CN107681695B - 一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法。一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法，根据电网AGC指令，以固定步长逐渐增加储能的容量；计算出不同储能容量下系统的调节速率、调节精度、响应时间的值；得到调节速率最大值对应的储能系统容量Q_BESS1、调节精度最大值对应的储能系统容量Q_BESS2、响应时间最大值对应的储能系统容量Q_BESS3；最后，储能系统最优配置容量Q_BESS取Q_BESS1、Q_BESS2、Q_BESS3之间的最大值。本发明解决了储能辅助火电机组调频中的参数优化配置问题。

Description

一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法

技术领域：

本发明涉及火电机组自适应控制方法，具体涉及一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法。

背景技术：

随着风力、光伏等新能源发电大规模并网，其快速波动性对电网频率调节的速度提出了更高的要求。华北电网电源结构单一，以大型火电机组为主，火电电源占比较高，抽水蓄能等灵活调节电源比重很低ACE调频电源几乎全部为火电机组，优质调频电源稀缺。由于火电机组ACE调节能力较弱，在调频时由于受爬坡率限制，反应较慢且成本较高，响应时滞长、机组爬坡速率低，不能准确跟踪调度AGC指令；同时，由于一次调频死区等非线性环节的存在，传统的AGC线性模型控制方式不能实现良好的动态调节性能，因此华北电网整体ACE调频能力有限。引入更加优质的调频资源，来解决可再生能源大规模并网背景下电网频率质量稳定问题，已经成为当前研究的热点。

近年来，以电化学电池为代表的储能技术迅速发展，其在电力系统中的规模化应用正在快速增加。储能电池系统具有精确跟踪、快速响应等特点，能够在1分钟甚至更短的时间内响应系统需求，适合配合常规火电机组参与到电网的调频之中。目前对于辅助服务的考核主要依据《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》和《华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》两个细则，而K_p值是主要的考核指标，K_p值是调节速率K1、调节精度K2、响应时间K3的综合体现。

发明内容：

本发明所要解决的是现有火电机组调节速度慢、难以满足《两个细则》考核指标，且机组频繁执行调频任务导致磨损严重的缺陷，进而提供一种辅助火电机组调频的储能电池容量配置方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法，以调节速率、调节精度、响应时间为目标，根据电网AGC指令，以固定步长逐渐增加储能的容量；计算出不同储能容量下系统的调节速率、调节精度、响应时间的值；得到调节速率最大值对应的储能系统容量Q_BESS1、调节精度最大值对应的储能系统容量Q_BESS2、响应时间最大值对应的储能系统容量Q_BESS3；最后，考虑储能辅助火电机组调频的经济性，储能系统最优配置容量Q_BESS取Q_BESS1、Q_BESS2、Q_BESS3之间的最大值。

上述方法具体包括如下过程：

步骤1：设定储能系统容量初始值E_rate0，储能系统容量限值E“_rate，储能步长L，m初始值为0；

步骤2：根据t时刻AGC 指令，计算储能系统出力P(t)；

步骤3：E_rate(m)＝E_rate0+m*L，根据机组调节出力，分别计算该储能容量E_rate(m)下考核指标k_1m、k_2m、k_3m值，所述指标k_1m为调节速率指标，所述指标k_2m为调节精度指标，所述指标k_3m为响应时间指标；

步骤4：下一容量值选择循环m＝m+1；

步骤5：判断是否满足E_rate(m+1)＝E_rate(m)+L>E“_rate，如果满足，转步骤6，否则返回步骤2；

步骤6：k_1max＝max{k_1m}，k_2max＝max{k_2m}，k_3max＝max{k_3m}，k_1max、 k_2max、k_3max对应的储能系统容量分别为Q_BESS1、Q_BESS2、Q_BESS3，

步骤7：考虑储能辅助火电机组调频的经济性，储能系统最优配置容量Q_BESS取三者之间的最大值。即：

Q_BESS＝max{Q_BESS1，Q_BESS2，Q_BESS3}

作为优选方案之一，所述步骤3还包括如下过程：

步骤301：某一时刻储能系统SOC_m(t)的表达式为：

充电状态：

放电状态：

其中，SOC_m(t-1)为t时段结束时额定容量为E_rate(m)的储能电池的剩余电量；SOC_m(t-1)为t-1时段结束时额定容量为E_rate(m)的储能电池的剩余电量；η_m、c、η_m、d分别是额定容量为E_rate(m)储能电池的充电效率、放电效率；E_rate(m)为储能电池的额定容量；

步骤302：电池储能单元运行过程中SOC_m(t)的取值应满足：

SOC_m、min<＝SOC_m(t)<＝SOC_m、max，

其中，SOC_m、max和SOC_m、min分别是额定容量为E_rate(m)储能系统的允许荷电状态上限和下限；储能系统充放电过程中，若按理论出力后t+Δt时刻SOC_m(t+Δt)<SOC_m、min，则t～t+Δt时间内储能单元的放电电量为ΔE_store(m)＝E_rate(m)*[SOC_m(t)-SOC_m、min]*η_m、d，若按理论出力后t+Δt时刻：SOC_m(t+Δt)>SOC_m、max，则t～t+Δt时间内储能单元的充电电量为ΔE_store(m)＝E_rate(m)*[SOC_m、max-SOC_m(t)]/η_m、c；

步骤303：分别设定SOC_m、1和SOC_m、2分别是额定容量为E_rate(m) 储能电池SOC的超限下限阈值、上限阈值，其中：

0<SOC_m、min<SOC_m、1<SOC_m、2<SOC_m、max<1

额定容量为E_rate(m)储能系统处于[SOC_m、1，SOC_m、2]区间内为最优运行状态，当处于[SOC_m、min，SOC_m、1]或[SOC_m、2，SOC_m、max]区间内为超限预警状态，储能系统将处于自恢复状态，降功率运行，直至恢复最优运行区间。

作为优选方案之二，所述储能系统额定功率的配置方法包括如下过程：

步骤201：在设定周期内，计算某一时刻储能系统出力为 P(t)＝P_a(t)-P_g(t)；

步骤202：计算储能系统的充放电功率：

P_m、c(t)＝max[-P_m、max，P_a(t)-P_g(t)]，

P_m、d(t)＝min[P_m、max，P_a(t)-P_g(t)]；

步骤203：计算储能单元的额定功率P_rate(m)：

P_rate(m)＝max{P_m、d(t)/η_m、d，P_m、c(t)*η_m、c}

步骤204：判断计算区间的起始时刻和结束时刻是否满足约束：

|P_a(t₁)-P_g(t₁)|≥P_d1

|P_a(t₂)-P_g(t₂)|≤P_d2

步骤205：判断实际出力和设点出力之间的差值始终小于一定阈值，储能充放电功率约束表示为：

其中，P_a(t)是t时刻AGC的指令值；P_g(t)是t时刻机组的出力值；η_m、_d是额定容量为E_rate(m)的储能系统放电效率，η_m、c是额定容量为E_rate(m)储能系统充电效率，P_d1为判断有效区间开始的阈值，P_d2为判断有效区间结束的阈值；t₁为判断有效区间的开始时刻；t₂为判断有效区间的结束时刻，const表示常数；P_d3为判断有效区间的阈值； P_m、max是额定容量为E_rate(m)的储能系统的极限充、放电功率。

作为进一步优选方案之一，使用额定容量为E_rate(m)的储能系统后，上述调节速率指标k_1m测得的方法为：

k_1m＝2-v_N/v

其中，P_Si和P_Ei分别为第i次调节过程开始和结束时刻的机组出力，T_Si和T_Ei分别为第i次调节过程的开始和结束时刻；v_i为第i次调节的速率，v_i大于零时为机组升负荷调节，v_i小于零时为机组降负荷调节，v为n次调节的平均速率，v_N为机组标准调节速率，与机组类型有关。

作为进一步优选方案之二，使用额定容量为E_rate(m)的储能系统后，上述调节精度指标k_2m测得的方法为：

其中，P_i(t)为机组平稳运行阶段的出力；P_j为稳定区间内AGC 的指令值；T_Si和T_Ei分别为稳定区间的开始和结束时刻；P_N为机组的额定功率。

作为进一步优选方案之三，使用额定容量为E_rate(m)的储能系统后，上述响应时间指标k_3m测得的方法为：

响应时间是指机组能量管理系统发出指令后，机组出力在原出力点的基础上，跨出与“调节方向一致”的调节死区所用的时间，其中，ΔT为响应时间的平均值；T_N为响应时间基准值。

本发明解决了储能辅助火电机组调频中的参数优化配置问题，既满足了电网的需求，同时最大程度地降低储能接入的投资成本。

附图说明：

图1为本发明中储能系统容量配置流程图。

具体实施方式：

实施例：

如附图1所示，一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法，包括如下过程：

步骤1：设定储能系统容量初始值E_rate0，储能系统容量限值E“_rate，储能步长L，m初始值为0；

步骤2：根据t时刻AGC 指令，计算储能系统出力P(t)；

步骤3：E_rate(m)＝E_rate0+m*L，根据机组调节出力，分别计算该储能容量E_rate(m)下考核指标k_1m、k_2m、k_3m值，所述指标k_1m为调节速率指标，所述指标k_2m为调节精度指标，所述指标k_3m为响应时间指标；

步骤4：下一容量值选择循环m＝m+1；

步骤5：判断是否满足E_rate(m+1)＝E_rate(m)+L>E“_rate，如果满足，转步骤5，否则返回步骤1；

步骤6：k_1max＝max{k_1m}，k_2max＝max{k_2m}，k_3max＝max{k_3m}，k_1max、 k_2max、k_3max对应的储能系统容量分别为Q_BESS1、Q_BESS2、Q_BESS3，

步骤7：考虑储能辅助火电机组调频的经济性，储能系统最优配置容量Q_BESS取三者之间的最大值。即：

Q_BESS＝max{Q_BESS1，Q_BESS2，Q_BESS3}

所述步骤3还包括如下过程：

步骤301：某一时刻储能系统SOC_m(t)的表达式为：

充电状态：

放电状态：

其中，SOC_m(t)为t时段结束时额定容量为E_rate(m)的储能电池的剩余电量；SOC_m(t-1)为t-1时段结束时额定容量为E_rate(m)的储能电池的剩余电量；η_m、c、η_m、d分别是额定容量为E_rate(m)储能电池的充电效率、放电效率；E_rate(m)为储能电池的额定容量；

步骤302：电池储能单元运行过程中SOC_m(t)的取值应满足：

SOC_m、min<＝SOC_m(t)<＝SOC_m、max，

其中，SOC_m、max和SOC_m、min分别是额定容量为E_rate(m)储能系统的允许荷电状态上限和下限；储能系统充放电过程中，若按理论出力后t+Δt时刻SOC_m(t+Δt)<SOC_m、min，则t～t+Δt时间内储能单元的放电电量为ΔE_store(m)＝E_rate(m)*[SOC_m(t)-SOC_m、min]*η_m、d，若按理论出力后t+Δt时刻：SOC_m(t+Δt)>SOC_m、max，则t～t+Δt时间内储能单元的充电电量为ΔE_store(m)＝E_rate(m)*[SOC_m、max-SOC_m(t)]/η_m、c；

步骤303：分别设定SOC_m、1和SOC_m、2分别是额定容量为E_rate(m) 储能电池SOC的超限下限阈值、上限阈值，其中：

0<SOC_m、min<SOC_m、1<SOC_m、2<SOC_m、max<1

额定容量为E_rate(m)储能系统处于[SOC_m、1，SOC_m、2]区间内为最优运行状态，当处于[SOC_m、min，SOC_m、1]或[SOC_m、2，SOC_m、max]区间内为超限预警状态，储能系统将处于自恢复状态，降功率运行，直至恢复最优运行区间。

所述储能系统额定功率的配置方法包括如下过程：

步骤201：在设定周期内，计算某一时刻储能系统出力为 P(t)＝P_a(t)-P_g(t)；

步骤202：计算储能系统的充放电功率：

P_m、c(t)＝max[-P_m、max,P_a(t)-P_g(r)],

P_m、d(t)＝min[P_m、max，P_a(t)-P_g(t)]；

步骤203：计算储能单元的额定功率P_rate(m)：

P_rate(m)＝max{P_m、d(t)/η_m、d，P_m、c(t)*η_m、c}

步骤204：判断计算区间的起始时刻和结束时刻是否满足约束：

|P_a(t₁)-P_g(t₁)|≥P_d1

|P_a(t₂)-P_g(t₂)|≤P_d2

步骤205：判断实际出力和设点出力之间的差值始终小于一定阈值，储能充放电功率约束表示为：

其中，P_a(t)是t时刻AGC的指令值；P_g(t)是t时刻机组的出力值；η_m、d是额定容量为E_rate(m)的储能系统放电效率，η_m、c是额定容量为E_rate(m)储能系统充电效率，P_d1为判断有效区间开始的阈值，P_d2为判断有效区间结束的阈值；t₁为判断有效区间的开始时刻；t₂为判断有效区间的结束时刻，const表示常数；P_d3为判断有效区间的阈值； P_m、max是额定容量为E_rate(m)的储能系统的极限充、放电功率。

使用额定容量为E_rate(m)的储能系统后，上述调节速率指标k_1m测得的方法为：

k_1m＝2-v_N/v

其中，P_Si和P_Ei分别为第i次调节过程开始和结束时刻的机组出力，T_Si和T_Ei分别为第i次调节过程的开始和结束时刻；v_i为第i次调节的速率，v_i大于零时为机组升负荷调节，v_i小于零时为机组降负荷调节，v为n次调节的平均速率，v_N为机组标准调节速率，与机组类型有关。

使用额定容量为E_rate(m)的储能系统后，上述调节精度指标k_2m测得的方法为：

其中，P_i(t)为机组平稳运行阶段的出力；P_j为稳定区间内AGC 的指令值；T_Si和T_Ei分别为稳定区间的开始和结束时刻；P_N为机组的额定功率。

使用额定容量为E_rate(m)的储能系统后，上述响应时间指标k_3m测得的方法为：

响应时间是指机组能量管理系统发出指令后，机组出力在原出力点的基础上，跨出与“调节方向一致”的调节死区所用的时间，其中，ΔT 为响应时间的平均值；T_N为响应时间基准值。

Claims (6)

1.一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法，其特征在于，过程如下：

以调节速率、调节精度、响应时间为目标，根据电网AGC指令，以固定步长逐渐增加储能的容量；计算出不同储能容量下系统的调节速率、调节精度、响应时间的值；得到调节速率最大值对应的储能系统容量Q_BESS1、调节精度最大值对应的储能系统容量Q_BESS2、响应时间最大值对应的储能系统容量Q_BESS3；最后，考虑储能辅助火电机组调频的经济性，储能系统最优配置容量Q_BESS取Q_BESS1、Q_BESS2、Q_BESS3之间的最大值；具体包括如下过程：

步骤1：设定储能系统容量初始值E_rate0，储能系统容量限值E“_rate，储能步长L，m初始值为0；

步骤2：根据t时刻AGC 指令，计算储能系统出力P(t)；

步骤3：E_rate(m)＝E_rate0+m*L，根据机组调节出力，分别计算该储能容量E_rate(m)下考核指标k_1m、k_2m、k_3m值，所述指标k_1m为调节速率指标，所述指标k_2m为调节精度指标，所述指标k_3m为响应时间指标；

步骤4：下一容量值选择循环m＝m+1；

步骤5：判断是否满足E_rate(m+1)＝E_rate(m)+L>E“_rate，如果满足，转步骤6，否则返回步骤2；

步骤6：k_1max＝max{k_1m}，k_2max＝max{k_2m}，k_3max＝max{k_3m}，k_1max、k_2max、k_3max对应的储能系统容量分别为Q_BESS1、Q_BESS2、Q_BESS3，

步骤7：考虑储能辅助火电机组调频的经济性，储能系统最优配置容量Q_BESS取三者之间的最大值，即：

Q_BESS＝max{Q_BESS1，Q_BESS2，Q_BESS3}。

2.根据权利要求1所述的一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法，其特征在于，所述步骤3还包括如下过程：

步骤301：某一时刻储能系统SOC_m(t)的表达式为：

充电状态:

放电状态：

其中，SOC_m(t)为t时段结束时额定容量为E_rate(m)的储能电池的剩余电量；SOC_m(t-1)为t-1时段结束时额定容量为E_rate(m)的储能电池的剩余电量；η_m、c、η_m、d分别是额定容量为E_rate(m)储能电池的充电效率、放电效率；E_rate(m)为储能电池的额定容量；

步骤302：电池储能单元运行过程中SOC_m(t)的取值应满足：

SOC_m、min<＝SOC_m(t)<＝SOC_m、max，

其中，SOC_m、max和SOC_m、min分别是额定容量为E_rate(m)储能系统的允许荷电状态上限和下限；储能系统充放电过程中，若按理论出力后t+Δt时刻SOC_m(t+Δt)<SOC_m、min，则t～t+Δt时间内储能单元的放电电量为ΔE_store(m)＝E_rate(m)*[SOC_m(t)-SOC_m、min]*η_m、d，若按理论出力后t+Δt时刻：SOC_m(t+Δt)>SOC_m、max，则t～t+Δt时间内储能单元的充电电量为ΔE_store(m)＝E_rate(m)*[SOC_m、max-SOC_m(t)]/η_m、c；

步骤303：分别设定SOC_m、1和SOC_m、2分别是额定容量为E_rate(m)储能电池SOC的超限下限阈值、上限阈值，其中：

0<SOC_m、min<SOC_m、1<SOC_m、2<SOC_m、max<1

额定容量为E_rate(m)储能系统处于[SOC_m、1，SOC_m、2]区间内为最优运行状态，当处于[SOC_m、min，SOC_m、1]或[SOC_m、2，SOC_m、max]区间内为超限预警状态，储能系统将处于自恢复状态，降功率运行，直至恢复最优运行区间。

3.根据权利要求1所述一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法，其特征在于，所述储能系统额定功率的配置方法包括如下过程：

步骤201：在设定周期内，计算某一时刻储能系统出力为P(t)＝P_a(t)-P_g(t)；

步骤202：计算储能系统的充放电功率：

P_m、c(t)＝max[-P_m、max，P_a(t)-P_g(t)]，

P_m、d(t)＝min[P_m、max，P_a(t)-P_g(t)]，

步骤203：计算储能单元的额定功率P_rate(m)：

P_rate(m)＝max{P_m、d(t)/η_m、d，P_m、c(t)*η_m、c}

步骤204：判断计算区间的起始时刻和结束时刻是否满足约束：

|P_a(t₁)-P_g(t₁)|≥P_d1

|P_a(t₂)-P_g(t₂)|≤P_d2

步骤205：判断实际出力和设点出力之间的差值始终小于一定阈值，储能充放电功率约束表示为：

其中，P_a(t)是t时刻AGC的指令值；P_g(t)是t时刻机组的出力值；η_m、d是额定容量为E_rate(m)的储能系统放电效率，η_m、c是额定容量为E_rate(m)储能系统充电效率，P_d1为判断有效区间开始的阈值，P_d2为判断有效区间结束的阈值；t₁为判断有效区间的开始时刻；t₂为判断有效区间的结束时刻，const表示常数；P_d3为判断有效区间的阈值；P_m、max是额定容量为E_rate(m)的储能系统的极限充、放电功率。

4.根据权利要求1-3任何一项所述一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法，其特征在于，使用额定容量为E_rate(m)的储能系统后所述调节速率指标k_1m测得的方法为：

k_1m＝2-v_N/v

其中，P_Si和P_Ei分别为第i次调节过程开始和结束时刻的机组出力，T_Si和T_Ei分别为第i次调节过程的开始和结束时刻；v_i为第i次调节的速率，v_i大于零时为机组升负荷调节，v_i小于零时为机组降负荷调节，v为n次调节的平均速率，v_N为机组标准调节速率，与机组类型有关。

5.根据权利要求1-3任何一项所述一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法，其特征在于，使用额定容量为E_rate(m)的储能系统后所述调节精度指标k_2m测得的方法为：

其中，P_i(t)为机组平稳运行阶段的出力；P_j为稳定区间内AGC的指令值；T_Si和T_Ei分别为稳定区间的开始和结束时刻；P_N为机组的额定功率。

6.根据权利要求1-3任何一项所述一种储能辅助火电机组调频的容量配置方法，其特征在于，使用额定容量为E_rate(m)的储能系统后所述响应时间指标k_3m测得的方法为：

响应时间是指机组能量管理系统发出指令后，机组出力在原出力点的基础上，跨出与“调节方向一致”的调节死区所用的时间，其中，ΔT为响应时间的平均值；T_N为响应时间基准值。

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