CN108808699A - 一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法 - Google Patents
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Abstract
针对当前电力系统对频率调节分析方法的双向性、普适性和多元性需求，提出适用于双向储能设备的双象限频率特性(DQFC)分析方法。DQFC分析方法构建了统一的功率参考体系，以电动机惯例规定从电网吸收功率的方向为正，向电网发出功率的方向为负，将系统中“荷”、“源”分别呈现在第一、二象限，解决了传统频率特性分析法存在的参考值问题；DQFC分析方法能够适用于复杂的多电源系统调频机理分析(一次调频和二次调频)。该多电源系统可由多种控制策略下运行的双向储能设备、无穷大电网、实际电网和发电机组组合而成；DQFC分析方法对传统频率方法进行了维度拓展，改运行点为运行线以表示功率平衡状态。能对双模式运行的双向储能设备进行频率特性定性和定量分析，解决了传统频率特性分析法存在的单维度问题。在新能源渗透率日益提高的趋势下，电网中的双向储能设备数量将越来越多。在这种背景下，本发明所提出的方法有较为广阔的应用空间。
Description
技术领域
本发明属新能源技术领域，特别涉及一种适用于双向储能设备的双象限频率特性(DQFC)分析方法。具体说是关于分布式电源，微电网、可再生能源发电，储能等系统的新型频率特性分析方法。
背景技术
微电网通过对微电源的灵活控制，提高供电可靠性和电能质量，避免分布式电源单独供电对电网安全性、稳定性和电能质量等造成冲击。
为解决能源危机和环境问题，越来越多的可再生能源、电动汽车和储能系统需要通过电力电子变换器接入微电网。蓄电池、电动汽车、发-储联合系统等广义储能设备能够根据电网的需求，实现能量双向流动，本文简称之为双向储能设备。当电网电力充足时，双向储能设备接口处的变流器工作在整流模式，将能量储存；而当负载用电量过大或者电网突然断电时，变流器以逆变模式运行，将储存的电能逆变成交流电，馈入电网或者直接给重要负载供电。有学者提出自主电力系统的概念，为智能电网接入提供统一的接口机制，使新能源和负荷能像常规电源一样参与电网频率调节。这对双向储能设备提出了更高的要求，即在发、储两种模式下均能自主参与电网频率的调节。
为了有效应对上述双向储能设备的快速发展，使之成为更加符合未来电网需求的“模范负荷”，已有部分文献对上述双向储能设备进行了研究。按照应用场景可以分为两类：传统储能场景和电动汽车场景。首先，在传统储能场景下，双向变流器的控制方式和模式切换方法得到了一定的研究。有学者介绍了一种适用于特殊双向变流器的双模式运行控制方案。也有学者用不同的控制策略实现了储能系统的充放电功能。另外，在电动汽车的V2G场景下，诸多学者对双向变流器的拓扑结构及对应控制策略进行了研究。虽然已有部分文献针对双向储能设备进行了研究，但是在实际微电网环境下，双向储能设备的调频特性和分析方法还鲜有研究。若能够在实际微电网特性基础上，将双向储能设备在不同模式(发电机模式/电动机模式)、不同控制策略下的频率调节机理进行详尽分析，能够促进电动汽车、储能等双向储能设备的发展，对自主电力系统的构建和未来高渗透率环境中维持电网频率稳定都具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法。以解决新场景下发/储双向储能设备的频率调节分析问题。
双向储能设备的特性主要由其接口变流器的控制方式决定：常见的控制方法有有功无功(PQ)控制、电压频率(Vf)控制和下垂控制三种。采用何种控制策略取决于原动机的类型和微电网的运行模式。PQ控制使分布式微源输出恒定的调度功率，由功率外环和电流内环构成，广泛应用在并网逆变器和储能逆变器中。PQ控制下的变流器作为电力系统中的PQ节点。PQ节点占微网系统中的大多数，常见的储能设备、电动汽车一般均为PQ节点。Vf控制可以输出恒定的电压和频率，一般由电压外环和电流内环构成，广泛应用于孤岛运行状态下的主从控制结构微网。微网孤岛运行时，主控单元采用Vf控制，作为平衡节点，为从控单元提供电压和频率支撑。分布式电源与储能配合的发储联合系统(光储、风储、风光储等)因其优越的响应速度和可调度性，可采用Vf控制。下垂控制是效仿同步发电机运行特性对分布式电源进行控制的方法，常用于对等控制结构微网的并联系统中，有下垂控制和反下垂控制之分。采用下垂控制的分布式电源能对频率进行有差调节。需要说明的是，下垂控制可以作为子环节应用于PQ控制和Vf控制中。
电力系统一次调频的原理显示：在调频过程中，对于单台设备，其承担的负荷与其调差系数成反比。微电网的一次调频能力为微电网中各调频设备的调频能力之和。分析电力系统中频率和有功功率的关系时常用的频率特性分析见图1。使用图1所示的分析方法能满足传统发电机与负荷的频率特性分析要求。但在双向储能设备渗透率逐渐提高的背景下，仍暴露出一定的缺陷。具体表现为
参考值问题：负荷的有功功率参考方向以吸收功率为正，发电机的有功功率参考方向以发出有功功率为正，存在一定的认知难度，分析时可能引起不必要的误解。
单电源问题：传统方法常用来分析单电源独立为负荷供电(或将所有电源等效为一个等值电源)时的频率特性，难以分析不同调差系数的电源共同为负荷供电的调频特性。
单维度问题：传统方法只能在单维度下表示发电机发功率的调频特性，而对于有发电机模式和电动机模式两个维度的双向储能设备，难以进行调频分析。
针对上述问题，一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法被提出，其原理图见图2。横坐标为有功功率轴，纵坐标为频率轴，吸收功率的设备位于频率轴右侧(第一象限)，发出功率的设备位于频率轴左侧(第二象限)。运行线与每个吸收功率设备的静态频率特性线的交点横坐标为该设备吸收的功率；运行线与每个发出功率设备的静态频率特性线的交点横坐标为该设备发出的功率。将吸收功率的设备的所有交点横坐标相加为该系统中所有用电设备吸收的功率；将发出功率的设备的所有交点横坐标相加为该系统中所有发电设备发出的功率。电力系统中电力的供需平衡要求上述二者相等，这通过图2中运行线的上下移动来实现。
单电源系统的DQFC分析方法分析图见图3。
图3中横轴为有功功率轴，纵轴为频率轴。负荷吸收功率，故其频率特性位于第一象限，对应的功率值为正。电源发出功率，故其频率特性位于第二象限，对应的功率值为负。图3中直线LG和LL0分别为发电设备的频率特性和总负荷的初状态的频率特性。直线o与纵轴、LG和LL0的交点分别为点x、a和b，有ax＝bx，即PG0＝PL0，满足功率平衡关系。因此，初始状态下，系统的运行线为直线o。点x处的坐标为fN，系统在额定频率fN下运行。总负荷增加ΔPL0后，负荷的频率特性将向右移动而变为直线LL1，在此情况下，若系统仍然保持额定频率不变，则负荷吸收的功率将由PL0增加到PL0+ΔPL0，即相当于直线LL1上的c点(对应于图1中的a点)。但实际上，由于负荷增加破坏了原有的功率平衡，在发电设备和负荷的调频作用下，频率将下降至新的平衡值f1，运行线为图2中的直线o′，有dy＝ey，即达到PG1＝PL1的新功率平衡。
上述过程实际的过程如下：当总负荷增加后，起初由于发电机组的惯性，转速不能突然变化，系统频率和系统发出的功率暂时保持不变，使发电机组的输出功率小于负荷的功率，造成能量的缺额。这一缺额只能由发电机组将储存的动能释放，于是，机组转速开始降低。接着，由于发电机组转速降低，在调速系统的作用下，进气阀和进水阀开度增大，原动机的机械功率增加，进而发电机的输出功率也随之增加。同时，电力系统中的负荷随着频率的变化按照自身的调频特性进行调节，一般而言在负荷突增导致频率下降后，负荷会减少吸收的功率。随着这两个过程的进行，系统将会达到新的平衡。可见上述过程与DQFC分析方法的分析结果相吻合。
接下来介绍DQFC分析方法在多电源系统中的应用，该多电源系统不仅包含普通发电机组，还可以包含双向储能设备、实际电网等。下面分别针对不同的多电源系统组成分别介绍分析方法。
DQFC分析方法在含有发电机组的多电源系统中的应用见图4。针对发电机组，其分析与图3所示的单电源系统DQFC分析类似。区别在于，由于有多个电源，在频率轴左侧有多个电源的频率特性。下面以两个频率特性不同的发电机组为例进行说明，见图4。直线LG1和LG2分别为发电机组1和发电机组2的频率特性，下标0表示初始稳态，下标1表示调频后的稳态。
DQFC分析方法在含有双向储能设备的多电源系统中的应用。双向储能设备运行在发电机模式时，频率特性在频率轴的左侧；运行在电动机模式时，频率特性在频率轴的右侧。由于其调差系数一般不变，因此在模式之间切换时，只需要将频率特性左右平移，斜率保持不变。其他分析方法与图4发电机组的分析一致
DQFC分析方法在含有实际电网的多电源系统中的应用。无穷大电网是理想化的模型，实际电网的频率会随出力变化有微小的变化。在分布式微电网中，实际电网模型便尤为必要。实际电网的频率特性介于无穷大电网与发电设备之间，是一条斜率很小的直线，它们之间的关系见图5。直线LG、LG′、LG *、LL分别为无穷大电网、实际电网、发电设备、负荷的频率特性。
附图说明
图1传统频率特性分析方法。
图2适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法。
图3单电源系统的DQFC分析方法。
图4DQFC分析方法在含有发电机组的多电源系统中的应用。
图5不同电源的频率特性比较。
图6包含发电机模式双向储能设备的多电源系统DQFC分析。
图7包含电动机模式双向储能设备的多电源系统DQFC分析
具体实施方式
为说明本发明所提方法与传统方法的异同点，首先，简要描述机组一次调频的调节原理。电力系统正常运行条件下频率偏差值为±0.2Hz。为了保证频率质量，首先应满足额定功率下系统中有功功率的平衡
式中，PGi——发电设备i(i＝1，2，…，m)发出的有功功率；m——系统中发电设备的数量；PLj——用电设备j(j＝1，2，…，n)吸收的有功功率；n——系统中用电设备的数量。需要说明的是，此处的发电设备不仅指传统电源，还包括以发电机模式运行的双向储能设备；用电设备不仅指传统负荷，还包括以电动机模式运行的双向储能设备。当电网负荷变化时，频率发生波动，并网运行的具有调频能力的发电设备共同承担功率缺额，参与调频，从而使系统达到新的功率平衡，将电网频率的变化限制在一定的范围内。各发电设备对频率调节的“参与度”由调差系数σ决定。
式中，KG *——以额定单位调节功率为基准值的标幺单位调节功率；KG——单位调节功率；KGN——额定单位调节功率；ΔPG——有功功率变化量；Δf——频率变化量；PGN——额定有功功率；fN——额定频率。发电机的单位调节功率标志了随频率的高低发电设备发出功率减少或增加的多寡。
系统中有多台发电机并联运行时，第i台发电设备的频率调节方程为
稳态时整个系统内频率的变化量是相同的，对式(6)求和得
按照式(6)的格式，将所有发电设备等值为一台发电设备，则有
由上述分析可知，在调频过程汇总，对于单台设备，其承担的负荷与其调差系数成反比。微电网的一次调频能力为微电网中各调频设备的调频能力之和。
在分析电力系统中的频率调节特性时，通常采用图1所示的分析方法。这种方法能够满足传统的分析要求，随着微电网和新能源、双向储能设备(储能电站、电动汽车等)的发展，这种方法显现出三种弊端：参考值问题、单电源问题和单维度问题。
首先，针对参考值问题，建立统一的功率参考方向。考虑到认知习惯，采用电动机惯例来规定正方向。无论对于发电设备还是用电设备，以从电网吸收功率的方向为正，以向电网发出功率的方向为负。这样可以在统一的功率参考方向下清晰地将发电设备和用电设备进行区别，并赋予它们明确的物理意义，不会因参考方向不一致而产生不必要的误解。然后，针对单电源问题和单维度问题，将传统方法进行维度拓展，使其不但适用于单个传统发电机，而且适用于双向储能设备，甚至多个电源的复杂微电网。图1中的传统方法只在第一象限内表示频率特性，用运行点(图1中点o和点o’)表示式(1)所示的功率平衡状态。新方法在第一象限和第二象限内表示频率特性，并用运行线表示平衡状态，这样便可以在解决单维度问题的同时，方便对多电源(其中包含双向储能设备)参与调频的过程进行分析。采用上述基本思路，提出DQFC分析方法，其基本图解见图2，单电源情况下的应用见图3。
下面从数学关系上推导DQFC分析方法的合理性。图1中，总负荷增加ΔPL0、负荷因自身调节作用少吸收的功率ΔPL和发电设备因自身的调节作用增发的功率ΔPG之间满足式(9)所示的“基本关系一”。其表征了调频过程的“参与者们”，是实现初状态、末状态两个功率平衡的必然结果。
ΔPL0＝ΔPL+ΔPG (9)
另外，ΔPL、ΔPG和Δf之间满足式(10)所示的“基本关系二”。其表征了调频过程的“参与者们”具体以何种“参与度”进行调频。
式中，kL——直线L上的频率变化量与功率变化量的比值。式(9)和式(10)所表示的两个基本关系是调频过程的本质。
下面验证DQFC分析方法是否满足上述基本关系。
图2中，由运行线o对应的初平衡状态得
PG0＝PL0 (11)
由运行线o′对应的末平衡状态得
PG1＝PL1 (12)
对运行线o到运行线o′的过渡过程进行数学分析，对于发电设备，其发出的功率增加，有
PG0+ΔPG＝PG1 (13)
对于负荷，先增加，后因自身调节作用减小，有
PL0+ΔPL0-ΔPL＝PL1 (14)
联立式(11)～(14)可得式(9)所示的“基本关系一”，由图2中的数学关系易得式(10)所示的“基本关系二”，进而说明DQFC分析方法满足调频基本关系，不违背功频规律，具有可行性。上述为单电源系统的DQFC分析方法。通过上述推导分析并与传统方法对比，可见DQFC分析方法在实现传统分析方法的功能的基础上解决了传统分析方法的参考值问题，且较后者更通俗易懂，物理意义更加明确。
下面介绍多电源系统的DQFC分析方法。该种多电源系统中可能含有发电机组、双向储能设备和实际电网等。
针对含有发电机的多电源系统，图4中，由运行线o对应的初平衡状态得
PG10+PG20＝PL0 (15)
由运行线o′对应的末平衡状态得
PG11+PG21＝PL1 (16)
对运行线o到运行线o′的过渡过程，对于发电机组1和发电机组2，有
对于负荷，其频率特性与单电源的情况相同，见式(14)。
联立式(14)～(17)可得式(18)
ΔPL0＝ΔPL+(ΔPG1+ΔPG2) (18)
满足式(9)所示的“基本关系一”。
由图4的数学关系易得
满足式(10)所示的“基本关系二”。
当负荷突然减小，系统的调频过程为上述过程的逆过程，上述分析仍然适用。
将式(18)推广至n台机组参与调频，得
将式(19)拓展至n台机组参与调频，有
针对含有双向储能设备的多电源系统：双向储能设备运行在发电机模式时，频率特性在频率轴的左侧；运行在电动机模式时，频率特性在频率轴的右侧。由于其调差系数一般不变，因此在模式之间切换时，只需要将频率特性左右平移，斜率保持不变。其他分析方法与图3的分析一致，在多台机组下仍满足式(20)和式(21)的两个基本关系。
针对含有电网的多电源系统：无穷大电网是理想化的模型，实际电网的频率会随出力变化有微小的变化。在分布式微电网中，实际电网模型便尤为必要。实际电网的频率特性介于无穷大电网与发电设备之间，是一条斜率很小的直线，它们之间的关系见图5。
多电源系统DQFC分析实例：
上述内容已利用DQFC分析方法解决了传统分析方法的参考值问题和单电源问题。单维度问题涉及到对双向储能设备的分析，接下来将用DQFC分析方法对含有双向储能设备的多电源系统进行实例分析，通过实例呈现单维度问题的解决方法。
考虑到微电网的实际特性，研究由双向储能设备和实际电网共同参与调频的微电网系统。在发电机模式、电动机模式下，分别研究PQ控制下的双向储能设备和下垂控制下的双向储能设备的调频特性。为便于分析和阅读，忽略负荷的调频特性，并将实际电网的斜率适当增大。
发电机模式下垂控制的双向储能设备参与的多电源系统DQFC分析实例见图6。下垂控制策略下一次调频过程的分析与图4的分析类似，最终，在双向储能设备和实际电网共同调节作用下，系统频率由fN下降至f1易得
ΔPL0＝ΔPG *+ΔPG′ (22)
若一次调频后系统频率不满足要求，需进行二次调频。为便于分析，以实现无差调节为例说明该过程。如图5所示，在一次调频后频率f1的基础上，二次调频的作用是使双向储能设备增发功率ΔPG-2 *，使其频率特性右移，导致PG1 *+ΔPG-2 *+PG1′＞PL1。发电功率大于负荷功率，机组将多余电能转化储存在转轴中，使转速增加，系统频率逐渐上升。因此，图中的运行线f＝f1将上移。当PG0 *+ΔPG-2 *+PG0′＝PL1时，达到功率平衡，此时的运行线回到，系统实现无差调节。
下面讨论发电机模式PQ控制的双向储能设备。如图6所示，采用PQ控制时的信息用粗体表示。设双向储能系统的有功参考值为PG0 *，LG-PQ *为其频率特性。由于PQ控制下的双向储能设备不参与调频，故负荷突增后，产生的功率缺额全由电网承担，电网需发出更多功率才能达到功率平衡。图6中，当运行线为粗虚线f＝f2时，达到功率平衡PG0 *+PG2′＝PL1。
需要指出的是，负荷突然减小时系统的调频过程为上述过程的逆过程，上述分析仍然适用。
电动机模式下垂控制的双向储能设备参与的多电源系统DQFC分析实例见图7。标记方式与图6一致。需注意的是，双向储能设备工作在电动机模式，其频率特性在第一象限，实际电网给双向储能设备和负荷供电。
由图7运行线f＝fN对应的初平衡状态得
PG0′＝PL0+PG0 * (24)
负荷增加，调频结束后，频率下降，运行线成为f＝f1，对应的末平衡状态有
PG1′＝PL1+PG1 * (25)
对过渡过程进行分析，对于双向储能设备，负荷增加后，其作为电动机通过少吸收有功功率进行频率调节，有
PG0 *-ΔPG *＝PG1 * (26)
对于实际电网，其通过增发功率参与频率调节
PG0′+ΔPG′＝PG1′ (27)
对于负荷，没有自身的调节作用，有
PL0+ΔPL0＝PL1 (28)
联立式(24)～(28)可得与式(22)相同的“基本关系一”。由几何关系，易得与式(23)相同的“基本关系二”。可见，工作在电动机模式的双向储能设备理论上具有与发电机模式相同的调频能力和作用。
下面讨论电动机模式PQ控制的双向储能设备。当双向储能设备采用PQ控制时，双向储能吸收的功率跟踪PG0 *。负荷突增后，双向储能设备不能通过少吸收功率的方式参与调频，使系统频率降低更多。当运行线为粗虚线f＝f2时，才达到功率平衡，有PG2′＝PL1+PG0 *。
负荷突减情况下的调频过程是上述过程的逆过程，采用的分析方法相同。
Claims (8)
1.一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法。其特征在于，有功功率为横坐标、系统频率为纵坐标，分析对象位于第一、二象限。该方法构建了统一的功率参考体系，不仅解决传统频率分析方法的参考值问题、单电源问题和单维度问题，还能够对双向储能设备和复杂多电源系统的一次调频、二次调频机理进行定性和定量分析。该多电源系统可由发电机组、无穷大电网、实际电网和多种控制策略下发电机模式/电动机模式运行的双向储能设备组合而成。
2.根据权利要求1所述的参考值问题，其特征在于，
负荷的有功功率参考方向以吸收功率为正，发电机的有功功率参考方向以发出有功功率为正，存在一定的认知难度，分析时可能引起不必要的误解；
针对该问题，采用电动机惯例来规定正方向。无论对于发电设备还是用电设备，以从电网吸收功率的方向为正，以向电网发出功率的方向为负。在统一的功率参考方向下将发电设备和用电设备进行区别，并赋予它们明确的物理意义，不会因参考方向不一致而产生不必要的误解。
3.权利要求1所述的单电源问题，其特征在于，
传统方法常用来分析单电源独立为负荷供电(或将所有电源等效为一个等值电源)时的频率特性，难以分析不同调差系数的电源共同为负荷供电的调频特性；
针对该问题，将传统方法进行维度拓展，将系统的稳态运行状态用运行线表示(而非运行点)，进而可以完成不同调差系数的电源共同为负荷供电的调频特性分析，适用于含有多个电源的复杂微电网。
4.权利要求1所述的单维度问题，其特征在于，
传统方法只能表示发电机发功率的调频特性，而对于有发电机模式和电动机模式两个维度的双向储能设备，难以进行调频分析；
针对该问题，将传统方法进行维度的拓展后，该种分析方法不但适用于单个发电机，而且适用于双向储能设备(储能电池、电动汽车等可以在发电机/电动机两种状态运行的设备)。
5.权利要求1所述的发电机、理想电网和实际电网之间的特性差异，通过静态频率特性线的斜率表现出来；
发电机的斜率大于实际电网，实际电网的斜率大于理想电网，且理想电网的斜率为0。
6.权利要求1所述多种控制策略，包括PQ恒功率控制策略、下垂控制策略、虚拟同步发电机控制策略等；
PQ恒功率控制策略下的频率特性线与横坐标轴垂直，下垂控制策略和虚拟同步机控制策略的频率特性线按照调差系数有不同程度的斜率。
7.权利要求1所述的发电机和电动机模式的区别，通过频率特性线的位置表现出来；
如果设备工作在发电机模式，该频率特性线位于第二象限，即频率轴左侧；如果设备工作在电动机模式，该频率特性线位于第一象限，即频率轴右侧。
8.权利要求2和权利要求7中的参考方向的设置是灵活可变的，该与该发明参考方向相反的方法可视为同一种方法。即以从电网吸收功率的方向为负，以向电网发出功率的方向为正。
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