CN103545834B - 电动汽车充放储一体化电站频率偏差控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车充放储一体化电站频率偏差控制方法，该控制方法依据一体化电站频率偏差指标，利用储能电池的有功能量和变流装置的容量进行有计划的调整：电网正常状态下，频率偏差增值控制能够充分发挥电力电子设备响应迅速的特点，快速减小频率偏差，提高电力系统运行的稳定性；在电网紧急状态下，频率偏差紧急控制方案使得一体化电站对电力系统进行全力支持，能够辅助电网尽快脱离紧急状态恢复正常运行，能够提高电力系统运行稳定性，给电网带来较大效益。

Description

电动汽车充放储一体化电站频率偏差控制方法

技术领域

本发明涉及一种电站控制方法，尤其涉及一种用于电动汽车充放储一体化电站对电网频率偏差进行调整控制的方法。

背景技术

我国电动汽车及充电设施的推广与建设主要集中在公交用车、公务用车等示范运营方面。国内研究人员提出了兼具充电、换电池、储能、退役电池再利用功能于一体的电动汽车智能充放储一体化电站，相比于传统的单一功能充电站、换电站或储能站，能够显著节约土地资源、降低电池使用成本，获得了广泛认可，被认为是推动电动汽车发展的有力保证。

研究人员围绕一体化电站开展了一系列科研，但是对于深层次的控制方法，还未见相关研究。充放储一体化电站作为电池储能系统接入电网，当电网频率偏差较大时，如何充分利用一体化电站多用途电力电子装置的技术优势，是一个创新的研究内容。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种新型充放储一体化电站对于电网进行频率偏差控制的方法，该控制方法利用储能电池的有功能量和变流装置的容量对一体化电站频率偏差指标进行有计划地调整，在电网正常状态下进行频率偏差增值控制，在电网进入紧急状态后，进行频率偏差紧急支持控制。

根据本发明提供的电动汽车充放储一体化电站频率偏差控制方法，包括如下步骤：

步骤1：判断电网的状态；

步骤2：若电网处于正常状态下，则通过增值控制方法控制频率偏差，从而充分发挥电力电子设备响应迅速的特点，快速减小频率偏差，提高电力系统运行的稳定性；若电网处于紧急状态下，则通过紧急支持控制方法控制频率偏差，从而使得一体化电站对电力系统进行全力支持，能够辅助电网尽快脱离紧急状态恢复正常运行。

优选地，所述增值控制方法具体包括如下步骤：

步骤A1：检测并计算一体化电站频率偏差指标；

步骤A2：判断一体化电站频率偏差指标所处范围，若符合增值控制条件，由调度人员确认进入或自动进入增值控制流程；

步骤A3：判断频率偏差符号，若为正值，计算并设定一体化电站最大充电功率；若为负值，计算并设定一体化电站最大放电功率；

步骤A4：输出执行。

优选地，所述紧急支持控制方法具体包括如下步骤：

步骤B1：检测并计算系统频率偏差指标；

步骤B2：判断系统频率偏差指标是否处于紧急状态，若为紧急状态则继续进行紧急支持控制流程；

步骤B3：判断频率偏差符号，若为正值，计算一体化电站最大充电功率作为紧急支持目标值；若为负值，计算并设定一体化电站最大放电功率作为紧急支持目标值；

步骤B4：输出执行。

优选地，一体化电站以最大功率充电，即P_IS＝P_CDSe+P_CBSmax,其中,P_IS为一体化电站充电功率,P_CDSe为一体化电站中充换电系统的额定充电功率,P_CBSmax为一体化电站梯次储能系统的最大充电功率。

现有技术相比，本发明的有益效果是：在电网正常状态下，频率偏差增值控制方案能够充分发挥电力电子设备响应迅速的特点，快速减小频率偏差，提高电力系统运行的稳定性；在电网紧急状态下，频率偏差紧急控制方案使得一体化电站对电力系统进行全力支持，能够辅助电网尽快脱离紧急状态恢复正常运行。应用本发明能够给电网带来较大效益。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中充放储一体化电站对电网提供频率偏差增值控制的流程图；

图2为本发明中充放储一体化电站对电网提供频率偏差紧急支持控制的流程图；

图3为本发明中考虑发动机调差特性时一体化电站紧急支持控制对系统频率的影响；

图4为本发明中考虑负荷静态特性时一体化电站紧急支持控制对系统频率的影响；

图5、图6为本发明中考虑发电机调差特性及负荷静态特性的一体化电站紧急支持控制对系统频率的影响。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

由电力系统基本原理可知，一个确定的电力系统中有功功率在任意时刻是平衡的，有功功率的变化将实时地在频率变化上表现出来，因此频率偏差（FD，FrequencyDeviation）是电力系统调度工作的重要指标。同样地，对于一体化电站而言，也可定义相应的一体化电站频率偏差指标（ISFD，Frequency Deviation of IntegratedStation），以作为一体化电站有功功率调节的依据。

电力系统频率偏差指标

频率偏差是调频工作的主要监控指标，该指标的设置应帮助调度员了解频率偏离额定值的程度、距离事故频率的远近，提醒调度员对频率及时做出调整。

电力系统频率偏差指标Δf的计算如式（1）所示。

Δf＝|f-f₀|                    (1)

式中，f为系统当前实际频率；f₀为系统标准频率。

一体化电站频率偏差

定义一体化电站频率偏差指标δ_IS如式（2）所示。

||Δf|-Δf₀∈[δ_IS1,δ_IS2)           (2)

式中，Δf₀为频率偏差的参考值，是一个大于零的正数，其数值比系统频率偏差警戒值小；δ_IS1为一体化电站频率偏差指标设定的下限值，δ_IS2为一体化电站频率偏差指标设定的上限值，两者数值由一体化电站调度人员根据所在地区指标人工整定。

实际电力系统中，各个地区由于运行能力的不同，对于频率偏差的要求也不同，例如调度AGC控制在采用国际A标准时频率偏差指标一般为±0.2Hz，而采用了国际CPS标准后，频率偏差指标提高为±0.1Hz，因此Δf₀也应根据不同地区的具体情况来确定，例如在频率偏差指标为±0.01Hz的地区，Δf₀可确定为0.005Hz。δ_IS1与δ_IS2的取值范围由一体化电站调度人员整定，δ_IS1决定了一体化电站采取频率增值控制策略的一体化电站频率偏差起调点，而δ_IS2的数值决定了的一体化电站正常模式下效益增值控制调节范围的终止点，即超出δ_IS2意味着一体化电站应退出效益增值控制策略运行模式。

A正常模式下一体化电站的频率偏差增值控制

一体站电站在正常运行模式下，电力系统频率偏差指标Δf符合规程要求，也就是说Δf在该地区规程给定的范围内，此时一体化电站除制定基本的充放电运行计划之外，可根据||Δf|-Δf₀的数值，由一体化电站频率偏差指标δ_IS1与δ_IS2的整定值决定是否进入可选增值控制运行模式。此时，增值控制策略如图1所示。

参阅图1，一体化电站正常运行模式下的频率偏差增值控制运行模式是附加的增值功能，其间测算一体化电站频率偏差指标，当该指标处于增值控制整定值范围内时，由调度人员选择进入增值功能流程或自动进入该流程。在该流程中，监控系统检测系统当前实际频率f，计算电力系统频率偏差指标Δf和一体化电站的频率偏差指标||Δf|-Δf₀。如果||Δf|-Δf₀|＜δ_IS1或者||Δf|-Δf₀|≥δ_IS2时，不具备频率偏差增值控制条件；只有当||Δf|-Δf₀|∈[δ_IS1,δ_IS2)时，说明一体化电站运行方式可以做出增值调整。随后判断频率过高或过低：如果Δf＞0，说明系统频率过高，一体化电站以最大功率充电，即P_IS＝P_CDSe+P_CBSmax,其中,P_IS为一体化电站充电功率,P_CDSe为一体化电站中充换电系统的额定充电功率,P_CBSmax为一体化电站梯次储能系统的最大充电功率；否则说明系统频率过低，一体化电站停止充电，或者由调度确定的放电整定功率进行放电。在每个循环周期，同时判断调度人员是否人工中断增值控制，如果被中断则退出增值控制模式，否则继续循环运行。

B紧急状态下一体化电站的频率紧急支持控制

一体化电站系统保护运行模式下，电力系统频率偏差指标Δf进入紧急甚至严重紧急状态，一体化电站须停止正常运行，转而全力支持电力系统的频率调节。

一体化电站具备电池充放储换电系统和梯次电池储能系统，两个系统均有储能能力，可对电网进行充/放电；一体化电站变流装置电力电子开关周期为百微秒级，所以一体化电站充/放电速度远远高于汽轮机或水轮机的机械过程，能够对电网进行更加快速的支持；一体化电站可快速切换于负荷状态和发电机状态，其功率吞吐变换的紧急支持能力是以上两个储能系统额定容量的两倍。因此具有快速支持能力的一体化电站是当前电力系统中动态响应速度最快的设备之一，因此以一体化电站频率偏差指标作为紧急支持依据的控制方法可以有效应对电网在频率偏差越限的紧急状态。

图2为一体化电站的相关频率偏差指标的紧急支持控制策略。

一体化电站运行期间测算电力系统频率偏差指标Δf和一体化电站频率偏差指标||Δf|-Δf₀|，当一体化电站频率偏差指标进入紧急状态范围内，由调度人员选择是否进入紧急支持控制流程或自动进入该流程。在该流程中，监控系统检测系统当前实际频率f，计算电力系统频率偏差指标Δf和一体化电站的频率偏差指标||Δf|-Δf₀|。若||Δf|-Δf₀|＜δ_IS2，不属于紧急支持范围；只有当||Δf|-Δf₀|≥δ_IS2时，说明系统需要一体化电站进行紧急支持控制。随后判断频率过高或过低：如Δf＞0，说明系统频率过高，一体化电站计算可用最大充电功率，即P_IS＝P_CDSe+P_CBSmax；否则说明系统频率过低，一体化电站计算可用最大放电功率P_IS＝-(P_CDSe+P_CBSmax)。此时一体化电站可按照由调度人员预先设定好的紧急支持额度进行充放电，或者按照上述可用最大功率进行充放电。在每个循环周期，同时判断调度人员是否人工中断增值控制，如果被中断则退出增值控制模式，否则继续循环运行。

C一体化电站与电力系统频率偏差的有功功率——频率响应分析

当系统中接有多个充放储一体化电站时，每个电站仍采用上述偏差保护运行流程。上级调度总站可设定并修改第i个子站在紧急支持控制中承担的功率调控数k_ISi，则系统频率偏差调整量与各站的调控系数之间的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{IS}\_i}={\mathrm{\ΔP}}_s\•k_{\mathrm{ISi}}\\ \mathrm{\Σ}{k}_{\mathrm{ISi}}=1\end{array}---\left(3\right)\right.$

其中，ΔP_{IS_i}为第i个一体化电站进行紧急支持控制时的最大充/放电功率，ΔP_s为全体一体化电站进行频率偏差调整时的功率变动总和。

假设P_{IS_i}为第i个一体化电站进行紧急支持控制时的最大充/放电功率，则∑P_{IS_i}为本区域全体一体化电站参与紧急支持控制时的最大充/放电功率。将全体一体化电站作为发电机组考虑，从以最大功率充电切换至以最大功率放电，其吞吐容量为2·∑P_{IS_i}。

图3表明了多个一体化电站采取紧急支持控制时对发电机调差特性的影响。图中曲线A为配有调速系统的发电机组的功率—频率特性，其斜率为发电机组调差系数R_G；B为一体化电站的功率—频率特性，由于一体化电站的功率输出能力不受系统频率的影响，是一种无差调节，因此B的斜率为零。一体化电站容量有限，因此B是一条线段，取值范围为[0,2·∑P_{IS_i}]。电力系统正常运行状态下，a点为运行点，系统频率为f_N，一体化电站正常运行的充电功率为∑P_{IS_i0}。当系统负荷增加时，如一体化站不调整运行方案，发电机组发出的功率由P_G1增加至P_G2时，根据发电机组调差特性，运行点将移至b点，此时系统频率为f₁，频率偏差为Δf。易知：

Δf＝R_G·(P_G2-P_G1)                           (4)

如一体化电站采用全部容量进行紧急支持控制，将使发电机组调差特性曲线由A平移至C，紧急支持后的运行点为c，频率偏差最小可以达到系统最小频率偏差Δf′_min。可以求出系统最小频率偏差：

Δf′_min＝RG·(P_G2-P_G1-2·∑P_{IS_i}+∑P_{IS_i0})       (5)其中，P_{IS_i0}为一体化电站参与系统频率偏差调整前的充电功率。

考虑到并非全部一体化电站都能采用全部容量进行紧急支持控制，因此实际的频率偏差将大于Δf′_min，一体化电站频率偏差的有效紧急支持范围为从a到c的线段。

因为电力系统中负荷也具有调频作用，图4表明了系统负荷参与调频时多个一体化电站采取频率紧急支持控制时的作用特性。

图4中曲线A为系统负荷的功率-频率特性，其斜率为负荷的频率调节效应系数K_L；B为一体化电站的功率—频率特性，其斜率为零，取值范围为[0,2·∑P_{IS_i}]。最初系统运行于a点，一体化电站初始充电功率为∑P_{IS_i0}。如果系统负荷需求突增P_L2-P_L1，负荷特性曲线平移至C，其中，P_L2、P_L1为两个系统负荷需求值。假设系统发电机组输入功率不变，则系统频率将逐渐下降至c点，系统频率偏差Δf为：

Δf＝-K_L·(P_L2-P_L1)                             (6)

如一体化电站采用全部容量进行紧急支持控制，能够使系统负荷频率特性曲线由C平移至D，紧急支持后的运行点为d，频率偏差仅为系统最小频率偏差Δf′_min。实际补偿范围为由a到d的线段。可以求出系统最小频率偏差Δf′_min：

Δf′_min＝-K_L·(P_L2-P_L1-2·∑P_{IS_i}+∑P_{IS_i0})      (7)

综合上述两个方面的作用，可以推出当系统频率发生波动时，一体化电站的紧急支持控制对电力系统产生的影响如图5所示。

稳态时系统稳定起始运行于a点，一体化电站充电功率为∑P_{IS_i0}。当系统总负荷由P_L1增加至P_L2时，负荷频率特性由A变为C。假设系统发电机组输入有功功率不变，依靠负荷的频率调节特性可以达到b点。实际上发电机组都装有调速器，频率下降时调速器会增加系统输入功率，经过一段时间后系统将稳定于c点，此时可以算出：

$\mathrm{\Δf}=R_G\•\frac{-K_L}{R_G-K_L}(P_{L2}-P_{L1})---\left(8\right)$

而如果一体化电站采用全部容量进行紧急支持控制，能够使发电机组调差特性由D平移至E，运行点将稳定在d点，可以求得系统最小频率偏差Δf′_min：

$\mathrm{\Δ}{f\text{'}}_{\min }=R_G\•\frac{-K_L}{R_G-K_L}(P_{L2}-P_{L1}-2\•\mathrm{\Σ}{P}_{\mathrm{IS}\_i}+\mathrm{\Σ}{P}_{\mathrm{IS}\_i0})---\left(9\right)$

实际补偿范围为由a到d的线段。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种电动汽车充放储一体化电站对电网频率偏差控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：判断电网的状态；

步骤2：若电网处于正常状态下，则通过增值控制方法控制频率偏差，从而充分发挥电力电子设备响应迅速的特点，快速减小频率偏差，提高电力系统运行的稳定性；若电网处于紧急状态下，则通过紧急支持控制方法控制频率偏差，从而使得一体化电站对电力系统进行全力支持，能够辅助电网尽快脱离紧急状态恢复正常运行；

定义一体化电站频率偏差指标δ_IS如下式所示：

||Δf|-Δf₀|∈[δ_IS1,δ_IS2)

Δf＝f-f₀

式中：f为电网当前实际频率，f₀为电网标准频率，Δf为电网频率偏差；Δf₀为电网频率偏差的参考值，是一个大于零的正数，其数值比电网频率偏差警戒值小；δ_IS1为一体化电站频率偏差指标设定的下限值，δ_IS2为一体化电站频率偏差指标设定的上限值；

所述增值控制方法具体包括如下步骤：

步骤A1：检测并计算一体化电站频率偏差；

步骤A2：判断一体化电站频率偏差所处范围，仅当||Δf|-Δf₀|∈[δ_IS1,δ_IS2)时，认为一体化电站运行方式能够做出增值控制；若符合增值控制条件，由调度人员确认进入或自动进入增值控制流程；

步骤A3：判断电网频率偏差Δf的符号，如果Δf＞0，说明电网频率过高，计算并设定一体化电站以最大充电功率充电；若为负值，说明电网频率过低，一体化电站停止充电，或者由调度确定的放电整定功率进行放电；

步骤A4：输出执行；

所述紧急支持控制方法具体包括如下步骤：

步骤B1：检测并计算电网频率偏差Δf；

步骤B2：判断电网频率偏差Δf和一体化电站频率偏差||Δf|-Δf₀|是否处于紧急状态，仅当||Δf|-Δf₀|≥δ_IS2时，认为需要一体化电站进行紧急支持控制；若为紧急状态则继续 进行紧急支持控制流程；

步骤B3：判断电网频率偏差Δf的符号，如果Δf＞0，说明电网频率过高，计算一体化电站最大充电功率作为紧急支持目标值；若为负值，说明电网频率过低，计算并设定一体化电站最大放电功率作为紧急支持目标值；

步骤B4：输出执行；

一体化电站最大充电功率为P_IS＝P_CDSe+P_CBSmax，一体化电站最大放电功率为P_IS＝-(P_CDSe+P_CBSmax)，其中，P_IS为一体化电站充/放电功率，P_CDSe为一体化电站中充换电系统的额定充电功率，P_CBSmax为一体化电站梯次储能系统的最大充电功率。