CN108390405A - 考虑储能系统soc的快慢速调频资源协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，包括：在AGC系统中建立主控制区；在主控制区中建立发电机组与储能系统控制模型，并划分快速调频组与慢速调频组；从SCADA系统中获取实时量测数据；计算原始区域控制偏差；根据原始ACE并考虑储能系统SOC、最大允许充/放电功率计算快速调频资源储能系统控制指令；对慢速调频组的ACE控制信号进行修正与滤波处理，并计算慢速调频组的调节需求；生成各控制对象的控制指令；对各控制对象的控制指令进行校验与修正，并下发至场站端。本发明通过增加储能系统参与电网调频的机会与深度可降低常规慢速发电机组的调节动作，减少了常规发电机组的机械磨损、提高了其发电经济性。

Description

考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，属于电力系统自动控制技术领域。

背景技术

调频辅助服务是维护电网运行安全的一项重要手段，在电力系统运行过程中，AGC(自动发电控制，Automatic Generation Control，简称AGC)系统通过实时调节电网中调频资源的有功出力，保持系统的有功-负荷供需平衡，从而维持系统频率的稳定。由于不同地域的电源结构差异较大，各区域电网呈现的调频能力和效率不尽相同，尤其近年来随着智能电网的快速发展和新能源发电的大规模并网，电网对不同类型电源的优化调度与系统调频品质提出了更高的要求。近年来，利用大规模储能系统参与电网调频已引起业界广泛关注，多项研究成果表明，储能系统相较传统调频电源在电网调频方面具有显著优势。储能资源作为新型调节资源，与传统电源的一个显著区别是其非一次能源，不能长时间维持恒定出力。因此，需要充分挖掘储能系统参与电网调频的潜力并解决其有限容量的问题。

文献《含储能资源参与的自动发电控制策略研究》(中国电机工程学报2014年第34卷第29期5082-5084页)公开了一种自动发电控制策略：在电力系统调频需求分析的基础上，提出采用离散傅里叶变换分析高频和低频调频需求的方法，并对实际系统的全天和每小时内高频分量的占比进行了定量分析。根据储能资源的快速响应特点，提出了基于区域调节需求所处的区间的灵活分配和将调频需求的高频分量指派给储能资源承担的储能资源参与调频的两种策略。

2012年10月03日中国专利数据库公开了一件名称为“风光储联合发电系统有功协调控制方法”的专利申请，申请号为201210167984.3，该专利申请披露了一种风光储联合协调控制方法，从而实现新能源联合发电系统参与电网调峰、调频、计划跟踪与波动平滑等多种调度需求。该联合发电模式需要系统配置一定的电池储能系统，将新能源联合发电系统组建为一个可调度的发电单元，在大规模新能源并网模式下的应用推广受到一定的限制。

但以上研究成果在储能层面未充分考虑SOC管理，在电网层面也未充分利用储能容量及其技术优势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，通过常规发电机组与储能系统的协调配合，实现快慢速调频资源的优势互补。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，包括如下步骤：

在AGC系统中建立主控制区；

在主控制区中建立发电机组控制模型与储能系统控制模型，将储能系统划为快速调频组，发电机组划为慢速调频组；

从SCADA系统中获取实时量测数据；

根据AGC区控制模式及实时量测数据计算原始区域控制偏差；

根据原始区域控制偏差，考虑储能系统SOC、最大允许充/放电功率计算快速调频资源储能系统调节量，生成储能系统控制指令；

根据快速调频组调节量对慢速调频组的区域控制偏差进行修正与滤波处理，计算慢速调频资源发电机组调节量，生成发电机组控制指令；

对各控制对象的控制指令进行校验与修正，并下发至场站端。

所述实时量测数据包括：AGC系统频率、联络线交换偏差、发电机组有功量测数据、储能系统有功量测数据、储能系统SOC、储能系统最大允许充电功率与储能系统最大允许放电功率。

计算区域控制偏差的具体方法如下：

当AGC区域控制模式为联络线频率偏差控制模式时，区域控制偏差为频率分量与联络分量之和，如式(1)所示：

P_E＝K*Δf+ΔP_T (1)

式中：P_E为该控制区的区域控制偏差；K为该控制区的频偏系数；Δf为实测频率与目标频率的偏差；ΔP_T为区域间联络线计划交换功率偏差；

当AGC区域控制模式为恒定频率控制模式时，区域控制偏差仅包含频率分量部分，如式(2)所示：

P_E＝K*Δf (2)；

当AGC区域控制模式为恒定联络线控制模式时，区域控制偏差仅包含联络线分量部分，如式(3)所示：

P_E＝ΔP_T (3)。

根据区域控制偏差的绝对值大小分“区域控制偏差处于控制死区”、“区域控制偏差处于控制死区以外”两种情况进行储能系统控制指令计算。

计算储能系统控制指令的具体方法如下：

设定P_D为AGC系统区域控制偏差的死区门槛，P_E表示原始区域控制偏差；

若|P_E|≤P_D，即原始区域控制偏差处于控制死区时，则储能系统仅针对SOC回归中值有利的调频需求进行响应，储能系统控制指令计算公式如下：

式中，P_{targ_bess}为储能系统控制指令；P_{max_charg}为储能系统最大允许充电功率；P_{max_disc}为储能系统最大允许放电功率；SOC(t)为t时刻储能系统的荷电状态；

若|P_E|>P_D，即原始区域控制偏差处于控制死区以外时，则采用储能快速调频资源优先调用承担调节量的控制策略；储能系统控制指令计算公式如下：

对慢速调频组的区域控制偏差进行修正的具体方法如下：

设定储能系统SOC理想运行区间为[I_low,I_high]，I_low为储能系统SOC理想运行区间下限值；I_high为储能系统SOC理想运行区间上限值；

储能系统SOC运行在理想运行区间时，储能系统优先承担原始区域控制偏差调节量，剩余部分再由发电机组进行调节；

当储能系统SOC超出理想运行区间时，储能系统与发电机组各自承担全部区域控制偏差调节量；

因此，慢速调频组的区域控制偏差修正公式如下：

式中，P_E'为发电机组的区域控制偏差修正值；P_E为该控制区的区域控制偏差；ΔP_{reg_bess}为储能系统的调节分配量，正值表示放电，负值表示充电；SOC(t)为t时刻储能系统的荷电状态。

对慢速调频组的区域控制偏差进行滤波处理的具体方法如下：

对区域控制偏差修正值进行滤波处理，一阶低通滤波公式如下：

P_E″(k)＝P_E″(k-1)+α·(P_E'(k)-P″_E(k-1)) (7)

式中，P_E″为滤波处理后的修正区域控制偏差；α为平滑因子，其取值在0～1之间；k为计算周期标识。

计算慢速调频资源发电机组调节量的方法如下：

P_R＝P_P+P_I (8)

P_P＝-G_P*P″_E (9)

P_I＝-G_I*I_ACE (10)

式中，P_R为慢速调频组调节量；P_P为调节量中的比例分量；P_I为调节量中的积分分量；G_P为比例增益系数；G_I为积分增益系数；I_ACE为当前考核时段累计的区域控制偏差积分值，单位MWh；

生成发电机组控制指令的方法如下：

慢速调频组中各参与AGC调节的发电机组按照调节裕度比例分担调节需求，计算公式如下：

式中，ΔP_reg,i为发电机组i的调节分配量；C_rv,i为发电机组i的调节裕度，调节量为正时该值为上调节裕度，调节量为负时该值为下调节裕度；C_total为所有参与AGC调节的发电机组总裕度之和；N表示参与分配发电机组总数；P_min,i表示发电机组调节下限；P_max,i表示发电机组调节上限；P_gen,i为发电机组i的当前出力；

将调节量叠加至各发电机组当前出力上，即得到当前时刻的控制指令，计算公式如下：

P_{targ_conv,i}＝P_gen,i+ΔP_reg,i (14)

式中，P_{targ_conv,i}为发电机组i的控制指令。

对各控制对象的控制指令进行校验与修正的具体方法如下：

a.调节范围校验

各发电机组控制指令不能超出其调节上限与调节下限，若控制指令超出该范围，则将控制指令修正为相应限值；储能系统控制指令同样不能超出最大允许充电功率与最大允许放电功率限制；

b.命令死区校验

若计算调节量小于命令死区则控制目标取上次控制指令；

c.最大调节量校验

实时闭环控制通过逐步调节实现动态逼近控制目标，若某次计算调节增量大于给定的调节量，则按照最大调节量对控制指令进行修正；

d.储能系统SOC安全校验

若储能系统SOC超出设定的最高允许SOC值时，充电控制指令则修正为零；反之，当储能系统SOC小于设定的最低允许SOC值时，放电控制指令修正为零，不再下发恶化SOC指令。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：通过充分挖掘储能系统参与电网调频的潜力，可降低了慢速常规发电机组的调节动作，即，减少了常规发电机组的机械磨损、提高了其发电经济性；同时，通过合理安排快慢速机组的调节时序配合，既能提升了区域电网频率品质，又可维持储能系统合理的运行工作区间。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明的流程图，一种考虑储能SOC(荷电状态，State ofCharging，简称SOC)的快慢速调频资源协调控制方法，包括如下步骤：

1)在AGC系统中建立一个主控制区，实现系统频率与联络线交换功率监视与控制；

2)在AGC主控制区中建立发电机组与储能系统控制模型；

3)在AGC主控制区建立快速调频组与慢速调频组，并将储能系统划分为快速调频组，发电机组划分为慢速调频组；

4)从SCADA系统中获取实时量测数据，并更新AGC区域与控制对象模型中的相关量测与状态信息，包括AGC系统频率、联络线交换偏差、发电机组/储能系统有功量测、储能系统SOC、储能系统最大允许充电功率与储能系统最大允许放电功率；

5)根据AGC主控制区控制模式及步骤4)获取的实时量测数据计算原始ACE(区域控制偏差，Area Control Error，简称ACE)；

当AGC区域控制模式为TBC(Tie-line Load Frequency Bias Control，联络线频率偏差控制)模式时，ACE为频率分量与联络分量之和，如式(1)所示：

P_E＝K*Δf+ΔP_T (1)

式中：P_E为该控制区的ACE；K为该控制区的频偏系数；Δf为实测频率与目标频率的偏差；ΔP_T为区域间联络线计划交换功率偏差。

当AGC区域控制模式为FFC(Flat frequency control，恒定频率控制)模式时，ACE仅包含频率分量部分，如式(2)所示：

P_E＝K*Δf (2)

当AGC区域控制模式为FTC(Flat tie-line control，恒定联络线控制)模式时，ACE仅包含联络线分量部分，如式(3)所示：

P_E＝ΔP_T (3)

6)计算储能控制指令；

设定P_D为AGC控制区的ACE死区门槛；

若|P_E|≤P_D，即ACE处于控制死区时，则储能系统仅针对SOC回归中值有利的调频需求进行响应，为避免系统高频低幅扰动增加水、火电等常规机组的磨损与震荡，在控制死区范围内不对发电机组进行控制调节，其调节量ΔP_conv＝0；储能系统控制指令计算公式如下：

式中，P_{targ_bess}为储能系统控制指令；P_E为系统ACE；ΔP_{reg_bess}为储能系统的调节分配量，正值表示放电，负值表示充电；P_{max_charg}为储能系统最大允许充电P_{max_disc}为储能系统最大允许放电功率；SOC为t时刻储能系统的荷电状态。

若|P_E|>P_D，即ACE处于控制死区以外时，则采用储能快速调频资源优先调用承担调节量，储能系统控制指令计算公式如下：

如图1所示，储能系统直接采用系统ACE进行控制决策，图1中α_ACE-SOC为决策因子，其值为0或1，通过统筹考虑当前ACE与储能系统SOC的关系决定发电机组的调节量是否减扣储能系统调节量，因此得到发电机组调节量计算公式如下：

ΔP_conv＝f(P_E-α_ACE-SOC·P_{B_TARG})

式中，ΔP_conv为发电机组调节量；P_{B_TARG}为储能系统控制目标；f表示发电机组调节量计算函数；该式表示，若常规机组ACE输入信号不减扣储能系统调节量，则储能系统与发电机组共同承担调节量；反之，二者各自单独承担调节量，快速响应的储能系统通过ACE反馈进行功率置换。

7)慢速调频组的ACE控制信号进行修正与滤波处理；

设定储能系统SOC理想运行区间为[I_low,I_high]，I_low、I_high分别为理想运行区间下限值与上限值。

储能系统SOC运行在理想运行区间时，储能系统优先承担ACE调节量，减扣储能系统承担剩余部分再由发电机组进行调节；

当储能系统SOC超出理想运行区间时，储能系统与发电机组各自承担全部ACE调节量。因此，慢速调频组ACE修正公式如下：

式中，P_E'为发电机组的ACE修正值；I_low为储能系统SOC理想运行区间下限值；I_high为储能系统SOC理想运行区间上限值；SOC(t)为t时刻储能系统的荷电状态。

此外，为避免系统高频低幅扰动增加水、火电等发电机组的磨损与震荡，需要对ACE修正值进行滤波处理，一阶低通滤波公式如下：

P_E″(k)＝P_E″(k-1)+α·(P_E'(k)-P″_E(k-1)) (7)

式中，P_E″为滤波处理后的修正ACE；α为平滑因子，其取值在0～1之间；k为计算周期标识。

8)计算慢速调频组的调节量，计算公式如下：

P_R＝P_P+P_I (8)

P_P＝-G_P*P″_E (9)

P_I＝-G_I*I_ACE (10)

式中，P_R为慢速调频组调节量；P_P为调节量中的比例分量；P_I为调节量中的积分分量；G_P为比例增益系数；G_I为积分增益系数；I_ACE为当前考核时段(如10min)累计的ACE积分值，单位MWh。

9)根据步骤8)计算得到的调节量计算发电机组控制指令；

慢速调频组中各参与AGC调节的机组按照调节裕度比例分担调节需求，计算公式如下：

式中，ΔP_reg,i为发电机组i的调节分配量；C_rv,i为发电机组i的调节裕度，调节量为正时该值为上调节裕度，调节量为负时该值为下调节裕度；C_total为所有参与AGC调节的发电机组总裕度之和；N表示参与分配发电机组总数；P_min,i表示发电机组调节下限；P_max,i表示发电机组调节上限；P_gen,i为发电机组i的当前出力。

将调节量叠加至各机组当前出力上，即得到当前时刻的控制指令，计算公式如下：

P_{targ_conv,i}＝P_gen,i+ΔP_reg,i (14)

式中，P_{targ_conv,i}为发电机组i的控制指令；P_gen,i为发电机组i的当前出力。

10)为确保闭环控制行为的合理性与安全性，需对各控制对象的控制指令进行以下校验：

a.调节范围校验

各常规发电机组控制指令不能超出其调节上限与调节下限，若控制指令超出该范围，则将控制指令修正为相应限值；储能系统控制指令同样不能超出最大允许充电功率与最大允许放电功率限制。

b.命令死区校验

为避免频繁下发小指令，减少发电机组/储能设备不必要的磨损，若计算调节量小于命令死区则控制目标取上次控制指令。

c.最大调节量校验

实时闭环控制通过逐步调节实现动态逼近控制目标，最大调节量的设置用于避免一次下发过大的调节指令，若某次计算调节增量大于给定的调节量，则按照最大调节量对控制指令进行修正。

d.储能系统SOC安全校验

深度充放电会缩短储能电池的循环寿命，若储能系统SOC超出设定的最高允许SOC值时，充电控制指令则修正为零；反之，当储能系统SOC小于设定的最低允许SOC值时，放电控制指令修正为零，不再下发恶化SOC指令。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

在AGC系统中建立主控制区；

在主控制区中建立发电机组控制模型与储能系统控制模型，将储能系统划为快速调频组，发电机组划为慢速调频组；

从SCADA系统中获取实时量测数据；

根据AGC区控制模式及实时量测数据计算原始区域控制偏差；

根据原始区域控制偏差，考虑储能系统SOC、最大允许充/放电功率计算快速调频资源储能系统调节量，生成储能系统控制指令；

根据快速调频组调节量对慢速调频组的区域控制偏差进行修正与滤波处理，计算慢速调频资源发电机组调节量，生成发电机组控制指令；

对各控制对象的控制指令进行校验与修正，并下发至场站端。

2.根据权利要求1所述的考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，所述实时量测数据包括：AGC系统频率、联络线交换偏差、发电机组有功量测数据、储能系统有功量测数据、储能系统SOC、储能系统最大允许充电功率与储能系统最大允许放电功率。

3.根据权利要求1所述的考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，计算原始区域控制偏差的具体方法如下：

当AGC区域控制模式为联络线频率偏差控制模式时，区域控制偏差为频率分量与联络分量之和，如式(1)所示：

P_E＝K*△f+△P_T (1)

式中：P_E为该控制区的区域控制偏差；K为该控制区的频偏系数；△f为实测频率与目标频率的偏差；ΔP_T为区域间联络线计划交换功率偏差；

当AGC区域控制模式为恒定频率控制模式时，原始区域控制偏差仅包含频率分量部分，如式(2)所示：

P_E＝K*△f (2)；

当AGC区域控制模式为恒定联络线控制模式时，原始区域控制偏差仅包含联络线分量部分，如式(3)所示：

P_E＝△P_T (3)。

4.根据权利要求1所述的考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，根据原始区域控制偏差的绝对值大小分“区域控制偏差处于控制死区”、“区域控制偏差处于控制死区以外”两种情况进行储能系统控制指令计算。

5.根据权利要求4所述的考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，计算储能系统控制指令的具体方法如下：

设定P_D为AGC系统计算分配调节需求的死区门槛，P_E表示原始区域控制偏差；

若|P_E|≤P_D，即原始区域控制偏差处于控制死区时，则储能系统仅针对SOC回归中值有利的调频需求进行响应，储能系统控制指令计算公式如下：

式中，P_{targ_bess}为储能系统控制指令；P_{max_charg}为储能系统最大允许充电功率；P_{max_disc}为储能系统最大允许放电功率；SOC(t)为t时刻储能系统的荷电状态；

若|P_E|>P_D，即原始区域控制偏差处于控制死区以外时，则采用储能快速调频资源优先调用承担调节量的控制策略；储能系统控制指令计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，对慢速调频组的区域控制偏差进行修正的具体方法如下：

设定储能系统SOC理想运行区间为[I_low,I_high]，I_low为储能系统SOC理想运行区间下限值；I_high为储能系统SOC理想运行区间上限值；

储能系统SOC运行在理想运行区间时，储能系统优先承担原始区域控制偏差调节量，剩余部分再由发电机组进行调节；

当储能系统SOC超出理想运行区间时，储能系统与发电机组各自承担全部原始区域控制偏差调节量；

因此，慢速调频组的区域控制偏差修正公式如下：

式中，P_E'为发电机组的区域控制偏差修正值；P_E为该控制区的原始区域控制偏差；△P_{reg_bess}为储能系统的调节分配量，正值表示放电，负值表示充电；SOC(t)表示t时刻储能系统的荷电状态。

7.根据权利要求6所述的考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，对慢速调频组的区域控制偏差进行滤波处理的具体方法如下：

对区域控制偏差修正值进行滤波处理，一阶低通滤波公式如下：

P_E”(k)＝P_E”(k-1)+α·(P_E'(k)-P”_E(k-1)) (7)

式中，P_E”为滤波处理后的修正区域控制偏差；α为平滑因子，其取值在0～1之间；k为计算周期标识。

8.根据权利要求7所述的考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，计算慢速调频资源发电机组调节量的方法如下：

P_R＝P_P+P_I (8)

P_P＝-G_P*P”_E (9)

P_I＝-G_I*I_ACE (10)

式中，P_R为慢速调频组调节量；P_P为调节量中的比例分量；P_I为调节量中的积分分量；G_P为比例增益系数；G_I为积分增益系数；I_ACE为当前考核时段累计的区域控制偏差积分值，单位MWh。

9.根据权利要求8所述的考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，生成发电机组控制指令的方法如下：

慢速调频组中各参与AGC调节的发电机组按照调节裕度比例分担调节需求，计算公式如下：

式中，△P_reg,i为发电机组i的调节分配量；C_rv,i为发电机组i的调节裕度，调节量为正时该值为上调节裕度，调节量为负时该值为下调节裕度；C_total为所有参与AGC调节的发电机组总裕度之和；N表示参与分配发电机组总数；P_min,i表示发电机组调节下限；P_max,i表示发电机组调节上限；P_gen,i为发电机组i的当前出力；

将调节量叠加至各发电机组当前出力上，即得到当前时刻的控制指令，计算公式如下：

P_{targ_conv,i}＝P_gen,i+△P_reg,i (14)

式中，P_{targ_conv,i}为发电机组i的控制指令。

10.根据权利要求1所述的考虑储能系统SOC的快慢速调频资源协调控制方法，其特征在于，对各控制对象的控制指令进行校验与修正的具体方法如下：

a.调节范围校验

各发电机组控制指令不能超出其调节上限与调节下限，若控制指令超出该范围，则将控制指令修正为相应限值；储能系统控制指令同样不能超出最大允许充电功率与最大允许放电功率限制；

b.命令死区校验

若计算调节量小于命令死区则控制目标取上次控制指令；

c.最大调节量校验

实时闭环控制通过逐步调节实现动态逼近控制目标，若某次计算调节增量大于给定的调节量，则按照最大调节量对控制指令进行修正；

d.储能系统SOC安全校验

若储能系统SOC超出设定的最高允许SOC值时，充电控制指令则修正为零；反之，当储能系统SOC小于设定的最低允许SOC值时，放电控制指令修正为零，不再下发恶化SOC指令。