CN108988399A - 一种基于有功不平衡距离的储能快速调频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，首先依据电力系统固有频率特性方程，在发生有功扰动情况下通过动态频率数值仿真获得频率变化曲线，接着根据定义的电力系统在频率跌落和频率恢复阶段有功不平衡距离，结合扰动后系统频率偏差情况计算出有功不平衡距离，运用自适应模糊逻辑控制策略，动态调整储能系统在频率跌落阶段和恢复阶段的有功出力。本发明提供的方法适应多种电网运行工况，在满足电力系统快速调频需求基础上，实现储能高效运行，减小其容量配置需求。
Description
技术领域
本发明属于储能参与电力系统频率控制技术领域，涉及一种基于有功不平衡距离的储能快速调频方法。
背景技术
因主流变速风电机组有功控制一般不主动参与频率调节，大规模风电并网对电力系统快速调频提出了挑战。储能系统具备有功快速响应优势，可改善系统动态频率响应特性，减缓系统故障后频率跌落速度和减小频率最大偏差，提高系统频率运行稳定性。但储能容量如何合理配置是储能参与系统快速调频的关键技术之一，配置容量较大会导致配置成本较高和资源浪费，配置容量较小会导致快速调频效果不佳，而基于有功不平衡距离储能快速调频方法，既可满足系统快速调频需求又最小化储能配置成本。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于有功不平衡距离的储能快速调频方法。在频率变化不同阶段有功不平衡距离的应用，实现储能参与系统快速调频过程中有功出力的灵活调整，在频率跌落阶段弥补常规机组一次调频响应不足，在频率恢复阶段协同常规机组一次调频，从而在满足系统快速调频需求基础上，实现储能系统高效运行，减小其容量需求。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，依据电力系统固有频率特性方程，在发生有功扰动后通过动态频率数值仿真获得频率变化曲线，进而得到系统频率最大偏差和稳态偏差，由此计算出电力系统在频率跌落和频率恢复阶段有功不平衡距离，结合扰动后系统频率偏差情况，运用自适应模糊逻辑控制策略，动态调整储能系统在频率跌落阶段和恢复阶段的有功出力。具体步骤如下：
所述的电力系统固有频率特性方程为
其中，ΔPG表示常规机组总出力变化，ΔPW表示风电出力变化，ΔPE表示储能出力变化，ΔPL表示系统负荷变化，后向差分化后
k2＝(1-k1)/DL (4)
其中，Δf为系统频率偏差；t为时刻，Δt为差分化的时间步长，s为拉普拉斯算子，t-Δt为t时刻的前一时刻；k1，k2为与系统惯量和负荷频率调节效应相关的系数；Meq为系统等效惯量，DL为负荷频率调节效应系数；Pu、Ploss、ΔPw、ΔPG、Pe、Pu,p分别为系统总不平衡功率、系统故障损失功率、风电机组有功增量、常规机组有功增量、储能系统有功和系统侧不平衡功率；Δft为t时刻的频率偏差，为t时刻的前一时刻的频率偏差、系统总不平衡功率、常规机组有功增量、风电机组有功增量、储能系统有功不平衡率、系统侧不平衡功率。
通过动态频率数值仿真获得频率变化曲线，进而得到系统频率最大偏差和稳态偏差：
在储能没有参与调频情况下，当系统发生有功扰动如机组跳闸时，系统频率在最低点和新稳态时，其变化率等于零即Δft＝Δft-Δt，由式(2)可知系统在频率最低点和稳态时，系统侧不平衡功率如式(6)、(7)所示：
式中：Pu,p,m为频率最低点系统侧不平衡功率，Pu,p,s为频率稳态时系统侧不平衡功率，Δfd、Δfs分别为系统频率最大偏差和稳态偏差；Δfd可设定为系统启动低频减载对应的频率偏差阈值ΔfUFLS；而Δfs的大小取决于系统故障损失功率Ploss、系统等效调差系数Req和负荷频率调节效应系数Deq，如式(8)所示：
为适应系统不同故障扰动情况，将系统侧不平衡功率进行归一化处理，如式(9)所示
γu,p＝-Pu,p/Ploss (9)
式中：γu,p为系统侧有功不平衡率；进而由式(6)-(9)可得到在频率最低点和稳态时有功不平衡率，如式(10)、(11)所示：
式中，γu,p,m为系统频率最低点时不平衡率，γu,p,s为系统频率稳态时不平衡率；γu,p,m、γu,p,s可分别作为频率跌落阶段与频率恢复阶段的有功不平衡率参考点；基于上述两个参考点，提出系统有功不平衡距离，分别如式(12)(13)所示，用来描述系统故障后在频率变化不同阶段的有功不平衡程度：
式中：du,p,m为频率跌落阶段有功不平衡距离，du,p,s为频率恢复阶段有功不平衡距离，γu,p,r为系统从频率跌落阶段转为恢复阶段时对应不平衡率；du,p,m可表征频率跌落阶段系统有功扰动程度，用于确定在频率跌落阶段储能快速调频的投入时机与有功出力。
所述的自适应模糊逻辑控制策略，包含三个单元：模糊化、模糊推理、反模糊化；逻辑输入量为有功不平衡距离和系统频率偏差，输出量为储能调频有功输出比例，进而动态调整储能系统在频率跌落阶段和恢复阶段的有功出力。
模糊化：将输入量和输出量划分为5个等级：Z、S、M、L、O；同时，隶属度函数采用高斯型、S型和Z型函数三种类型。
模糊推理：输入量输出量隶属度函数，设计了25条逻辑推理规则，涵盖了模糊逻辑输入量与输出量的所有可能组合情况，如表1所示；在有功不平衡距离较大时，储能注入较大的有功功率，减缓系统频率跌落(频率跌落阶段)或防止发生二次快速跌落(频率恢复阶段)；当不平衡距离较小时，随着频率偏差减小，储能系统注入较小的有功功率，减小储能容量需求。
表1储能快速调频的模糊逻辑规则
反模糊化：将模糊变量转化为具体数值的过程；利用“重心法”对输出量进行反模糊化处理，得到储能参与系统快速调频的有功出力比例。
有益效果：本发明提出的基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，提高含高比例风电的电力系统快速调频能力。给出了频率跌落阶段和频率恢复阶段有功不平衡距离的定义，表征在不同阶段的系统侧有功不平衡程度；结合模糊逻辑策略动态调整在频率变化不同阶段的储能调频功率，可以有效将频率运行在低频减载的阈值范围内。在频率变化不同阶段有功不平衡距离的应用，有利于实现储能参与系统快速调频过程中有功出力的灵活调整，在频率跌落阶段弥补常规机组一次调频响应不足，在频率恢复阶段协同常规机组一次调频，从而在满足系统快速调频需求基础上，实现储能系统高效运行，减小其容量需求。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是改进的IEEE 3机9节点图；
图3是有功扰动后频率变化典型曲线；
图4是频率跌落阶段有功不平衡距离的隶属度函数；
图5是频率恢复阶段有功不平衡距离的隶属度函数；
图6是系统频率偏差的隶属度函数；
图7是储能调频有功输出比例的隶属度函数；
图8是不同控制方式下系统频率曲线；
图9是不同控制方式下储能功率曲线；
图10是有功不平衡距离。
具体实施方式
下面结合附图和实施例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，一种基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，基本原理为：依据电力系统固有频率特性方程，在发生有功扰动后通过动态频率数值仿真获得频率变化曲线，进而得到系统频率最大偏差和稳态偏差，由此给出电力系统在频率跌落和频率恢复阶段有功不平衡距离的定义，结合扰动后系统频率偏差情况计算得到有功不平衡距离，运用自适应模糊逻辑控制策略，动态调整储能系统在频率跌落阶段和恢复阶段的有功出力。
具体步骤如下：
电力系统固有频率特性，表达式为
其中，ΔPG表示常规机组总出力变化，ΔPW表示风电出力变化，ΔPE表示储能出力变化，ΔPL表示系统负荷变化，后向差分化后
k2＝(1-k1)/DL (4)
其中，Δf为系统频率偏差；t为时刻，Δt为差分化的时间步长，s为拉普拉斯算子，t-Δt为t时刻的前一时刻；k1，k2为与系统惯量和负荷频率调节效应相关的系数；Meq为系统等效惯量，DL为负荷频率调节效应系数；Pu、Ploss、ΔPw、ΔPG、Pe、Pu,p分别为系统总不平衡功率、系统故障损失功率、风电机组有功增量、常规机组有功增量、储能系统有功和系统侧不平衡功率；Δft为t时刻的频率偏差，为t时刻的前一时刻的频率偏差、系统总不平衡功率、常规机组有功增量、风电机组有功增量、储能系统有功不平衡率、系统侧不平衡功率。
通过动态频率数值仿真获得频率变化曲线，进而得到系统频率最大偏差和稳态偏差。在储能没有参与调频情况下，当系统发生有功扰动如机组跳闸时，系统频率在最低点和新稳态时,其变化率等于零即Δft＝Δft-Δt，由式(2)可知系统在频率最低点和稳态时，系统侧不平衡功率如式(6)(7)所示。
式中：Pu,p,m为频率最低点系统侧不平衡功率，Pu,p,s为频率稳态时系统侧不平衡功率，Δfd、Δfs分别为系统频率最大偏差和稳态偏差。Δfd可设定为系统启动低频减载对应的频率偏差阈值ΔfUFLS。而Δfs的大小取决于系统故障损失功率、系统等效调差系数Req和负荷频率调节效应系数，如式(8)所示。
为适应系统不同故障扰动情况，将系统侧不平衡功率进行归一化处理，如(9)所示
γu,p＝-Pu,p/Ploss (9)
式中：γu,p为系统侧有功不平衡率。进而由式(6)-(9)可得到在频率最低点和稳态时有功不平衡率，如式(10)(11)所示。
式中，γu,p,m为系统频率最低点时不平衡率，γu,p,s为系统频率稳态时不平衡率。γu,p,m、γu,p,s可分别作为频率跌落阶段与频率恢复阶段的有功不平衡率参考点。基于上述两个参考点，提出系统有功不平衡距离，分别如式(12)(13)所示，用来描述系统故障后在频率变化不同阶段的有功不平衡程度。
式中：du,p,m为频率跌落阶段有功不平衡距离，du,p,s为频率恢复阶段有功不平衡距离，γu,p,r为系统从频率跌落阶段转为恢复阶段时对应不平衡率。du,p,m可表征频率跌落阶段系统有功扰动程度，用于确定在频率跌落阶段储能快速调频的投入时机与有功出力。
所述的自适应模糊逻辑控制策略，包含三个单元：模糊化、模糊推理、反模糊化。逻辑输入量为有功不平衡距离和系统频率偏差，输出量为储能调频有功输出比例，进而动态调整储能系统在频率跌落阶段和恢复阶段的有功出力。
模糊化：将输入量和输出量划分为5个等级：Z、S、M、L、O。同时，隶属度函数采用高斯型、S型和Z型函数三种类型。输入量、输出量的隶属度函数分别如图4、图5、图6、图7所示。
模糊推理：输入量输出量隶属度函数，设计了25条逻辑推理规则，涵盖了模糊逻辑输入量与输出量的所有可能组合情况，如表1所示。在有功不平衡距离较大时，储能注入较大的有功功率，减缓系统频率跌落(频率跌落阶段)或防止发生二次快速跌落(频率恢复阶段)；当不平衡距离较小时，随着频率偏差减小，储能系统注入较小的有功功率，减小储能容量需求。
反模糊化：将模糊变量转化为具体数值的过程；利用“重心法”对输出量进行反模糊化处理，得到储能参与系统快速调频的有功出力比例。
采用IEEE三机九节点系统，并在节点8接入风电场，如图2所示。
系统具有三台常规发电机组，其中，G1为水电机组，G2、G3为火电机组。G1、G2、G3机组装机容量分别为230MW、140MW、120MW，储能系统额定功率为30MW。。惯性时间常数分别为23.64s、6.40s、3.01s，一次调频调差系数分别为4％、5％、5％。风电场装机总容量为125MW，其渗透率约为20％。负荷频率调节效应系数为1％。定义低频减载启动的频率阈值为49Hz。
假设在4秒时，系统火电机组G3发生故障并切除，此时系统损失发电功率70MW，与常见的PD控制(p1＝15,p2＝45，Pe为储能系统有功指令)进行调频效果分析对比，系统频率变化、储能有功曲线、系统有功不平衡距离分别如图8、图9、图10所示，储能参与系统快速调频效果如表2所示。由图8可知，当没有储能参与系统快速调频时，系统发生故障后频率快速下跌，最低点达48.32Hz,低于低频减载的启动阈值49Hz,系统将自动切除负荷。在本专利方法和PD控制下，系统频率最低点得到较大改善，分别提高至49.18Hz与49.14Hz，可满足系统快速调频需求。同时，由图9、图10可知，在本专利方法作用下，储能有功出力随着系统有功不平衡距离变化进行调整，在频率跌落阶段，储能快速注入功率，在频率恢复阶段，储能逐渐退出调频，系统可依靠常规机组一次调频能力进行频率恢复；而在PD控制作用下，储能一直保持功率注入，故其储能容量需求较高。由表2可知，本专利方法下储能使用容量仅为PD控制的50％，提高了储能运行经济性。
表2不同控制方式调频效果对比表
| 控制方法 | 无储能 | 本文方法 | PD控制 |
| 频率最低点(Hz) | 48.32 | 49.18 | 49.14 |
| 储能使用容量(MWh) | 0 | 0.22 | 0.44 |
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，其特征在于，依据电力系统固有频率特性方程，在发生有功扰动后通过动态频率数值仿真获得频率变化曲线，进而得到系统频率最大偏差和稳态偏差，由此给出电力系统在频率跌落和频率恢复阶段有功不平衡距离的定义，结合扰动后系统频率偏差情况计算得到有功不平衡距离，运用自适应模糊逻辑控制策略，动态调整储能系统在频率跌落阶段和恢复阶段的有功出力。
2.根据权利要求1所述的基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，其特征在于，所述的电力系统固有频率特性方程为
其中，ΔPG表示常规机组总出力变化，ΔPW表示风电出力变化，ΔPE表示储能出力变化，ΔPL表示系统负荷变化，后向差分化后
k2＝(1-k1)/DL (4)
其中，Δf为系统频率偏差；t为时刻，Δt为差分化的时间步长，s为拉普拉斯算子，t-Δt为t时刻的前一时刻；k1，k2为与系统惯量和负荷频率调节效应相关的系数；Meq为系统等效惯量，DL为负荷频率调节效应系数；Pu、Ploss、ΔPw、ΔPG、Pe、Pu,p分别为系统总不平衡功率、系统故障损失功率、风电机组有功增量、常规机组有功增量、储能系统有功和系统侧不平衡功率；Δft为t时刻的频率偏差，Δft-Δt、为t时刻的前一时刻的频率偏差、系统总不平衡功率、常规机组有功增量、风电机组有功增量、储能系统有功不平衡率、系统侧不平衡功率。
3.根据权利要求2所述的基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，其特征在于：通过动态频率数值仿真获得频率变化曲线，进而得到系统频率最大偏差和稳态偏差，由此计算出电力系统在频率跌落和频率恢复阶段有功不平衡距离，具体是指：
在储能没有参与调频情况下，当系统发生有功扰动如机组跳闸时，系统频率在最低点和新稳态时，其变化率等于零即Δft＝Δft-Δt，由式(2)可知系统在频率最低点和稳态时，系统侧不平衡功率如式(6)、(7)所示：
式中：Pu,p,m为频率最低点系统侧不平衡功率，Pu,p,s为频率稳态时系统侧不平衡功率，Δfd、Δfs分别为系统频率最大偏差和稳态偏差；Δfd设定为系统启动低频减载对应的频率偏差阈值ΔfUFLS；而Δfs的大小取决于系统故障损失功率Ploss、系统等效调差系数Req和负荷频率调节效应系数Deq，如式(8)所示：
为适应系统不同故障扰动情况，将系统侧不平衡功率进行归一化处理，如式(9)所示
γu,p＝-Pu,p/Ploss (9)
式中：γu,p为系统侧有功不平衡率；进而由式(6)-(9)可得到在频率最低点和稳态时有功不平衡率，如式(10)、(11)所示：
式中，γu,p,m为系统频率最低点时不平衡率，γu,p,s为系统频率稳态时不平衡率；γu,p,m、γu,p,s分别作为频率跌落阶段与频率恢复阶段的有功不平衡率参考点；基于上述两个参考点，提出系统有功不平衡距离，分别如式(12)(13)所示，用来描述系统故障后在频率变化不同阶段的有功不平衡程度：
式中：du,p,m为频率跌落阶段有功不平衡距离，du,p,s为频率恢复阶段有功不平衡距离，γu,p,r为系统从频率跌落阶段转为恢复阶段时对应不平衡率；du,p,m表征频率跌落阶段系统有功扰动程度，用于确定在频率跌落阶段储能快速调频的投入时机与有功出力。
4.根据权利要求2所述的基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，其特征在于：所述的自适应模糊逻辑控制策略，包含三个单元：模糊化、模糊推理、反模糊化；逻辑输入量为有功不平衡距离和系统频率偏差，输出量为储能调频有功输出比例，进而动态调整储能系统在频率跌落阶段和恢复阶段的有功出力。
5.根据权利要求4所述的基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，其特征在于：模糊化：将输入量和输出量划分为5个等级：Z、S、M、L、O；同时，隶属度函数采用高斯型、S型和Z型函数三种类型。
6.根据权利要求4所述的基于有功不平衡距离的储能快速调频方法，其特征在于：模糊推理：输入量输出量隶属度函数，设计了25条逻辑推理规则，涵盖了模糊逻辑输入量与输出量的所有可能组合情况，如表1所示；在有功不平衡距离较大时，储能注入较大的有功功率，减缓系统频率跌落或防止发生二次快速跌落；当不平衡距离较小时，随着频率偏差减小，储能系统注入较小的有功功率，减小储能容量需求。
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