CN105720596A - 电力储能系统的调频方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力储能系统的调频方法和装置，该方法包括：确定电力机组的调频能力；预测风功率的爬坡量；在预测的风功率的爬坡量大于所述调频能力的情况下，根据所述调频能力和所述爬坡量确定调频容量，并以所述调频容量作为阶跃信号调整储能系统的功率输出；在通过阶跃信号调整储能系统的功率输出的过程中，利用频率反馈控制调整储能系统的功率输出量。本发明解决了现有技术中无法有效地控制储能装置参与到系统调频中的技术问题，达到了减少频率的稳态偏移量、提高系统调频的动态响应速度的技术效果。

Description

电力储能系统的调频方法和装置

技术领域

本发明涉及风电光伏能源技术领域，特别涉及一种电力储能系统的调频方法和装置。

背景技术

近年来，风电、光伏等新能源的迅猛发展为储能提供了更广阔的应用空间。由于风电、光伏固有的随机性、波动性和间歇性，都会对系统频率的稳定性产生影响，从而导致大规模新能源难以满足接入电网的要求，而大规模储能技术的引入，可以实时有效地改善间歇式电源的运行特性，提升电力系统的调控能力，从而可以提高电网运行稳定性和可靠性。然而，如何充分利用储能电站参与大电网的调度运行，充分发挥其系统价值，成了大规模储能推广迫切需要解决的技术问题。

目前，风光储能控制系统已经具备了平滑出力、削峰填谷、跟踪计划、支持AGC等四方面的控制功能，并且依托D5000统一平台设计的风光储联合发电系统AGC和AVC控制系统中，已初步设计了储能参与调频和调压的功能。

然而，现有的研究成果大多是针对储能系统电站级控制策略的研究，如果有效地控制储能装置参与到系统调频中，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种电力储能系统的调频方法，以解决现有技术中无法有效地控制储能装置参与到系统调频中的技术问题，该方法包括：

确定电力机组的调频能力；

预测风功率的爬坡量；

在预测的风功率的爬坡量大于所述调频能力的情况下，根据所述调频能力和所述爬坡量确定调频容量，并以所述调频容量作为阶跃信号调整储能系统的功率输出；

在通过阶跃信号调整储能系统的功率输出的过程中，利用频率反馈控制调整储能系统的功率输出量。

在一个实施例中，确定电力机组的调频能力，包括：

按照以下公式计算所述调频能力：

$P_{\mathrm{regu}}=\min \{P_G^{\max },P_{\mathrm{reserve}}\}$

其中，P_regu表示调频能力，表示机组的一次调频容量极限，P_reserve表示当前时刻机组的备用容量，P_reserve＝P_MAX-P_G，Δf_max表示储能系统所能允许的最大频率偏移，K_i表示调差系数，n表示电力机组的数量，P_MAX表示机组的装机容量，P_G表示机组当前时刻的有功出力。

在一个实施例中，按照以下公式确定所述阶跃信号的大小：

P_command＝P_W-P_regu

其中，P_command表示阶跃信号，P_W表示预测的风功率的爬坡量，P_regu表示调频能力。

在一个实施例中，按照以下公式确定所述储能系统的功率调整量：

ΔP＝-K_ESS*Δf

其中，Δf表示储能系统的频率偏移，K_ESS表示储能系统的等效频率下垂系数。

在一个实施例中，所述电力机组包括：水电机组或者火电机组。

本发明实施例还提供了一种电力储能系统的调频装置，以解决现有技术中无法有效地控制储能装置参与到系统调频中的技术问题，该装置包括：

确定单元，用于确定电力机组的调频能力；

预测单元，用于预测风功率的爬坡量；

调整单元，用于在预测出的风功率的爬坡量大于所述调频能力的情况下，根据所述调频能力和所述爬坡量确定调频容量，并以所述调频容量作为阶跃信号调整储能系统的功率输出；

反馈控制单元，用于在通过阶跃信号调整储能系统的功率输出的过程中，利用频率反馈控制调整储能系统的功率输出量。

在一个实施例中，所述确定单元具体用于按照以下公式计算所述调频能力：

$P_{\mathrm{regu}}=\min \{P_G^{\max },P_{\mathrm{reserve}}\}$

其中，P_regu表示调频能力，表示机组的一次调频容量极限，P_reserve表示当前时刻机组的备用容量，P_reserve＝P_MAX-P_G，Δf_max表示储能系统所能允许的最大频率偏移，K_i表示调差系数，n表示电力机组的数量，P_MAX表示机组的装机容量，P_G表示机组当前时刻的有功出力。

在一个实施例中，所述调整单元具体用于按照以下公式确定所述阶跃信号的大小：

P_command＝P_W-P_regu

其中，P_command表示阶跃信号，P_W表示预测的风功率的爬坡量，P_regu表示调频能力。

在一个实施例中，所述反馈控制单元具体用于按照以下公式确定所述储能系统的功率调整量：

ΔP＝-K_ESS*Δf

其中，Δf表示储能系统的频率偏移，K_ESS表示储能系统的等效频率下垂系数。

在一个实施例中，所述电力机组包括：水电机组或者火电机组。

在本发明实施例中，提出了一种两阶段的控制策略，在第一阶段基于风电预测信息预估出储能系统需要提供的调频容量，并由控制器直接将其作为阶跃信号下达，第二阶段利用实测的频率反馈信息实时调整储能系统的输出功率，通过上述方法解决了现有技术中无法有效地控制储能装置参与到系统调频中的技术问题，进一步的，由于第一阶段的控制并不依赖于反馈发生，因此通过该方法进行控制可以有效减少频率的稳态偏移量，且能够有效提高储能系统参与系统调频的动态响应速度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的电力储能系统的调频方法的方法流程图；

图2是本发明实施例的储能参与电力系统调频的两阶段控制策略流程图；

图3是本发明实施例的储能系统的品路下垂控制策略示意图；

图4是本发明实施例的仿真算例的系统结构示意图；

图5是本发明实施例储能电站不参与调频时的仿真结果示意图；

图6是本发明实施例的储能电站采用一般的频率反馈控制策略时的仿真结果示意图；

图7是本发明实施例的采用本申请的控制策略时的仿真结果示意图；

图8是本发明实施例的电力储能系统的调频装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供了一种电力储能系统的调频方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤101：确定电力机组的调频能力；

步骤102：预测风功率的爬坡量；

步骤103：在预测的风功率的爬坡量大于所述调频能力的情况下，根据所述调频能力和所述爬坡量确定出调频容量，并以所述调频容量作为阶跃信号调整储能系统的功率输出；

步骤104：在通过阶跃信号调整储能系统的功率输出的过程中，利用频率反馈控制调整储能系统的功率输出量。

在上述实施例中，提出了一种两阶段的控制策略，在第一阶段基于风电预测信息预估出储能系统需要提供的调频容量，并由控制器直接将其作为阶跃信号下达，第二阶段利用实测的频率反馈信息实时调整储能系统的输出功率，通过上述方法解决了现有技术中无法有效地控制储能装置参与到系统调频中的技术问题，进一步的，由于第一阶段的控制并不依赖于反馈发生，因此通过该方法进行控制可以有效减少频率的稳态偏移量，且能够有效提高储能系统参与系统调频的动态响应速度。

具体的，在上述步骤101中，可以按照以下公式计算所述调频能力：

$P_{\mathrm{regu}}=\min \{P_G^{\max },P_{\mathrm{reserve}}\}$

其中，P_regu表示调频能力，表示机组的一次调频容量极限，P_reserve表示当前时刻机组的备用容量。

上述的和P_reserve可以按照以下公式确定：

$P_G^{\max }=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i*\mathrm{\Δ}{f}_{\max },P_{\mathrm{reserve}}=P_{\mathrm{MAX}}-P_G;$

其中，Δf_max表示储能系统所能允许的最大频率偏移，K_i表示调差系数，n表示电力机组的数量，P_MAX表示机组的装机容量，P_G表示机组当前时刻的有功出力，其中，P_reserve可以由PMU或RTU测量得到。

具体的，上述阶跃信号，即调频容量可以按照以下公式计算得到：

P_command＝P_W-P_regu

其中，P_command表示阶跃信号，P_W表示预测的风功率的爬坡量，P_regu表示调频能力。

利用频率反馈控制所调整的储能系统功率调整量可以由以下公式计算得到：

ΔP＝-K_ESS*Δf

其中，Δf表示储能系统的频率偏移，K_ESS表示储能系统的等效频率下垂系数。

在上述各个实施例中，电力机组可以是水电机组，也可是火电机组。

下面将结合一个具体的实施例对本申请的电力储能系统的调频方法进行说明，然而值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在本例中，提出了一种储能参与电力系统调频的两阶段控制策略，同时利用风功率预测信息和实时频率信息控制储能系统参与电网调频，可将其应用到电力系统调度技术中，用以提高电力系统接纳风电的能力。

具体的，该储能参与电力系统调频的两阶段控制策略的第一阶段主要是基于风电预测信息预估出储能系统需要提供的调频容量，并由控制器直接下达该控制指令；第二阶段主要是利用实测的频率反馈信息实时调整储能系统的输出功率。通过上述这种两阶段的控制策略，即使风功率的预测存在误差，该控制策略仍然能够有效地调整储能装置的功率输出，控制储能系统参与电网调频。

如图2所示，是储能参与电力系统调频的两阶段控制策略流程图，主要包括以下步骤：

第一阶段：计算当前常规火电/水电机组的调频能力。

具体的，常规火电/水电机组的调频能力P_regu主要由当前时刻机组的备用容量P_reserve以及机组的一次调频容量极限决定。

其中，可通过公式1计算得出：

$P_G^{\max }=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i*\mathrm{\Δ}{f}_{\max }$ (公式1)

其中，Δf_max表示系统所能允许的最大频率偏移。

P_reserve可以由公式2计算得出：

P_reserve＝P_MAX-P_G(公式2)

其中，P_MAX表示机组装机容量，P_G表示机组当前时刻的有功出力，该值可以由PMU或RTU测量得到。

P_regu可以由公式3计算得出：

$P_{\mathrm{regu}}=\min \{P_G^{\max },P_{\mathrm{reserve}}\}$ (公式3)

上述风功率预测系统可以预测出每一个预测步长时刻点的风功率。例如：预测步长为10秒，则风功率预测系统能够预测出10秒后风功率的爬坡量。因此，由风功率波动造成的每一个预测步长的功率扰动量PW可以根据风功率预测系统得到。

假设P_regu<P_W，则说明此时常规火电/水电机组的调频容量无法平抑风功率扰动PW，此时需要由控制系统发出阶跃指令调整储能系统的功率输出，从而控制储能系统快速参与到电网调频中。阶跃信号P_command可以由公式4计算得出：

P_command＝P_W-P_regu(公式4)

与仅依靠频率反馈控制储能输出功率的控制策略相比，由于该阶跃指令是在频率偏移发生之前发送至储能系统的，因此储能系统参与电网调频的动态响应速度能够显著提高。此外，由于阶跃指令信号并不依赖频率偏移的发生，系统的频率偏移也会减小。

第二阶段：利用频率反馈控制储能功率输出。

值得注意的是，由于风功率预测存在一定误差，因此如果仅控制储能系统调节功率PW-PG并无法保证此时系统的调频容量能够平抑由于风功率波动所引起的功率扰动值。因此，传统的频率反馈控制仍然需保留在控制策略中，如图3所示，在图3中，P₀为储能装置的初始有功出力调度指令，f_ref为基准频率，f_meas为实时测量的频率，△f为电网的频率偏移量，K_ESS为储能装置的频率反馈增益参数，△P为储能装置的频率反馈控制指令，P_ref为引入频率反馈控制后的储能装置有功出力调度指令。该控制方法能够利用频率反馈信息继续连续调节储能系统的输出功率。

例如，当频率下降时，根据图3所示的控制策略，控制系统能够增加储能系统的有功功率输出，从而支撑电网频率。利用频率反馈控制所调整的储能系统功率输出量可以由公式5计算得到：

ΔP＝-K_ESS*Δf(公式5)

其中，K_ESS表示储能系统的等效频率下垂系数。

通过这种方式，即使风功率预测存在误差，利用频率反馈信息继续连续调节储能系统的输出功率，控制策略仍然能够有效控制储能系统参与电网调频。

上述第一阶段的阶跃控制能够减小电网的频率偏移，分析如下：

当电网受到风功率扰动PW，如果储能装置按照传统的频率反馈进行控制，系统的频率偏移可以由公式6计算得到：

$\mathrm{\&Delta;f}=\frac{P_W}{K_{\mathrm{ESS}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_i}$ (公式6)

如果储能装置按照本例中的两阶段控制策略进行控制，系统的频率偏移可以由公式7计算得到：

$\mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{new}}=\frac{P_W-P_{\mathrm{command}}}{K_{\mathrm{ESS}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_i}$ (公式7)

根据图2所示，第一阶段发送阶跃控制指令，即表明：P_W>PG,，P_command为正数，因此公式7计算得到的频率偏移小于公式6仅基于频率反馈控制所得出的频率偏移。

下面举一个例子对控制策略的有效性进行验证：

在本例中，基于仿真模型的算例来验证所提出的控制策略的有效性，仿真的系统结构图如图4所示，该系统的总装机容量为120MW，包括2台35MW的火电机组，一个30MW的风电场和一个20MW的储能电站，该系统的负荷为80MW。

在该仿真算例中，设置风电机组的出力P_WIND从30MW降低到15MW，如图5中的b曲线所示，在该风电波动发生之前,两台火电机组的总有功出力为50MW。Δf_max设置为0.5Hz，调差系数K_i为0.05，根据上述公式1，计算得到火电机组的一次调频上限为其装机容量的10％，根据上述公式2和3，计算得出火电/水电机组的调频能力P_regu为7MW。

如果储能电站不参与电网调频，火电机组需要承担由于风电波动所引起的全部调频容量，即15MW，如图5的a曲线所示。图5的c曲线为储能电站的功率输出，由于储能电站没有参与电网调频，其功率输出没有变化。由于储能电站没有参与电网调频，二火电机组的调频能力又有限，电网的频率在暂态过程中降到了49.5Hz以下，并最终稳定在49.52Hz，如图5的d曲线所示，该频率偏移已经超出了Δf_max，可能会引发系统中的低频保护动作。

引入经典的频率反馈后，当系统频率发生偏移，储能电站的功率输出会随之而发生改变，此时储能电站能够分担火电机组的调频容量。如图6中的c曲线所示，当系统频率下降，储能电站的功率输出增加了8MW。因此，系统的频率最终能够如图6中的d所示维持在49.77Hz。

由上述分析可以看出，当通过上述的两阶段控制策略后，能够获得更好的控制效果。在本算例中，风功率预测误差设定为风电场装机容量的10％(3MW)。按照图2所示的控制策略流程图，控制策略的计算步骤如下：

步骤1：根据公式2和公式3，计算得出火电/水电机组的调频能力P_regu为7MW。

步骤2：利用风功率预测得出风功率有功波动PW为12MW。

步骤3：如果P_regu<P_W，则说明火电机组的调频容量无法平抑风功率波动，需启动储能电站参与电网调频。

步骤4：利用公式4计算得出第一阶段中储能电站的阶跃信号P_command为5MW，从而调整储能电站的功率输出。

第二阶段中，频率反馈控制策略依然生效，比较公式6和公式7，两个公式右侧的分母相同，均未65MW/Hz，公式6右侧的分子为15MW，根据公式6计算得到其频率偏移的理论值为0.231Hz，仿真结果为0.23Hz，公式7右侧的分子为10MW，根据公式7计算得到的频率偏移为0.23Hz，而公式7计算得到的频率偏移为0.154Hz，仿真结果为0.152Hz。

将图6中的c曲线与图7中的c曲线中的储能电站的功率输出情况进行对比可以发现：储能电站采取经典的频率反馈控制策略时，其功率输出增加8MW所需时间为6.2秒，而采用本例中的两阶段控制策略时，功率输出增加8MW所需时间为3.5秒，响应速度得到了显著提高。

由上述分析可以发现，采用本例的两阶段控制策略后，由于是基于风功率预测信息，无需等到频率变化时才启动有功控制，因此能够显著提高储能系统参与系统调频的动态响应速度。同时，由于第一阶段的控制指令并不依赖与频率反馈发生，因此按照该控制策略进行控制能够减小电网频率的稳态偏移量。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种电力储能系统的调频装置，如下面的实施例所述。由于电力储能系统的调频装置解决问题的原理与电力储能系统的调频方法相似，因此电力储能系统的调频装置的实施可以参见电力储能系统的调频方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图8是本发明实施例的电力储能系统的调频装置的一种结构框图，如图8所示，包括：确定单元801、预测单元802、调整单元803和反馈控制单元804，下面对该结构进行说明。

确定单元801，用于确定电力机组的调频能力；

预测单元802，用于预测风功率的爬坡量；

调整单元803，用于在预测出的风功率的爬坡量大于所述调频能力的情况下，发出阶跃信号调整储能系统的功率输出；

反馈控制单元804，用于在通过阶跃信号调整储能系统的功率输出的过程中，利用频率反馈控制调整储能系统的功率输出量。

在一个实施例中，所述确定单元具体用于按照以下公式计算所述调频能力：

$P_{\mathrm{regu}}=\min \{P_G^{\max },P_{\mathrm{reserve}}\}$

其中，P_regu表示调频能力，表示机组的一次调频容量极限，P_reserve表示当前时刻机组的备用容量，P_reserve＝P_MAX-P_G，Δf_max表示储能系统所能允许的最大频率偏移，K_i表示调差系数，n表示电力机组的数量，P_MAX表示机组的装机容量，P_G表示机组当前时刻的有功出力。

在一个实施例中，所述调整单元具体用于按照以下公式确定所述阶跃信号的大小：

P_command＝P_W-P_regu

其中，P_command表示阶跃信号，P_W表示预测的风功率的爬坡量，P_regu表示调频能力。

在一个实施例中，所述反馈控制单元具体用于按照以下公式确定所述储能系统的功率调整量：

ΔP＝-K_ESS*Δf

其中，Δf表示储能系统的频率偏移，K_ESS表示储能系统的等效频率下垂系数。

在一个实施例中，所述电力机组包括：水电机组或者火电机组。

在另外一个实施例中，还提供了一种软件，该软件用于执行上述实施例及优选实施方式中描述的技术方案。

在另外一个实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：提出了一种两阶段控制策略，用以控制储能装置参与电网调频。其中，第一阶段是根据风功率预测信息以及常规机组的实时调频能力分析，从而在频率偏移发生之前提前给出控制指令，这样既提高了储能装置参与电网调频的动态响应速度，同时也能够有效减小系统的频率偏移。此外，所提出的控制策略仍保留了传统的频率反馈控制部分，作为对风功率预测误差的矫正，而且即使风功率预测误差较大，该两阶段控制策略仍可以有效控制储能装置参与调频。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力储能系统的调频方法，其特征在于，包括：

确定电力机组的调频能力；

预测风功率的爬坡量；

在预测的风功率的爬坡量大于所述调频能力的情况下，根据所述调频能力和所述爬坡量确定调频容量，并以所述调频容量作为阶跃信号调整储能系统的功率输出；

在通过阶跃信号调整储能系统的功率输出的过程中，利用频率反馈控制调整储能系统的功率输出量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定电力机组的调频能力，包括：

按照以下公式计算所述调频能力：

$P_{\mathrm{regu}}=\min \{P_G^{\max },P_{\mathrm{reserve}}\}$

其中，P_regu表示调频能力，表示机组的一次调频容量极限，P_reserve表示当前时刻机组的备用容量，P_reserve＝P_MAX-P_G，Δf_max表示储能系统所能允许的最大频率偏移，K_i表示调差系数，n表示电力机组的数量，P_MAX表示机组的装机容量，P_G表示机组当前时刻的有功出力。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，按照以下公式确定所述阶跃信号的大小：

P_command＝P_W-P_regu

其中，P_command表示阶跃信号，P_W表示预测的风功率的爬坡量，P_regu表示调频能力。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下公式确定所述储能系统的功率调整量：

ΔP＝-K_ESS*Δf

其中，Δf表示储能系统的频率偏移，K_ESS表示储能系统的等效频率下垂系数。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电力机组包括：水电机组或者火电机组。

6.一种电力储能系统的调频装置，其特征在于，包括：

确定单元，用于确定电力机组的调频能力；

预测单元，用于预测风功率的爬坡量；

调整单元，用于在预测出的风功率的爬坡量大于所述调频能力的情况下，根据所述调频能力和所述爬坡量确定调频容量，并以所述调频容量作为阶跃信号调整储能系统的功率输出；

反馈控制单元，用于在通过阶跃信号调整储能系统的功率输出的过程中，利用频率反馈控制调整储能系统的功率输出量。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定单元具体用于按照以下公式计算所述调频能力：

$P_{\mathrm{regu}}=\min \{P_G^{\max },P_{\mathrm{reserve}}\}$

其中，P_regu表示调频能力，表示机组的一次调频容量极限，P_reserve表示当前时刻机组的备用容量，P_reserve＝P_MAX-P_G，Δf_max表示储能系统所能允许的最大频率偏移，K_i表示调差系数，n表示电力机组的数量，P_MAX表示机组的装机容量，P_G表示机组当前时刻的有功出力。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述调整单元具体用于按照以下公式确定所述阶跃信号的大小：

P_command＝P_W-P_regu

其中，P_command表示阶跃信号，P_W表示预测的风功率的爬坡量，P_regu表示调频能力。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述反馈控制单元具体用于按照以下公式确定所述储能系统的功率调整量：

ΔP＝-K_ESS*Δf

其中，Δf表示储能系统的频率偏移，K_ESS表示储能系统的等效频率下垂系数。

10.如权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述电力机组包括：水电机组或者火电机组。