CN108054769B - 一种面向电网一次调频的电池储能系统控制策略 - Google Patents

一种面向电网一次调频的电池储能系统控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向电网一次调频的电池储能系统控制策略，包括以下步骤：S1：建立电池储能系统参与电网一次调频的控制架构：将储能电池通过变流器、变压器接入电力系统公共连接点，用以应对电网出现扰动时的频率波动；S2：计算电网对电池储能系统的调频需求：S3：设计储能电池SOC精细化管理的控制策略：满足电网调频需求的基础上设计电池储能系统的功率控制策略，将储能电池SOC划分为禁用区、运行区和待机区，通过实时采集电网频率f(t)以及储能电池SOC值δSOC(t)，确定t时段电池储能系统控制模式，并结合需求功率Porder(t)确定实际充放电功率Pact(t)。

Description

一种面向电网一次调频的电池储能系统控制策略
技术领域
本发明涉及电网控制技术领域，尤其涉及一种面向电网一次调频的电池储能系统控制策略。
背景技术
随着化石能源短缺以及雾霾为代表的环境污染问题日益严峻，节能减排、大力发展清洁能源迫在眉睫。容量占比不断提升的可再生能源挤占了常规火电机组的发电空间，导致常规机组并网数量减少从而造成系统一次调频能力下降。另一方面，就是这下降的一次调频能力在轻微频率波动下表现的中规中矩，但是在频率波动剧烈的情况下其控制性能问题凸显。此外，由于我国特高压交直流输电工程稳步推进，多条特高压交直流输电线路相继投入运行且输送功率规模日渐提升，从而导致单一元件故障发生概率以及功率缺额数量进一步增加。以上几方面因素相互叠加，频率控制的“攻防”两端此消彼长，可谓是祸不单行，导致电力系统频率控制问题愈发显著。
储能技术具有快速响应、精确跟踪等特性，在大规模间歇性新能源并网引发的频率控制问题高启的背景下正逐步在电力系统调频领域实现规模化应用。相关政策积极鼓励各类主体按照市场化原则投资运营接入电网的储能系统，允许储能系统作为独立主体参与辅助服务交易。国内外规模化电池储能调频示范项目正在积极开展，然而对于电池储能系统(Battery energy storage system,BESS)参与一次调频相关控制策略并未深入探讨。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种面向电网一次调频的电池储能系统控制策略，具体包括以下步骤：
S1：建立电池储能系统参与电网一次调频的控制架构：将储能电池通过变流器、变压器接入电力系统公共连接点，用以应对电网出现扰动时的频率波动；根据实时频率f以及电池储能系统的功率频率特性计算电网对电池储能系统的需求功率Porder，再结合储能系统SOC确定实际充放电功率Pact；
S2：计算电网对电池储能系统的调频需求：模拟传统同步发电机组下垂控制，即根据电网频率偏差和自身功率频率特性确定出力需求，在满足电网技术规范的前提下，根据实时频率f(t)计算功率频率特性系数有效值Kess，根据功率频率特性系数有效值Kess确定出力需求Porder(t)；
S3：设计储能电池SOC精细化管理的控制策略：满足电网调频需求的基础上设计电池储能系统的功率控制策略，将储能电池SOC划分为禁用区、运行区和待机区，通过实时采集电网频率f(t)以及储能电池SOC值δSOC(t)，确定t时段电池储能系统控制模式，并结合需求功率Porder(t)确定实际充放电功率Pact(t)。
所述功率频率特性系数有效值Kess采用如下方式获取：
其中：Prate为BESS额定功率，f(t)为实时频率，f0为额定频率，fdb为一次调频死区；
所述电网对电池储能系统的需求功率Porder(t)采用如下方式获取：
其中：f(t)＜f0时，Porder(t)＞0，储能电池放电；当f(t)＞f0时，Porder(t)＜0，储能电池充电。
设计电池储能系统的功率控制策略时首先设定电池储能系统工作状态的五种模式，每种模式下采用如下控制策略：
调频模式：当频率f(t)＜49.967Hz且δSOC(t)＞δSOC,min时，电池储能系统放电遏制频率下降；当频率f(t)＞50.033Hz且δSOC(t)＜δSOC,max时，电池储能系统充电遏制频率上升，t时段调频需求功率Porder(t)由式(2)计算得到，实际充放电功率Pact(t)＝Porder(t)；
经济惩罚：当频率f(t)＜49.967Hz且δSOC(t)＝δSOC,min时，由于SOC达到最低限制而难以提供调频服务；当频率f(t)＞50.033Hz且δSOC(t)＝δSOC,max时，由于SOC达到最高限制而难以提供调频服务，充放电功率Pact(t)＝0，偏差功率为ΔPPFR(t)＝-Porder(t)，根据偏差电量接受经济惩罚；
购电模式：当49.967Hz≤f(t)≤50.033Hz且δSOC,min＜δSOC(t)＜δSOC,low时，电网需求功率Porder(t)＝0，电池储能系统以购电功率Pbuy自电网购电，充电功率Pact(t)＝Pbuy，根据购电量支付购电费用；
售电模式：当49.967Hz≤f(t)≤50.033Hz且δSOC,high＜δSOC(t)＜δSOC,max时，电网需求功率Porde(rt)＝0，电池储能系统以售电功率Psell向电网售电，放电功率Pact(t)＝Pse，ll根据售电量获取经济收益；
待机模式：当49.967Hz≤f(t)≤50.033Hz且δSOC,low≤δSOC(t)≤δSOC,high时，电池储能系统处于待机模式，既不参与调频运行，也无需进行购售电操作，此时Pact(t)＝0。
本发明提供的一种面向电网一次调频的电池储能控制策略，优点在于：能够在满足电网调频需求的基础上，实现储能电池的精细化管理。既能够应对电网出现扰动时的频率波动，也能够在频率处于死区范围内进行购售电交易使SOC动态恢复至待机范围，从而保障电池储能系统应对频率波动的双向调节裕度。该控制策略能够降低电池老化衰减速率，有利于降低电池更换成本，提高电池储能系统全寿命周期净现值收益。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中面向电网一次调频的BESS控制架构的结构示意图；
图2为本发明中电池储能系统的功率-频率特性原理图
图3为本发明中储能电池SOC分区示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-图3所示的一种面向电网一次调频的电池储能系统控制策略，包括储能参与电网一次调频的控制架构、电网对BESS的调频需求计算以及对储能电池SOC精细化管理的控制策略。具体包括以下步骤：
1、储能参与电网一次调频的控制架构
(1)BESS参与电网一次调频的控制架构如图1所示。设备层面，储能电池通过变流器、变压器接入电力系统公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)，用以应对电网出现扰动时的频率波动。
(2)控制层面，根据实时频率f以及BESS功率-频率特性计算电网对BESS的需求功率Porder。
(3)依据BESS功率控制策略，通过监测储能电池SOC及实时频率f，结合需求功率Porder确定实际充放电功率Pact。
2、电网对BESS的调频需求计算
(4)电网对BESS参与一次调频的功率需求计算主要是模拟传统同步发电机组下垂控制，即根据电网频率偏差和自身功率-频率特性确定出力需求。BESS参与电网一次调频的功率-频率特性如图2所示。
(5)为避免BESS不必要的频繁动作，减缓设备老化，BESS在一次调频死区±fdb范围内不提供调频服务。此外，由于BESS存在最大功率约束，其功率-频率特性具有分段线性特征。
(6)分析我国电网历史频率信息可知，超过99.99％的时间均能保持在额定频率f0±0.2Hz内，故本文设定：fdb＝0.033Hz，频率偏差在0.033～0.2Hz范围时，BESS出力随频率偏差线性变化，频差为0.2Hz时要求出力达到额定功率。
(7)BESS功率-频率特性系数有效值Kess与实时频率f(t)的关系如式(1)所示。若BESS额定功率Prate为10MW，频率偏差在0.033～0.2Hz范围内Kess＝60MW/H；z超过0.2Hz后由于储能功率达到额定值，Kess随着频差增大而减小。
(8)电网对BESS的需求功率与频率之间的函数关系如式(2)所示。当f(t)＜f0时，Porder(t)＞0，储能放电；当f(t)＞f0时，Porder(t)＜0，储能充电。
3、储能电池SOC精细化管理的控制策略
(9)BESS功率控制的核心是在满足电网调频需求的基础上，对储能电池精细化管理，SOC分区示意图如图3所示，包括禁用区、运行区和待机区。
(10)电池深度充放会加速其性能衰退，因此在BESS运行过程中要求SOC保持在δSOC,min～δSOC,max范围，满足10％≤δSOC,min＜δSOC,max≤90％。
(11)为了确保BESS具备应对频率升高或下降的双向调频能力，允许其在频率死区范围内与电网进行购售电交易，使SOC恢复至待机区间，即δSOC,low～δSOC,high。
(12)通过实时采集电网频率f(t)以及储能电池SOC值δSOC(t)，确定t时段BESS控制模式，并结合需求功率Porder(t)确定实际充放电功率Pact(t)。
BESS功率控制的具体策略包括以下几部分。
(13)调频模式。当频率f(t)＜49.967Hz且δSOC(t)＞δSOC,min时，BESS放电遏制频率下降；当频率f(t)＞50.033Hz且δSOC(t)＜δSOC,max时，BESS充电遏制频率上升。t时段调频需求功率Porder(t)由式(2)计算得到，充放电功率Pact(t)＝Porder(t)。
(14)经济惩罚。当频率f(t)＜49.967Hz且δSOC(t)＝δSOC,min时，由于SOC达到最低限制而难以提供调频服务；当频率f(t)＞50.033Hz且δSOC(t)＝δSOC,max时，由于SOC达到最高限制而难以提供调频服务。充放电功率Pact(t)＝0，偏差功率为ΔPPFR(t)＝-Porder(t)，根据偏差电量接受经济惩罚。
(15)购电模式。当49.967Hz≤f(t)≤50.033Hz且δSOC,min＜δSOC(t)＜δSOC,low时，电网需求功率Porder(t)＝0。BESS以购电功率Pbuy自电网购电，充电功率Pact(t)＝Pbuy，根据购电量支付购电费用。
(16)售电模式。当49.967Hz≤f(t)≤50.033Hz且δSOC,high＜δSOC(t)＜δSOC,max时，电网需求功率Porder(t)＝0。BESS以售电功率Psell向电网售电，放电功率Pact(t)＝Psell，根据售电量获取经济收益。
(17)待机模式。当49.967Hz≤f(t)≤50.033Hz且δSOC,low≤δSOC(t)≤δSOC,high时，BESS处于待机模式，既不参与调频运行，也无需进行购售电操作，此时Pact(t)＝0。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种面向电网一次调频的电池储能系统控制策略，其特征在于：包括以下步骤：
S1：建立电池储能系统参与电网一次调频的控制架构：将储能电池通过变流器、变压器接入电力系统公共连接点，用以应对电网出现扰动时的频率波动；根据实时频率f以及电池储能系统的功率频率特性计算电网对电池储能系统的需求功率Porder，再结合储能系统SOC确定实际充放电功率Pact；
S2：计算电网对电池储能系统的调频需求：模拟传统同步发电机组下垂控制，即根据电网频率偏差和自身功率频率特性确定出力需求，在满足电网技术规范的前提下，根据实时频率f(t)计算功率频率特性系数有效值Kess，根据功率频率特性系数有效值Kess确定出力需求Porder(t)；
S3：设计储能电池SOC精细化管理的控制策略：满足电网调频需求的基础上设计储能电池的功率控制策略，将储能电池SOC划分为禁用区、运行区和待机区，通过实时采集电网频率f(t)以及储能电池SOC值δSOC(t)，确定t时段电池储能系统控制模式，并结合需求功率Porder(t)确定实际充放电功率Pact(t)；
所述功率频率特性系数有效值Kess采用如下方式获取：
其中：Prate为BESS额定功率，f(t)为实时频率，f0为额定频率，fdb为一次调频死区；
所述电网对电池储能系统的需求功率Porder(t)采用如下方式获取：
其中：f(t)<f0时，Porder(t)>0，储能电池放电；当f(t)>f0时，Porder(t)<0，储能电池充电。
2.根据权利要求1所述的一种面向电网一次调频的电池储能系统控制策略，其特征还在于：设计电池储能系统的功率控制策略时首先设定电池储能系统工作状态的五种模式，每种模式下采用如下控制策略：
调频模式：当频率f(t)<49.967Hz且δSOC(t)>δSOC,min时，电池储能系统放电遏制频率下降；当频率f(t)>50.033Hz且δSOC(t)<δSOC,max时，电池储能系统充电遏制频率上升，t时段调频需求功率Porder(t)由式(2)计算得到，实际充放电功率Pact(t)＝Porder(t)；
经济惩罚：当频率f(t)<49.967Hz且δSOC(t)＝δSOC,min时，由于SOC达到最低限制而难以提供调频服务；当频率f(t)>50.033Hz且δSOC(t)＝δSOC,max时，由于SOC达到最高限制而难以提供调频服务，充放电功率Pact(t)＝0，偏差功率为ΔPPFR(t)＝-Porder(t)，根据偏差电量接受经济惩罚；
购电模式：当49.967Hz≤f(t)≤50.033Hz且δSOC,min<δSOC(t)<δSOC,low时，电网需求功率Porder(t)＝0，电池储能系统以购电功率Pbuy自电网购电，充电功率Pact(t)＝Pbuy，根据购电量支付购电费用；
售电模式：当49.967Hz≤f(t)≤50.033Hz且δSOC,high<δSOC(t)<δSOC,max时，电网需求功率Porder(t)＝0，电池储能系统以售电功率Psell向电网售电，放电功率Pact(t)＝Psell，根据售电量获取经济收益；
待机模式：当49.967Hz≤f(t)≤50.033Hz且δSOC,low≤δSOC(t)≤δSOC,high时，电池储能系统处于待机模式，既不参与调频运行，也无需进行购售电操作，此时Pact(t)＝0。
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