CN105826938A - 一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制系统及方法，给出功频调速系统的数学模型，分析反调振荡的原因；建立储能装置等效计算模型，实现以有功偏差量为输入信号、以恒功率为输出的控制策略；利用储能装置响应速度快、瞬时吞吐量大的特点，建立了一种新的结合储能装置的一次调频控制策略，将储能装置恒功率输出作为反馈信号输出至PID环节抑制反调振荡。算例结果验证了储能装置在这种控制策略下参与调频的可行性及正确性，为储能装置参与调频任务的相关研究提供了有益参考。

Description

一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制系统及方法。

背景技术

随着电网规模的不断扩大，不可控负荷和新能源电源的不断并网，系统频率的波动性愈发严重，导致现有的传统调频技术难以满足电网对调频能力的需求。因此，改进现有发电机组一次调频功能来适应电网发展，是维持电网频率稳定、提高电能质量的重要方法。

近几年，国内外的学者围绕一次调频做了大量的研究工作，主要包括：数学模型的改进研究；控制方式的改良设计；调节品质的改善提高。但在实际生产中一次调频响应速度仍然不理想。由于锅炉汽机的安全性限制导致调频速度慢，频率死区设置不合理导致机组不参与一次调频，频率波动初期测量功率和实际功率的不同步导致汽门“反调”等问题的存在，使得现有调频效果未达到预期的效果，有时甚至不如机械液压式调速机组的调频效果。汽门的反调对一次调频效果和发电机汽机的安全稳定性造成很大的影响：反调期的存在使得一次调频效果不理想，初始阶段的反调加剧了系统频率的变化；汽门开度频繁变化导致主蒸汽压力不断波动，给汽机和发电机的运行造成了巨大的安全隐患。目前消除反调措施的方法主要有四种：(1)“延迟”反馈信号；(2)利用dN/dt信号；(3)根据甩负荷时切除功率给定信号；(4)增大调频死区。这些方法对抑制反调提供了基础。但是，这些方法仍然存在一定的不足，主要包括汽门频繁动作、操作不可靠、反调现象消除效果不理想等。

由于机械功率和发电机机端有功功率不同步是导致反调现象出现的根本原因，考虑到储能装置响应速度快、瞬时吞吐能力强的特点，提出一种利用储能装置参与一次调频的控制策略。建立功频调速系统的数学模型，分析汽门出现反调现象的原因。在“延迟”信号的基础上，将储能纳入一次调频，以功率偏差值为输入值，以恒功率输出为反馈值，在“延迟”效果结束前给POC环节提供一个正反馈信号，从而起到抑制反调振荡的作用。经过算例验证此种方法具有可行性和正确性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制系统及方法，本方法在RX异常探测算法来对拍摄的眼底图像进行预处理的基础上，使用改进的LBP和AMBP算法，优化特征提取步骤，进一步提高识别率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制方法，包括以下步骤：

(1)将储能装置通过逆变器经变压器接入电力系统，构建储能装置的控制模型；

(2)根据储能装置的控制模型，以发电机端有功功率变化量为控制变量，以恒定放电功率为输出值，将输出值作为反馈信号输出至PID环节抑制反调振荡，使其参与原有的功频调速系统进行调频，建立抑制反调的控制系统；

(3)确定抑制反调的控制系统中反馈通道和前向通道的个数，求取相应控制通道的传递函数，进行一次调频控制。

所述步骤(1)中，具体方法为：建立储能装置通过逆变器经变压器接入电力系统的等效模型，确定储能装置的端电压、经逆变后的电压、储能装置的放电电流、储能装置放电时连接到电网的等值线路阻抗和储能装置放电时接入的电网额定电压。

所述步骤(1)中，储能装置的放电模式采用恒功率模式，通过控制逆变器的逆变角改变储能装置由于放电而产生的电压变化量。

所述步骤(2)中，储能装置以发电机端有功功率变化量为控制变量，以恒定的放电功率为输出值，参与调频，提供正反馈抑制反调振荡，输出功率至发电机端，弥补功率变化差值。

所述步骤(2)中，调控环节的暂态变化过程包括：

(a)功率变化，延迟器作用，储能装置还未做出响应，此时一次调频不动作，频率会产生短暂下降；

(b)功率持续变化，延迟器作用，储能装置做出响应，输出功率至发电机端并给功频调速系统的功率输出环节一个正反馈，频率由最低点开始回复上升；

(c)功率持续变化，延迟器作用结束，储能装置持续做出相应，正反馈信号与负反馈信号叠加后输出给功率输出环节，当正反馈信号足够大时，将不会出现反调振荡。

所述步骤(3)中，将储能装置的控制模型的输出值与转速增量引起的功率变化值进行叠加，送入原有的功频调速系统的PID控制环节，依次经过电液转换器、油动机和汽轮机调控环节。

所述步骤(3)中，功频调速系统将发电机端有功功率变化量经过延迟器使信号延迟输入到叠加器中，避免瞬时反调。

一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制系统，包括功频调速系统和储能装置控制模块，所述储能装置控制模块接收功频调速系统的原给定信号，以发电机端有功功率变化量为控制变量，以恒定的放电功率为输出值，参与调频，储能装置控制模块的输出输入功频调速系统的功率给定环节，且发电机端有功功率变化量经过延迟器使信号延迟输入到功率给定环节，依次通过PID控制环节、电液转换器、油动机和汽轮机调控环节后，进行转动惯量的调控。

优选的，所述储能装置控制模块综合欧姆内阻、极化电阻和极化电容的影响，并结合了荷电状态对放电功率的影响。

优选的，所述储能装置电压输出增量包括储能装置为补偿系统有功变化的改变量和补偿储能装置因持续放电电流变小的改变量。

本发明的有益效果为：

(1)本发明构建了一种利用储能装置参与一次调频，抑制功频调速系统反调振荡的控制策略，能够有效的抑制功频调速器的反调振荡现象；

(2)将原有负反馈信号则经过延迟器使信号延迟输入到叠加器中，有效地避免瞬时反调。

附图说明

图1为本发明的功频调速系统利用有功功率作前馈的控制框图；

图2为本发明的储能装置等效模型示意图；

图3为本发明的储能装置的控制框图；

图4为本发明的计及储能装置的功频调速控制系统示意图；

图5为本发明的汽轮机机械功率输出对比图；

图6为本发明的转子频率对比图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，1、传统一次调频模型，以锂离子电池储能装置为例，对其进行反调原理分析：

(1)功频调速系统频率控制模型

目前汽轮机调速控制系统已经有较为成熟的研究，高参数大容量的汽轮机组广泛采用功频调速控制系统，其系统结构主要分为功率给定环节(PVS)和功率输出控制环节(POC)，在POC环节中以汽轮机机械功率信号P_m作为负反馈输入至PID控制，但是考虑到实际运行中机械功率测量非常困难，一般工程应用中利用发电机有功功率信号P_e来代替P_m。

(2)反调分析

一次调频的反调及振荡是由于在闭环系统中引入了外干扰负反馈信号参与调节，这时系统在扰动初期会产生汽门反调，使机械功率变化与实际电网侧变化时完全反向，使转速迅速变化并开始振荡、汽门频繁动作、蒸汽压力也随之不断波动。

由图1中所示，设初始有功功率和转子转速分别为P_e ⁰和ω_m ⁰等于系统的设定值P_ref和ω_ref，当系统发生扰动时，有功功率将发生ΔP_e的变化，转子转速将发生Δω_m的变化，从而我们可以得到下述两个公式：P_m＝P_m ⁰+ΔP_m和ω_m＝ω_m ⁰+Δω_m。

设PID控制的输入为ΔP_total，也即开环前馈控制的功率总偏差，则有：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_{total}=(P_{ref}-P_e)+\frac{1}{\mathrm{\δ}}({\mathrm{\ω}}_{ref}-{\mathrm{\ω}}_m)\\ =-{\mathrm{\ΔP}}_e-\frac{1}{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\Δ\ω}}_m\end{array}---\left(1\right)$

转子运动方程可以用下式来表示：

$\frac{2H}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{{\mathrm{d\Δ\ω}}_m}{dt}=T_m-T_e---\left(2\right)$

其中：H为转子转动惯量；ω₀为初始转速；Δω_m为转速增量；T_m为机械力矩；T_e为电磁力矩。

对转子运动方程整理并两侧同时积分求得转速增量：

${\mathrm{\Δ\ω}}_m={\∫}_0^t\frac{P_m-P_e}{2H}dt---\left(3\right)$

将式(3)带入式(1)最终可以得到：

${\mathrm{\ΔP}}_{total}=-{\mathrm{\ΔP}}_e-\frac{1}{2H\mathrm{\δ}}{\∫}_0^t({\mathrm{\ΔP}}_m-{\mathrm{\ΔP}}_e)dt---\left(4\right)$

当ΔP_total与ΔP_e异号时，也即ΔP_totalΔP_e＜0时，汽门的变化方向与实际发电机有功功率变化是完全反向的，我们称之为反调，而当ΔP_total与ΔP_e同号时，也即ΔP_totalΔP_e＞0时，汽门的变化方向与实际发电机有功功率变化是同向的。

在电网出现扰动初期，在很短的时间内上式第二项可以近似为零，从而调速系统必然出现反调作用，并且通过计算我们容易得到反调时间近似为：t＝2Hδ。其中δ为发电机调差系数，H为转子转动惯量。

2、储能装置结合一次调频的控制策略

由于机械功率跟随速度慢，考虑到储能装置响应速度快、瞬时吞吐能力强的优势，在”延迟”信号的基础上提出了一种利用储能装置抑制消除调频系统反调现象的控制策略，具体包括：给出储能装置数学模型；建立系统控制策略框图；求取系统传递函数并分析。

2.1储能装置的数学模型

图2所示为储能装置通过逆变器经变压器接入系统等效模型。图中V_B为储能装置的端电压；V_BI为经逆变后的电压；I_B为储能装置的放电电流；X₀为储能装置放电时连接到电网的等值线路阻抗；V_s为储能装置放电时接入的电网额定电压。

根据逆变的基本原理得到V_B和V_BI的关系式：

V_B＝-V_BIcos(β)(5)

其中β为逆变器的逆变角。

储能装置的放电功率为：

P_B＝V_BI_B＝-V_BII_Bcos(β)(6)

进而得到储能装置的放电功率微增量公式可以由储能装置端电压的改变量和放电电流改变量来表示：

ΔP_B＝V_B ⁽⁰⁾ΔI_B+ΔV_BI_B ⁽⁰⁾(7)

式中：V_B ⁽⁰⁾、I_B ⁽⁰⁾分别为储能装置放电时电压、电流的初始稳态值，ΔV_B、ΔI_B分别为储能装置由于放电而产生的电压、电流变化量。

储能装置放电模式可以采取恒功率、恒电流或者恒电压模式。为使储能装置更方便于参加调频控制，本发明采用恒功率模式，通过控制逆变角β改变输出电压值ΔV_B。将电压输出增量ΔV_B分解为V_BIΔV_P和V_BIΔV_I两部分，其中V_BIΔV_P是储能装置为补偿系统有功变化的改变量；V_BIΔV是为补偿储能装置因持续放电电流变小的改变量，并且令其为ΔV_I＝-ΔI_Bcos(β)/I_B ⁽⁰⁾。

当系统出现有功功率变化时，测量设备获取信号后给予储能装置获得储能装置有功输出变化量为：

ΔP_B＝V_B ⁽⁰⁾ΔI_B+I_B ⁽⁰⁾(V_BIΔV_I+V_BIΔV_P)

＝V_B ⁽⁰⁾ΔI_B+I_B ⁽⁰⁾V_BIΔV_I+I_B ⁽⁰⁾V_BIΔV_P

＝V_B ⁽⁰⁾ΔI_B+I_B ⁽⁰⁾V_BI(-ΔI_Bcos(β)/I_B ⁽⁰⁾)+I_B ⁽⁰⁾V_BIΔV_P

＝I_B ⁽⁰⁾V_BIΔV_P(8)

若系统有功功率变化ΔP，储能装置参与频率控制的控制信号为：

${\mathrm{\ΔV}}_P=\frac{K_b}{1+{\mathrm{sT}}_b}\mathrm{\Δ}P---\left(9\right)$

式中：ΔP是系统反馈信号；K_b是系统反馈信号到储能系统的控制增益；T_b是测量系统的时间常数。

由上述分析可知，储能装置是以发电机端有功功率变化量为控制变量，以恒定放电功率为输出值，参与系统调频。其控制框图如图3所示，储能装按戴维南电池储能模型简化分析，其中考虑了储能装置的欧姆内阻、极化电阻、极化电容等影响，综合考虑了整体的荷电状态对放电功率的影响。

2.2利用储能装置抑制反调的控制策略

如图4所示，功频调速控制系统的”反调”现象和系统频率振荡的根本原因是在于在电网侧初期出现干扰时，P_e和P_m的变化不同步，导致功率输出控制(POC)环节变成开环前馈控制。利用储能装置响应快、瞬时吞吐量的优势，将储能装置引入到功频调速系统内。储能装置是以ΔP_e为控制变量，以P_b为输出量，一方面为控制系统提供正反馈抑制反调振荡，另一方面输出功率至发电机端，弥补系统功率变化差值。原有负反馈信号则经过延迟器使信号延迟输入到叠加器中，避免瞬时反调。

图4中，虚框内为储能装置的简化数学模型，为更简洁的说明控制流程，以当系统出现功率升高变化时，控制系统具体流程为：

(1)电网侧出现有功功率突然升高，P_e快速跟随变化升高。

(2)变化后的P_e与P_ref作差获得-ΔP_e＜0

(3)一方面-ΔP_e输入至延迟器延迟，避免直接作用到PID控制器造成反调，另一方面-ΔP_e作为控制变量输入至储能装置，前述分析表明当储能装置接收到系统控制信号-ΔP_e时，经过传递函数将会产生一个P_b的输出量。

(4)P_b在输出至发电机端补偿系统有功变化而引起的功率差值的同时，也给出一个正反馈信号至延迟器的输出端。

(5)当负反馈-ΔP_e经过延迟器后输出后与正反馈P_b作和得到总的频率偏差值；

(6)当P_b足够大时，将会完全抵消掉-ΔP_e的负反馈作用，输入至PID控制器的信号将为一个正反馈信号，至此反调振荡的问题可以得到解决。

需要指出的是，整个暂态变化过程看可以分为3个时间段

(1)系统功率变化，延迟器作用，储能装置还未做出响应，此时一次调频不动作，频率会产生短暂下降

(2)系统功率持续变化，延迟器作用，储能装置做出响应，输出功率至发电机端并给POC环节一个正反馈，频率由最低点开始回复上升。

(3)系统功率持续变化(但由于储能装置的作用变化量减小)，延迟器作用结束，储能装置持续做出相应，正反馈信号与负反馈信号叠加后输出给POC环节。当正反馈信号足够大时，将不会出现反调振荡。

2.3计及储能装置的调频传递函数分析

图4给出了结合储能装置抑制反调现象的调频控制策略结构，简略分析结构，共有一个前向通道和四个反馈通道。

对于反馈通道1(储能装置输出功率至机端)有：

$H_1=\frac{1}{1+\[\mathrm{\Δ}I(R_0+\frac{R_p}{1+{\mathrm{sR}}_p{C}_p})+E_0\]\mathrm{\Δ}I}---\left(10\right)$

其中R₀、R_p分别为储能装置的欧姆电阻和极化内阻，C_p为储能装置的极化电容，E₀储能装置初始电压，△I为电流变化量。

对于反馈通道2，如果只有单纯的反馈调节，则POC环节是开环方式，其开环传递函数为：

$G_2=\[K_p+\frac{K_I}{T_{I}s}+\frac{K_{D}s}{1+T_{D}s}\]G_e{G}_s{G}_T{H}_1---\left(11\right)$

其中G_e、G_s、G_T分别为电液转换器、油动机、汽轮机的传递函数；K_p、K_I、K_D分别为PID环节的比例、积分、微分的增益；T_I、T_D分别为积分和微分环节的时间常数。

并且在实际工程中存在开环限幅的情况，在这里我们将积分环节用一阶惯性环节代替：

$G_2=\[K_p+\frac{K_I}{1+T_{I}s}+\frac{K_{D}s}{1+T_{D}s}\]G_e{G}_s{G}_T{H}_1---\left(12\right)$

$H_2=\frac{G_2}{1+G_2{H}_1}---\left(13\right)$

同样反馈通道3也可这样求取：

$G_3=\[K_p+\frac{K_I}{1+T_{I}s}+\frac{K_{D}s}{1+T_{D}s}\]G_e{G}_s{G}_T{H}_2---\left(14\right)$

$H_3=\frac{G_3}{1+G_3\left(\frac{-\mathrm{\Δ}P}{1+s\mathrm{\τ}}\right)}---\left(15\right)$

其中τ为延时器时间常数。

最终加上反馈通道4可以求取最终的传递函数为：

$G_4=\[K_p+\frac{K_I}{1+T_{I}s}+\frac{K_{D}s}{1+T_{D}s}\]G_e{G}_s{G}_T{H}_3---\left(16\right)$

$H=\frac{G_4}{1+G_4}---\left(17\right)$

实施例分析：假设汽轮机采用3阶模型：

$\frac{P_m}{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{1+T_{CH}S}\[f_1+\frac{1}{1+T_{RH}S}\[f_2+\frac{f_3}{1+T_{CO}S}\]\]---\left(18\right)$

式中：T_CH＝0.2s；T_RH＝8s；T_CO＝0.5s；f₁:f₂:f₃＝0.3:0.4:0.3

功频调速器采用前述模型并且取参数为：

δ＝5％；T_g＝0.02s；T_e＝0.05s；T_s＝0.3s；

取延迟系统参数为：τ＝0.7s。

储能装置采用前述模型并且取参数为：

K_b＝10kA/kW；T_b＝0.02s；R₀＝0.013Ω；C_p＝1F；R_p＝0.001Ω。

假设机端有功功率在30S时发生+10％的阶跃突变，对比结合储能前后的仿真，结果见图5所示。

由图6可见，当电网侧发生扰动时，若无储能装置的配合控制，频率将会有一个巨大的波动和持续振荡期，这就是由于在前馈的作用下，汽门出现了反调现象，使得系统频率更加恶劣并产生持续振荡。但是对比添加储能装置的曲线可以发现，在添加带有延迟器的结合储能控制系统后，在很短的时间内，频率是有下降的，这是因为系统延迟器和储能装置的测量反馈造成有功功率变化没有瞬时送给PID环节，汽轮机的汽门开度还是保持原来开度，所以造成有一短暂下降期。但是经过这么一个极小的时间段后，储能装置的补偿功率并网，改变总的有功功率偏差值，使得反调量减少，可由图6中明显看出汽门的反调现象已经被很大程度上抑制住了，反调幅度和振荡幅度都有很明显的降低。

本发明通过建立储能装置等效计算模型，实现以有功偏差量为输入信号、以恒功率为输出的控制策略；利用储能装置响应速度快、瞬时吞吐量大的特点，建立了一种新的结合储能装置的一次调频控制策略，将储能装置恒功率输出作为反馈信号输出至PID环节抑制反调振荡。构建了一种利用储能装置参与一次调频，抑制功频调速系统反调振荡的控制策略，并对储能装置参与频率调解的效果进行了算例分析。结果表明，储能装置参与一次调频后，能够有效的抑制功频调速器的反调振荡现象。由于储能技术的不断发展，今后还需要在发电机端配置储能装置的容量优化和经济性分析方面进一步分析和研究。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)将储能装置通过逆变器经变压器接入电力系统，构建储能装置的控制模型；

(2)根据储能装置的控制模型，以发电机端有功功率变化量为控制变量，以恒定放电功率为输出值，将输出值作为反馈信号输出至PID环节抑制反调振荡，使其参与原有的功频调速系统进行调频，建立抑制反调的控制系统；

(3)确定抑制反调的控制系统中反馈通道和前向通道的个数，求取相应控制通道的传递函数，进行一次调频控制。

2.如权利要求1所述的一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，具体方法为：建立储能装置通过逆变器经变压器接入电力系统的等效模型，确定储能装置的端电压、经逆变后的电压、储能装置的放电电流、储能装置放电时连接到电网的等值线路阻抗和储能装置放电时接入的电网额定电压。

3.如权利要求1所述的一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，储能装置的放电模式采用恒功率模式，通过控制逆变器的逆变角改变储能装置由于放电而产生的电压变化量。

4.如权利要求1所述的一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，储能装置以发电机端有功功率变化量为控制变量，以恒定的放电功率为输出值，参与调频，提供正反馈抑制反调振荡，输出功率至发电机端，弥补功率变化差值。

5.如权利要求1所述的一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，调控环节的暂态变化过程包括：

(a)功率变化，延迟器作用，储能装置还未做出响应，此时一次调频不动作，频率会产生短暂下降；

(b)功率持续变化，延迟器作用，储能装置做出响应，输出功率至发电机端并给功频调速系统的功率输出环节一个正反馈，频率由最低点开始回复上升；

(c)功率持续变化，延迟器作用结束，储能装置持续做出相应，正反馈信号与负反馈信号叠加后输出给功率输出环节，当正反馈信号足够大时，将不会出现反调振荡。

6.如权利要求1所述的一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制方法，其特征是：所述步骤(3)中，将储能装置的控制模型的输出值与转速增量引起的功率变化值进行叠加，送入原有的功频调速系统的PID控制环节，依次经过电液转换器、油动机和汽轮机调控环节。

7.如权利要求1所述的一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制方法，其特征是：所述步骤(3)中，功频调速系统将发电机端有功功率变化量经过延迟器使信号延迟输入到叠加器中，避免瞬时反调。

8.一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制系统，其特征是：包括功频调速系统和储能装置控制模块，所述储能装置控制模块接收功频调速系统的原给定信号，以发电机端有功功率变化量为控制变量，以恒定的放电功率为输出值，参与调频，储能装置控制模块的输出输入功频调速系统的功率给定环节，且发电机端有功功率变化量经过延迟器使信号延迟输入到功率给定环节，依次通过PID控制环节、电液转换器、油动机和汽轮机调控环节后，进行转动惯量的调控。

9.如权利要求8所述的一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制系统，其特征是：所述储能装置控制模块综合欧姆内阻、极化电阻和极化电容的影响，并结合了荷电状态对放电功率的影响。

10.如权利要求8所述的一种基于储能装置抑制反调的一次调频控制系统，其特征是：所述储能装置电压输出增量包括储能装置为补偿系统有功变化的改变量和补偿储能装置因持续放电电流变小的改变量。