CN108599194B - 一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，属于储能参与电网调频的发电技术领域。该方法根据参与调频储能的基本信息及实时状态信息建立基于储能浅充浅放指标的调频功率分配目标函数，并利用二次规划方法获取优化的储能调频出力方案；根据调频功率分配结果计算相应的浅充浅放指标值，并以浅充浅放指标值为依据实时调整电池储能的调差系数，进而调整储能所需要承担的电网调频责任。该发明可以发挥电池储能响应速度快的优势，辅助传统电机减小电网频率波动，并在调频过程中使储能处于浅充浅放的状态，提高储能使用寿命。

Description

一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法

技术领域

本发明公开了一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，涉及储能参与电网调频技术，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

为促进能源产业优化升级，实现清洁低碳发展，近年来，我国大力发展清洁能源。从2008年开始，我国风力发电进入高速发展时期，在该年风机装机容量成为亚洲第一；2012年，我国的风力发电成为世界第一。同时，光伏发电也取得了较大发展。然而，随着新能源装机容量占比的日益提高，波动性、间歇式新能源的并网给电网调控运行、安全控制等诸多方面带来了不利影响，极大地限制了清洁能源的有效利用。

在此背景下，利用储能电源辅助传统机组参与电网调频是保障未来电网安全可靠运行的有效手段之一。储能参与调频因具有响应速度快、控制精确等特点能够有效改善电网频率波动并减小电网调频压力。

以下列举了五份专利作为目前电力系统中针对储能参与调频的方法示例。

专利一《电力储能系统的调频方法和装置》(CN201410721376.1)提出：在确定电力机组调频能力和风功率最大爬坡量的情况下，根据调频能力和爬坡量确定调频容量，并以调频容量作为阶跃信号调整储能系统的功率输出；在通过阶跃信号调整储能系统功率输出的过程中，利用频率反馈控制调节储能系统的功率输出量。

专利二《一种储能系统参与电网频率控制的方法及装置》(CN201610031506.8)提出：实时监控电网频率及储能的荷电状态，若电网频率偏差超过最大频率偏差，根据偏差方向和荷电状态确定储能参与电网一次调频；当满足一次调频启动条件时计算虚拟惯性响应、一次可变下垂控制功率调整和一次调频有功控制指令；根据一次调频有功控制指令，对储能的有功出力进行第一次调整；经过延迟时间后启动二次调频，确定二次调频指令；根据虚拟惯性响应、一次可变下垂控制功率调整值和二次调频指令，确定有功控制指令。

专利三《一种储能系统参与电网二次频率控制的方法及装置》(CN201610032450.8)提出：对电网频率进行监控，当电网频率出现偏差时进行控制；确定电网二次频率控制需求ARR，确定调频机组的参与因子；根据ARR和参与因子确定基础二次调频指令；确定分担储能机组调频任务的发电机组的附加二次调频指令；确定储能机组和不分担储能机组调频任务的发电机组的总调频指令。

专利四《一种超级电容储能系统参与电力一次调频的协调控制方法》(CN201310188516.9)提出：优化决策模块从同步测量单元获取频率偏差；当频率偏差越过频率死区，将相同的动作指令同时送给传统发电机和超级电容储能系统；超级电容储能系统在参与一次调频过程中，通过对典型工况的划分，依据优化决策模块确定其动作时机和深度，通过功率-频率转换模块实现频率偏差到功率的转换，通过PCS控制模块实现超级电容储能系统的充/放电控制，最终辅助传统发电机完成一次调频过程。

专利五《一种电池储能电源参与电网二次调频的协调控制方法及系统》(CN201410430948.0)提出：首先，将电池储能电源安装在需要配合的区域电网中，判断区域控制偏差信号是否越过设定的调节死区；然后，通过对典型应用场景的划分确定电池储能参与调频的时机及出力深度；接着，将理论调频指令转换为实际调频指令后通过能量转换系统实现电池储能电源的充/放电控制。

以上专利对储能参与调频的控制方法主要分为两类，一类是储能模拟发电机下垂特性，响应系统频率偏差信号；另一类，储能采用一定的责任划分方法，响应系统ACE信号。以上控制方法大都采用固定的调频动作区域或固定的责任划分方法，无法区分不同种类储能的调频特性。在控制储能荷电状态方面，以上控制方法均未实现对储能荷电状态的均衡控制，储能的深充深放会影响其使用寿命。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，通过建立计及电池储能浅充浅放需求的控制目标函数，实现了储能荷电状态的均衡控制，解决了现有的储能参与调频方案未实现对储能荷电状态的均衡控制的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，以控制区域内储能浅充浅放指标总和最小为目标建立储能调频功率分配目标函数，以控制区域内储能调频出力总和满足系统调频需求以及储能调频出力满足自身调频能力为约束，采用二次规划方法求解满足约束的储能充放电功率，由确定的各储能充放电功率确定各储能的浅充浅放指标，由各储能的浅充浅放指标更新储能调差系数及各储能的荷电状态。

作为计及储能浅充浅放需求的调频控制方法的进一步优化方案，储能浅充浅放指标为：

其中，DI_i，t为第i个储能在t时刻的浅充浅放指标，

分别为第i个储能在t时刻的充电功率和放电功率，每一个储能在同一时刻处于充电状态或放电状态，

为储能浅充浅放指标在第i个储能处于充电状态时的二次项系数，

为储能浅充浅放指标在第i个储能处于放电状态时的二次项系数，

分别为第i个储能在t时刻处于充电状态或放电状态时浅充浅放指标一次项系数，系γ_i，t为储能浅充浅放指标的常数项系数，

a_i为衡量储能功率偏移量对储能浅充浅放指标影响的权重，b_i为衡量储能荷电状态偏移量对储能浅充浅放指标影响的权重，Δt为相邻采样时刻的时间间隔，S_i为第i个储能的额定容量，

分别为第i个储能在t时刻的充电效率和放电效率，SoC_i，t-1为第i个储能在t-1时刻的荷电状态，

为第i个储能的最佳荷电状态。

作为计及储能浅充浅放需求的调频控制方法的进一步优化方案，控制区域内储能调频出力总和满足系统调频需求的约束为：

其中，P_i，t为第i个储能在t时刻的充放电功率，

为t时刻储能调差系数，Δf_t为t时刻的系统频率变化，

为t时刻的系统调频出力信号。

作为计及储能浅充浅放需求的调频控制方法的进一步优化方案，储能调频出力满足自身调频能力的约束为：

其中，

为第i个储能充放电功率的上下限，

为第i个储能爬坡速率的最大值和最小值，Δt为相邻采样时刻的时间间隔，P_i，t-1、P_i，t分别为第i个储能在t-1时刻、t时刻的充放电功率，SoC_i，t-1为第i个储能在t-1时刻的荷电状态，

为第i个储能荷电状态的上下限。

作为计及储能浅充浅放需求的调频控制方法的进一步优化方案，由各储能的浅充浅放指标更新储能调差系数的表达式为：1/R_B，t＝σ₁DI_t-1+σ₂，其中，

为t时刻储能调差系数，DI_t-1为第i个储能在t-1时刻的浅充浅放指标，σ₁和σ₂为常系数，

σ₂＝1/R_max，1/R_max、1/R_min分别为储能的最大调差系数和最小调差系数，DI_max为整个调频过程中各储能浅充浅放指标之和的最大值，DI_max为所有储能均在最大可充放电功率状态下且荷电状态满足其上下限约束时对应的浅充浅放指标之和。

作为计及储能浅充浅放需求的调频控制方法的进一步优化方案，更新各储能的荷电状态的表达式为：

其中，SoC_i，t-1、SoC_i，t分别为第i个储能在t-1时刻、t时刻的荷电状态，

分别为第i个储能在t时刻的充电功率和放电功率，

分别为第i个储能在t时刻的充电效率和放电效率，Δt为相邻采样时刻的时间间隔。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明对于储能参与电网一次调频的情形，建立了计及储能浅充浅放需求的调频功率分配目标函数，尽可能实现电池储能在调频过程中出力平稳、荷电状态偏移最小，从而达到浅充浅放的控制目标，增加电池储能的使用寿命；

(2)在建立电池储能浅充浅放指标函数时，对不同容量和性能的电池储能加以区分，采用二次规划方法得到优化参与一次调频的电池储能的出力；

(3)根据当前调频功率分配目标函数值的大小，实时调整电池储能的调差系数，进一步保证电池储能荷电状态在最佳状态附近；

(4)利用电池储能爬坡速度快的特点，对电网频率偏差中的高频信号进行响应，从而辅助传统电机进行调频，将电网频率波动控制在一定范围内，有利于电网的平稳运行。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为调差系数随功率分配目标函数值变化过程的示意图。

图3为本发明实施例中采用固定调差系数控制和变调差系数控制时的系统频率波动曲线。

图4(a)、图4(b)分别为本发明实施例中采用固定调差系数控制和变调差系数控制时的电池储能参与调频功率偏移曲线。

图5(a)、图5(b)分别为本发明实施例中采用固定调差系数控制和变调差系数控制时的电池储能荷电状态偏移曲线。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开的计及浅充浅放需求的电池储能调频控制方法，假设该控制区域内包含I个电池储能，在一个完整的调频周期T内的任一调频时刻t中，可分为以下两个主要步骤：

步骤1：计算并下达t时刻I个电池储能各自的充放电功率；

步骤2：更新t+1时刻电池储能的调差系数及每个电池的荷电状态。

步骤1具体包含以下几个分步骤：

步骤1.1：获取t时刻系统频率偏差Δf_t；

步骤1.2：确定t时刻I个电池储能调频出力总和

步骤1.3：建立电池储能调频功率分配目标函数及约束条件；

步骤1.4：计算t时刻I个电池储能各自的充放电功率P_i，t并下达调频指令。

步骤2包括以下几个分步骤：

步骤2.1：更新t时刻I个电池储能的荷电状态SoC_i，t；

步骤2.2：计算t时刻调频功率分配目标函数值DI_t；

步骤2.3：更新t+1时刻电池储能调差系数1/R_B，t+1。

调频控制方法的流程图如图1所示。

电池储能调频控制方法的步骤1，首先，根据t-1时刻执行的步骤2.3并结合t时刻步骤1.1、1.2中获得电池储能调频出力总和

然后，根据t-1时刻执行的步骤2.1，通过步骤1.3建立t时刻的电池储能调频功率分配目标函数及其约束条件；最后在步骤1.4中利用二次规划优化方法获得步骤1.3中目标函数的最优解，即为t时刻I个电池储能的充放电功率P_i，t并下达调频指令，进入步骤2。

在步骤2中，首先，根据步骤1.4中得到的I个电池储能充放电功率P_i，t，在步骤2.1中计算更新t时刻I个电池储能的荷电状态，以备执行t+1时刻的步骤1.3；然后，在步骤2.2中由步骤1.4中得到的I个电池储能充放电功率P_i，t，计算t时刻I个电池储能调频功率分配目标函数值DI_t；最后，由步骤2.2所得DI_t更新t+1时刻电池储能调差系数1/R_B，t+1，用于执行t+1时刻步骤1.2。

调频控制方法需要提前获取电池储能的基本信息，用于分别建立每个电池储能的浅充浅放指标函数，电池储能的基本信息包括：

1)电池储能的功率最小偏移量及最大偏移量P^min、P^max；

2)电池储能的爬坡速率(Ramping Rate)的最小限值及最大限值Rr^min、Rr^max，爬坡速率即前后两次采样时间功率偏移值的变化率；

3)电池储能的功率基准值P^b；

4)电池储能的充放电效率η^c、η^d；

5)电池储能的最佳荷电状态SoC^v状态及允许达到的荷电状态限值SoC^min、SoC^max；

6)电池储能的初始荷电状态SoC⁰；

7)电池储能的容量S；

下标i表示第i个电池储能的基本信息。

调频控制方法中，采用所有参与调频电池储能的浅充浅放指标总和表示第t个采样时刻电池储能调频功率分配目标函数DI_t，本发明的控制目标即使得t时刻所有电池储能的浅充浅放指标总和最小，DI_t的具体形式如下：

DI_t＝0_i∈IDI_i，t，

第i个电池储能在t时刻的浅充浅放指标DI_i，t的表达式为：

其中，I为控制区域内的电池储能总数，

表示第i个电池储能的最佳荷电状态，SoC_i，t表示第i个电池储能在t时刻的荷电状态，S_i表示第i个电池储能的额定容量。

P_i，t表示第i个电池储能在t时刻偏离功率基准值

的功率值。当P_i，t＞0时，说明此时的运行功率高于功率基准值；当P_i，t＜0时，说明此时的运行功率低于功率基准值。

为了区别储能的充电和放电状态，对储能的功率进行进一步定义，用

表示储能的充电功率偏移值，

表示储能的放电功率偏移值，规定：

因此，任一储能在任意时刻，功率偏移值只有一种有效定义，当功率偏移值大于0，则定义为储能放电功率偏移值，即

当功率偏移值小于或等于0，则定义为储能充电功率偏移值，即

对于每个电池储能的浅充浅放指标函数，第一项可以理解为由储能功率偏移带来的浅充浅放指标增量，用常系数a_i衡量其权重；第二项理解为由荷电状态偏移所带来的浅充浅放指标增量，用常系数b_i衡量其权重。对同一个储能，a_i和b_i皆为常量，其中，a_i由储能的额定充放电功率决定，b_i则根据储能的额定容量决定。通过设置不同的a_i和b_i参数大小，可以满足不同储能在调频过程中对浅充浅放的需求。

每个储能的浅充浅放指标函数DI_i，t有两个变量，SoC_i，t和

(或

)。其中，变量SoC_i，t可表示为关于

(或

)的函数，故根据SoC_i，t和

(或

)的关系式对DI_i，t作进一步化简。

对于电池储能，有：

Δt为相邻调频时刻的时间间隔，该式表示t时刻电池储能的荷电状态等于t-1时刻的荷电状态减去本次调频周期过程内消耗(增加)的电量百分比。所以，更新t时刻荷电状态需要知道t-1时刻的荷电状态SoC_i，t-1以及t时刻各个电池储能所分配的功率值

将上式代入电池储能浅充浅放指标DI_i，t的表达式中，电池储能的调频功率分配目标函数可表示为以

(或

)为唯一自变量的表达形式，如下：

表示浅充浅放指标函数在第i个电池储能处于充电状态时的二次项系数，

表示浅充浅放指标函数在第i个电池储能处于放电状态时的二次项系数，

对同一个电池储能而言，

为确定两个的常量，

为第i个电池储能的充电效率，

为第i个电池储能的放电效率；

表示浅充浅放指标函数在第i个电池储能处于充电状态时的一次项系数，

表示浅充浅放指标函数在第i个电池储能处于放电状态时的一次项系数，

对同一个电池储能而言，

由该电池储能当前的荷电状态确定；γ_i，t为浅充浅放指标函数的常数项系数，

对同一个电池储能而言，该系数由该电池储能当前的荷电状态确定。

已确定电池储能的充、放电状态时，电池储能浅充浅放指标函数可简化写作：

DI_i，t＝α_iP_i，t ²+β_i，tP_i，t+γ_i，t。

电池储能调频控制方法，在进行电池储能出力方案配置时，需要满足“系统调频需求”和“储能调频能力”两类约束。其中，系统调频需求是指t时刻所有电池储能的调频出力之和应当尽可能等于或者接近调频出力信号

即：

在进行t时刻调频方案配置时，经过步骤1.1、1.2可获得系统调频需求约束，其中，t时刻的调差系数1/R_B，t是在t-1时刻调频方案配置的步骤2.3中获得的。

电池储能调频控制方法中，储能调频能力约束是指电池储能的爬坡范围、充放电功率范围和荷电状态饱和等情况对调频方案配置的限制，具体如下：

1)

2)

3)

和

为电池储能运行功率的最小值和最大值，

和

为其爬坡速率的最小值和最大值，

和

分别为电池储能荷电状态的最大值和最小值。

将以上不等式进行化简以统一各约束在一个不等式中：

约束2)可化为：

约束3)可化为：

即，

综上可得：

电池储能调频控制方法利用二次规划方法获得每个调频时刻电池储能的充放电功率P_i，t。

已知电池储能功率分配目标函数DI_t为一个多元二次函数，利用Matlab中的二次规划函数(quadprog)求出其约束范围内获得函数最小值时的自变量取值，即，得到参与调频的电池储能浅充浅放指标和最小时各个储能的出力方案。

二次规划函数的标准形式为：

其中，H为二次项系数矩阵，f为一次项系数向量，A_eq为等式约束的系数向量，b_eq为等式约束的右端向量，lb为自变量下界约束向量，ub为自变量上界约束向量。

建立电池储能功率分配目标函数如下：

根据本方法所要解决的具体二次规划问题，对二次规划函数中的各个参量进行如下定义：

1)二次项矩阵H：

2)一次项向量f：

3)等式约束系数矩阵：

A_eq＝[1...1]，

4)等式约束右端向量：

5)自变量下界约束lb：

6)自变量上界约束ub：

将电池储能的系统调频需求约束作为二次规划的等式约束，将电池储能的调频能力约束作为二次规划的自变量约束。

储能调频控制方法的步骤2.1中，更新t时刻I个电池储能荷电状态SoC_i，t的公式为：

其中，SoC_i，t-1是由t-1时刻电池储能功率配置的步骤2.1获得，

(或

)由t时刻的步骤1.4获得。

储能调频控制方法中，t时刻电池储能的调差系数1/R_B，t是根据t-1时刻功率分配目标函数值DI_t-1实时更新的变量，在t-1时刻调频方案配置的步骤2.3中获得，更新公式如下：

1/R_B，t＝σ₁DI_t-1+σ₂，

式中，σ₁和σ₂是人为设定的常系数，其中，σ₁＜0，σ₂＞0，表示1/R_B，t随DI_t-1的增大而线性减小。DI_t-1为t-1时刻功率分配目标函数值，也即为t-1时刻所有电池储能浅充浅放的指标总和。通过实时更新电池储能的调差系数，在电池储能荷电状态偏移过大时，及时调整电池储能参与调频的深度，进一步保障电池储能浅充浅放的需求。

调差系数随功率分配目标函数值变化取值过程示意图如图2所示：

1)根据实际运行经验设置电池储能参与电网一次调频的最大调差系数1/R_max＝σ₂和最小调差系数1/R_min，比如本文人为设定1/R的范围为10～30；

2)根据现有电池储能的设备参数，求出整个调频过程中各储能浅充浅放指标值之和的最大值DI_max和最小值DI_min，所有电池储能均在最大可充放电功率状态下且SoC满足其上下限约束时(如[0.2，0.8])对应的浅充浅放指标值之和即为DI_max，同时，所有电池储能的充放电功率为0且处于最佳荷电状态时对应的浅充浅放指标值之和即为DI_min，DI_min＝0；

3)根据步骤1)和步骤2)确定σ₁的值为：

在具体实施时，假设共有三个电池储能参与调频，对调频过程进行仿真。为体现本发明方法的优越性，将本发明公开的调频控制方法与固定调差系数方法进行对比，其它步骤(主要调频责任分配)保持一致，仿真结果如图3、图4、图5所示。

仿真结果说明，本发明公开的变调差系数调频控制方法可以将系统频率波动控制在一定范围内，且是否变调差系数对其波动影响不大，如图3所示。由电池储能的功率偏移曲线可知，采用变调差系数控制可以在很大程度上减小电池储能的功率波动如图4(a)、图4(b)所示；同时，由电池储能的荷电状态偏移曲线可以明显看出，采用变调差系数控制可以极大地减小电池储能的荷电状态偏移，如图5(a)、图5(b)所示。所以，本发明公开的调频控制方法可以将电池储能控制在一个浅充浅放的状态，从而有效延长其使用寿命。

Claims (6)

1.一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，其特征在于，以控制区域内储能浅充浅放指标总和最小为目标建立储能调频功率分配目标函数，以控制区域内储能调频出力总和满足系统调频需求以及储能调频出力满足自身调频能力为约束，采用二次规划方法求解满足约束的储能充放电功率，由确定的各储能充放电功率确定各储能的浅充浅放指标，由各储能的浅充浅放指标更新储能调差系数及各储能的荷电状态。

2.根据权利要求1所述一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，其特征在于，所述储能浅充浅放指标为：

其中，DI_i，t为第i个储能在t时刻的浅充浅放指标，

分别为第i个储能在t时刻的充电功率和放电功率，每一个储能在同一时刻处于充电状态或放电状态，

为储能浅充浅放指标在第i个储能处于充电状态时的二次项系数，

为储能浅充浅放指标在第i个储能处于放电状态时的二次项系数，

分别为第i个储能在t时刻处于充电状态或放电状态时浅充浅放指标一次项系数，系γ_i，t为储能浅充浅放指标的常数项系数，

a_i为衡量储能功率偏移量对储能浅充浅放指标影响的权重，b_i为衡量储能荷电状态偏移量对储能浅充浅放指标影响的权重，Δt为相邻采样时刻的时间间隔，S_i为第i个储能的额定容量，

分别为第i个储能在t时刻的充电效率和放电效率，SoC_i，t-1为第i个储能在t-1时刻的荷电状态，

为第i个储能的最佳荷电状态。

3.根据权利要求1所述一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，其特征在于，控制区域内储能调频出力总和满足系统调频需求的约束为：

其中，P_i，t为第i个储能在t时刻的充放电功率，

为t时刻储能调差系数，Δf_t为t时刻的系统频率变化，

为t时刻的系统调频出力信号。

4.根据权利要求1所述一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，其特征在于，储能调频出力满足自身调频能力的约束为：

其中，

为第i个储能充放电功率的上下限，

为第i个储能爬坡速率的最大值和最小值，Δt为相邻采样时刻的时间间隔，P_i，t-1、P_i，t分别为第i个储能在t-1时刻、t时刻的充放电功率，SoC_i，t-1为第i个储能在t-1时刻的荷电状态，

为第i个储能荷电状态的上下限。

5.根据权利要求1所述一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，其特征在于，由各储能的浅充浅放指标更新储能调差系数的表达式为：1/R_B，t＝σ₁DI_t-1+σ₂，其中，

为t时刻储能调差系数，DI_t-1为第i个储能在t-1时刻的浅充浅放指标，σ₁和σ₂为常系数，

σ₂＝1/R_max，1/R_max、1/R_min分别为储能的最大调差系数和最小调差系数，DI_max为整个调频过程中各储能浅充浅放指标之和的最大值，DI_max为所有储能均在最大可充放电功率状态下且荷电状态满足其上下限约束时对应的浅充浅放指标之和。

6.根据权利要求1所述一种计及储能浅充浅放需求的调频控制方法，其特征在于，更新各储能的荷电状态的表达式为：

其中，SoC_i，t-1、SoC_i，t分别为第i个储能在t-1时刻、t时刻的荷电状态，

分别为第i个储能在t时刻的充电功率和放电功率，

分别为第i个储能在t时刻的充电效率和放电效率，Δt为相邻采样时刻的时间间隔。

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