CN108321822A - 一种基于储能电池的短期电网调频控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于储能电池的短期电网调频控制方法及系统，所述方法包括：根据超短期负荷确定频率偏移曲线；根据所述频率偏移曲线确定任意时刻的频率偏移；判断所述频率偏移的绝对值是否大于一次调频死区的绝对值，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值大于所述一次调频死区的绝对值，确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数；根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率。本发明能够提高储能电池容量利用率并最大化储能经济效益。

Description

一种基于储能电池的短期电网调频控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电网调频领域，特别是涉及一种基于储能电池的短期电网调频控制方法及系统。

背景技术

随着电力系统规模的扩大、负荷变化速率的提高、电力市场的深化以及新能源的大规模并网应用等，都给电力系统的调频带来了新的要求与挑战。传统机组参与电网调频存在响应慢、爬坡速率低等问题，而储能电池的精确控制、快速响应特性可以填补这些不足，将储能电池用于辅助电网调频受到广泛关注。如何在电网调频中发挥储能电池优势成为现今研究的热点问题。

现已有研究初步探索了储能参与调频的控制策略，但对与储能电池参与电网调频，未明确储能的控制模式，未深入分析储能动作过程。且以上研究都是即时调节，只根据当前负荷功率变化来确定储能系统的调节出力，并没有将负荷预测结果考虑进来。为了进一步优化储能控制策略，提高储能经济性。部分学者已将预测技术用于储能控制中，但是，现有的储能电池调频控制策略中一般都是给定SOC基准值(如0.5)，少有综合考虑储能电池SOC状态和电网调频需求；将负荷预测与储能电池参与调频相结合的研究也鲜见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于储能电池的短期电网调频控制方法及系统，提高储能电池容量利用率并最大化储能经济效益。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于储能电池的短期电网调频控制方法，所述短期电网调频控制方法包括：

根据超短期负荷确定频率偏移曲线；

根据所述频率偏移曲线确定任意时刻的频率偏移；

判断所述频率偏移的绝对值是否大于一次调频死区的绝对值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值大于所述一次调频死区的绝对值，确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数；

根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率。

可选的，所述根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率，具体包括：

判断所述频率偏移是否大于零，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述频率偏移大于零，确定单位调节因数为所述储能充电单位调节功率因数；

若所述第二判断结果表示所述频率偏移小于等于零，确定单位调节因数为所述储能放电单位调节功率因数；

根据所述单位调节因数和所述频率偏移确定所述储能电池的实际输出功率，具体公式为：ΔP_b＝-K·Δf；其中，ΔP_b为储能电源的实际输出功率，K为单位调节因数，Δf为频率偏移。

可选的，所述短期电网调频控制方法还包括：

若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值小于等于所述一次调频死区的绝对值，确定荷电状态基准值；

根据所述荷电状态基准值确定储能电池在储能恢复阶段的功率贡献值。

可选的，所述确定荷电状态基准值，具体包括：

判断所述频率偏移在所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率是否大于零，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示所述频率偏移在所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率大于零，根据公式计算荷电状态基准值；

其中，SOC_refn为荷电状态基准值，SOC_min为储能SOC的最小值，SOC_n-1为(n-1)阶段结束后的荷电状态值，一个阶段包括一个储能恢复阶段和一个储能调频阶段，P_maxΔJ_n为预测储能调频贡献量，γK_maxf_dΔI_n为预测储能容量恢复量，E_max为储能最大容量，P_max为储能最大输出功率，ΔI_n为第n个储能恢复阶段的储能恢复时长，ΔJ_n为第n个储能调频阶段的储能调频动作时长，K_max为储能最大单位调节功率系数，f_d为一次调频死区频率，γ为储能恢复敏感系数；

若所述第三判断结果表示频率偏移在所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率小于等于零，根据公式计算荷电状态基准值；

其中，SOC_max为储能SOC的最大值。

可选的，所述根据所述荷电状态基准值确定储能电池在储能恢复阶段的功率贡献值，具体包括：

判断所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率是否大于零，得到第四判断结果；

若所述第四判断结果表示所述所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率大于零，判断预测储能调频贡献量是否小于预测储能容量恢复量，得到第五判断结果；

若所述第五判断结果表示所述预测储能调频贡献量小于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输出功率；

其中，P_disch为储能电池的输出功率，为死区裕度，f_d为一次调频死区频率；

若所述第五判断结果表示所述预测储能调频贡献量大于等于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输出功率。

可选的，所述短期电网调频控制方法还包括：

若所述第四判断结果表示所述所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率大于零，判断预测储能调频贡献量是否小于预测储能容量恢复量，得到第六判断结果；

若所述第六判断结果表示所述预测储能调频贡献量小于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输入功率；

其中，P_ch为储能电池的输入功率；

若所述第六判断结果表示所述预测储能调频贡献量大于等于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输入功率。

可选的，所述确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数，具体包括：

当SOC处于[0，SOC_min]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

当SOC处于[SOC_min，SOC_low]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

当SOC处于[SOC_low，SOC_high]范围内时，根据公式K_ch＝K_disch＝K_max计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

当SOC处于[SOC_high，SOC_max]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

当SOC处于[SOC_maxx,1]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

其中，K_disch为储能放电单位调节功率因数，K_ch为储能充电单位调节功率因数，SOC_high为储能电池工作最佳荷电状态上限，SOC_low为储能电池工作最佳荷电状态下限。

一种基于储能电池的短期电网调频控制系统，包括：

频率偏移曲线确定模块，用于根据超短期负荷确定频率偏移曲线；

任意时刻的频率偏移确定模块，用于根据所述频率偏移曲线确定任意时刻的频率偏移；

第一结果判断模块，用于判断所述频率偏移的绝对值是否大于一次调频死区的绝对值，得到第一判断结果；

储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数确定模块，用于若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值大于所述一次调频死区的绝对值，确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数；

储能电池的实际输出功率确定模块，用于根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过对储能参与电网快速调频进行研究，提出了储能参与调频自适应出力策略，可在符合调频要求的前提下有效控制储能SOC状态，防止储能电池出现过充过放现象，延长储能电池使用寿命；随后将超短期负荷预测应用于储能控制中，提出了动态SOC基准储能恢复策略，使储能电池在系统一次调频死区内针对性的进行容量恢复，在调频任务阶段可以显著提高储能的调频贡献容量，从而提高储能电池容量利用率并最大化储能经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于储能电池的短期电网调频控制方法的实施例1的流程图；

图2为本发明基于储能电池的短期电网调频控制方法的实施例2的流程图；

图3为本发明基于储能电池的短期电网调频控制系统的结构图；

图4为功率与频率偏移的静态特性；

图5本发明方法的步骤流程图；

图6为储能工作时间区域划分图；

图7为频率偏移曲线与储能工作状态识别图；

图8为储能电池充放电功率曲线图；

图9为含储能电池的区域电网调频动态模型图；

图10为0.002p.u.阶跃负荷扰动系统频率偏差图；

图11为0.002p.u.阶跃负荷扰动储能SOC变化图；

图12为连续负荷扰动曲线图；

图13为连续负荷扰动下系统频率变化曲线图；

图14为连续负荷扰动下储能出力曲线图；

图15为连续负荷扰动下SOC变化曲线图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种考虑超短期负荷预测的储能电池参与电网快速调频控制策略，通过分析超短期负荷预测与计划运行曲线的关系，提前研判短时内负荷变化需求，提出了动态SOC基准储能容量恢复策略，使储能电池在系统一次调频死区内针对性的进行容量恢复，提高储能电池容量利用率并最大化储能经济效益。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于储能电池的短期电网调频控制方法的流程图，如图1所示，所述短期电网调频控制方法包括：

步骤101：根据超短期负荷确定频率偏移曲线。

步骤102：根据所述频率偏移曲线确定任意时刻的频率偏移。

步骤103：判断所述频率偏移的绝对值是否大于一次调频死区的绝对值，得到第一判断结果。

步骤104：若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值大于所述一次调频死区的绝对值，确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数。

步骤105：根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率。

图2为本发明基于储能电池的短期电网调频控制方法的流程图，如图2所示，所述短期电网调频控制方法包括：

步骤201：根据超短期负荷确定频率偏移曲线。

步骤202：根据所述频率偏移曲线确定任意时刻的频率偏移。

步骤203：判断所述频率偏移的绝对值是否大于一次调频死区的绝对值，得到第一判断结果。

步骤204：若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值大于所述一次调频死区的绝对值，确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数；具体包括：

步骤2041：当SOC处于[0，SOC_min]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数。

步骤2042：当SOC处于[SOC_min，SOC_low]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数。

步骤2043：当SOC处于[SOC_low，SOC_high]范围内时，根据公式K_ch＝K_disch＝K_max计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数。

步骤2044：当SOC处于[SOC_high，SOC_max]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数。

步骤2045：当SOC处于[SOC_maxx,1]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

其中，，K_disch为储能放电单位调节功率因数，K_ch为储能充电单位调节功率因数，SOC_high为储能电池工作最佳荷电状态上限，SOC_low为储能电池工作最佳荷电状态下限。

步骤205：根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率，具体包括：

2051：判断所述频率偏移是否大于零，得到第二判断结果。

2052：若所述第二判断结果表示所述频率偏移大于零，确定单位调节因数为所述储能充电单位调节功率因数。

2053：若所述第二判断结果表示所述频率偏移小于等于零，确定单位调节因数为所述储能放电单位调节功率因数。

2054：根据所述单位调节因数和所述频率偏移确定所述储能电池的实际输出功率，具体公式为：ΔP_b＝-K·Δf；其中，ΔP_b为储能电源的实际输出功率，K为单位调节因数，Δf为频率偏移。

步骤206：若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值小于等于所述一次调频死区的绝对值，确定荷电状态基准值；具体包括以下步骤：

步骤2061：判断所述频率偏移在所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率是否大于零，得到第三判断结果。

步骤2062：若所述第三判断结果表示所述频率偏移在所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率大于零，根据公式

计算荷电状态基准值。

其中，SOC_refn为荷电状态基准值，SOC_min为储能SOC的最小值，SOC_n-1为(n-1)阶段结束后的荷电状态值，一个阶段包括一个储能恢复阶段和一个储能调频阶段，P_maxΔJ_n为预测储能调频贡献量，γK_maxf_dΔI_n为预测储能容量恢复量，E_max为储能最大容量，P_max为储能最大输出功率，ΔI_n为第n个储能恢复阶段的储能恢复时长，ΔJ_n为第n个储能调频阶段的储能调频动作时长，K_max为储能最大单位调节功率系数，f_d为一次调频死区频率，γ为储能恢复敏感系数；

步骤2063：若所述第三判断结果表示频率偏移在所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率小于等于零，根据公式计算荷电状态基准值；其中，SOC_max为储能SOC的最大值。

步骤207：根据所述荷电状态基准值确定储能电池在储能恢复阶段的功率贡献值，具体包括：

步骤2071：判断所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率是否大于零，得到第四判断结果。

步骤2072：若所述第四判断结果表示所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率大于零，判断预测储能调频贡献量是否小于预测储能容量恢复量，得到第五判断结果。

步骤2073：若所述第五判断结果表示所述预测储能调频贡献量小于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输出功率；其中，P_disch为储能电池的输出功率，为死区裕度，f_d为一次调频死区。

步骤2074：若所述第五判断结果表示所述预测储能调频贡献量大于等于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输出功率。

步骤2075：若所述第四判断结果表示所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率大于零，判断预测储能调频贡献量是否小于预测储能容量恢复量，得到第六判断结果。

步骤2076：若所述第六判断结果表示所述预测储能调频贡献量小于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输入功率；其中，P_ch为储能电池的输入功率。

步骤2077：若所述第六判断结果表示所述预测储能调频贡献量大于等于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输入功率。

图3为本发明基于储能电池的短期电网调频控制系统的结构图；如图3所示，所述短期电网调频控制系统包括：

频率偏移曲线确定模块301，用于根据超短期负荷确定频率偏移曲线；

任意时刻的频率偏移确定模块302，用于根据所述频率偏移曲线确定任意时刻的频率偏移；

第一结果判断模块303，用于判断所述频率偏移的绝对值是否大于一次调频死区的绝对值，得到第一判断结果；

储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数确定模块304，用于若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值大于所述一次调频死区的绝对值，确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数；

储能电池的实际输出功率确定模块305，用于根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率。

本发明通过对储能参与电网快速调频进行研究，提出了储能参与调频自适应出力策略，可在符合调频要求的前提下有效控制储能SOC状态，防止储能电池出现过充过放现象，延长储能电池使用寿命；随后将超短期负荷预测应用于储能控制中，提出了动态SOC基准储能恢复策略，使储能电池在系统一次调频死区内针对性的进行容量恢复，在调频任务阶段可以显著提高储能的调频贡献容量，从而提高储能电池容量利用率并最大化储能经济效益。

下面详细描述本发明的具体实施过程。所示基于储能电池的短期电网调频控制方法包括：

步骤1：根据超短期负荷预测得到频率偏移曲线，结合一次调频死区确定储能动作阶段。如图4所示，首先有超短期负荷预测的结果，然后根据一次调频范围内下垂特性，由负荷偏移量大概确定频率偏移量。功率和频率偏差满足下列公式：ΔP＝-K·Δf，其中ΔP为功率变化量。

根据超短期负荷预测得到频率偏移曲线Δf，在此基础上，结合一次调频死区±f_d可得到储能恢复开始时间点和储能恢复结束时间点，即和系统时间可以被分为两个类型的区间，如图6所示，当|Δf|≤|f_d|时，储能工作在恢复时间段，当|Δf|>|f_d|时，储能工作在调频时间段。储能动作阶段定义如下：

储能恢复阶段：

储能调频阶段：

图6中为储能时刻SOC状态值。

步骤2：通过分析频率偏移所属区域，确定储能工作状态，如储能工作在恢复阶段，进入步骤3；如储能工作在调频阶段，进入步骤5。

通过分析频率偏移所属区域，结合储能动作阶段，从而确定储能工作状态，如图7所示，具体确定方法如下：

(1)储能在调频阶段J_n且Δf>0，采用自适应性充电模式；

(2)储能在调频阶段J_n且Δf<0，采用自适应性放电模式；

(3)储能在恢复阶段I_n且采用储能SOC恢复放电模式；

(4)储能在恢复阶段I_n且采用储能SOC恢复充电模式。

其中，所述频率偏移所属区域，分别为频率上调区域(Δf<-f_d)、一次调频死区(-f_d≤Δf≤f_d)、频率下调区域(Δf>-f_d)。

步骤3：设定储能恢复阶段的动态SOC基准值。所述储能恢复时段内储能SOC基准值SOC_refn设定如下：

动态SOC基准储能恢复放电模式下在I_n时段内储能SOC基准值满足：

动态SOC基准储能恢复充电模式下在I_n时段内储能SOC基准值满足：

其中，SOC_min为储能SOC最小值，SOC_max为储能SOC最大值，P_maxΔJ_n为预测储能调频贡献量，γK_maxf_dΔI_n为预测储能容量恢复量，E_max为储能最大容量。具体参数如下：P_max为储能最大输出功率，ΔI_n为储能恢复时长，ΔJ_n为储能调频动作时长，K_max为储能最大单位调节功率系数，f_d为一次调频死区频率，γ为储能恢复敏感系数。

步骤4：计算储能恢复阶段出力。所述储能恢复阶段出力原则：当E_c<E_r时，为降低储能恢复对频率的影响，将储能出力设置为恢复阶段预测平均值；当E_c≥E_r时，为尽可能达到SOC基准值，将储能出力设置为恢复阶段最大值。

所述储能恢复时段出力放电模式下储能输出功率P_disch为：

当E_c<E_r时，

当E_c≥E_r时，

所述充电模式下储能输入功率P_ch为：

当E_c<E_r时，

当E_c≥E_r时，

其中，定义预测储能调频贡献量E_c＝P_maxΔJ_n，预测储能容量恢复量E_r＝γK_maxf_dΔI_n，为死区裕度，为一个小于1的百分数。

步骤5：确定储能系统的单位调节功率系数；所述K_ch为储能充电单位调节功率因数、K_disch为储能放电单位调节功率因数，如图8所示，具体确定方式如下：

当SOC处于[0,SOC_min]范围内：

此时SOC不足，为避免储能电池因过放电而影响使用寿命，则设置：

当SOC处于[SOC_min,SOC_low]范围内：

此时SOC较差，为充分发挥储能电池的调频能力且防止过放电，将储能电池的单位调节功率表示成SOC的函数：

当SOC处于[SOC_low,SOC_high]范围内：

此时SOC适中，可应对不同功率需求，其上、下单位调节功率均为最大值K_max，K_ch＝K_disch＝K_max。

当SOC处于[SOC_high,SOC_max]范围内：

此时SOC较好，为充分发挥储能电池的调频能力且防止过充电，将储能电池的单位调节功率表示成SOC的函数：

当SOC处于[SOC_max,1]范围内：

其中，SOC_high、SOC_low为储能电池工作最佳荷电状态上、下限。

步骤F：计算储能调频阶段出力。

储能出力ΔP_b，即为储能电源的实际输出功率，其计算公式为：ΔP_b＝-K·Δf，其中，K为单位调节因数，当储能采用自适应性充电模式时，K＝K_ch，当采用自适应性放电模式时，K＝K_disch。

为了验证本发明，选取某区域电网作为研究对象，相应的调频动态模型如图9所示。图9中，ΔP_c(s)、ΔPL(s)、Δf(s)分别为二次调频给定值、负荷功率波动量、电网频率偏移量，Kg为常规机组一次调频的单位调节功率系数，K2为储能电池的单位调节功率系数，M和D分别为电网惯性时间常数和负荷阻尼系数。

G_b(s)为储能电池的一阶惯性模型，如下式：式中，T_b为其时间常数。

发电机组模型G_g(s)为调速器和再热汽轮机组的串联模型，G_gov(s)为火电机组调速器传递函数如下式：式中，T_g为调速器时间常数。

传统再热汽轮机传递函数如下式式中，T_CH、T_RH和F_HP分别为汽轮机时间常数、再热器时间常数和再热器增益。

对储能电池参与电网快速调频进行动态仿真，通过设置不同的扰动类型以及与传统的控制策略进行对比，以验证本文所提控制策略的有效性。仿真系统的参数设置如表1和表2所示。

表1仿真系统模型参数

表2控制策略的相关参数

设置好参数后，在MATLA2仿真下搭建该研究对象的仿真模型。从阶跃负荷和连续负荷两种典型扰动下进行仿真分析。通过阶跃负荷扰动来验证储能自适应出力策略的有效性，并与多种方法对比分析其保持SOC状态的优势性；通过连续负荷扰动来验证考虑负荷预测的储能恢复策略，并与常规储能恢复策略对比分析其提高储能容量利用率的效果。

本文从阶跃负荷和连续负荷两种典型扰动下进行仿真分析。对比分析无储能系统、自适应出力+动态SOC基准(下称本文策略)、自适应出力+静态SOC基准(下称策略1)、定K法(下称策略2)四种方法在两种工况下的调频效果、SOC保持效果、储能容量利用率，综合验证本文所提策略的有效性与优势性。

储能容量利用率η由下式确定：

式中，为调频阶段结束时刻对应的SOC值，为调频阶段开始时刻对应的SOC值。SOC_max为储能正常工作时的SOC最大值，SOC_min为储能正常工作时的SOC最小值。

所有储能电池初始SOC＝0.5，由于是阶跃负荷扰动，动态SOC基准值设定为最大值0.9，采用本文策略的储能电池将在一次调频死区内进行充电，为了仿真效果更加直观，本文选取仿真时间窗为0～100s，且将储能电池容量调整为1MW·15s，选取运用本文策略的储能电池充电至SOC＝0.85时刻作为仿真起始点。从仿真开始5s处设置一个幅值为0.002p.u.的阶跃负荷扰动，得到无储能、本文策略、常规策略1、常规策略2的频率偏移如图10所示，储能SOC变化如图11所示。

从图10、图11中可以看出，在阶跃负荷扰动加入前(0s～5s)，采用本文策略的系统频率由于储能SOC恢复作用而下降至一次调频死区边缘，同时储能SOC值上升。阶跃负荷扰动发生后(5s～100s)无储能系统频率下降至-0.0008p.u.，随后略有回升并稳定。含储能系统频率下降至-0.0007p.u.附近，仿真至40s时采用常规策略1的系统频率由于储能SOC限制导致储能出力减小而继续下降。仿真至90s时采用常规策略2的系统频率由于储能电量耗尽(SOC＝SOC_min)，储能出力为0，从而导致了频率的二次跌落。经过式(16)计算，本文策略的储能利用率为57.6％，常规策略1的储能利用率为33.2％，常规策略2的储能利用率为50％。采用本文方法使得储能贡献的调频容量更多，可以显著提高储能容量利用率，不但能保证储能经济运行，而且可以获得更好的调频效果，从而减少储能的容量配置需求。

为充分验证所提策略的有效性，本文设置了连续负荷扰动工况，由于超短期负荷预测精度高，因此忽略预测误差。连续负荷扰动曲线如图12所示，系统存在两个调频周期(I1+J1，I2+J2)，计算得到预测调频周期参数如表3所示。

表3预测调频周期参数

仿真得到无储能、本文策略、常规策略1、常规策略2，四种控制方法的系统频率变化曲线如图13所示。从图13中可以看出在储能恢复阶段I1和I2中系统频率一直维持在调频死区内(-f_d≤Δf≤f_d)。在调频阶段J1和J2的前一段时间(515s～760s、1761s～2215s)，三种含储能系统的频率偏移相同且比无储能系统的频率偏移小，即含储能系统的调频效果较好。在调频阶段J1的后一段时间(760s～1123s)，随着储能SOC下降，与常规策略2相比，本文策略的调频效果略微下降。而在调频阶段J2的后一段时间(2215s～2988s)由于SOC状态逐渐变差，采用常规策略1的系统频率偏移首先变大，一段时间后(135s)采用本文策略的系统频率偏移开始变大。

在连续扰动工况下，对储能电池出力功率曲线(图14)、SOC变化曲线(图15)和特殊时刻SOC观测量(表4)进行分析。

由图14、图15和表4可以看出，在储能恢复阶段I1中本文策略使储能电池进行充电，最终使储能SOC值由0.5上升为0.5265，接近所设置的SOC_ref1＝0.531，在储能恢复阶段I2中本文策略使储能电池进行放电，最终使储能SOC值由0.2789下降为0.2410，等于所设置的SOC_ref2＝0.241。通过公式计算，得到在储能调频阶段J2中本文策略的储能电池容量利用率为67.6％，比常规策略1的储能电池容量利用率60.5％高出7.1％。

表4特殊时刻SOC观测量

通过以上分析，本文基于超短期负荷预测所提出的自适应出力+动态SOC基准方法在满足调频要求的前提下可以贡献更多的调频容量，提高储能容量利用率，进而减少储能的容量配置需求。

本发明提供了一种考虑超短期负荷预测的储能电池参与电网快速调频控制策。对负荷预测应用于储能电池参与电网快速调频控制策略展开研究，利用超短期负荷预测提前研判短时内系统频率变化，定量描述了系统调频需求，提出了动态调整储能电池荷电状态(SOC,State ofCharge)基准值的储能SOC恢复策略，使储能电池在系统一次调频死区内进行针对性的SOC动态恢复；提出了储能参与调频的自适应出力策略，可在符合调频要求的前提下，有效维持储能SOC，防止储能电池出现过充过放现象。本发明的提出的储能SOC恢复策略能有效提高储能容量的利用率，使得储能在调频阶段能提供更多的容量支撑，同时所提自适应出力策略能有效维持储能SOC，从而减少储能容量配置需求，可为储能的工程化应用提供科学理论指导。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于储能电池的短期电网调频控制方法，其特征在于，所述短期电网调频控制方法包括：

根据超短期负荷确定频率偏移曲线；

根据所述频率偏移曲线确定任意时刻的频率偏移；

判断所述频率偏移的绝对值是否大于一次调频死区的绝对值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值大于所述一次调频死区的绝对值，确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数；

根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率。

2.根据权利要求1所述的短期电网调频控制方法，其特征在于，所述根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率，具体包括：

判断所述频率偏移是否大于零，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述频率偏移大于零，确定单位调节因数为所述储能充电单位调节功率因数；

若所述第二判断结果表示所述频率偏移小于等于零，确定单位调节因数为所述储能放电单位调节功率因数；

根据所述单位调节因数和所述频率偏移确定所述储能电池的实际输出功率，具体公式为：ΔP_b＝-K·Δf；其中，ΔP_b为储能电源的实际输出功率，K为单位调节因数，Δf为频率偏移。

3.根据权利要求1所述的短期电网调频控制方法，其特征在于，所述短期电网调频控制方法还包括：

若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值小于等于所述一次调频死区的绝对值，确定荷电状态基准值；

根据所述荷电状态基准值确定储能电池在储能恢复阶段的功率贡献值。

4.根据权利要求3所述的短期电网调频控制方法，其特征在于，所述确定荷电状态基准值，具体包括：

判断所述频率偏移在所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率是否大于零，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示所述频率偏移在所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率大于零，根据公式计算荷电状态基准值；

其中，SOC_refn为荷电状态基准值，SOC_min为荷电状态的最小值，SOC_n-1为(n-1)阶段结束后的荷电状态值，一个阶段包括一个储能恢复阶段和一个储能调频阶段，P_maxΔJ_n为预测储能调频贡献量，γK_maxf_dΔI_n为预测储能容量恢复量，E_max为储能最大容量，P_max为储能最大输出功率，ΔI_n为第n个储能恢复阶段的储能恢复时长，ΔJ_n为第n个储能调频阶段的储能调频动作时长，K_max为储能最大单位调节功率系数，f_d为一次调频死区频率，γ为储能恢复敏感系数；

若所述第三判断结果表示频率偏移在所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率小于等于零，根据公式计算荷电状态基准值；

其中，SOC_max为储能荷电状态的最大值。

5.根据权利要求4所述的短期电网调频控制方法，其特征在于，所述根据所述荷电状态基准值确定储能电池在储能恢复阶段的功率贡献值，具体包括：

判断所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率是否大于零，得到第四判断结果；

若所述第四判断结果表示所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率大于零，判断预测储能调频贡献量是否小于预测储能容量恢复量，得到第五判断结果；

若所述第五判断结果表示所述预测储能调频贡献量小于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输出功率；

其中，P_disch为储能电池的输出功率，为死区裕度，f_d为一次调频死区频率；

若所述第五判断结果表示所述预测储能调频贡献量大于等于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输出功率。

6.根据权利要求4所述的短期电网调频控制方法，其特征在于，所述短期电网调频控制方法还包括：

若所述第四判断结果表示所述频率偏移在所述频率偏移曲线的斜率大于零，判断预测储能调频贡献量是否小于预测储能容量恢复量，得到第六判断结果；

若所述第六判断结果表示所述预测储能调频贡献量小于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输入功率；

其中，P_ch为储能电池的输入功率；

若所述第六判断结果表示所述预测储能调频贡献量大于等于所述预测储能容量恢复量，根据公式计算储能电池的输入功率。

7.根据权利要求1所述的短期电网调频控制方法，其特征在于，所述确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数，具体包括：

当SOC处于[0，SOC_min]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

当SOC处于[SOC_min，SOC_low]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

当SOC处于[SOC_low，SOC_high]范围内时，根据公式K_ch＝K_disch＝K_max计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

当SOC处于[SOC_high，SOC_max]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

当SOC处于[SOC_maxx,1]范围内时，根据公式计算所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数；

其中，K_disch为储能放电单位调节功率因数，K_ch为储能充电单位调节功率因数，SOC_high为储能电池工作最佳荷电状态上限，SOC_low为储能电池工作最佳荷电状态下限。

8.一种基于储能电池的短期电网调频控制系统，其特征在于，所述短期电网调频控制系统包括：

频率偏移曲线确定模块，用于根据超短期负荷确定频率偏移曲线；

任意时刻的频率偏移确定模块，用于根据所述频率偏移曲线确定任意时刻的频率偏移；

第一结果判断模块，用于判断所述频率偏移的绝对值是否大于一次调频死区的绝对值，得到第一判断结果；

储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数确定模块，用于若所述第一判断结果表示所述频率偏移的绝对值大于所述一次调频死区的绝对值，确定储能充电单位调节功率因数和储能放电单位调节功率因数；

储能电池的实际输出功率确定模块，用于根据所述储能充电单位调节功率因数和所述储能放电单位调节功率因数确定储能电池的实际输出功率。