CN107069789B - 一种面向电网agc调频的储能系统控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向电网AGC调频的储能系统控制策略，其特点是：包括的步骤有:电池储能参与AGC调频的结构设计和SOC分层控制策略，它从电网AGC调频控制的角度出发，计及电池储能运行周期内的安全因素，综合考虑储能系统的容量和功率约束，通过对储能系统进行能量管理，基于SOC分层控制策略确定储能系统充放电调频功率，在提高电网频率稳定的同时，防止储能系统过充过放。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

Description

一种面向电网AGC调频的储能系统控制策略

技术领域

本发明涉及电网AGC调频的技术领域，是一种面向电网AGC调频的储能系统控制策略。

背景技术

近年来，中国新能源发电得到迅猛发展，截至2016年年底，中国风电并网装机容量达到1.5亿千瓦，光伏累计装机量7742万千瓦，随着新能源的发展，中国部分地区如甘肃、宁夏、新疆等新能源，包括风电/光伏的装机占本地电源装机比例超过了30％；大规模新能源的接入替代了部分传统电源，减小了整个系统的惯性，严重威胁到电网的频率稳定。

储能系统具有快速充放电能力，能够动态吸收能量并适时释放，因此精确快速的响应电网的调频指令，在提高电网新能源渗透的同时，保障电力系统安全运行，然而，由于储能系统容量及自身运行特性的约束，极大限制储能系统的调频特性，从而影响了储能系统的调控性能，因此设计合理的储能系统响应电网AGC控制方法对高风电渗透电网的频率调整具有重大意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，从电网AGC调频控制的角度出发，提出一种面向电力系统AGC调控的储能系统运行控制策略，该控制策略计及电池储能运行周期内的安全因素，综合考虑储能系统的容量和功率约束，设计了应用于储能系统参与电网AGC调频的控制策略。

解决其技术问题采用的方案是，一种面向电网AGC调频的储能系统控制策略，其特征是，它包括以下步骤：

1)电池储能参与AGC调频的结构设计

控制区内的机组分为AGC机组和非AGC机组，AGC机组接受调度中心的实时AGC信号，自动调整机组的发电出力，而非AGC机组则按调度中心的日发电计划调整发电出力；

电网调度中心根据系统的负荷预计、联络线交换计划和机组的可用出力安排电网中所有机组的发电计划，并下达到各电厂；

经济调度(ED)根据超短期的负荷预计及发电机组的运行工况，按照成本最小的原则计算出各个调频资源的基点功率和AGC分配因子，传送给负荷频率控制；

负荷频率控制根据电网的频率、联络线潮流及系统电钟时差，计算得到控制区的区域控制偏差(Area Control Error，ACE)，再经滤波得到平滑的区域控制偏差(SACE)，最后根据调频资源的运行特性及AGC分配因子计算出各个机组的AGC调节功率值，其中联络线功率频率偏差控制(Tie-line Bias Frequency Control，TBC)模式下的ACE计算公式为(1)式：

ACE＝[∑P_ti-(∑I_0j-ΔI_0j)]-10B[f-(f₀+Δf_t)] (1)

式中，P_ti为控制区联络线j上的实际功率量测值，I_0j为控制区联络线j上的交易计划功率，B为控制区的频率响应系数，f为系统频率实际值；f₀为系统频率额定值，ΔI_0j为控制区偿还无意交换电量而设计的交换功率偏移，Δf_t为校正时差设置的系统频率偏移；

2)SOC分层控制策略

构建SOC分层控制策略，对储能系统充放电功率进行实时修正；储能系统在充放电过程中会导致储能系统荷电状态发生变化，其中荷电状态的计算公式为(2)式：

式中，SOC(t)为储能系统在t时刻的荷电状态，Δt为采样时间间隔，P_B为储能系统调频动作的功率值，E_rated为电池储能系统的额定容量；

根据储能系统的荷电状态将调节过程分为正常调节区、预警区和归位区；设置储能系统的上限和下限预警值分别为 SOC _alert，储能系统荷电状态的最大值、最小值分别为和SOC _min；

当储能系统的荷电状态属于正常区时，电池储能系统响应电网的调频指令时根据电网的调频功率需求程度支撑电网频率调整；当储能系统的荷电状态在预警区时，在该区域引入预警系数k_alert，其中，0<k_alert<1,减缓储能系统的充放电功率；当储能系统的荷电状态进入归位区时，为保护储能系统的安全运行，计及区域火电机组的爬坡率，考虑影响电网有功缺额的继续增大，只在系统频率偏差在合理范围内时对储能系统进行充放电归位动作；

当区域控制误差为正值时，即储能参与调频参考功率需求为负值，需要对储能系统充电，其中，P_request>0，储能系统调频控制策略中的充电功率为(3)式：

当电网区域控制偏差为正值，即调频参考功率需求值为正值时，需要对储能系统放电，其中，P_request<0，储能系统的调频控制策略中的放电功率为(4)式：

其中P_{B_D_max}、P_{B_C_max}分别为储能系统放电和充电的额定功率；P_request为储能调频需求；λ_G为火电机组的爬坡速率；Δf为区域频率偏差；f_c为调频死区，取0.02Hz；k_alert为预警系数；

为了保证电池储能系统的安全，预警系数的取值范围应满足(5)式约束：

其中，Δt为采样时间，E_rated为储能系统的额定容量。

本发明一种面向电网AGC调频的储能系统控制策略，计及电池储能运行周期内的安全因素，综合考虑储能系统的容量和功率约束，通过对储能系统进行能量管理，基于SOC分层控制策略确定储能系统充放电调频功率，在提高电网频率稳定的同时，防止储能系统过充过放。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

图1储能系统联网运行结构示意图；

图2储能系统荷电状态分区控制策略图；

图3储能系统某日响应调频指令情况图；

图4储能系统运行于调频指令下的SOC变化情况统计图；

图5有/无储能电网CPS1考核指标变化情况图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明的面向电网AGC调频的储能系统控制策略作进一步说明。

本实例以某省电网为例，选取采样间隔为1min的AGC数据，由该省的网架结构作为研究对象，频率响应系数B取值为-172.5MW/0.1Hz，仿真计算的时间尺度为1个月；由于锂离子电池具有密度大、效率高、使用寿命长等优点，因此储能系统采用锂离子电池；设定锂电池储能系统的额定容量和功率分别为50MWh和100MW，其充放电效率为90％。

实施例计算参数说明如下：

表1锂电池储能响应电网AGC调频指令仿真参数

在上述计算参数下，应用本发明方法对面向电网AGC调频的储能系统控制策略如下：

1.储能参与AGC调频的结构设计

储能系统参与电网AGC频率调整的功能结构图如附图1所示，将控制区内的机组分为AGC机组和非AGC机组，AGC机组接受调度中心的实时AGC信号，自动调整机组的发电出力，而非AGC机组则按调度中心的日发电计划调整发电出力。

电网调度中心根据系统的负荷预计、联络线交换计划和机组的可用出力安排电网中所有机组的发电计划，并下达到各电厂。

经济调度(ED)根据超短期的负荷预计及发电机组的运行工况，按照成本最小的原则计算出各个调频资源的基点功率和AGC分配因子，传送给负荷频率控制。

负荷频率控制根据电网的频率、联络线潮流及系统电钟时差，计算得到控制区的区域控制偏差(ACE)，经滤波得到平滑的区域控制偏差(SACE)，最后根据调频资源的运行特性及AGC分配因子计算出各个机组的AGC调节功率值。

某省网的区域控制偏差ACE的计算由(1)式得出：

ACE＝[∑P_ti-(∑I_0j-ΔI_0j)]-10B[f-(f₀+Δf_t)] (1)

2.SOC分层控制策略

储能系统在充放电过程中会导致储能系统荷电状态发生变化。

仿真计算过程中的储能系统荷电状态的计算通过(2)式在每个采样时间点计算得出。

根据储能系统的荷电状态将调节过程分为正常调节区、预警区和归位区。设置储能系统的上限和下限预警值分别为 SOC _alert，储能系统荷电状态的最大值、最小值分别为和SOC _min，则储能系统荷电状态与所在控制区域的关系由附图2表示。

在给定计算条件下，本实施例SOC分层控制策略的具体形式由(3)式-(4)式给出：

当区域控制误差为正值时，即储能参与调频参考功率需求为负值，需要对储能系统充电，其中，P_request>0，储能系统调频控制策略中的充电功率为(3)式：

当电网区域控制偏差为正值，即调频参考功率需求值为正值时，需要对储能系统放电，其中，P_request<0，储能系统的调频控制策略中的放电功率为(4)式：

附图3给出了基于SOC分层控制策略下的储能系统某日响应调频指令情况图。某省网的频率偏差如附图3a所示，其对应的区域偏差ACE如附图3b所示，在该策略下100MW/50MWh储能系统响应AGC指令的充放电功率如附图3c所示，储能系统的荷电状态变化如附图3d所示。

仿真计算表明，储能系统在其额定充放电功率范围内，能按电网调频要求调节储能系统的充放电功率。在部分时段，由于储能系统功率和能量的约束，储能系统不能精确的响应电网调频指令，如图1 6：30到21:30的时间段内，储能系统的荷电状态到达返回区附近，电网频率低于额定值需要储能系统放电时，基于储能系统安全约束，不能响应电网调频指令，此时储能系统的输出功率为0，防止了电池储能系统过放现象的发生。

在该储能响应电网调频策略下，荷电状态维持在正常状态，确保了电池储能的使用寿命及安全，储能系统的荷电状态统计情况如附图4所示。荷电状态在返回区的概率达到了43.068％，其中处于充电返回区的概率为24.293％，处于放电返回区的概率为18.775％；荷电状态处于危险区的概率为20.018％，其中低电量危险区占11.615％，高电量危险区占8.403％；荷电状态处于正常区的概率为36.914％。

目前电力系统广泛采用CPS控制性能标准对各区域电网频率的控制进行评价考核，当CPS1≥200％时，说明这段时间内，ACE对互联电网的频率质量是有贡献的，不对电网AGC收取偏差考核罚款。电池储能系统响应电网AGC二次调频指令后，辽宁电网某天的CPS1值变化曲线如附图5所示。

统计分析表明，储能系统参与电网AGC二次调频的一个月内，辽宁电网CPS1值大于等于200％的时间由原来的282.931小时提高到444.437小时，ACE对提高电网频率质量是有贡献的时间比原来提高了57.08％。

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施例获得的启示，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)

1.一种面向电网AGC调频的储能系统控制策略，其特征是，它包括以下步骤：

1)电池储能参与AGC调频的结构设计

控制区内的机组分为AGC机组和非AGC机组，AGC机组接受调度中心的实时AGC信号，自动调整机组的发电出力，而非AGC机组则按调度中心的日发电计划调整发电出力；

电网调度中心根据系统的负荷预计、联络线交换计划和机组的可用出力安排电网中所有机组的发电计划，并下达到各电厂；

经济调度(ED)根据超短期的负荷预计及发电机组的运行工况，按照成本最小的原则计算出各个调频资源的基点功率和AGC分配因子，传送给负荷频率控制；

负荷频率控制根据电网的频率、联络线潮流及系统电钟时差，计算得到控制区的区域控制偏差(Area Control Error，ACE)，再经滤波得到平滑的区域控制偏差(SACE)，最后根据调频资源的运行特性及AGC分配因子计算出各个机组的AGC调节功率值，其中联络线功率频率偏差控制(Tie-line Bias Frequency Control，TBC)模式下的ACE计算公式为(1)式：

ACE＝[∑P_ti-(∑I_0j-ΔI_0j)]-10B[f-(f₀+Δf_t)] (1)

式中，P_ti为控制区联络线j上的实际功率量测值，I_0j为控制区联络线j上的交易计划功率，B为控制区的频率响应系数，f为系统频率实际值，f₀为系统频率额定值，ΔI_0j为控制区偿还无意交换电量而设置的交换功率偏移，Δf_t为校正时差设置的系统频率偏移；

2)SOC分层控制策略

构建SOC分层控制策略，对储能系统充放电功率进行实时修正；储能系统在充放电过程中会导致储能系统荷电状态发生变化，其中荷电状态的计算公式为(2)式：

式中，SOC(t)为储能系统在t时刻的荷电状态，Δt为采样时间间隔，P_B为储能系统调频动作的功率值，E_rated为电池储能系统的额定容量；

根据储能系统的荷电状态将调节过程分为正常调节区、预警区和归位区；设置储能系统的上限和下限预警值分别为 SOC _alert，储能系统荷电状态的最大值、最小值分别为和SOC _min；

当储能系统的荷电状态属于正常区时，电池储能系统响应电网的调频指令时根据电网的调频功率需求程度支撑电网频率调整；当储能系统的荷电状态在预警区时，在该区域引入预警系数k_alert，其中，0<k_alert<1,减缓储能系统的充放电功率；当储能系统的荷电状态进入归位区时，为保护储能系统的安全运行，计及区域火电机组的爬坡率，考虑影响电网有功缺额的继续增大，只在系统频率偏差在合理范围内时对储能系统进行充放电归位动作；

当区域控制误差为正值时，即储能参与调频参考功率需求为负值，需要对储能系统充电，其中，P_request>0，储能系统调频控制策略中的充电功率为(3)式：

当电网区域控制偏差为正值，即调频参考功率需求值为正值时，需要对储能系统放电，其中，P_request<0，储能系统的调频控制策略中的放电功率为(4)式：

其中P_{B_D_max}、P_{B_C_max}分别为储能系统放电和充电的额定功率；P_request为储能调频需求；λ_G为火电机组的爬坡速率；Δf为区域频率偏差；f_c为调频死区，取0.02Hz；k_alert为预警系数；

为了保证电池储能系统的安全，预警系数的取值范围应满足(5)式约束：

其中，Δt为采样时间，E_rated为储能系统的额定容量。