一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法与流程

1.本发明涉及电网储能功率脉动优化技术领域，特别涉及一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法。


背景技术：

2.储能是能源革命的关键技术，是实现“双碳”目标的重要支撑，也是催生国内能源新业态、抢占国际战略新高地的重要领域。当前，我国储能行业整体处于由商业化初期向规模化发展的过渡阶段，在技术研发、示范项目、商业模式、政策体系等方面均快速发展。
3.模块化重力储能作为一种最近广受关注的新型物理储能技术，其具有选址灵活、环境友好、储能容量大、循环寿命长、零自放电率、放电深度高、效率高等优点。但模块化重力储能处于技术发展初期，其技术及应用尚不完全成熟，有待进一步发展和优化。
4.对于模块化重力储能系统来说，由于固体重物的不可流动性和不连续性，实现多重物模块的连续高效和快速传动、减少重物模块启停和切换过程对机械传动和电网系统的功率脉动冲击是其核心技术难题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，包含用矩形脉冲拟合模块化重力储能重力块投切机械转矩特性，提出脉冲幅值、脉冲时长和脉冲间隔为优化三要素，既可以有效拟合模块化重力储能系统机械转矩特性，又可以量化分析机械转矩特性要素对功率脉动的影响，最后根据各要素相互影响关系，确定优化方法流程，对输出功率脉动的优化效果显著。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，采用矩形脉冲拟合模块化重力储能系统的机械转矩特性，先确认脉冲幅值和脉冲时长的范围，而后仿真得到对应的输出功率曲线，并通过输出功率曲线得到对应的功率脉动收敛时长，以脉动收敛时长和脉冲时长之和为脉冲间隔值；以脉冲幅值除以脉冲间隔的结果作为爬坡效率，取爬坡效率值最大时对应的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔为最终优化结果。
7.更进一步地，确认脉冲幅值和脉冲时长的范围后，还通过仿真得到脉冲幅值、脉冲时长与输出功率之间的对应关系，并通过约束条件确定对应脉冲幅值和脉冲时长的优化结果系列值，所述约束条件包括同步电机暂态功率限值；以得到的脉冲幅值和脉冲时长的优化结果系列值，仿真计算对应的功率脉动收敛时长和爬坡效率。
8.更进一步地，脉冲幅值根据模块化重力储能系统的重力块运行工况确认范围。
9.更进一步地，重力块运行工况包括单重力块对应的额定输出功率、可以同步下落的最多的重力块数量。
10.更进一步地，脉冲时长根据重力储能系统的重力块控制时序确定范围。
11.更进一步地，所述约束条件还包括重力块运动机构的运行误差导致主备重力块最小叠加时长。
12.更进一步地，功率收敛时长为输出功率曲线上从功率波动开始时刻至波动收敛至设定收敛范围内。
13.更进一步地，设定收敛范围为额定功率
±
5%的范围。
14.更进一步地，最后，以最终优化结果中确定的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔为重力块运行控制参数，使得重力块的控制指令满足对应条件。
15.更进一步地，重力块控制指令满足的条件为：最终优化结果中确定的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔分别决定同步下落的砖块数量、主备重力块交替时叠加共存的时间、新增重力块与前序重力块之间的时间间隔。
16.综上所述，本发明具有以下有益效果：1）本发明提供了一种适配于模块化重力储能系统机械转矩特性的拟合方法，利用矩形脉冲可以有效反应该系统的控制时序特性。
17.2）本发明将矩形脉冲分解为脉冲幅值、脉冲时长和脉冲间隔三要素，可以进行输出功率脉动优化对象的定量分析。
18.3）本发明通过先计算满足约束的脉冲幅值和脉冲时长的系列值，再计算各系列值对应的脉冲间隔，最后根据爬坡效率确定最优取值的方法，可以在保证模块化重力储能系统稳定高效输出的同时，优化平抑功率脉动。
附图说明
19.图1是本发明一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法的优化流程示意图；图2是机械转矩特性矩形脉冲及其量化分析指标要素示意图；图3是脉冲幅值和脉冲时长对输出功率脉动影响的计算结果矩阵图；图4是输出功率中脉动收敛时长部分的范围示意图；图5是输出功率脉动优化前的示意图；图6是输出功率脉动优化后的示意图。
实施方式
20.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护范围。
21.一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，如图1和图2所示，考虑模块化重力储能系统中重力块通过离合装置实现与主动力轴的连接与脱开，几乎无暂态过渡过程，采用矩形脉冲拟合模块化重力储能系统的机械转矩特性，并采用矩形脉冲的幅值、脉冲时长、脉冲间隔作为量化分析指标，分析其对输出功率脉动的影响；其中，模块化重力储能系统存有多个重力块，通过多个重力块的顺序依次下落/提升，实现整个系统对外做功的连续性。以发电状态举例，将正在下落的重力块称为主重力
块，将下一待下落的重力块称为备重力块，主备重力块各自启动、各自控制，顺序交替。由于主备重力块是相对的概念，可以认为正在下落的就是主重力块，等待下落的就是备重力块。
22.理论上来说，主重力块下落结束后，备重力块立刻开始下落，二者完美衔接，但实际情况往往存在误差等情况，导致主重力块还没下落结束，备重力块已经开始下落，产生二者短暂的叠加，这个短暂叠加的时长就是此处的脉冲时长。
23.如图1所示，先确认脉冲幅值和脉冲时长的范围。具体的，脉冲幅值根据模块化重力储能系统的重力块运行工况确认范围，重力块运行工况包括单重力块对应的额定输出功率、可以同步下落的最多的重力块数量，来确认脉冲幅值的范围；例如本实施例中，单重力块对应的的额定输出功率为0.5mw，模块化重力储能系统最大同时运行重力块12块，总额定功率6mw；在同步电机输出额定功率6mw的情况下，其运行工况包含1至12块重力块同时叠加的可能性，因此脉冲幅值范围为0.5-6mw。
24.如图1所示，脉冲时长根据重力储能系统的重力块控制时序确定范围，即考虑重力块下落与回程时间约束的主备重力块启动时间点，确认脉冲时长的范围；例如本实施例中，按照该重力储能系统的控制时序策略，其脉冲时长范围，即叠加的时长范围为0.1-1.2s。
25.如图1所示，而后通过仿真得到脉冲幅值、脉冲时长与输出功率之间的对应关系，列举脉冲幅值和脉冲时长对输出功率脉动影响的计算结果矩阵，并通过约束条件确定对应脉冲幅值和脉冲时长的优化结果系列值，约束条件包括同步电机暂态功率限值（过载倍数）、传动小车/升降梯等重力块运动机构的运行误差导致主备重力块最小叠加时长（控制周期），主备重力块最小叠加时长约束出最小的脉冲时长。
26.具体的，本实施例中，先在仿真软件pscad中搭建同步发电机模型，发电机转速为同步转速，输入转矩为图2所示的转矩脉冲曲线，其脉冲幅值和脉冲时长可自由设置，同步发电机的输出功率根据输入转矩曲线设置的不同而变化，即可得到输出功率与输入转矩脉冲幅值和脉冲时长之间的定量对应关系；而后以脉冲幅值和脉冲时长为坐标轴，通过仿真计算得到不同脉冲幅值和脉冲时长的组合，对输出功率脉动影响的计算结果矩阵（如图3所示）；其中过载倍数为功率曲线的最大值与额定值之比。
27.本实施例在计算时，将脉冲时长范围等分出各等分点进行计算，步长为0.2s（脉冲时长可以随意等分，原则上越细分越好，但考虑到仿真的工作量，这里采用0.2s为步长）；得到计算结果矩阵后，以同步电机最大暂态过载倍数1.5倍（结果矩阵的过载倍数≤1.50），动机构控制周期≥0.4s为例（结果矩阵的脉冲时长≥0.4s），确认脉冲幅值和脉冲时长优化结果系列值为{（0.5mw,0.4s）,（0.5mw,0.6s）,（0.5mw,0.8s）,（0.5mw,1.0s）,（0.5mw,1.2s）,（1mw,0.4s）,（1mw,0.6s）,（1mw,0.8s）,（1mw,1.0s）,（1mw,1.2s）,（1.5mw,0.4s）,（1.5mw,0.6s）,（1.5mw,0.8s）,（1.5mw,1.0s）,（1.5mw,1.2s）}。
28.如图4所示，根据得到的脉冲幅值和脉冲时长的优化结果系列值，结合同步电机电气参数，仿真得到对应的输出功率曲线，并通过输出功率曲线得到每个优化结果系列值对应的功率脉动收敛时长，以脉动收敛时长和脉冲时长之和为脉冲间隔值；其中，功率收敛时长为输出功率曲线上从功率波动开始时刻至波动收敛至设定收敛范围内，本实施例中，设定收敛范围为功率曲线额定值（也是同步发电机的额定值）
±
5%的连续范围。
29.如图1所示，以脉冲幅值除以脉冲间隔的结果作为爬坡效率，取爬坡效率值最大时对应的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔为最终优化结果；最终得到的优化结果系列值对应的脉冲间隔及爬坡效率如下表所示：表1 各系列值对应脉冲间隔脉冲间隔0.4s0.6s0.8s1.0s1.2s0.5mw1.130.671.291.441.601mw1.490.961.591.721.951.5mw1.791.351.902.132.27表2 各系列值对应爬坡效率爬坡效率0.4s0.6s0.8s1.0s1.2s0.5mw0.4420.7460.3880.3470.3131mw0.6711.0420.6290.5810.5131.5mw0.8381.1110.7890.7040.661选择爬坡效率最大的点所对应脉冲幅值、脉冲时长和脉冲间隔取值1.5mw、0.6s和1.35s为优化结果。设定好优化后的脉冲幅值、脉冲时长和脉冲间隔参数，仿真计算功率脉动输出情况，如图5和图6所示，与优化前的曲线作对比可以看出，其功率脉动优化效果明显。
30.最后，以上述最终优化结果中确定的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔为重力块运行控制参数，使得重力块的控制指令满足对应条件；重力块控制指令满足的条件为：最终优化结果中确定的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔分别决定同步下落的砖块数量、主备重力块交替时叠加共存的时间、新增重力块与前序重力块之间的时间间隔，按此要求对重力块的控制进行限制，使得整个系统的输出功率得到优化。
31.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：采用矩形脉冲拟合模块化重力储能系统的机械转矩特性，先确认脉冲幅值和脉冲时长的范围，而后仿真得到对应的输出功率曲线，并通过输出功率曲线得到对应的功率脉动收敛时长，以脉动收敛时长和脉冲时长之和为脉冲间隔值；以脉冲幅值除以脉冲间隔的结果作为爬坡效率，取爬坡效率值最大时对应的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔为最终优化结果。2.根据权利要求1所述的一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：确认脉冲幅值和脉冲时长的范围后，还通过仿真得到脉冲幅值、脉冲时长与输出功率之间的对应关系，并通过约束条件确定对应脉冲幅值和脉冲时长的优化结果系列值，所述约束条件包括同步电机暂态功率限值；以得到的脉冲幅值和脉冲时长的优化结果系列值，仿真计算对应的功率脉动收敛时长和爬坡效率。3.根据权利要求1或2所述的一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：脉冲幅值根据模块化重力储能系统的重力块运行工况确认范围。4.根据权利要求3所述的一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：重力块运行工况包括单重力块对应的额定输出功率、可以同步下落的最多的重力块数量。5.根据权利要求1或2所述的一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：脉冲时长根据重力储能系统的重力块控制时序确定范围。6.根据权利要求2所述的一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：所述约束条件还包括重力块运动机构的运行误差导致主备重力块最小叠加时长。7.根据权利要求1或2所述的一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：功率收敛时长为输出功率曲线上从功率波动开始时刻至波动收敛至设定收敛范围内。8.根据权利要求7所述的一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：设定收敛范围为额定功率
±
5%的范围。9.根据权利要求1或2所述的一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：最后，以最终优化结果中确定的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔为重力块运行控制参数，使得重力块的控制指令满足对应条件。10.根据权利要求9所述的一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，其特征在于：重力块控制指令满足的条件为：最终优化结果中确定的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔分别决定同步下落的砖块数量、主备重力块交替时叠加共存的时间、新增重力块与前序重力块之间的时间间隔。

技术总结
本发明公开了一种适用于模块化重力储能系统机械转矩特性的功率脉动优化方法，涉及电网储能功率脉动优化技术领域，采用矩形脉冲拟合模块化重力储能系统的机械转矩特性，先确认脉冲幅值和脉冲时长的范围，而后通过仿真得到脉冲幅值、脉冲时长与输出功率之间的对应关系，并通过约束条件确定对应脉冲幅值和脉冲时长的优化结果系列值；根据得到的脉冲幅值和脉冲时长的优化结果系列值，仿真得到对应的输出功率曲线；以脉冲幅值除以脉冲间隔的结果作为爬坡效率，取爬坡效率值最大时对应的脉冲幅值、脉冲时长、脉冲间隔为最终优化结果。既可以有效拟合模块化重力储能系统机械转矩特性，又可以量化分析机械转矩特性要素对功率脉动的影响，最后根据各要素相互影响关系，确定优化方法流程，达到了对输出功率脉动优化显著的效果。果。


技术研发人员：严圣军 王子安 刘德峰 徐瑞 徐敏健 万笑天 单华清 曹小鹏 王立
受保护的技术使用者：江苏天楹环保能源成套设备有限公司
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/11