CN105186511B - 电池储能系统参与电网二次调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供电池储能系统参与电网二次调频控制方法，由电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP确定电池储能系统参与电网二次调频的调节系数，以及调节系数K₂与电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP的关系；电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP经过发电机‑负荷频率特性环节之后得到系统的频率差值Δf，再经过参与电网二次调频各个电源的PI环节得到各电源待改变的功率大小。该方法能够改变电池储能系统参与电网二次调频的最终出力大小，电池储能系统通过充放电控制实现参与电网二次调频过程，可减少传统机组的燃煤损耗，从而降低调频费用；也可快速维持电源发电与负荷用电之间的平衡。

Description

电池储能系统参与电网二次调频控制方法

技术领域

本发明涉及一种电池储能系统参与电网二次调频控制方法。

背景技术

电力系统频率是电能质量的三大指标之一，其偏差反映了系统提供有功功率和负荷需求之间的平衡关系。由于电网一次调频是依靠自身固有的频率特性阻止系统频率偏移，并不能做到无差调节，二次调频是在一次调频的基础上改变发电机组的调差特性曲线位置实现无差调节，一般适用于调整分钟级或者更差时间周期的负荷波动。

传统能源的日益匮乏和环境的恶化促进了新能源的快速发展。以风、光为代表的新能源发电取决于自然条件，决定了新能源发电具有一定的随机性和间歇性，由于新能源发电具有一定的随机性和间歇性。随着新能源的大规模发展对系统发电与用电之间的平衡带来巨大的挑战。

传统的调频机组都是由水电机组、燃气机组以及燃煤机组等传统电源承担。然而因为传统调频机组的固有特性，尤其在含大规模新能源发电的电力系统中，传统的调频方式存在各种缺陷和不足。水电机组是最适用于参与电网调频的能源，但是水电机组容易受地域和季节性的影响。传统的调频机组都是具有传统调频机组都是具有旋转惯性的机械器件组成的，将一次能源转化成电能，再根据调频指令达到一定的输出功率要经过相对较长的一段时间，响应慢而且爬坡速率低，再加上机组的惯性作用，参与调频时方向不容易改变，很容易导致频率调节的延迟和偏差等现象，并且传统机组参与电网调频频繁的改变调节方向不仅加剧了设备的磨损，而且增加了燃料的使用量和运行成本。

发明内容

本发明提出了一种电池储能系统参与电网二次调频的控制方法，通过获取负荷与发电功率之间的不平衡量ΔP改变电池储能系统调节环节的系数，其目的在于通过优化电池储能系统参与电网二次调频的调节系数调节电池储能参与二次调频的功率。

本发明的技术解决方案是：

一种电池储能系统参与电网二次调频控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立电网调频的数学模型，包括发电机-负荷模型GL、调速器模型与原动机模型、电池储能系统的数学模型；

步骤2：依据二次调频的要求，由电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP确定电池储能系统参与电网二次调频的调节系数，以实现对系统频率的无差调节；

步骤3：确定系统中最大容量的机组容量和电池储能系统的最大充放电功率根据电池储能系统的最大充放电功率确定电池储能系统参与电网二次调频功率的限幅环节；

步骤4：根据最大容量的机组容量电池储能系统的最大充放电功率以及优化前机组控制环节中的调节系数K₁，确定电池储能系统参与电网二次调频的调节系数K₂与电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP之间的关系；其中，优化前机组控制环节中的调节系数K₁，是现有的传统机组控制环节中的调节系数K₁。

步骤5：根据步骤1～4搭建电池储能系统参与电网二次调频的自适应控制如下：电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP经过发电机-负荷频率特性环节之后得到系统的频率差值Δf，再经过参与电网二次调频各个电源的PI环节得到各部分电源需要改变的功率大小。

进一步地，建立电网调频的数学模型，具体为：

模型一，发电机-负荷模型GL：ΔP_m(s)-ΔP_L(s)＝(2Hs+D)Δf，

其中，P_m为原动机功率，P_L为负荷功率，H为发电机组的惯性常数，f为系统频率，D为负荷-阻尼常数；

模型二，调速器模型与原动机模型分别为；

其中，Y为阀门的开度，1/R为发电机组的单位调节功率系数，s为拉普拉斯算子，T_R为调速器的时间常数，ω_r为转子速度，f为系统频率，G_R(s)是调速器传递函数，T_T为原动机时间常数，G_T(s)为原动机传递函数；

模型三，电池储能系统的数学模型：

其中，P_BESS为电池储能系统充放电功率，K_BESS为电池储能频率响应系数，f为系统频率，T_BESS为电池时间常数，G_BESS(s)为电池储能传递函数。

进一步地，在步骤4中，所述调节系数K₂与电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP之间的关系确定为：

电池储能系统参与电网二次调频调节环节的系数K₂与电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP之间的关系分为三段函数，

关系函数一，当电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP≤ΔP^*时，电池储能系统以最大的调节系数

关系函数二，当电网中负荷与发电功率的不平衡量时，其中，M根据系统参数设置的常数，电池储能系统的调节系数与负荷变化量之间呈线性关系，其表达式为：

关系函数三，当电网中负荷与发电功率的不平衡量时，电池储能系统的调节系数保持为

其中， 是根据系统参数设定的电池储能参与电网二次调频调节环节的最大系数。

该种电池储能系统参与电网二次调频控制方法中，大规模电池储能系统通过电力电子装置接入电网，响应速度快，可以在毫秒级时间范围内输出额定功率以内的数值；而且输出功率控制精确，能够保持在稳定的功率输出；特别是电池储能系统具有双向调节能力，充电时可作为负荷，放电时可作为电源。大规模电池储能系统参与电网调频性能上有着明显优势，可作为参与二次调频的有效手段，与传统调频电源相结合实现无差调节。

本发明的有益效果是：该种电池储能系统参与电网二次调频控制方法，通过技术性指标等建立电池储能系统的调节系数优化方法，通过对调节系数的优化来改变电池储能系统参与电网二次调频的最终出力，实现电池储能系统参与电网二次调频的自适应控制，从而可以减少传统机组的燃煤损耗，提高生产效益。

附图说明

图1是实施例中电池储能系统参与电网二次调频控制框图；

图2是实施例中电池储能系统调节系数优化曲线示意图；

图3是实施例中电池储能系统参与电网二次调频前后系统频率的变化曲线示意图；

图4是实施例中电池储能系统参与电网二次调频前后系统电源功率的变化曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

实施例通过将电池储能系统安装在需要配合传统调频机组的系统中，从调控中心实时采集区域的负荷与发电之间的不平衡功率，根据不平衡功率的大小确定电池储能系统参与电网二次调频的调节系数，从而改变电池储能系统参与电网二次调频的最终出力。

电网中负荷与发电功率的不平衡量与电池储能系统的调节系数的关系可根据不同的指标或者是准则进行建立，从而实现某个特定的目标。实现电池储能系统配合传统机组参与电网二次调频的自适应控制。

本实例提出一种电池储能系统参与电网二次调频的自适应控制方法，该控制方法对应的含电池储能系统的电网区域二次调频的控制框图如图1所示。具体的步骤如下：

步骤1：建立电网调频的数学模型；主要包括：

①电机-负荷模型GL，其中P_m为原动机功率(Δ表示微变化量，下同)，P_L为负荷功率，H为发电机组的惯性常数，f为系统频率，D为负荷-阻尼常数；

发电机-负荷模型GL：

ΔP_m(s)-ΔP_L(s)＝(2Hs+D)Δf

②原动机G_T、调速器G_R模型，其中Y为阀门的开度，1/R为发电机组的单位调节功率系数，s为拉普拉斯算子，T_R为调速器的时间常数，ω_r为转子速度，G_R(s)是调速器传递函数，T_T为原动机时间常数，G_T(s)为原动机传递函数；

原动机调速器模型：以无再热器汽轮机为例，调速器模型与原动机模型分别为；

③电池储能系统的数学模型，其中P_BESS为电池储能系统充(放)电功率，K_BESS为电池储能频率响应系数，T_BESS为电池时间常数，G_BESS(s)为电池储能传递函数；

电池储能系统数学模型为：

步骤2：根据上述的数学模型搭建的控制模型不能实现无差调频，所以在原有的基础上需要加入调节环节之后才能实现对系统频率的无差调节，满足系统二次调频的要求；

步骤3：确定系统中最大容量的机组容量和电池储能系统的最大充放电功率根据电池储能系统的最大充放电功率确定电池储能系统参与电网二次调频功率的限幅环节；

步骤4：根据最大容量的机组容量电池储能系统的最大充放电功率以及传统机组控制环节中的调节系数K₁，确定电池储能系统参与电网二次调频调节环节的系数K₂与电网不平衡功率ΔP之间的关系；其中，优化前机组控制环节中的调节系数K₁，是现有的传统机组控制环节中的调节系数K₁，考虑到调速器的增益|G_R|和原动机的增益|G_T|，在传统机组控制系统设计时通常可直接取K₁＝1。

步骤4中所述优化电池储能系统调节系数的方法：建立的系统功率不平衡量ΔP与电池储能系统的调节系数K₂的关系可根据不同的指标或者是准则进行建立，从而实现某个特定的目标。实现电池储能系统配合传统机组参与电网二次调频的自适应控制。在本发明中采用了一种优化调节系数的方法来说明本发明的可行性，其优化曲线如图2所示：

电池储能系统参与电网二次调频的调节系数与负荷变化量之间的关系分为三段函数，其中 是根据系统参数设定的电池储能参与电网二次调频调节环节的最大系数，为了使得电池储能系统参与电网二次调频不超过传统机组，取

一、当电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP≤ΔP^*时，电池储能系统以最大的调节系数

二、当电网中负荷与发电功率的不平衡量时，其中M根据系统参数设置的常数，例如取M∈[2,20]M＝10，电池储能系统的调节系数与负荷变化量之间呈线性关系，其表达式为：

三、当电网中负荷与发电功率的不平衡量时，电池储能系统的调节系数保持为

步骤5：根据步骤1～4搭建电池储能系统参与电网二次调频的自适应控制框图。具体为，首先根据电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP优化电池储能系统参与电网二次调频调节环节的系数，系统功率不平衡量经过发电机-负荷频率特性环节之后得到系统的频率差值Δf，再经过参与电网二次调频各个电源的PI环节得到各部分电源需要改变的功率大小。

电池储能系统调节环节的系数K₂通过获取负荷与发电功率之间的不平衡量ΔP进行确定，从而改变电池储能系统参与电网二次调频的最终出力大小。电池储能系统通过充放电控制实现参与电网二次调频过程，可减少传统机组的燃煤损耗，从而降低调频费用；也可快速维持电源发电与负荷用电之间的平衡。

图3反映了电池储能系统参与电网二次调频前后系统频率的变化曲线，其中虚线为不含电池储能系统的频率变化曲线，实线为包含电池储能系统的频率变化曲线。

由图3可知，当电池储能系统不参与电网二次调频时，系统最大频率差值为0.30Hz，需要经过大约10s恢复到额定值；当电池储能系统参与电网二次调频时，系统最大频率差值为0.19Hz，需要经过大约6s恢复到额定频率50Hz。由此可见，当电池储能系统参与电网二次调频时可减小系统的最大频率差值和减小系统频率恢复到额定值的时间。

图4反映了电池储能系统参与电网二次调频前后系统电源功率的变化曲线，其中点划线表示系统中不含电池储能系统时电源功率变化曲线，虚线表示系统中包含电池储能系统时传统机组的出力曲线，实线表示电池储能系统参与电网二次调频的功率曲线。

由图4可知，当系统中没有电池储能系统时，传统电源的最终出力为200MW，最大出力为326.94MW；当系统中包含电池储能系统时，传统电源的最终出力为100MW，最大出力为173.64MW；储能系统参与电网二次调频的最终出力为100MW。由此可知，当电池储能系统参与电网二次调频时可减小传统电源参与二次调频的最终出力，从而可以减小传统电源的燃煤损耗，提高经济性。

Claims (3)

1.一种电池储能系统参与电网二次调频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立电网调频的数学模型，包括发电机-负荷模型GL、调速器模型与原动机模型、电池储能系统的数学模型；

步骤2：依据二次调频的要求，由电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP确定电池储能系统参与电网二次调频的调节系数，以实现对系统频率的无差调节；

步骤3：确定系统中最大容量的机组容量和电池储能系统的最大充放电功率根据电池储能系统的最大充放电功率确定电池储能系统参与电网二次调频功率的限幅环节；

步骤4：根据最大容量的机组容量电池储能系统的最大充放电功率以及优化前机组控制环节中的调节系数K₁，确定电池储能系统参与电网二次调频的调节系数K₂与电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP之间的关系；

步骤5：根据步骤1～4搭建电池储能系统参与电网二次调频的自适应控制如下：电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP经过发电机-负荷频率特性环节之后得到系统的频率差值Δf，再经过参与电网二次调频各个电源的PI环节得到各个电源需要改变的功率大小。

2.如权利要求1所述电池储能系统参与电网二次调频控制方法，其特征在于，建立电网调频的数学模型，具体为：

模型一，发电机-负荷模型GL：ΔP_m(s)-ΔP_L(s)＝(2Hs+D)Δf，

其中，P_m为原动机功率，P_L为负荷功率，H为发电机组的惯性常数，f为系统频率，D为负荷-阻尼常数；

模型二，调速器模型与原动机模型分别为；

$\mathrm{\Δ}Y=(-\frac{1}{R})\·\frac{1}{1+{\mathrm{sT}}_R}\·{\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{\γ}}=(-\frac{1}{R})\·G_R\left(s\right)\·\mathrm{\Δ}f$

${\mathrm{\ΔP}}_{nt}\left(s\right)=\mathrm{\Δ}Y\·\frac{1}{1+{\mathrm{sT}}_T}=\mathrm{\Δ}Y\·G_T\left(s\right)$

其中，Y为阀门的开度，1/R为发电机组的单位调节功率系数，s为拉普拉斯算子，T_R为调速器的时间常数，ω_r为转子速度，f为系统频率，G_R(s)是调速器传递函数，T_T为原动机时间常数，G_T(s)为原动机传递函数；

模型三，电池储能系统的数学模型：

${\mathrm{\ΔP}}_{BESS}\left(s\right)=K_{BESS}\·\mathrm{\Δ}f\·\frac{1}{1+{\mathrm{sT}}_{BESS}}=K_{BESS}\·\mathrm{\Δ}f\·G_{BESS}\left(s\right)$

其中，P_BESS为电池储能系统充放电功率，K_BESS为电池储能频率响应系数，f为系统频率，T_BESS为电池时间常数，G_BESS(s)为电池储能传递函数。

3.如权利要求1或2所述电池储能系统参与电网二次调频控制方法，其特征在于，在步骤4中，所述调节系数K₂与电网中负荷与发电功率的不平衡功率ΔP之间的关系确定为：

电池储能系统参与电网二次调频调节环节的系数K₂与电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP之间的关系分为三段函数，

关系函数一，当电网中负荷与发电功率的不平衡量ΔP≤ΔP^*时，电池储能系统以最大的调节系数

关系函数二，当电网中负荷与发电功率的不平衡量时，其中，M根据系统参数设置的常数，电池储能系统的调节系数与负荷变化量之间呈线性关系，其表达式为：

$K_2\[K_2^{\max }+\frac{\left(K_2^{\max }-\frac{K_1}{M}\right)\·{\mathrm{\ΔP}}^{*}}{\left(M+1\right)P_{BESS}^{\max }-{\mathrm{\ΔP}}^{*}}\]-\frac{K_2^{\max }-\frac{K_1}{M}}{\left(M+1\right)P_{BESS}^{\max }-{\mathrm{\ΔP}}^{*}}$

关系函数三，当电网中负荷与发电功率的不平衡量时，电池储能系统的调节系数保持为

其中， 是根据系统参数设定的电池储能参与电网二次调频调节环节的最大系数。