CN105226725B - 一种发电机与电网储能系统之间的功率分配协调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及运行时发电机和储能系统之间的功率分配和协调方法。针对储能系统用于电力系统二次调频的问题，采用滤波器将AGC功率指令在发电机和储能系统之间进行分配。以最小化发电机和储能系统执行调频任务的日均成本为目标，建立调频容量的优化模型。通过优化滤波参数得到总日均成本最低的最优调频容量，为储能系统容量配置提供最优方案。根据运行时发电机和储能系统各自的调频能力对调频任务进行调整。根据储能系统剩余能量对储能系统的调频任务进行调整的策略，可以将储能系统剩余能量维持在合理区间。储能系统参与AGC能够极大的提高整个系统对AGC功率指令的响应能力，降低发电机的爬坡功率。
Description
技术领域
本发明涉及运行时发电机和储能系统之间的功率分配和协调方法，属于电力系统最优化计算技术领域。
背景技术
电力系统有功功率的不平衡会导致系统频率产生偏移，而频率偏移过大则会对系统的稳定构成威胁。为了将频率控制在允许的变化范围内，需要对电力系统进行频率控制。电力系统的二次调频通过调频器将系统的频率恢复到额定值，同时恢复区域间的交换功率，二次调频也称为自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)。
风力发电、光伏发电等新能源发电的大规模并网，以及电动汽车等随机负荷的接入，增加了电力系统中发电和负荷的随机性和波动性。相应地，为维持有功功率平衡和频率稳定，要求发电机具有更大的调频容量和更快的功率爬坡率。首先，调频容量及频繁的爬坡操作增加了发电机运维的成本；其次参与调频使得发电机不能运行在效率最高的运行点，进而导致发电效率的下降，产生了额外的成本；再者，即便有足够的调频容量，发电机有限的爬坡能力也无法保证能及时的跟上负荷的变化。与发电机不同，储能系统往往具有快速爬坡能力，且能提供两倍于其额定容量的调频容量。与此同时，即便运行在非满负荷状态，储能系统也具有很高的能量转换效率。因此，储能系统非常适合用于电力系统调频。
发明内容
本发明提出了配合发电机完成AGC任务所需要的储能系统容量的优化方法，针对储能系统用于电力系统二次调频的问题，采用滤波器将AGC功率指令在发电机和储能系统之间进行分配。在此基础上以最小化发电机和储能系统执行调频任务的日均成本为目标，建立了调频容量的优化模型，通过优化滤波参数得到总日均成本最低的最优调频容量。同时，本发明提出了运行时发电机和储能系统之间的功率分配和协调方法，根据各自的调频能力对调频任务进行调整。
本发明提出的配合发电机完成AGC任务所需要的储能系统容量的优化方法，包括以下步骤：
(1)调频任务分配
传统的发电机爬坡速度相对较慢，适合执行变化相对较慢的功率指令，而储能系统的输出功率能够快速的变化，因而能够及时的响应变化相对较快的功率指令。因此可以采用滤波器对原始的功率指令进行滤波，发电机执行低频部分的功率指令，储能系统执行高频部分的功率指令。
AGC功率指令通过滤波器之后分离出低频分量和高频分量，分别分配给发电机和储能系统。原始的AGC功率指令序列记为PAGC，分离出的低频分量和高频分量分别记为三者满足式(1-1)中的关系。
采用一阶低通滤波器，k时刻PAGC之间的频域关系如式(1-2)，时域关系如式(1-3)，其中T为滤波器时间常数，Δ为功率采样间隔。
令α＝T/(T+Δ)，α∈[0,1]，式(1-3)可表示为式(1-4)。
(2)调频容量计算
给定滤波参数μ后，可以计算为了完成单日调频任务所需的储能系统功率和能量容量，以及发电机调频容量。在此基础上，针对不同日的调频任务，相应计算出一个容量序列，根据此容量序列可最终确定该μ值下的储能系统和发电机的调频容量。
储能系统单日调频功率容量的计算方法如下：假设储能系统的最大充放电功率相等，统计给定的AGC功率指令序列的分布，在此基础上找出一个功率值P使之能比功率序列中比例为p1(取值在0～100％之间)的功率值大，将该功率值P作为储能系统的功率容量p1的值越大，则储能系统调频能力越强，同时成本也越高。实际当中，由于部分持续时间极短的“尖峰功率”的存在，p1接近100％时，功率容量会急剧增大。因此，并不推荐p1取100％，p1的取值需视P-p1曲线而定。发电机的单日调频容量计算过程类似。
储能系统单日调频能量容量的计算方法如下：根据已得到的功率容量对AGC功率指令序列进行限幅，确保AGC功率指令不超出储能系统的功率输出范围，之后根据限幅后的AGC功率指令序列计算储能系统剩余能量变化量序列REL1。将REL1中的值减去其中的最小值，得到一个新的序列REL2。在此基础上找出一个能量值E使之能比REL2中比例为p2(取值在0～100％之间)的剩余能量值大，将该能量值E作为储能系统的能量容量Ecap。基于同样的理由，p2的取值同样需视E-p2曲线而定。
最终调频容量的确定方法：根据上述方法，可以依次计算出为完成不同日AGC功率指令所需的一系列容量值。在此基础上找出一个容量值，使之能比容量序列中比例为p3(取值在0～100％之间)的容量值大，将该容量值作为调频容量。
储能系统的功率和能量容量，以及发电机调频容量，都决定于滤波参数μ，因此需要对μ进行优化，以实现最佳的经济效益。
(3)调频经济成本分析
进行经济效益分析时，由于储能系统和发电机作为一个整体，共同完成调频任务，故从电网公司获得的调频总收益是不变的。因此，为了达到最大经济效益，需使总成本最小。调频的经济成本包括发电机和储能系统两部分成本，给定μ、储能功率容量和能量容量、发电机的调频容量之后，可以依次计算出完成每天的调频任务所需的经济成本，最终得到日均成本。
(3-1)发电机调频的经济成本分析
发电机参与调频的成本来自于以下几个方面：爬坡成本、磨损带来的维护成本和非满负荷运行带来的成本。AGC模式下发电机需要进行频繁的爬坡操作，因此会导致整体运行效率出现不同程度的下降，导致运行成本的增加。与此同时，参与AGC会增加发电机的磨损，相应的就增加了维护成本。此外，由于需要提供一定的功率容量参与AGC，发电机的运行点将偏离最优运行点，这也将造成运行效率的下降。本节中将不同的成本归为两类：频繁操作带来的成本和运行点改变带来的成本，爬坡成本、磨损带来的维护成本可以归结为频繁操作带来的成本，而非满负荷运行带来的成本可以归结为运行点改变带来的成本，以下将分别计算这两类成本。
1)频繁操作带来的成本
由于频繁操作带来的成本无法精确到每一次单独的操作，因此，此处考虑用AGC模式下发电机因爬坡而产生的每MWh能量所需要付出的额外的成本pfreq-op来表示，其单位为$/MWh。发电机在计算时长内因频繁操作带来的成本与其功率变化量呈正相关关系，当发电机运行在恒功率模式下时此部分成本为0。若k时刻发电机的AGC功率指令为PG,AGC(k)，则此部分单独增加的成本如式(1-5)中所示，式中abs()为取绝对值函数；式中Δt是表示每个采样点之间的时间差，亦即(k+1)时刻与k时刻之间的时差；
2)运行点改变带来的成本
运行点偏离最优运行点之后发电机运行效率下降。假设发电机因为参与AGC后运行点改变而导致的额外成本为pop-change，单位为$/MWh。发电机的额定功率记为功率运行点为提供的调频能力。k时刻发电机的AGC功率指令为PG,AGC(k)，则此部分单独增加的成本为：
发电机参与总成本cG即为上述两个成本的总和。
(3-2)储能系统的成本分析
储能系统的放电效率记为η+，充电效率记为η-，k时刻储能系统的放电功率为充电功率为剩余能量为E(k)，则储能系统的模型为：
其中，
储能系统的成本来自于以下几个方面：功率成本ppcs($/MW)和能量成本pstorage($/MWh)。功率成本来源于功率转换装置，能量成本来源于储能单元。
式中，是指PCS装置的额定有功功率；τ为PCS使用率，用PCS使用时间除以装置寿命Tlife表示，表示将功率成本按照使用时间折算到计算时长内。为储能单元使用率，用放电能量除以能量容量Ecap再除以循环次数Ncycle表示，表示将能量成本按能量使用程度折算到计算时长内。
(4)储能容量优化模型：
将最小化发电机和储能系统参与AGC的日均成本为优化目标，根据步骤(1)～(3)可以得到如下的储能调频容量优化模型：
式(1-11)中，N为仿真时间持续的天数，c1(k)、c2(k)、cPCS(k)、cstorage(k)分别为k时刻发电机和储能系统的各项成本，call(k)则为发电机和储能系统日均的总成本。求解式(1-11)即可得到最优的滤波参数α。
本发明提出的运行时发电机和储能系统之间的功率分配和协调方法，包括四个环节：AGC功率指令滤波、功率调整范围计算、调频功率限幅及再分配、储能剩余能量管理。每个环节详细的计算方法如下：
(1)AGC功率指令滤波
k时刻，采用一阶低通滤波器对AGC功率指令PAGC(k)进行滤波，得到高频分量和低频分量滤波器参数采用容量优化环节得到的最优滤波参数。
(2)功率调整范围计算
根据发电机的调频容量及爬坡率限制，以及储能系统的最大输出功率和剩余能量限制，计算k时刻储能系统和发电机的功率调整范围，作为后续调频功率限幅及再分配的基础。
式(2-1)和式(2-2)中，是指PCS装置的额定有功功率；Ek是指k时刻储能系统的能量，单位为KWh，Emin和Emax是指储能系统所能接受的最小能量值和最高能量值；和分别为储能系统的最大放电功率和充电功率(均大于0)，和分别为发电机的上调功率和下调功率(均大于0)，和分别为发电机在Δt时间段内的最大上行和下行爬坡功率。max()和min()分别为取最大和取最小函数。由于假设了发电机的运行点为因此任意时刻发电机可接受的最大AGC功率指令为
(3)调频功率限幅及再分配
表2.1功率限幅及再分配策略表
根据前一环节得到的功率调整范围，对储能系统和发电机的功率指令进行限幅，并计算出功率指令的可调节空间。储能系统功率指令的上行和下行可调节空间为发电机功率指令的上行和下行可调节空间为
当大于0时，说明储能系统的功率指令有上行调节空间，可以增加储能系统的放电功率或者减小其充电功率；当大于0时，说明储能系统的功率指令有下行调节空间，可以减小储能系统的放电功率或者增加其充电功率。
当大于0时，说明发电机的功率指令有上行调节空间，可以增加发电机的输出功率；当大于0时，说明发电机的功率指令有下行调节空间，可以减小其输出功率。
表2.1中给出了功率限幅及再分配策略，根据 的取值情况不同，相应的对储能系统和发电机的功率指令进行调整。
(4)储能剩余能量管理
表2.2储能剩余能量管理策略表
功率限幅和再分配环节确保了发电机和储能系统有能力执行相应的功率指令。虽然保证了储能系统不会过充或过放，但不能保证储能系统的剩余能量保持在合理区间。一旦储能系统剩余能量达到了极限值(即设定的最小或最大剩余能量)附近，储能系统则会失去调频能力。因此，有必要根据储能系统剩余能量状态对功率指令再次进行调整。
表2.2给出了储能系统剩余能量的调节策略。仅当储能系统或者发电机同时具有上行和下行调节空间时，才根据储能系统当前剩余能量对其功率指令进行调整。需要注意的是，两者的可调节空间需要在对功率指令完成限幅和再分配操作之后重新根据式(2-3)和式(2-4)计算。
调整功率指令时的最大调整量，决定于储能系统和发电机的可调节空间。当储能系统剩余能量较低，需要减小储能系统的放电功率或者增加其充电功率时，最大调整量为和中的较小者；当储能系统的剩余能量较高，需要增加储能系统的放电功率或者减小其充电功率时，最大调整量为和中的较小者。
在计算得到最大调整量之后，根据当前的剩余能量决定采用的调整量。若当前剩余能量低于额定能量的10％或者高于额定能量的90％，则调整量设为对应的最大调整量；若当前剩余能量处于额定能量的10％～30％或者70％～90％，则调整量设为对应的最大调整量的一半。
本发明提出的配合发电机完成AGC任务所需要的储能系统容量的优化方法，其优点是，针对储能系统用于电力系统二次调频的问题，采用滤波器将AGC功率指令在发电机和储能系统之间进行分配。在此基础上以最小化发电机和储能系统执行调频任务的日均成本为目标，建立调频容量的优化模型。通过优化滤波参数得到总日均成本最低的最优调频容量，为用于配合发电机进行二次调频的储能系统容量配置提供最优方案。同时，本发明提出的运行时发电机和储能系统之间的功率分配和协调方法，其优点是，根据各自的调频能力对调频任务进行调整。此外，还提出了根据储能系统剩余能量对储能系统的调频任务进行调整的策略，将储能系统剩余能量维持在合理区间。基于PJM实际调频数据的仿真算例表明，储能系统参与AGC能够极大的提高整个系统对AGC功率指令的响应能力，降低发电机的爬坡功率。进行剩余能量管理之后，储能系统的剩余能量能够维持在较为合理的区间，并能确保储能系统能持续的响应AGC功率指令。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例：
1、本发明提出的运行时发电机和储能系统之间的功率分配和协调方法，包括四个环节：AGC功率指令滤波、功率调整范围计算、调频功率限幅及再分配、储能剩余能量管理。每个环节详细的计算方法如下：
(1)AGC功率指令滤波
k时刻，采用一阶低通滤波器对AGC功率指令PAGC(k)进行滤波，得到高频分量和低频分量滤波器参数采用容量优化环节得到的最优滤波参数。
(2)功率调整范围计算
根据发电机的调频容量及爬坡率限制，以及储能系统的最大输出功率和剩余能量限制，计算k时刻储能系统和发电机的功率调整范围，作为后续调频功率限幅及再分配的基础。
式(2-1)和式(2-2)中，是指PCS装置的额定有功功率；Ek是指k时刻储能系统的能量，单位为KWh，Emin和Emax是指储能系统所能接受的最小能量值和最高能量值；和分别为储能系统的最大放电功率和充电功率(均大于0)，和分别为发电机的上调功率和下调功率(均大于0)，和分别为发电机在Δt时间段内的最大上行和下行爬坡功率。max()和min()分别为取最大和取最小函数。由于假设了发电机的运行点为因此任意时刻发电机可接受的最大AGC功率指令为
(3)调频功率限幅及再分配
表2.1功率限幅及再分配策略表
根据前一环节得到的功率调整范围，对储能系统和发电机的功率指令进行限幅，并计算出功率指令的可调节空间。储能系统功率指令的上行和下行可调节空间为发电机功率指令的上行和下行可调节空间为
当大于0时，说明储能系统的功率指令有上行调节空间，可以增加储能系统的放电功率或者减小其充电功率；当大于0时，说明储能系统的功率指令有下行调节空间，可以减小储能系统的放电功率或者增加其充电功率。
当大于0时，说明发电机的功率指令有上行调节空间，可以增加发电机的输出功率；当大于0时，说明发电机的功率指令有下行调节空间，可以减小其输出功率。
表2.1中给出了功率限幅及再分配策略，根据 的取值情况不同，相应的对储能系统和发电机的功率指令进行调整。
(4)储能剩余能量管理
表2.2储能剩余能量管理策略表
功率限幅和再分配环节确保了发电机和储能系统有能力执行相应的功率指令。虽然保证了储能系统不会过充或过放，但不能保证储能系统的剩余能量保持在合理区间。一旦储能系统剩余能量达到了极限值(即设定的最小或最大剩余能量)附近，储能系统则会失去调频能力。因此，有必要根据储能系统剩余能量状态对功率指令再次进行调整。
表2.2给出了储能系统剩余能量的调节策略。仅当储能系统或者发电机同时具有上行和下行调节空间时，才根据储能系统当前剩余能量对其功率指令进行调整。需要注意的是，两者的可调节空间需要在对功率指令完成限幅和再分配操作之后重新根据式(2-3)和式(2-4)计算。
调整功率指令时的最大调整量，决定于储能系统和发电机的可调节空间。当储能系统剩余能量较低，需要减小储能系统的放电功率或者增加其充电功率时，最大调整量为和中的较小者；当储能系统的剩余能量较高，需要增加储能系统的放电功率或者减小其充电功率时，最大调整量为和中的较小者。
在计算得到最大调整量之后，根据当前的剩余能量决定采用的调整量。若当前剩余能量低于额定能量的10％或者高于额定能量的90％，则调整量设为对应的最大调整量；若当前剩余能量处于额定能量的10％～30％或者70％～90％，则调整量设为对应的最大调整量的一半。
本发明提出的配合发电机完成AGC任务所需要的储能系统容量的优化方法，其优点是，针对储能系统用于电力系统二次调频的问题，采用滤波器将AGC功率指令在发电机和储能系统之间进行分配。在此基础上以最小化发电机和储能系统执行调频任务的日均成本为目标，建立调频容量的优化模型。通过优化滤波参数得到总日均成本最低的最优调频容量，为用于配合发电机进行二次调频的储能系统容量配置提供最优方案。同时，本发明提出的运行时发电机和储能系统之间的功率分配和协调方法，其优点是，根据各自的调频能力对调频任务进行调整。此外，还提出了根据储能系统剩余能量对储能系统的调频任务进行调整的策略，将储能系统剩余能量维持在合理区间。基于PJM实际调频数据的仿真算例表明，储能系统参与AGC能够极大的提高整个系统对AGC功率指令的响应能力，降低发电机的爬坡功率。进行剩余能量管理之后，储能系统的剩余能量能够维持在较为合理的区间，并能确保储能系统能持续的响应AGC功率指令。
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本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (4)
1.一种发电机与电网储能系统之间的功率分配协调方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)AGC功率指令滤波
k时刻，采用一阶低通滤波器对AGC功率指令PAGC(k)进行滤波，得到高频分量和低频分量滤波器参数采用容量优化环节得出最优滤波参数α；
(2)功率调整范围计算
根据发电机的调频容量及爬坡率限制，以及储能系统的最大输出功率和剩余能量限制，计算k时刻储能系统和发电机的功率调整范围，作为后续调频功率限幅及再分配的基础；
(3)调频功率限幅及再分配
根据前一环节得到的功率调整范围，对储能系统和发电机的功率指令进行限幅，并计算出功率指令的可调节空间；
(4)储能剩余能量管理
功率限幅和再分配环节确保了发电机和储能系统有能力执行相应的功率指令；当储能系统剩余能量达到了极限值附近，可根据储能系统剩余能量状态对功率指令再次进行调整；
所述环节(1)中，最优滤波参数α由如下步骤确定；
(a)调频任务分配，
采用滤波器对原始的功率指令进行滤波，发电机执行低频部分的功率指令，储能系统执行高频部分的功率指令；
AGC功率指令通过滤波器之后分离出低频分量和高频分量，分别分配给发电机和储能系统；原始的AGC功率指令序列记为PAGC，分离出的低频分量和高频分量分别记为三者满足式(1-1)中的关系；
采用一阶低通滤波器，k时刻PAGC之间的频域关系如式(1-2)，时域关系如式(1-3)，
令α＝T/(T+Δ)，α∈[0,1]，式(1-3)可表示为式(1-4)，
其中T为滤波器时间常数，Δ为功率采样间隔；
(b)调频容量计算，
给定滤波参数μ，计算为了完成单日调频任务所需的储能系统功率和能量容量，以及发电机调频容量；在此基础上，针对不同日的调频任务，相应计算出一个容量序列，根据此容量序列确定该μ值下的储能系统和发电机的调频容量；
储能系统单日调频功率容量的计算方法如下：假设储能系统的最大充放电功率相等，统计给定的AGC功率指令序列的分布，在此基础上找出一个功率值P使之能比功率序列中比例为p1的功率值大，将该功率值P作为储能系统的功率容量p1的值越大，则储能系统调频能力越强，同时成本也越高；
储能系统单日调频能量容量的计算方法如下：根据已得到的功率容量对AGC功率指令序列进行限幅，确保AGC功率指令不超出储能系统的功率输出范围，之后根据限幅后的AGC功率指令序列计算储能系统剩余能量变化量序列REL1，将REL1中的值减去其中的最小值，得到一个新的序列REL2，在此基础上找出一个能量值E使之能比REL2中比例为p2的剩余能量值大，将该能量值E作为储能系统的能量容量Ecap；基于同样的理由，p2的取值同样需视E-p2曲线而定；
最终调频容量的确定方法：根据上述方法，可以依次计算出为完成不同日AGC功率指令所需的一系列容量值；在此基础上找出一个容量值，使之能比容量序列中比例为p3的容量值大，将该容量值作为调频容量；
(c)调频经济成本分析，
调频的经济成本包括发电机和储能系统两部分成本，给定μ、储能功率容量和能量容量、发电机的调频容量之后，依次计算出完成每天的调频任务所需的经济成本，最终得到日均成本；
c-1，频繁操作带来的成本分析；
设定用AGC模式下发电机因爬坡而产生的每MWh能量所需要付出的额外的成本pfreq-op表示，其单位为$/MWh；发电机在计算时长内因频繁操作带来的成本与其功率变化量呈正相关关系，当发电机运行在恒功率模式下时此部分成本为0，若k时刻发电机的AGC功率指令为PG,AGC(k)，则此部分单独增加的成本如式(1-5)中所示，式中abs()为取绝对值函数；式中Δt是表示每个采样点之间的时间差，亦即(k+1)时刻与k时刻之间的时差；
运行点改变带来的成本分析：
设定发电机因为参与AGC后运行点改变而导致的额外成本为pop-change，单位为$/MWh；发电机的额定功率记为功率运行点为任意时刻发电机可接受的最大AGC功率指令为k时刻发电机的AGC功率指令为PG,AGC(k)，则此部分单独增加的成本为：
发电机参与总成本cG即为上述两个成本的总和；
c-2，储能系统的成本分析；
储能系统的放电效率记为η+，充电效率记为η，k时刻储能系统的放电功率为充电功率为剩余能量为E(k)，则储能系统的模型为：
其中，
储能系统的成本来自于以下几个方面：功率成本ppcs($/MW)和能量成本pstorage($/MWh)；功率成本来源于功率转换装置，能量成本来源于储能单元；
式中，是指PCS装置的额定有功功率；τ为PCS使用率，用PCS使用时间除以装置寿命Tlife表示，表示将功率成本按照使用时间折算到计算时长内；为储能单元使用率，用放电能量除以能量容量Ecap再除以循环次数Ncycle表示，表示将能量成本按能量使用程度折算到计算时长内；
(d)储能容量优化模型，
将最小化发电机和储能系统参与AGC的日均成本为优化目标，根据步骤(a)～(c)可以得到如下的储能调频容量优化模型：
式(1-11)中，N为仿真时间持续的天数，c1(k)、c2(k)、cPCS(k)、cstorage(k)分别为k时刻发电机和储能系统的各项成本，call(k)则为发电机和储能系统日均的总成本；求解式(1-11)即可得到最优的滤波参数α。
2.如权利要求1所述的发电机与电网储能系统之间的功率分配协调方法，其特征在于，所述环节(2)中，功率调整范围计算包括
式(2-1)和式(2-2)中，是指PCS装置的额定有功功率；Ek是指k时刻储能系统的能量，单位为KWh，Emin和Emax是指储能系统所能接受的最小能量值和最高能量值；和分别为储能系统的最大放电功率和充电功率，和分别为发电机的上调功率和下调功率，和分别为发电机在Δt时间段内的最大上行和下行爬坡功率；max()和min()分别为取最大和取最小函数；设定发电机的运行点为任意时刻发电机可接受的最大AGC功率指令为
3.如权利要求2所述的发电机与电网储能系统之间的功率分配协调方法，其特征在于，所述环节(3)中，调频功率限幅及再分配还包括：
储能系统功率指令的上行和下行可调节空间为发电机功率指令的上行和下行可调节空间为
当大于0时，增加储能系统的放电功率或者减小其充电功率；当大于0时，减小储能系统的放电功率或者增加其充电功率；
当大于0时，增加发电机的输出功率；
当大于0时，减小其输出功率。
4.如权利要求3所述的发电机与电网储能系统之间的功率分配协调方法，其特征在于，所述环节(4)中，所述极限值为设定的最小或最大剩余能量。
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