑的依赖。

28、进一步地，各逆变器组在一个完整的轮换周期内，因运行于构网型模式而产生的等效发电量损失比例相同，从而实现调节经济损失的公平分担。

29、本发明还提供一种基于集中式储能与分布式逆变器轮换的电力系统频率支撑系统，用于实现权利要求1至9中任一项所述的方法，所述系统包括：

30、集中式储能单元，通过双向ac/dc变换器连接至区域电网的公共连接点母线；

31、m台分布式并网逆变器，每台逆变器均具备构网型模式和跟网型模式的双模运行能力，并划分为n个逆变器组；

32、区域协同控制器，所述区域协同控制器包括：

33、分组管理单元，用于执行所述逆变器组的分组和轮换周期配置；

34、切换控制单元，用于根据所述轮换周期和预设时序关系，生成并向各逆变器组下发包含差异化电压阈值的轮换配置参数，各逆变器组在接收到所述轮换配置参数后，基于本地电压信息与所述差异化电压阈值的关系自主执行模式切换；

35、动态调整单元，用于根据实时监测到的电网频率偏差和储能荷电状态，自适应地调整所述轮换周期、构网型模式容量占比以及所述集中式储能单元的出力策略；

36、协同调度单元，用于生成并更新所述集中式储能单元的惯量支撑响应阈值和策略参数，使所述集中式储能单元在非切换时段，根据储能日前调度计划参与峰谷套利和辅助服务，在监测到因逆变器切换导致的本地频率变化率越限时，自主启动惯量支撑；以及

37、状态监测模块，用于实时监测各逆变器的运行状态、电网公共连接点处的频率和电压以及所述集中式储能单元的荷电状态。

38、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法。

39、本发明还提供了一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并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上述任一项所述的方法。

40、3．有益效果：

41、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

42、(1)降低了系统投资成本并提高了储能利用率：本发明采用集中式储能替代分散式配储方案，通过一个集中式储能单元为区域内所有分布式逆变器提供切换暂态支撑，避免了为每台逆变器单独配置储能的高昂投资，显著降低了系统建设成本和运维难度。

43、(2)实现了调节责任与经济损失的公平分担：通过分组轮换机制，所有逆变器组在一个完整的轮换周期内，因运行于构网型模式而产生的等效发电量损失比例完全相同，克服了固定构网型配比方案中部分逆变器长期承担经济损失的缺陷，提高了系统运行的公平性和可接受度。

44、(3)保障了频率支撑的连续性与平滑性：在逆变器模式切换的暂态窗口期，各逆变器基于本地电压阈值自主切换，集中式储能通过本地频率检测自主感知切换事件，根据虚拟惯量方程提供即时的惯量支撑和一次调频响应，有效补偿了因逆变器模式切换而产生的功率缺额，避免了频率的暂态跌落或过冲，确保了频率支撑服务的不间断和高质量。

45、(4)实现了储能硬件的多功能复用与系统性能的协同优化：本发明的集中式储能单元不仅为切换暂态提供频率支撑，还可在非切换时段参与峰谷套利和辅助服务市场，实现了“一储多用”。同时，通过将储能的快速响应与逆变器的模式轮换相结合，系统能够自适应调整频率支撑策略，在正常状态下追求经济最优，在紧急状态下提供最大惯量支撑，显著提升了系统的灵活性和韧性。

46、需要说明的是，本发明未介绍的结构由于不涉及本发明的设计要点及改进方向，均与现有技术相同或者可采用现有技术加以实现在此不做赘述。