CN109599881B - 一种基于锰酸锂电池储能系统的电网调频调压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于锰酸锂电池储能系统的电网调频调压方法,通过电池储能系统对配电网进行调频调压，保证电能质量。在对配电网的调节过程中，对电池的实时监控可以使电池的剩余电量维持在一定范围内避免充放电过程中电池过充和过放，以确保蓄电池的工作状态和使用寿命；对调节功率的优化计算可以获得最佳的调节功率，可以同时满足于配电网的频率和电压的调节，避免了调节过程中对电池进行频繁充电和放电操作以提高电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于锰酸锂电池储能系统的电网调频调压方法。
背景技术
近年来，化石燃料在利用过程中对环境造成严重的危害，大量化石能源消耗引起温室气体的排放导致温室效应增强，大量有害气体排放。随着化石能源储量的逐步降低，全球能源危机也日益迫近，可再生能源(太阳能，风能，水能，生物质能，地热能，海洋能等)在过去30年间增长率超过了一次能源的增长率，我国自《可再生能源法》颁布后，可再生能源产业取得了高速发展。分布式能源可利用可再生能源发电，以小规模，模块化，分散式的方式分布在用户端，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用，并通过中央能源供应系统提供支持和补充。
分布式能源发电在我国处于起步阶段，可再生能源的存在间歇性，其发电量会随之时间，天气，季节的变化而变化，并网发电会影响电能的质量，降低电网的稳定性，使电网的电压和频率产生波动。电池储能技术可以快速响应，准确跟踪，可以解决大规模间歇性可再生能源并网引发的频率电压波动难题。国家积极鼓励各类主体按照市场化原则投资运营接入电网的储能系统，允许储能系统作为独立主体参与辅助服务交易。全球正在积极开展电池储能用于调频调压的项目，然而对于电池储能单次完成调频调压相关控制策略并未深入探讨。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于电池储能系统的电网调频调压方法，具体包括以下步骤：
步骤1：获取电池的剩余电量并确定其状态。实时监控电池的SOC，合理利用电池用于配电网的调频调压，提高电池的寿命：为了避免电池过充或过放对电池造成损伤，根据电池的SOC将电池划分为三个状态：可充电可放电状态，可充电不可放电状态，可放电不可充电状态，通过实时更新电池的SOC值SOCi确定电池单元的状态。电池单元i的剩余电量通过如下方式获取：
上述的SOCi为当前时间点电池单元i的剩余电量，
为上个时间点电池单元i的剩余电量。
电池储能系统调频调压时，首先要确定电池储能单元的状态：
当电池单元i剩余电量SOCi<10％时，电池处于可充电不可放电状态，电池单元i只能用于充电，不能用于放电，充电过程中剩余电量不能超过90％，当充电过程中剩余电量超过90％时，电池状态切换为可放电不可充电状态。
当电池单元i剩余电量SOCi>90％时，电池处于可放电不可充电状态，电池单元i只能用于放电，不能用于充电，放电过程中剩余电量不能低过10％，当放电过程中剩余电量低过10％时，电池状态切换为可充电不可放电状态。
当电池单元i剩余电量10％<SOCi<90％时，电池处于可充电可放电状态，电池单元i可以用于放电，放电过程中剩余电量不能低过10％，当放电过程中剩余电量低过10％时，电池状态切换为可充电不可放电状态，电池也可以用于充电，充电过程中剩余电量不能超过90％，当充电过程中剩余电量超过90％时，电池状态切换为可放电不可充电状态。
步骤2：计算配电网n节点的电压调节功率ΔPV1，ΔPV2，...，ΔPVn。计算电池储能系统参与调压的功率通过电力潮流算法获得。电压的敏感系数可以通过牛顿-拉夫逊潮流计算中的雅可比行列式的逆矩阵J-1获得
用S表示雅可比行列式的逆矩阵J-1：
ΔU可以用下式获得
ΔU＝SUP·ΔPV+SUQ·ΔQ
假设配电网的电压调节只通过有功功率调节，调节电压所需功率可以用下式获得
步骤3：选择所有节点数(n)中敏感系数较小的前三分之一的节点用于备选调节点用于频率调节。对上述计算个节点的敏感系数
进行排列选取最小的n/3个节点作为备选点。
步骤4：计算总的电压调节功率可以用下式获得：
步骤5：计算总的频率调节功率ΔPf。电池储能系统调频所需的功率通过模拟发电机模型的下垂控制获得，根据电网频率波动的范围和电池储能单元充放电功率的限定值可以计算出电池储能单元参与调频的频率响应系数K,由下式获得：
其中：Pcharge和Pdischarge为电池储能系统充电和放电功率的上限，fbase为电网的额定频率，Δfmax和Δfmin为电网频率偏差的最大和最小值，Pbase为电力系统的标准功率。
电网对电池储能系统调频需求功率ΔPf采用如下方式获取：
ΔPf＝K*Δf
步骤6：判断频率调节功率ΔPf和电压调节功率ΔPV的大小。
步骤7：当频率调节功率ΔPf小于电压调节功率PV时，选节点的电池储能系统的调节功率ΔPfi＝0。
步骤8：当频率调节功率ΔPf大于电压调节功率PV时，备选节点的电池储能系统的调节功率采用如下方式获取：
ΔPfi＝3(ΔPf-ΔPV)/n
步骤9：发送调节指令(ΔPi)到各个节点的电池储能系统，各个节点的调节功率采用如下方式获取：
ΔPi＝ΔPfi+ΔPVi。
与现有技术相比，本发明对电网频率和电压进行同时调节且对电池剩余电量进行监控(SOC)，从而能够合理利用电池用于配电网的调频调压，提高电池的寿命避免电池既调频又调压二次操作，减少充放电的次数。采用本发明的技术方案，通过电池储能系统对配电网进行调频调压，保证电能质量；同时对调节功率的优化计算可以获得最佳的调节功率，可以同时满足于配电网的频率和电压的调节，避免了调节过程中对电池进行频繁充电和放电操作以提高电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明锰酸锂电池储能单元的电网调频调压控制架构的结构示意图。
图2为储能电池单元SOC各状态示意图。
图3为电网调频示意图。
图4为电网调压示意图。
图5为IEEE 33节点IEEE配电网模型。
图6为电网负荷和光伏发电量。
图7为协调算法调节前电网各节点的电压。
图8为协调算法调节后电网各节点的电压。
图9为协调算法调节前后的电网各节点的频率波动。
图10为协调算法和分开调节的充放电次数。
图11为协调算法和分开调节的充放电功率。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述
蓄电池储能可以解决分布式可再生能源接入电网造成电网质量下降的问题。在配电网中合理地规划分布式储能，并调控其与分布式电源和负荷协同运行，不但可以通过削峰填谷起到降低配电网容量的作用，还可以弥补分布式出力随机性对电网安全和经济运行的负面影响。进一步，通过多点分布式储能形成规模化汇聚效应，积极有效地面向电网应用，参与电网调峰、调频和调压等辅助服务，将有效提高电网安全水平和运行效率。
参见图1，图1的右半部分为本发明电池储能系统的电网调频调压控制架构的结构示意图，包括锰酸锂电池储能单元及其剩余电量监控模块、双向逆变器、电力辅助控制平台。
锰酸锂电池储能单元位于用户，当电网能量过剩时用于充电，当电网能量不足时用于放电。锰酸锂电池储能单元剩余电量实时监控不得低于合理范围(10％-90％)。
剩余电量监控模块实时监控电池储能单元的剩余电量能提高电池的安全性和使用效率进而延长电池的寿命，能够避免电池在使用过程中过充或过放，并直接影响电池的安全性和使用效率。
电力辅助控制平台接收电网的频率波动，电压波动和电池单元的状态，通过协调算法获得调节功率发送给双向逆变器。
双向逆变器接收电力辅助控制平台信息对电池存储单元进行充放电。
图1的左半部分为本发明电池储能系统的电网调频调压控制的协调算法，传统的电网调节只能单独满足于对配电网的电压或频率的单独调节，无法单次调节使配电网的电压和频率波动恢复到电网允许范围。所提出的协调算法通过潮流计算获取各个节点的敏感系数，通过敏感系数可以计算出各个节点的电压调节补偿功率和波动较小的节点。频率调节的补偿功率通过下垂控制原理计算出频率响应系数从而根据频率波动量获得调节频率所需功率。协调算法最终根据频率调节的补偿功率和电压调节的补偿功率，选取适当的补偿量，将其分配到各个节点以达到调节作用。具体的调节过程包括以下步骤：
步骤1：获取电池的剩余电量并确定其状态。实时监控电池的SOC，合理利用电池用于配电网的调频调压，提高电池的寿命：为了避免电池过充或过放对电池造成损伤，根据电池的SOC将电池划分为三个状态：可充电可放电状态，可充电不可放电状态，可放电不可充电状态，通过实时更新电池的SOC值SOCi确定电池单元的状态。电池单元i的剩余电量通过如下方式获取：
上述的SOCi为当前时间点电池单元i的剩余电量，
为上个时间点电池单元i的剩余电量。
电池储能系统调频调压时，首先要确定电池储能单元的状态：
当电池单元i剩余电量SOCi<10％时，电池处于可充电不可放电状态，电池单元i只能用于充电，不能用于放电，充电过程中剩余电量不能超过90％，当充电过程中剩余电量超过90％时，电池状态切换为可放电不可充电状态。
当电池单元i剩余电量SOCi>90％时，电池处于可放电不可充电状态，电池单元i只能用于放电，不能用于充电，放电过程中剩余电量不能低过10％，当放电过程中剩余电量低过10％时，电池状态切换为可充电不可放电状态。
当电池单元i剩余电量10％<SOCi<90％时，电池处于可充电可放电状态，电池单元i可以用于放电，放电过程中剩余电量不能低过10％，当放电过程中剩余电量低过10％时，电池状态切换为可充电不可放电状态，电池也可以用于充电，充电过程中剩余电量不能超过90％，当充电过程中剩余电量超过90％时，电池状态切换为可放电不可充电状态。
步骤2：计算配电网n节点的电压调节功率ΔPV1，ΔPV2，...，ΔPVn。计算电池储能系统参与调压的功率通过电力潮流算法获得。电压的敏感系数可以通过牛顿-拉夫逊潮流计算中的雅可比行列式的逆矩阵J-1获得
用S表示雅可比行列式的逆矩阵J-1：
ΔU可以用下式获得
ΔU＝SUP·ΔPV+SUQ·ΔQ
假设配电网的电压调节只通过有功功率调节，调节电压所需功率可以用下式获得
步骤3：选择所有节点数(n)中敏感系数较小的前三分之一的节点用于备选调节点用于频率调节。对上述计算个节点的敏感系数
进行排列选取最小的n/3个节点作为备选点。
步骤4：计算总的电压调节功率可以用下式获得：
步骤5：计算总的频率调节功率ΔPf。电池储能系统调频所需的功率通过模拟发电机模型的下垂控制获得，根据电网频率波动的范围和电池储能单元充放电功率的限定值可以计算出电池储能单元参与调频的频率响应系数K,由下式获得：
其中：Pcharge和Pdischarge为电池储能系统充电和放电功率的上限，fbase为电网的额定频率，Δfmax和Δfmin为电网频率偏差的最大和最小值，Pbase为电力系统的标准功率。
电网对电池储能系统调频需求功率ΔPf采用如下方式获取：
ΔPf＝K*Δf
步骤6：判断频率调节功率ΔPf和电压调节功率ΔPV的大小。
步骤7：当频率调节功率ΔPf小于电压调节功率PV时，选节点的电池储能系统的调节功率ΔPfi＝0。
步骤8：当频率调节功率ΔPf大于电压调节功率PV时，备选节点的电池储能系统的调节功率采用如下方式获取：
ΔPfi＝3(ΔPf-ΔPV)/n
步骤9：发送调节指令(ΔPi)到各个节点的电池储能系统，各个节点的调节功率采用如下方式获取：
ΔPi＝ΔPfi+ΔPVi
图2展示了电池储能单元的3个状态，当SOC<10时电池储能单元处于电池处于可充电不可放电状态，电池储能单元只能用于充电，不能用于放电，充电过程中剩余电量不能超过90％，当充电过程中剩余电量超过90％时，电池状态切换为可放电不可充电状态。当电池储能单元剩余电量SOC>90％时，电池处于可放电不可充电状态，电池储能单元只能用于放电，不能用于充电，放电过程中剩余电量不能低过10％，当放电过程中剩余电量低过10％时，电池状态切换为可充电不可放电状态。当电池储能单元剩余电量10％<SOCi<90％时，电池处于可充电可放电状态，电池储能单元剩余电量可以用于放电，放电过程中剩余电量不能低过10％，当放电过程中剩余电量低过10％时，电池状态切换为可充电不可放电状态，电池也可以用于充电，充电过程中剩余电量不能超过90％，当充电过程中剩余电量超过90％时，电池状态切换为可放电不可充电状态。
图3展示了电网调频示策略，当电网的频率处于59.8Hz和60.2Hz之间，配电网处于合理的频率范围。当频率在58Hz和59.8Hz之间，配电网低于正常频率区域，需要电池储能单元进行放电调节。当频率在60.2和62.0Hz之间，配电网高于正常频率区域，需要电池储能单元进行充电调节。当频率低于58Hz和高于62Hz，配电网的频率远低于或远高于配电网的正常频率范围，配电网出现故障，电池储能单元无法进行调节。在电池储能单元调节期间，电池储能单元不能超过最大的充电和放电功率。
图4展示了电网调压示策略，当电网的电压处于0.9p.u.和1.1p.u.之间，配电网处于合理的电压范围。当电网的电压小于0.9p.u.，需要电池储能单元进行放电调节。当电网的电压大于1.1p.u.，需要电池储能单元进行充电调节。在电池储能单元调节期间，电池储能单元不能超过最大的充电和放电功率。
图5-11展示了实验的仿真模型和结果，本方法根据IEEE配电网33节点利用matlab进行仿真，每个电池储能单元串联80节锰酸锂电池，每个锰酸锂电池的电池容量为80A·h，每个节点上有100个电池储能单元。假设仅存在光伏并网，光伏放电和电网负荷如图6所示。配电网的负荷基本维持在5MW-10MW之间，7点和19点-22点期间，用电量达到最大值10MW。光伏发电的时间主要集中在6点到18点之间，其余时间发电量基本接近或等于零，在此期间光伏发电无法给配电网提供电量，因此或导致配电网电压和频率偏离正常范围，发电量在10点-13点间达到最大，但是存在天气因素发电量并非恒定在同一值，存在时间特性，在此期间频率和电压会偏离正常范围并产生抖动。因此在发电量无法满足配电网的负荷时，配电网的频率和电压会发生波动。图7和图8为配电网电压调节前后的波动，在9点-15点，18点到第二天的6点期间光伏发电量和配电网的负荷相差较大造配电网的电压抖动并偏离电网的正常频率范围，图9为配电网频率调节前后的波动，7点，9点到12点期间和17点到23点期间频率的波动超过0.2Hz。当电压或频率超过正常范围时，电池储能系统需要对配电网进行调节，在7点期间频率低于-0.2Hz，电池储能系统会对电网进行放电减少其频率偏离，在9点-15点期间存在配电网电压超过1.1p.u.,在9点-12点期间频率波动高于0.2Hz，需要对配电网进行充电减少其电压和频率偏离。在17点-22点期间存在配电网电压低过0.9p.u.,在17点到23点期间频率波动低于-0.2Hz，需要对配电网进行放电减少其电压和频率偏离。图10展示了协调算法和分开调节的充放电次数，分开调频和调压在一天中总的充电次数为1152次，利用协调算法后充电次数为421次，为之前的36.5％。分开调频和调压在一天中总的放电次数为2816次，利用协调算法后充电次数为1105次，为之前的39.2％。图11展示了协调算法和分开调节的充放电功率，分开调频和调压在一天中总的充电功率为7.59411MW，利用协调算法后充电功率为5.50977MW，为之前的72.55％。分开调频和调压在一天中总的放电功率为17.79142MW，利用协调算法后充电功率为15.12883MW，为之前的85.03％。
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。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (1)
1.一种基于锰酸锂电池储能系统的电网调频调压方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：实时监控电池的SOC以获取电池的剩余电量并确定其状态，根据电池的SOC将电池划分为三个状态：可充电可放电状态，可充电不可放电状态，可放电不可充电状态，通过实时更新电池的SOC值SOCi确定电池单元的状态,电池单元i的剩余电量通过如下方式获取：
其中，SOCi为当前时间点电池单元i的剩余电量，
为上个时间点电池单元i的剩余电量；Pi表示电池单元i的充放电功率；
电池储能系统调频调压时，首先要确定电池储能单元的状态：
当电池单元i剩余电量SOCi<10％时，电池处于可充电不可放电状态，电池单元i只能用于充电，不能用于放电，充电过程中剩余电量不能超过90％，当充电过程中剩余电量超过90％时，电池状态切换为可放电不可充电状态；
当电池单元i剩余电量SOCi>90％时，电池处于可放电不可充电状态，电池单元i只能用于放电，不能用于充电，放电过程中剩余电量不能低过10％，当放电过程中剩余电量低过10％时，电池状态切换为可充电不可放电状态；
当电池单元i剩余电量10％<SOCi<90％时，电池处于可充电可放电状态，电池单元i可以用于放电，放电过程中剩余电量不能低过10％，当放电过程中剩余电量低过10％时，电池状态切换为可充电不可放电状态，电池也可以用于充电，充电过程中剩余电量不能超过90％，当充电过程中剩余电量超过90％时，电池状态切换为可放电不可充电状态；
步骤2：通过电力潮流算法计算配电网节点的电压调节功率ΔPV1，ΔPV2，...，ΔPVn，n为节点数；
电压的敏感系数
通过牛顿-拉夫逊潮流计算中的雅可比行列式的逆矩阵J-1获得
用S表示雅可比行列式的逆矩阵J-1：
ΔU可以用下式获得
ΔU＝SUP·ΔPV+SUQ·ΔQ
当配电网的电压调节只通过有功功率调节，调节电压所需功率可以用下式获得
步骤3：所有节点敏感系数
按从小到大排列，选取前三分之一节点作为备选点；
步骤4：通过下式计算总的电压调节功率：
步骤5：计算总的频率调节功率ΔPf；
电池储能系统调频所需的功率通过模拟发电机模型的下垂控制获得，根据电网频率波动的范围和电池储能单元充放电功率的限定值计算出电池储能单元参与调频的频率响应系数K,由下式获得：
其中：Pcharge和Pdischarge为电池储能系统充电和放电功率的上限，fbase为电网的额定频率，Δfmax和Δfmin为电网频率偏差的最大和最小值，Pbase为电力系统的标准功率；
电网对电池储能系统调频需求功率ΔPf采用如下方式获取：
ΔPf＝K*Δf
步骤6：判断频率调节功率ΔPf和电压调节功率ΔPV的大小；
步骤7：当频率调节功率ΔPf小于电压调节功率PV时，选节点的电池储能系统的调节功率ΔPfi＝0；
步骤8：当频率调节功率ΔPf大于电压调节功率PV时，备选节点的电池储能系统的调节功率采用如下方式获取：
ΔPfi＝3(ΔPf-ΔPV)/n
步骤9：发送调节指令(ΔPi)到各个节点的电池储能系统，各个节点的调节功率采用如下方式获取：
ΔPi＝ΔPfi+ΔPVi。
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| 微型电网频率与电压稳定控制研究;林艳艳;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20170415(第4期);全文 * |
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