CN107437814A - 一种基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种既能改善传统调频技术缺陷，又能满足含新能源发电的电力系统调频需求的储能系统配置方法，尤其是一种适用于包含新能源发电的基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法。主要包括四部分内容：一是确定整个电力系统的负荷有功功率‑频率静态特性及发电机组的有功功率‑频率静态特性表达式；二是确定一定功率容量储能系统的有功功率‑频率静态特性表达式；三是确定混合系统的有功功率‑频率静态特性表达式；四是确定一种最佳的储能系统容量配置方法。本发明所提供的基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法，能够广泛应用于有新能源并入的电力系统，以及具有极大波动性电力负荷特殊装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种既能改善传统调频技术缺陷，又能满足含新能源发电的电力系统调频需求的储能系统配置方法，尤其是一种适用于包含新能源发电的基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法。
背景技术
随着石油资源枯竭和环境保护需求的增加，新能源发电技术应用得越来越广泛。然而，由于新能源具有随机性和间歇性强等特点，大规模新能源并入电网将应发电网频率的大幅波动。
传统的调频方式，通常是通过增减发电机的发电功率输出来维持发电功率与负荷需求的平衡，从而响应电网频率的变化。常用于调频的水电和火电发电机组，具有一定的限制和不足，影响电网频率的安全和品质。例如：火电发电机组响应时间长，不适用于参与调节较短周期的调频；而水电发电机组的调频容量易受地域与季节性的制约。而且单一的发电机组参与调频难以跟踪负荷功率的大幅波动，从而使得系统频率波动超出允许范围，难以适应新能源并入电网后功率的大幅变化。
从国内外研究现状来看，能量存储系统(ESS)作为微电网的重要组成环节，在提高微电网运行稳定性、改善电能质量等方面的作用获得了广泛认同。储能技术在提高电网对新能源的接纳能力、电网调频、削峰填谷、提高电能质量和电力可靠性等方面的重要作用已经在国际上达成共识，在未来电网中的应用市场潜力很大。将储能系统应用于电力系统频率调整中，将具有快速响应、精确跟踪等特点，从而使得其比传统的调频手段更高效。
随着新能源发电比例的日益扩大，由于传统调频发电机输出响应慢、爬坡速率低，无法适应新能源变化引起的电网频率大幅波动，不能很好地满足调频的需求，给电力系统的频率调整带来了新的要求和挑战。
因此，为使电网能够提供更高品质的电能质量且能够并入更多的新能源以加大对清洁能源的利用，传统的调频方式显然不能完全适应这些需求，需寻找一种既能改善传统调频技术缺陷，又能满足包含具有随机性和间歇性强的新能源电力系统调频需求的储能系统辅助调频方法，而储能系统容量配置也显得尤其重要。
发明内容
本发明以改善传统调频技术缺陷，满足含新能源发电的电力系统调频需求为目标，提出一种基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法，以减小新能源并入电网后系统频率的大幅波动。
本发明提供了一种基于电力系统一次频率调整的储能系统配置方法，是一种新的储能系统配置方法，能够应用于含有新能源发电并网的电力系统，以及具有极大功率波动性电力负荷特殊装置。通过查阅资料，可得出整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性，以及发电机组的有功功率-频率静态特性。储能系统具有能够实现能量双向流动的特点，经双向AC/DC变流器后，可将能量从储能系统流出到电网或从电网流入储能系统，结合SPWM控制技术，可以得到一给定的有功功率-频率静态特性。由发电机组和储能系统的有功功率-频率静态特性相叠加，可以得出混合系统的有功功率-频率静态特性。综合考虑电力系统负荷的有功功率最大变化值及允许系统频率变化的最低要求，得出电力系统有功功率-频率静态特性，最后可确定一种最佳的储能系统容量配置方法。
所述整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性，反映了系统有功负荷随频率的变化特性。所述发电机组的有功功率-频率静态特性，反映了发电机的有功出力同频率之间的关系。
所述一定功率容量储能系统的有功功率-频率静态特性，反映了储能系统充放电状态随系统频率的变化特性。当系统频率波动处于某一设定范围内时，储能系统处于待机状态；当系统频率上升且大于某一设定值时，说明电网供给的功率大于负荷需求，储能系统从电网中吸收能量；反之，当系统频率下降且小于另一设定值时，说明电网供给的功率小于负荷需求，储能系统释放能量到电网中，从而辅助调频发电机组参与系统频率调整。
所述混合系统有功功率-频率静态特性，综合考虑了电力系统中发电机组和一定功率容量储能系统的有功功率-频率静态特性，弥补了单一的发电机组参与调频时调节速度缓慢、难以跟踪负荷功率的大幅波动而使系统频率波动超出允许范围的缺陷。
所述一种最佳的储能系统容量配置方法，综合考虑电力系统负荷增加或减少的最大功率变化值及允许系统频率变化的最低要求，使得配置的储能系统容量既能满足电网频率的要求，又能使得电力系统的改进成本最低。
一种基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法，其特征在于：基于三个模型，
模型一，整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性及发电机组的有功功率-频率静态特性模型；
模型二，一定功率容量储能系统的有功功率-频率静态特性模型；
模型三，混合系统的有功功率-频率静态特性模型；
确定最优储能系统容量配置方法，具体是：在原始运行状态下，负荷的功频静态特性为PD(f)，同混合系统静态特性曲线相交于点A；定义系统的负荷增加的最大功率为ΔPD1，其特性曲线变成P'D(f)，与混合系统静态特性的交于点B，联立二者的静态特性表达式，可得储能系统功率容量为PEN1；同理可得，当系统负荷减少的最大功率为ΔPD2时，储能系统功率容量为PEN2；综合考虑电力系统负荷增加或减少的最大功率变化及允许系统频率变化的最低要求，储能系统应该配置的最小功率容量为
PEN＝max(PEN1,PEN2)
其中：PEN1＝PD+ΔPD1-PG，PEN2＝PD-ΔPD2-PG。
在上述的一种基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法，模型包括：
模型一，其中，整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性及发电机组的有功功率-频率静态特性模型基于以下定义：
当频率偏离额定值不大时，负荷的静态频率特性常用一条直线近似表示，故整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性表达式为
PD＝PDN+KD(f-fN)
发电机组的有功功率-频率静态特性曲线可以近似地表示为一条折线；故发电机组的有功功率-频率静态特性表达式为
模型二，一定功率容量储能系统的有功功率-频率静态特性模型基于以下定义：
储能系统具有能够实现能量双向流动的特点，经双向AC/DC变流器后，可将能量从储能系统流出到电网或从电网流入储能系统；根据上述特性，并且结合SPWM控制技术，可以得到储能系统有功功率-频率静态特性表达式为
模型三，确定混合系统的有功功率-频率静态特性模型基于以下定义；
将发电机组有功功率-频率静态特性和储能系统有功功率-频率静态特性相叠加的方法，得到了混合系统的有功功率-频率静态特性，故混合系统有功功率-频率静态特性表达式为
具体而言，本发明具有以下技术效果：1、所提供的基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法，通过推导由发电机组和储能系统组成混合系统的有功功率-频率静态特性，结合该电力系统负荷增加或减少的最大功率变化及频率波动的最大允许范围，最后通过计算可以完成对储能系统功率容量的配置。2、所提供的基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法，既能够满足电力系统输出有功功率波动的要求，又能使储能系统的投资成本最低。3、所提供的基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法，能够广泛应用于有新能源并入的电力系统，以及具有极大波动性电力负荷特殊装置。
附图说明
图1带储能系统的电力系统有功功率-频率静态特性模型建立流程图。
图2电力系统负荷有功功率-频率静态特性。
图3发电机组有功功率-频率静态特性(图中：PE>0表示储能系统工作中放电状态，PE＝0表示储能系统工作中待机状态，PE<0表示储能系统工作中充电状态。)。
图4储能系统有功功率-频率静态特性。
图5由发电机组和储能系统组成的混合系统有功功率-频率静态特性。
图6电力系统有功功率-频率静态特性。
具体实施方式
本发明提出的方法具体涉及一种基于有功功率-频率静态特性的分析方法，尤其是一种基于电力系统频率一次调整的储能系统容量配置的方法。
实际上，电力系统频率调整的方法分为一次调整和二次调整，但是二者都是基于系统的有功功率-频率静态特性进行分析的。因此，本发明专利重点讨论的是基于电力系统频率一次调整的储能系统容量配置，主要包括四部分内容：一是给出整个电力系统的负荷及发电机组的有功功率-频率静态特性模型；二是确定一定功率容量储能系统的有功功率-频率静态特性模型；三是得出混合系统的有功功率-频率静态特性模型；四是确定一种最佳的储能系统容量配置方法。
下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
设频率为f时整个系统的有功负荷为PD，频率为额定值fN时整个系统的有功负荷为PDN；发电机组的额定容量为PGN，实际运行时的容量为PG，空载运行时系统频率为f0；储能系统的额定容量为PEN。系统频率的允许波动范围为[fmin,fmax]，fa、fb分别为储能系统工作时的临界频率。
附图1所示为带储能系统的电力系统有功功率-频率静态特性模型的建立流程图。由发电机组和一定功率容量储能系统的有功功率-频率静态特性模型相加，可得混合系统的有功功率-频率静态特性模型；将整个电力系统负荷的有功功率-频率静态特性模型在同一个坐标系中表示，即可得到带储能系统的电力系统有功功率-频率静态特性模型。
所述最佳的储能系统容量配置方法包括下述具体过程：
第1步，确定整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性及发电机组的有功功率-频率静态特性模型。
当频率偏离额定值不大时，负荷的静态频率特性常用一条直线近似表示，如附图2所示。易得，整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性模型为
PD＝PDN+KD(f-fN) (1)
式中：KD为负荷静态特性曲线的斜率，一般由全系统各类负荷的比重来决定。
发电机组的有功功率-频率静态特性曲线如附图3所示。易得，发电机组的有功功率-频率静态特性模型为
式中：KG为发电机组静态特性曲线的斜率，且满足
第2步，确定一定功率容量储能系统的有功功率-频率静态特性模型。
储能系统具有能够实现能量双向流动的特点，经双向AC/DC变流器后，可将能量从储能系统流出到电网或从电网流入储能系统，从而可以用来阻止系统频率偏离所允许的范围。当系统频率处于某一设定范围[fa、fb]内时，储能系统处于待机状态；当系统频率大于设定值fa时，说明电网供电大于负荷需求，储能系统从电网中吸收能量；而当系统频率小于另一设定值fb时，说明电网供电小于负荷需求，储能系统释放电能到电网。根据上述特性，并结合SPWM控制技术，可以得到功率容量为PEN的储能系统有功功率-频率静态特性如附图4所示。易得，功率容量为PEN的储能系统的有功功率-频率静态特性模型为
式中：fmin、fmax、fa、fb、fN之间满足fmin<fa<fN<fb<fmax；KE为储能系统静态特性曲线的斜率，且满足
第3步，确定混合系统的有功功率-频率静态特性模型。
由于单一发电机组的调节能力有限，储能系统能够很好地辅助发电机组进行系统频率调节。为了能够提高系统单位频率的调节功率，本发明创新性的提出来将发电机组功频静态特性曲线和储能系统功频静态特性曲线相叠加的方法，得到了混合系统的有功功率-频率静态特性曲线如附图5所示。由公式(2)和公式(4)易得，混合系统有功功率-频率静态特性模型为
第4步，确定最佳的储能系统容量配置方法。
同时考虑负荷及混合系统二者的调节效应，可得整个电力系统的有功功率-频率静态特性如附图6所示。在原始运行状态下，负荷的功频特性为PD(f)，同混合系统静态特性曲线相交于点A。假设系统的负荷增加的最大功率为ΔPD1，其特性曲线变成P'D(f)，且有
PD′＝PDN+ΔPD1+KD(f-fN) (7)
与混合系统静态特性的交于点B，此时系统的频率正好为fmin。联立公式(6)和公式(7)，可得储能系统功率容量
PEN1＝PDN+ΔPD1+KD(fmin-fN)-PGN (8)
同理可得，当系统负荷减少的最大功率为ΔPD2时，储能系统功率容量
PEN2＝ΔPD2+KG(fmax-f0)-PDN-KD(fmax-fN) (9)
综合考虑电力系统负荷增加或减少的最大功率变化及允许系统频率变化的最低要求，储能系统应该配置的最小功率容量
PEN＝max(PEN1,PEN2) (10)
其中：PEN1＝PD+ΔPD1-PG，PEN2＝PD-ΔPD2-PG。
至此，基于电力系统频率一次调整的储能系统容量配置求解完毕。
下面为说明所提储能系统容量配置的对电力系统频率调节的有效性，结合一典型电力系统参数，对比有储能系统和无储能系统应对相同负荷功率变化时系统频率变化的范围，具体如下：
负荷参数：
系统总的额定负荷：PDN＝90MW；
负荷调节效应系数：KD＝20MW/Hz；
负荷最大变化量：ΔPD1＝ΔPD2＝35MW；
发电机组参数：
额定功率：PGN＝100MW；
空载时系统频率：f0＝52Hz；
其他参数：
额定频率：fN＝50Hz；
允许的最大频率：fmax＝50.5Hz；
允许的最小频率：fmin＝49.5Hz。
根据公式(3)，可计算出KG＝-50MW/Hz；
根据公式(8)，可计算出PEN1＝15MW；
根据公式(9)，可计算出PEN2＝10MW；
故由公式(10)可知，为保持电力系统负荷变化时系统频率变化的允许的范围内，储能系统应该配置的最小功率容量为15MW。
无储能系统时，当系统负荷增加35MW时，联立公式(1)和公式(2)，可得系统频率f1＝48.75Hz；同理，当系统负荷减少35MW时，系统频率f2＝50.64Hz。由于f1<fmin、f2>fmax，不满足系统频率的要求，若不采取措施，将产生非常严重的后果。通过上述分析可知，增加储能系统后可以提高系统单位频率的调节功率，将系统频率限制在允许的范围内，提高了适应负荷变化的能力，能够广泛适用于含有新能源等有功功率波动大的场合。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.一种基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法，其特征在于：基于三个模型，
模型一，整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性及发电机组的有功功率-频率静态特性模型；
模型二，一定功率容量储能系统的有功功率-频率静态特性模型；
模型三，混合系统的有功功率-频率静态特性模型；
确定最优储能系统容量配置方法，具体是：在原始运行状态下，负荷的功频静态特性为PD(f)，同混合系统静态特性曲线相交于点A；定义系统的负荷增加的最大功率为ΔPD1，其特性曲线变成P'D(f)，与混合系统静态特性的交于点B，联立二者的静态特性表达式，可得储能系统功率容量为PEN1；同理可得，当系统负荷减少的最大功率为ΔPD2时，储能系统功率容量为PEN2；综合考虑电力系统负荷增加或减少的最大功率变化及允许系统频率变化的最低要求，储能系统应该配置的最小功率容量为
PEN＝max(PEN1,PEN2)
其中：PEN1＝PD+ΔPD1-PG，PEN2＝PD-ΔPD2-PG。
2.根据权利要求1所述的一种基于电力系统频率一次调整的储能系统配置方法，其特征在于，模型包括：
模型一，其中，整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性及发电机组的有功功率-频率静态特性模型基于以下定义：
当频率偏离额定值不大时，负荷的静态频率特性常用一条直线近似表示，故整个电力系统的负荷有功功率-频率静态特性表达式为
PD＝PDN+KD(f-fN)
发电机组的有功功率-频率静态特性曲线可以近似地表示为一条折线；故发电机组的有功功率-频率静态特性表达式为
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模型二，一定功率容量储能系统的有功功率-频率静态特性模型基于以下定义：
储能系统具有能够实现能量双向流动的特点，经双向AC/DC变流器后，可将能量从储能系统流出到电网或从电网流入储能系统；根据上述特性，并且结合SPWM控制技术，可以得到储能系统有功功率-频率静态特性表达式为
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模型三，确定混合系统的有功功率-频率静态特性模型基于以下定义；
将发电机组有功功率-频率静态特性和储能系统有功功率-频率静态特性相叠加的方法，得到了混合系统的有功功率-频率静态特性，故混合系统有功功率-频率静态特性表达式为
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109830975A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-05-31 | 国网江苏电力设计咨询有限公司 | 储能电池多功能运行优化方法、系统和存储介质 |
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-
2017
- 2017-07-25 CN CN201710614303.6A patent/CN107437814A/zh active Pending
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