一种抽水蓄能与飞轮储能联合的调峰调频优化控制方法与流程

本发明属于电力系统，具体涉及一种抽水蓄能与飞轮储能联合的调峰调频优化控制方法。

背景技术：

1、随着可再生能源的大规模接入，电网频率的波动和负荷波动成为了电力系统稳定运行的重大挑战。为应对这一挑战，传统的电网调度方法主要依赖于常规发电方式（如火电、水电等）进行频率调节。此外，储能技术如抽水蓄能和飞轮储能也被广泛应用于调频调峰任务中，以提供辅助的频率调节和负荷平衡。然而，随着可再生能源占比的不断增加，传统的调度方式逐渐暴露出无法完全满足电网需求的不足。

2、现有技术中，传统的电网频率调节方法主要依赖于单一储能技术，如抽水蓄能系统或飞轮储能系统。抽水蓄能系统虽然具有较高的功率输出能力，但响应速度较慢，难以应对电网中突发的频率波动；而飞轮储能系统具有较快的响应速度，但其功率输出较小，难以提供足够的调节支持。此外，传统的调度优化方法多基于固定规则或预设模型来进行电网频率调节，但这对于负荷波动大、可再生能源发电波动频繁的情况，调度的灵活性和响应速度明显不足。在实际运行中，频繁出现调节迟缓、频率波动幅度过大等问题，导致电网频率的稳定性和储能设备的利用效率无法得到有效保证。

3、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种抽水蓄能与飞轮储能联合的调峰调频优化控制方法，解决了现有技术中单一储能系统调度能力不足、响应速度慢以及频率调节灵活性差的问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种抽水蓄能与飞轮储能联合的调峰调频优化控制方法，包括：

4、s1、建立电网频率与储能系统的动态模型，描述电网频率与储能设备功率输入、输出之间的关系；

5、s2、基于调频与调峰的需求，构建联合调度优化目标函数，该目标函数通过最小化储能设备功率消耗与电网频率偏差的加权和；

6、s3、设置系统约束条件，包括储能设备的能量状态约束、电网频率约束以及储能功率平衡约束，其中所述储能设备的能量状态约束满足以下公式：

7、

8、其中，和分别表示抽水蓄能和飞轮储能系统在时间t时刻的能量状态，单位为千瓦时；和分别是储能设备的最小和最大能量容量，单位为千瓦时；

9、s4、通过最优控制理论，推导并实现最优调度策略，具体包括选择调度目标、优化算法和参数配置；

10、s5、应用鲁棒控制方法，设计储能系统的控制输入，以抑制电网负荷波动与可再生能源发电波动带来的扰动，其中鲁棒控制优化问题满足以下数学模型：

11、

12、其中，表示扰动集，包含电网负荷波动和可再生能源发电不稳定因素；表示时间t时刻储能设备的总功率输出，单位为千瓦；和为设定的权重系数，用于平衡储能功率输出和电网频率偏差的控制；表示优化调度控制的总时间周期；表示时间变量；表示时间时刻的电网频率偏差，单位为赫兹；

13、s6、采用强化学习或深度强化学习方法，基于电网实时运行状态与反馈信息，动态调整储能系统的调度策略；

14、s7、进行仿真验证，使用电力系统仿真工具测试调度策略在不同负荷波动和可再生能源发电条件下的有效性；

15、s8、将优化控制方法应用于实际电网，通过实时调度反馈调整储能设备的运行状态。

16、进一步地，所述电网频率与储能系统的动态模型，包括电网频率响应模型，所述电网频率响应模型满足以下公式：

17、

18、其中，表示电网频率的偏差，单位为赫兹；是电网惯性时间常数，单位为秒/千瓦时；表示电网频率调节系数，单位为赫兹/千瓦；表示储能系统的功率输入，单位为千瓦；表示储能系统的功率输出，单位为千瓦。

19、进一步地，所述电网频率与储能系统的动态模型，包括抽水蓄能设备功率模型和飞轮储能设备功率模型；所述抽水蓄能设备功率模型满足以下公式：

20、

21、其中，表示抽水蓄能系统的发电功率输出，单位为千瓦；表示抽水蓄能系统的发电效率；表示水泵的输入功率，单位为千瓦；

22、所述飞轮储能设备功率模型满足以下公式：

23、

24、其中，表示飞轮储能系统的功率输出，单位为千瓦；表示飞轮的转动惯量，单位为千克平方米；表示飞轮的角速度，单位为弧度每秒；表示飞轮角速度的变化率，单位为弧度每秒平方。

25、进一步地，所述联合调度优化目标函数满足以下公式：

26、

27、其中，和分别表示抽水蓄能和飞轮储能系统的功率输出，单位为千瓦；表示电网频率的偏差，单位为赫兹；和表示权重系数，分别用于调节功率输出和频率偏差对优化目标的贡献度；表示优化计算的时段，单位为秒。

28、进一步地，所述电网频率约束满足以下公式：

29、

30、其中，表示电网频率的偏差，单位为赫兹；表示电网频率允许的最大偏差，单位为赫兹。

31、进一步地，所述储能功率平衡约束满足以下公式：

32、

33、其中，表示储能系统的功率输入，单位为千瓦；表示储能系统的功率输出，单位为千瓦；表示电网净负荷需求，单位为千瓦。

34、进一步地，所述最优调度策略通过pontryagin最小值原理推导得出，推导过程中构建的hamiltonian函数满足以下公式：

35、

36、其中，,,表示拉格朗日乘子，分别对应电网频率偏差的动态响应、储能功率平衡约束以及功率消耗的加权；表示电网的惯性时间常数，单位为秒/千瓦时；表示电网频率调节系数，单位为赫兹/千瓦；和分别表示储能系统的功率输入和输出，单位为千瓦；和分别表示抽水蓄能和飞轮储能设备的功率输出，单位为千瓦。

37、进一步地，所述鲁棒控制方法，通过考虑包含电网负荷波动和可再生能源发电不稳定因素的扰动集，优化储能设备的控制输入，使系统在扰动范围内仍能维持电网频率稳定。

38、进一步地，所述强化学习方法，根据电网频率波动和负荷需求动态调整储能设备的调度策略，并根据历史数据不断更新调度模型。

39、进一步地，所述仿真验证，通过matlab/simulink电力系统仿真工具进行，验证优化控制方法在不同的电网运行条件下的稳定性和调节效果。

40、本发明具备以下有益效果：

41、1、本发明实现了储能设备的高效调度，达到了在不同电网运行环境下保持电网频率稳定、负荷平衡和储能设备效率优化的技术效果。相较于现有技术中单一储能方式的调度方案，本发明能够更灵活地应对频率波动和负荷波动，克服了单一储能系统响应慢、调节能力不足的缺陷。

42、2、本发明能够实时根据电网的负荷波动和可再生能源发电的不稳定性调整储能设备的功率输出。达到了优化调度策略的实时性和自适应能力。相较于传统的基于规则的调度方法，本发明能够根据电网的实际运行情况动态调整调度策略，解决了传统方法在面对复杂电网环境时难以适应的不足。

43、3、本发明能够迅速响应频率偏差和负荷波动，保持电网频率的稳定。达到了储能系统与电网的高效互动。相较于现有技术中单纯依赖传统调频方式的方案，本发明大幅提高了储能设备的利用率，避免了过度调节或能量浪费，解决了传统方法调节慢、适应性差的不足。

44、4、本发明通过在仿真环境中进行多场景验证，确保了调度优化方案在不同电网负荷和可再生能源波动条件下的可行性和稳定性。达到了在复杂电网运行条件下优化控制的可靠性。相较于现有技术中缺乏仿真验证和实际部署的技术方案，本发明通过充分验证调度效果，解决了技术应用过程中验证不足和无法应对实际环境挑战的问题。