CN104065095A - 一种电池储能系统辅助一次调频优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池储能系统辅助一次调频优化控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：获取一次调频的功率缺额和电网频率偏差变化率；得出电池储能系统的调节比例系数；计算电池储能系统的输出功率值；确定电池的荷电状态的修正时机和修正程度，并进行修正。本发明提供的方法弥补了发电机组功率变化不足的缺点，且由于储能系统的响应速度快，有利于电网频率的更快恢复。调频结束后，在不引起电网频率越死区的前提下，对电池的SOC进行修正，确保下一次调频过程的顺利进行，并综合考虑分时电价情况，减少储能的充电成本，增加反向放电收益。

Description

一种电池储能系统辅助一次调频优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统频率的一次调节优化控制方法，具体讲涉及一种考虑分时电价修正SOC的电池储能系统辅助一次调频优化控制方法。

背景技术

电力系统频率的一次调节过程为：机组调速器的转速随频率变化而变化，若超过规定的不灵敏区，该调速器就会动作，通过改变原动机的阀门位置，调整原动机的功率，阻止频率偏离标准。由于其调节的快速性，对电网的稳定安全运行至关重要。但在实际运行中，为了减轻机组磨损和维持机组稳定，很多电厂都设置较大的死区或退出一次调频装置，来躲避一次调频。且对于火力发电机组来说，一次调节作用仅利用锅炉中的蓄热暂时改变了原动机的功率，随着蓄热的减少，调节作用呈现出衰减性。这些因素均不利于系统一次调频功能的实现，造成电能质量等相关问题。

电池储能有充电和放电两种工作状态，并入电网之后，则兼具电网的电源和负荷的作用。储能系统可以通过从电网吸收电能充电，或是向电网放电，改变电网有功功率不平衡的状态，辅助发电机组的一次调频作用。且电池储能系统的响应时间在毫秒级，可以更快调节频率波动，减少发电机组的频繁动作进而减少磨损。现有技术对于如何控制电池储能系统的输出功率，以实现辅助一次调频的作用尚在探索中，201210348307.1号发明专利文件提供了“一种电池储能系统参与电网一次调频优化控制方法”，但该方法未涉及电池储能与传统机组一次调频的配合问题，所需储能容量大、成本高；未探究电池储能系统调频的比例系数问题；且在进行SOC(state of charge，即电池的荷电状态)修正时没有考虑充电成本和放电效益。因此，电池储能系统辅助发电机组一次调频作用，且兼顾降低调频过程中的成本的控制方法亟待研发。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种考虑分时电价修正SOC的电池储能系统辅助一次调频优化控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种电池储能系统辅助一次调频优化控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A.获取一次调频的功率缺额和电网频率偏差变化率；

B.得出电池储能系统的调节比例系数；

C.计算电池储能系统的输出功率值；

D.确定电池的荷电状态的修正时机和修正程度，并进行修正。

优选地，步骤A中，所述一次调频的功率缺额为实际调频功率与理论调频功率的差值；所述电网频率偏差变化率的获取方法为：获取电网的实时频率值f，并与额定频率比较得出电网频率偏差，进而计算出所述电网频率偏差变化率。

优选地，步骤B包括：将计算出的发电机组一次调频的功率缺额的绝对值和电网频率偏差变化率的绝对值作为模糊控制器的输入量，进行模糊推理，得到电池储能系统的调节比例系数输出量。

优选地，步骤C中，所述电池储能系统的输出功率值ΔP_bat的计算公式为：ΔP_bat＝-K_IΔf，其中，Δf为电网频率偏差，K_I为电池储能系统的调节比例系数。

优选地，步骤D中，所述修正时机的确定方法包括：在高电价时段t_high.k内，设与高电价时段开始时间相同的某时段αt_high.k，其结束时间为t_α.high.k，当t_c.low.k-1＜t_i＜t_α.high.k时，根据电池的电荷状况和修正规则对电池充电或放电，修正SOC；当t_α.high.k＜t_i＜t_c.high.k时，仅对电池放电，等待下一个低电价时段对电池充电；在低电价时段t_low.k内，设与低电价时段开始时间相同的某时段βt_low.k，其结束时间为t_β.high.k，当t_c.high.k-1＜t_i＜t_β.low.k时，根据电池SOC状况和修正规则对电池充放电，修正SOC；当t_β.low.k＜t_i＜t_c.low.k时，仅对电池充电，等待下一个高电价时段对电池放电；

其中α、β是比例系数；t_high.k、t_low.k分别是第k个高、低电价时段；t_c.high.k、t_c.low.k分别是第k个高、低电价时段的结束时间。

优选地，步骤D中，所述修正程度的确定方法包括：在高电价时段：SOC_j＞SOC_max时，放电至SOC_j＝0.5SOC_bat停止放电；SOC_high＜SOC_j＜SOC_max时，放电至SOC_j＝SOC_low停止放电；SOC_low＜SOC_j＜SOC_high时，维持SOC状态不变；0＜SOC_j＜SOC_low，充电至SOC_j＝SOC_low停止充电；

在低电价时段：SOC_high＜SOC_j＜1时，放电至SOC_j＝SOC_high停止放电；SOC_low＜SOC_j＜SOC_high时，维持SOC状态不变；SOC_min＜SOC_j＜SOC_low时，充电至SOC_j＝SOC_high停止充电；0＜SOC_j＜SOC_min时，充电至SOC_j＝0.5SOC_bat停止充电；

其中，SOC_max、SOC_min分别是电池的荷电状态上、下限；SOC_high、SOC_low分别是电池工作最佳荷电状态上、下限；SOC_bat是电池额定容量的电荷状态值。

优选地，所述理论输出功率由整定的单位调节功率与频率偏差量决定，所述实际输出功率根据运行时的调节级电压、主汽压和主气温变化。

优选地，所述模糊推理包括：

(1)确定输入量和输出量的论域；

(2)确定模糊规则；

(3)根据模糊规则进行模糊推理；

(4)去模糊化处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

弥补了发电机组功率变化不足的缺点，有效克服传统机组退出一次调频功能、调频功率不足及响应速度慢的问题；储能系统的响应速度快，有利于电网频率的更快恢复。且结合实时电价，兼顾降低储能的调频成本，具有较好的动态响应特性和经济效益，能够促进储能技术进入调频市场；调频结束后，在不引起电网频率越死区的前提下，对电池的SOC进行修正，确保下一次调频过程的顺利进行，并综合考虑分时电价情况，减少储能的充电成本，增加反向放电收益，提高电网的频率稳定性。

附图说明

图1是本发明电池储能系统辅助一次调频控制示意图

图2是本发明电池储能系统辅助一次调频控制流程图；

图3是本发明输入、输出变量的隶属度函数示意图；

图4是高电价时电池储能系统SOC修正程度示意图；

图5是低电价时电池储能系统SOC修正程度示意图；

其中，

Δf是频率偏差；

是频率偏差的变化率；

ΔP是发电机组一次调频的功率偏差；

K_I是电池储能系统辅助机组一次调频的调节比例系数；

Δf_max、Δf_min为一次调频死区上、下限。

ΔP_bat是电池的输出功率，放电为正，充电为负；

α、β是时间比例系数；

t_i是第i个电价时段；

t_high.k、t_low.k分别是第k个高、低电价时段；

t_c.high.k、t_c.low.k分别是第k个高、低电价时段的结束时间；

SOC，state of charge，即电池的荷电状态；

SOC_j是j时刻电池的荷电状态；

SOC_max、SOC_min分别是电池的荷电状态上、下限；

SOC_high、SOC_low分别是电池工作最佳荷电状态上、下限；

SOC_bat是电池额定容量的SOC值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明通过数据采集模块测取电网频率f，确定频率偏差变化率和发电机组的一次调频功率缺额ΔP。将频率偏差变化率绝对值和调频功率偏差绝对值|ΔP|作为模糊控制的输入量进行模糊化，在模糊控制规则下进行模糊推理，最后通过模糊判决输出电池储能的调频比例系数K_I，计算对应的电池储能输出功率。若该值在电池的额定功率范围内，则输出该功率指令；若超出电池的额定功率，输出功率应为电池的额定功率。在储能未参与调频或调频过程结束后，综合考虑实时电价与电池状态进行SOC的修正。

本发明的技术方案如下：

(1)测取电网的实时频率值f，计算需调整的频率偏差Δf，频率偏差的变化率，及发电机组一次调频的功率缺额ΔP。

(2)将计算出的发电机组一次调频的功率缺额绝对值|ΔP|和系统频率偏差变化率绝对值作为模糊控制器的输入量，根据模糊规则进行模糊推理，得到输出量，即为电池储能系统辅助机组一次调频的调节比例系数K_I。

(3)根据模糊控制确定的电池储能系统调节比例系数K_I，计算其辅助发电机组一次调频的输出功率值ΔP_bat。

(4)电池储能系统未参与调频时或调频结束后，综合考虑分时电价情况和储能电池的荷电状态SOC(state of charge)，确定SOC修正的最佳时机和修正程度，进行SOC修正。

步骤(1)中，发电机组一次调频的功率偏差为ΔP＝ΔP_GR-ΔP_GC，即实际调频功率与理论调频功率的差值。理论输出功率由整定的单位调节功率与频率偏差量决定，实际输出功率根据运行时的调节级电压、主汽压和主气温而变化。

步骤(2)中的模糊推理包括以下步骤：

1)确定输入量和输出量的论域。输入量为|ΔP|和，即功率误差E和频率误差变化率E_C，各划分为4个等级，用语言变量表达为{零}，{小}，{中}，{大}，即{Z}，{S}，{M}，{B}。其论域为{0，1，2，3}；输出量K_I也划分为4个等级，用语言变量表达为{零}，{小}，{中}，{大}，其模糊论域对应4个等级，为{0，1，2，3}。

2)确定模糊规则。Δf＞Δf_死区＞0时，需向下调频，发电机组会出现ΔP＞0的情况；Δf＜Δf_死区＜0时，需向上调频，发电机组会出现ΔP＜0的情况。根据|ΔP|和的偏差值确定输出量的等级。输入、输出量的隶属度函数示意图如图3所示。根据功率调节的要求，确定模糊规则如下表所示：

表1模糊控制规则

3)根据模糊规则进行模糊推理。这里采用高斯型隶属函数。根据功率误差E和频率误差变化率E_C的等级，在模糊控制规则表中找到对应的输出量等级，确定输出量的隶属度。

4)去模糊化处理。采用加权平均的方法，得到精确的输出量值。

所述步骤(3)电池储能系统辅助发电机组一次调频的输出功率计算式为：

ΔP_bat＝-K_IΔf。取电池放电时输出功率为正，充电时输出功率为负。

所述步骤(4)中，包括SOC最佳修正时机和修正程度的确定。应综合考虑分时电价情况和储能电池的荷电状态SOC，保证下一次调频过程的顺利进行，并减少电池充电成本，提高反向放电收益。

1)确定最佳修正时机。在高电价时段t_high.k内，设与高电价时段开始时间相同的某时段αt_high.k，其结束时间为t_α.high.k，当t_c.low.k-1＜t_i＜t_α.high.k时，根据电池SOC状况和修正规则对电池充电或放电，修正SOC；当t_α.high.k＜t_i＜t_c.high.k时，仅对电池放电，等待下一个低电价时段对电池充电。在低电价时段t_low.k内，设与低电价时段开始时间相同的某时段βt_low.k，其结束时间为t_β.high.k，当t_c.high.k-1＜t_i＜t_β.low.k时，根据电池SOC状况和修正规则对电池充放电，修正SOC；当t_β.low.k＜t_i＜t_c.low.k时，仅对电池充电，等待下一个高电价时段对电池放电。其中α、β是比例系数；t_high.k、t_low.k分别是第k个高、低电价时段；t_c.high.k、t_c.low.k分别是第k个高、低电价时段的结束时间。

2)确定修正程度。在确定最佳修正时机后，应确定电池SOC的修正程度。电池储能调频的最佳工作范围为SOC_low＜SOC＜SOC_high，应修正电池SOC至该区域内。并且考虑充电成本和放电收益，应在高电价时增加放电、减少充电，在低电价时减少放电、增加充电。具体为，在高电价时段：SOC_j＞SOC_max时，放电至SOC_j＝0.5SOC_bat停止放电；SOC_high＜SOC_j＜SOC_max时，放电至SOC_j＝SOC_low停止放电；SOC_low＜SOC_j＜SOC_high时，维持SOC状态不变；0＜SOC_j＜SOC_low，充电至SOC_j＝SOC_low停止充电；在低电价时段：SOC_high＜SOC_j＜1时，放电至SOC_j＝SOC_high停止放电；SOC_low＜SOC_j＜SOC_high时，维持SOC状态不变；SOC_min＜SOC_j＜SOC_low时，充电至SOC_j＝SOC_high停止充电；0＜SOC_j＜SOC_min时，充电至SOC_j＝0.5SOC_bat停止充电；其中，SOC_max、SOC_min分别是电池的荷电状态上、下限；SOC_high、SOC_low分别是电池工作最佳荷电状态上、下限；SOC_bat是电池额定容量的电荷状态值。修正规则如表2所示。

表2电池SOC修正规则

修正后的电池荷电状态为经过修正的电池荷电状态，既能保证下一次调频过程的顺利进行，又能减少维持电池SOC状态的充电成本，并提高在调频过程中的反向放电收益。同时由于其修正程度结合分时电价进行，因而具备一定的削峰填谷作用。

本发明的控制流程如图2所示。首先测取电网的实时频率f，计算电网频率偏差变化率绝对值和调频功率偏差绝对值|ΔP|。将其作为模糊控制的输入量，通过模糊推理，得到其输出量即为储能系统调频的比例系数K_I。将输入量E、E_C和输出量K_I各划分为4个等级的模糊集，用语言变量表达为{零}，{小}，{中}，{大}，即{Z}，{S}，{M}，{B}。其论域为{0，1，2，3}。隶属函数选用三角形隶属度函数，如图3所示。由ΔP与对各等级的隶属度确定输出量K_I的隶属度。根据模糊规则进行模糊推理后，还应进行模糊判决，输出精确的控制量，即确定K_I精确数。这里采用加权平均法，计算出输出值K_I。储能系统的输出功率为P_bat＝-K_IΔf。

在调频过程结束后，综合考虑实时电价与电池状态进行SOC修正，最佳的修正时机为：在高电价时段t_high.k内，设与高电价时段开始时间相同的某时段αt_high.k，其结束时间为t_α.high.k。当t_c.low.k-1＜t_i＜t_α.high.k时，根据电池SOC状况和修正规则对电池充放电，修正SOC；当t_α.high.k＜t_i＜t_c.high.k时，仅对电池进行放电管理，在下一个低电价时段对电池充电。在低电价时段t_low.k内，设与低电价时段开始时间相同的某时段βt_low.k，其结束时间为t_β.high.k，当t_c.high.k-1＜t_i＜t_β.low.k时，根据电池SOC状况和修正规则对电池充放电，修正SOC；当t_β.low.k＜t_i＜t_c.low.k时，仅对电池进行充电管理，在下一个高电价时段对电池放电。其中α、β是比例系数。

SOC的修正程度示意图如图4～5所示。当分时电价处于高电价时，电池输出功率及SOC修正为：SOC_max＜SOC_j＜1时，电池放电，至SOC_j＝0.5SOC_bat时，停止放电；SOC_high＜SOC_j＜SOC_max时，电池放电，至SOC_j＝SOC_low时，停止放电；SOC_low＜SOC_j＜SOC_high时，不对电池充放电；0＜SOC_j＜SOC_low时，电池充电，至SOC_j＝SOC_high时，停止充电。当分时电价处于低电价时，电池输出功率及SOC修正为：SOC_high＜SOC_j＜1，电池放电，至SOC_j＝SOC_high时，停止放电；SOC_low＜SOC_j＜SOC_high时，不对电池充放电；SOC_min＜SOC_j＜SOC_low时，电池充电，至SOC_j＝SOC_high时，停止充电；0＜SOC_j＜SOC_min时，电池充电，至SOC_j＝0.5SOC_bat时，电池充电，至SOC_j＝0.5SOC_bat时，停止充电。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种电池储能系统辅助一次调频优化控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A.获取一次调频的功率缺额和电网频率偏差变化率；

B.得出电池储能系统的调节比例系数；

C.计算电池储能系统的输出功率值；

D.确定电池的荷电状态的修正时机和修正程度，并进行修正。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤A中，所述一次调频的功率缺额为实际调频功率与理论调频功率的差值；所述电网频率偏差变化率的获取方法为：获取电网的实时频率值f，并与额定频率比较得出电网频率偏差，进而计算出所述电网频率偏差变化率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B包括：将计算出的发电机组一次调频的功率缺额的绝对值和电网频率偏差变化率的绝对值作为模糊控制器的输入量，进行模糊推理，得到电池储能系统的调节比例系数输出量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中，所述电池储能系统的输出功率值ΔP_bat的计算公式为：ΔP_bat＝-K_IΔf，其中，Δf为电网频率偏差，K_I为电池储能系统的调节比例系数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D中，所述修正时机的确定方法包括：在高电价时段t_high.k内，设与高电价时段开始时间相同的某时段αt_high.k，其结束时间为t_α.high.k，当t_c.low.k-1＜t_i＜t_α.high.k时，根据电池的电荷状况和修正规则对电池充电或放电，修正SOC；当t_α.high.k＜t_i＜t_c.high.k时，仅对电池放电，等待下一个低电价时段对电池充电；在低电价时段t_low.k内，设与低电价时段开始时间相同的某时段βt_low.k，其结束时间为t_β.high.k，当t_c.high.k-1＜t_i＜t_β.low.k时，根据电池SOC状况和修正规则对电池充放电，修正SOC；当t_β.low.k＜t_i＜t_c.low.k时，仅对电池充电，等待下一个高电价时段对电池放电；

其中α、β是比例系数；t_high.k、t_low.k分别是第k个高、低电价时段；t_c.high.k、t_c.low.k分别是第k个高、低电价时段的结束时间。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D中，所述修正程度的确定方法包括：在高电价时段：SOC_j＞SOC_max时，放电至SOC_j＝0.5SOC_bat停止放电；SOC_high＜SOC_j＜SOC_max时，放电至SOC_j＝SOC_low停止放电；SOC_low＜SOC_j＜SOC_high时，维持SOC状态不变；0＜SOC_j＜SOC_low，充电至SOC_j＝SOC_low停止充电；

在低电价时段：SOC_high＜SOC_j＜1时，放电至SOC_j＝SOC_high停止放电；SOC_low＜SOC_j＜SOC_high时，维持SOC状态不变；SOC_min＜SOC_j＜SOC_low时，充电至SOC_j＝SOC_high停止充电；0＜SOC_j＜SOC_min时，充电至SOC_j＝0.5SOC_bat停止充电；

其中，SOC_max、SOC_min分别是电池的荷电状态上、下限；SOC_high、SOC_low分别是电池工作最佳荷电状态上、下限；SOC_bat是电池额定容量的电荷状态值。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述理论输出功率由整定的单位调节功率与频率偏差量决定，所述实际输出功率根据运行时的调节级电压、主汽压和主气温变化。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模糊推理包括：

(1)确定输入量和输出量的论域；

(2)确定模糊规则；

(3)根据模糊规则进行模糊推理；

(4)去模糊化处理。