CN105870973A - 一种储能系统应对高风电渗透率系统调频需求容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种储能系统应对高风电渗透率系统调频需求容量配置方法，其特点是，包括高风电渗透率电力系统调频需求和储能系统容量计算步骤，利用电池能量的双向流动性，实时跟踪频率曲线保持在安全域内以应对高风电渗透率电力系统调频需求，阻止系统频率偏离标准范围，保障电力系统安全运行；并提出了储能容量配置与储能系统跟踪频率曲线控制比例系数K_P之间的关系，为大规模储能系统辅助电力系统调频提供依据。具有方法科学，适用性强，效果佳等优点。

Description

一种储能系统应对高风电渗透率系统调频需求容量配置方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，是一种储能系统应对高风电渗透率系统调频需求容量配置方法。

背景技术

电力系统需要实时保持发电和负荷之间的供需平衡，必须将频率维持在50Hz左右，以保障电网的稳定可靠性。当系统供需平衡时，频率维持在50Hz附近。当系统供需不匹配时，需要不断得对这两者进行平衡。由于风电功率波动不确定性以及风机与系统频率解耦特性，大规模风电接入系统后频率受到影响，增重系统的调控负担，甚至会危及系统运行安全，以致风电入网规模收到制约。然而风电、光伏等新型能源具有无污染、零排放、可再生等优势，在全球范围内高速发展应用，大规模风电并网运行将是一种发展趋势。但在高风电渗透率电力系统或者含有风电的孤立电网中，较强的风电功率波动将打破系统有功功率和负荷之间的平衡，引起频率偏移，甚至频率越限。近年来我国因大规模风电并网而造成的频率骤降也时有发生。

目前电网调频大多是通过控制发电机输出功率的增减来实现的。而发电机响应速度慢、爬坡速率低容易导致：一、不能快速跟踪调度目标，因而无法提供区域控制误差校正。二、无法快速改变方向，以致有时会反向调节，增加区域控制误差。随着新能源发电接入的比例逐渐增大，并考虑到其间歇性、波动性等特性，电网调频容量不足的问题逐渐凸显。储能系统作为参与电力系统运行与控制的新元素，因其准确、快速的功率响应能力，被认为是辅助提高电网风电接纳规模的有效手段。针对高风电渗透率电力系统调频需求，提出利用储能系统实时跟踪频率曲线辅助电力系统调频的控制策略，研究了储能容量配置与储能系统跟踪频率曲线控制比例系数K_P之间的关系，提高了既有电网的风电接纳能力及系统运行安全性，促进储能在提高电网调频能力中的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，从高风电渗透率系统调频问题出发，提出了应对电力系统调频需求的储能系统容量配置方法，该方法通过实时监测电力系统频率值，利用电池能量的双向流动性，阻止系统频率偏离标准范围，保障电力系统安全运行。

解决其技术问题采用的方案是，一种储能系统应对高风电渗透率系统调频需求容量配置方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)高风电渗透率电力系统调频需求

首先利用电力系统分析综合程序(Power SystemAnalysis Software Package，PSASP)仿真分析高风电渗透率电力系统调频需求；PSASP中的用户程序接口(User ProgramInterface，UPI)实现用户自定义模型，通过调用.dll文件实现用户的自定义功能；PSASP在暂态计算中只能注入电流实部和电流虚部，通过注入电流与该节点的电压作用来实现功率的注入；设P、Q为要注入的风电功率有功、无功大小，Ur和Ui分别为注入节点电压的实部和虚部大小，Ir和Ii分别表示注入该节点电流实部、虚部大小，则视在功率S为

S＝U×I^*＝(U_r+jU_i)×(I_r-jI_i) (1)

展开得到：

U_rI_r+U_iI_i＝P (2)

U_iI_r-U_rI_i＝Q (3)

解上述方程组得到：

$I_r=(U_{r}P+U_{i}Q)/(U_r^2+U_i^2)---\left(4\right)$

$I_i=(U_{i}P-U_{r}Q)/(U_r^2+U_i^2)---\left(5\right)$

因此，通过将风电功率变化的值转化为实部电流和虚部电流注入到风电功率波动节点上；在恒阻抗发电机模型中，节点功率的波动势必会导致机组出力的变化，通过注入风电功率波动值ΔP和风电的额定功率P来合成等效风电功率的实时波动，因此，需要将风力发电机改为恒功率模型进行仿真，PSASP中提供了负荷的静态模型，将风力发电机等效为负功率的负荷替代原有的风力发电机；

在PSASP中进行暂态UPI计算时，仿真步长为0.001秒；进行仿真计算时，基于C++语言编写风电功率注入程序，由于风电数据为秒级数据，在整数秒时读取风电功率并转换为实部电流和虚部电流注入到系统中，其余时刻根据其相邻整数秒功率波动值，进行三次样条插值处理，得到该时刻的风电功率波动值；

2)储能系统容量计算

储能系统进行频率调节，是利用电池能量的双向流动性，来阻止系统频率偏离标准范围的调节方式；当电力系统中原动机功率或等效负荷发生变化时，必然引起电力系统频率的变化，此时，储能系统进行判断，电网供电大于负荷需求，系统频率上升超过50.1Hz时，电池储能系统以频率偏差与比例控制系数K_P的乘积为充电功率值，从电网吸收电能，直到系统频率下降到50.1Hz内为止；电网供电小于负荷需求，系统频率下降超过49.9Hz时，电池储能系统以频率偏差与比例控制系数K_P的乘积为放电功率值，从电网释放电能，直到系统频率上升到49.9Hz内为止；由此可知，储能系统比例控制系数K_P取值直接关系到控制策略的效果；

已知系统频率实测曲线与储能系统动作整定值，假设储能系统充放电效率分别为η_charge、η_discharge，计算出各个时段储能系统的充放电能量，如式(6)；

$E_k=\left\{\begin{array}{cc}{\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{P}_{Ess.ref}\left(t\right)\&times;{\mathrm{\&eta;}}_{ch\arg e}dt& P_{Ess,ref}\left(t\right)>0\\ {\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{P}_{Ess.ref}\left(t\right)/{\mathrm{\&eta;}}_{disch\arg e}dt& P_{Ess,ref}\left(t\right)<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，t₁表示储能系统的充放电起始时刻，t₂表示储能系统的充放电结束时刻，P_ESS.ref(t)表示储能系统的充放电参考功率，假设储能系统初始能量为E₀，则充放电累积能量计算式W_k如式(7)；

$W_k=E_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{E}_k---\left(7\right)$

则所需配置的储能系统容量就是整个控制周期内储能系统充放电累积能量最大值W_max与最小值W_min的差值；利用大规模储能应对高风电渗透率系统调频需求，改善系统频率的动态过程中，在整个运行周期内需要对储能系统进行充放电控制，对其充放电能量进行累加即可得到对应控制策略的储能系统最大、最小能量需求，为满足对应控制目标，所需的储能系统容量配置必须覆盖最大、最小能量需求，因而取最大、最小能量的差值。

本发明的一种储能系统应对高风电渗透率系统调频需求容量配置方法是针对高风电渗透率电力系统调频需求，提出的利用储能系统实时跟踪频率曲线保持在安全域内以应对高风电渗透率电力系统调频需求的控制策略，通过设定储能容量配置与储能系统跟踪频率曲线控制比例系数K_P之间的关系，为大规模储能系统辅助电力系统调频提供依据，具有方法科学，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

图1风电波动功率导入框图；

图2储能系统功率-频率特性示意图；

图3储能系统动作框图；

图4储能系统容量配置示意图；

图5风电功率波动曲线示意图；

图6系统频率变化曲线示意图；

图7不同K_P频率动态曲线示意图；

图8不同K_P储能系统充放电曲线示意图。

具体实施方式

本发明的一种储能系统应对高风电渗透率系统调频需求容量配置方法，包括以下步骤：

1)高风电渗透率电力系统调频需求

首先利用电力系统分析综合程序(Power SystemAnalysis Software Package，PSASP)仿真分析高风电渗透率电力系统调频需求。PSASP中的用户程序接口(User ProgramInterface，UPI)实现用户自定义模型，通过调用.dll文件实现用户的自定义功能。PSASP在暂态计算中只能注入电流实部和电流虚部，通过注入电流与该节点的电压作用来实现功率的注入。设P、Q为要注入的风电功率有功、无功大小，Ur和Ui分别为注入节点电压的实部和虚部大小，Ir和Ii分别表示注入该节点电流实部、虚部大小，则视在功率S为

S＝U×I^*＝(U_r+jU_i)×(I_r-jI_i) (1)

展开得到：

U_rI_r+U_iI_i＝P (2)

U_iI_r-U_rI_i＝Q (3)

解上述方程组得到：

$I_r=(U_{r}P+U_{i}Q)/(U_r^2+U_i^2)---\left(4\right)$

$I_i=(U_{i}P-U_{r}Q)/(U_r^2+U_i^2)---\left(5\right)$

因此，通过将风电功率变化的值转化为实部电流和虚部电流注入到风电功率波动节点上。在恒阻抗发电机模型中，节点功率的波动势必会导致机组出力的变化，然而我们通过注入风电功率波动值ΔP和风电的额定功率P来合成等效风电功率的实时波动，因此，需要将风力发电机改为恒功率模型进行仿真，PSASP中提供了负荷的静态模型，将风力发电机等效为负功率的负荷替代原有的风力发电机。

在PSASP中进行暂态UPI计算时，仿真步长为0.001秒。进行仿真计算时，基于C++语言编写风电功率注入程序，由于风电数据为秒级数据，在整数秒时读取风电功率并转换为实部电流和虚部电流注入到系统中，其余时刻根据其相邻整数秒功率波动值，进行三次样条插值处理，得到该时刻的风电功率波动值，计算流程框图如图1所示。

2)储能系统容量计算

图2给出了储能系统的功率-频率静态特性。储能系统进行频率调节，是利用电池能量的双向流动性，来阻止系统频率偏离标准范围的调节方式。当电力系统中原动机功率或等效负荷发生变化时，必然引起电力系统频率的变化，此时，储能系统进行判断，电网供电大于负荷需求，系统频率上升超过50.1HZ时，电池储能系统以频率偏差与比例控制系数K_P的乘积为充电功率值，从电网吸收电能，直到系统频率下降到50.1HZ内为止；电网供电小于负荷需求，系统频率下降超过49.9HZ时，电池储能系统以频率偏差与比例控制系数K_P的乘积为放电功率值，从电网释放电能，直到系统频率上升到49.9HZ内为止。由此可知，储能系统比例控制系数K_P取值直接关系到控制策略的效果。图3给出了储能系统动作框图。

已知系统频率实测曲线与储能系统动作整定值，假设储能系统充放电效率分别为η_charge、η_discharge，即可计算出各个时段储能系统的充放电能量，如式(6)。

$E_k=\left\{\begin{array}{cc}{\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{P}_{Ess.ref}\left(t\right)\&times;{\mathrm{\&eta;}}_{ch\arg e}dt& P_{Ess,ref}\left(t\right)>0\\ {\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{P}_{Ess.ref}\left(t\right)/{\mathrm{\&eta;}}_{disch\arg e}dt& P_{Ess,ref}\left(t\right)<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，t₁表示储能系统的充放电起始时刻，t₂表示储能系统的充放电结束时刻，P_ESS.ref(t)表示储能系统的充放电参考功率。假设储能系统初始能量为E₀，则充放电累积能量计算式W_k如式(7)。

$W_k=E_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{E}_k---\left(7\right)$

则所需配置的储能系统容量就是整个控制周期内储能系统充放电累积能量最大值W_max与最小值W_min的差值。

图4给出了储能系统的容量配置计算示意图，其物理意义表述为，利用大规模储能应对高风电渗透率系统调频需求，改善系统频率的动态过程中，在整个运行周期内需要对储能系统进行充放电控制，对其充放电能量进行累加即可得到对应控制策略的储能系统最大、最小能量需求。为满足对应控制目标，所需的储能系统容量配置必须覆盖最大、最小能量需求，因而取最大、最小能量的差值。

下面利用附图和实施例对本发明的储能系统应对高风电渗透率电力系统调频需求控制策略及容量配置方法作进一步说明。

本实例基于PSASP仿真平台，数据来源于东北电网2014年最大运行方式。通过拟合得到未来高风电渗透率下系统风电功率波动值，注入到PSASP中，通过提出的储能系统控制策略改善系统频率质量。忽略储能系统充放电转化效率，以集中式的形式与大规模风电厂群接在同一母线上。仿真部分主要数据见表1。

表1

在上述计算条件下，应用本发明对储能系统应对高风电渗透率电力系统调频需求的控制及容量配置的结果如下：

1.高风电渗透率电力系统调频需求

首先利用PSASP仿真分析高风电渗透率电力系统调频需求。将要注入的风电有功功率大小定义为P，风电无功功率大小定义为Q，取0。通过PSASP读取注入节点电压实部、虚部为Ur及Ui，Ir和Ii分别注入该节点的电流实部及虚部大小，则

S＝U×I^*＝(U_r+jU_i)×(I_r-jI_i) (1)

展开得到：

U_rI_r+U_iI_i＝P (2)

U_iI_r-U_rI_i＝Q (3)

解上述方程组得到：

$I_r=(U_{r}P+U_{i}Q)/(U_r^2+U_i^2)---\left(4\right)$

$I_i=(U_{i}P-U_{r}Q)/(U_r^2+U_i^2)---\left(5\right)$

通过注入风电功率波动值ΔP和风电的额定功率P来合成等效风电功率的实时波动，并将风力发电机等效为负功率的负荷替代原有的风力发电机。

在PSASP中进行暂态UPI计算时，仿真步长为0.001秒。进行仿真计算时，基于C++语言编写风电功率注入程序，由于风电数据为秒级数据，在整数秒时读取风电功率并转换为实部电流和虚部电流注入到系统中，其余时刻根据其相邻整数秒功率波动值，进行三次样条插值处理，得到该时刻的风电功率波动值，风电功率波动曲线如图5所示。

图6给出了仿真结果系统频率动态曲线，风电功率波动1944.4MW/min、-1685.9MW/min系统频率最值为50.1155HZ和49.882HZ，达到本章提出的储能系统控制策略动作整定值。

2.储能系统容量计算

各个时段储能系统的充放电能量，如式(6)。

$E_k=\left\{\begin{array}{cc}{\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{P}_{Ess.ref}\left(t\right)\&times;{\mathrm{\&eta;}}_{ch\arg e}dt& P_{Ess,ref}\left(t\right)>0\\ {\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{P}_{Ess.ref}\left(t\right)/{\mathrm{\&eta;}}_{disch\arg e}dt& P_{Ess,ref}\left(t\right)<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，η_charge、η_discharge分别为储能系统充放电效率。t₁表示储能系统的充放电起始时刻，t₂表示储能系统的充放电结束时刻，P_ESS.ref(t)表示储能系统的充放电参考功率。假设储能系统初始能量为E₀，则充放电累积能量计算式W_k如式(7)。

$W_k=E_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{E}_k---\left(7\right)$

则所需配置的储能系统容量就是整个控制周期内储能系统充放电累积能量最大值W_max与最小值W_min的差值。

图7和图8给出了不同K_P系统频率动态曲线及储能系统充放电曲线。表2给出了不同K_P储能系统充放电功率、动作时间、配置容量关系表，

表2

计算储能系统充放电容量时忽略了储能系统效率。不同比例系数K_P下，储能系统对系统频率改善效果不同，K_P越大，频率改善效果越好，储能系统充放电功率及容量配置越大。

本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种储能系统应对高风电渗透率系统调频需求容量配置方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)高风电渗透率电力系统调频需求

首先利用电力系统分析综合程序(Power System Analysis Software Package，PSASP)仿真分析高风电渗透率电力系统调频需求；PSASP中的用户程序接口(User ProgramInterface，UPI)实现用户自定义模型，通过调用.dll文件实现用户的自定义功能；PSASP在暂态计算中只能注入电流实部和电流虚部，通过注入电流与该节点的电压作用来实现功率的注入；设P、Q为要注入的风电功率有功、无功大小，Ur和Ui分别为注入节点电压的实部和虚部大小，Ir和Ii分别表示注入该节点电流实部、虚部大小，则视在功率S为

S＝U×I^*＝(U_r+jU_i)×(I_r-jI_i) (1)

展开得到：

U_rI_r+U_iI_i＝P (2)

U_iI_r-U_rI_i＝Q (3)

解上述方程组得到：

$I_r=(U_{r}P+U_{i}Q)/(U_r^2+U_i^2)---\left(4\right)$

$I_i=(U_{i}P-U_{r}Q)/(U_r^2+U_i^2)---\left(5\right)$

因此，通过将风电功率变化的值转化为实部电流和虚部电流注入到风电功率波动节点上；在恒阻抗发电机模型中，节点功率的波动势必会导致机组出力的变化，通过注入风电功率波动值ΔP和风电的额定功率P来合成等效风电功率的实时波动，因此，需要将风力发电机改为恒功率模型进行仿真，PSASP中提供了负荷的静态模型，将风力发电机等效为负功率的负荷替代原有的风力发电机；

在PSASP中进行暂态UPI计算时，仿真步长为0.001秒；进行仿真计算时，基于C++语言编写风电功率注入程序，由于风电数据为秒级数据，在整数秒时读取风电功率并转换为实部电流和虚部电流注入到系统中，其余时刻根据其相邻整数秒功率波动值，进行三次样条插值处理，得到该时刻的风电功率波动值；

2)储能系统容量计算

储能系统进行频率调节，是利用电池能量的双向流动性，来阻止系统频率偏离标准范围的调节方式；当电力系统中原动机功率或等效负荷发生变化时，必然引起电力系统频率的变化，此时，储能系统进行判断，电网供电大于负荷需求，系统频率上升超过50.1Hz时，电池储能系统以频率偏差与比例控制系数K_P的乘积为充电功率值，从电网吸收电能，直到系统频率下降到50.1Hz内为止；电网供电小于负荷需求，系统频率下降超过49.9Hz时，电池储能系统以频率偏差与比例控制系数K_P的乘积为放电功率值，从电网释放电能，直到系统频率上升到49.9Hz内为止；由此可知，储能系统比例控制系数K_P取值直接关系到控制策略的效果；

已知系统频率实测曲线与储能系统动作整定值，假设储能系统充放电效率分别为η_charge、η_discharge，计算出各个时段储能系统的充放电能量，如式(6)；

$E_k=\left\{\begin{array}{cc}{\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{P}_{Ess.ref}\left(t\right)\&times;{\mathrm{\&eta;}}_{ch\arg e}dt& P_{Ess.ref}\left(t\right)>0\\ {\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{P}_{Ess.ref}\left(t\right)/{\mathrm{\&eta;}}_{disch\arg e}dt& P_{Ess.ref}\left(t\right)<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，t₁表示储能系统的充放电起始时刻，t₂表示储能系统的充放电结束时刻，P_ESS.ref(t)表示储能系统的充放电参考功率，假设储能系统初始能量为E₀，则充放电累积能量计算式W_k如式(7)；

$W_k=E_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{E}_k---\left(7\right)$

则所需配置的储能系统容量就是整个控制周期内储能系统充放电累积能量最大值W_max与最小值W_min的差值；利用大规模储能应对高风电渗透率系统调频需求，改善系统频率的动态过程中，在整个运行周期内需要对储能系统进行充放电控制，对其充放电能量进行累加即可得到对应控制策略的储能系统最大、最小能量需求，为满足对应控制目标，所需的储能系统容量配置必须覆盖最大、最小能量需求，因而取最大、最小能量的差值。