CN110581568B - 一种提升电网惯性的储能容量配置方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升电网惯性的储能容量配置方法、系统及装置,属于电气工程技术领域,包括:根据电力系统频率变化率以及控制比例系数K,计算储能输出功率的标幺值;根据储能输出功率的标幺值、储能的功率容量以及储能输出功率幅值限制,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数;根据储能的惯性常数、新能源电站接入前的电力系统的等效惯性以及新能源电站的输出功率,配置储能的功率容量;根据电力系统频率波动的最大值、控制比例系数K以及储能的功率容量,配置储能的能量容量。本发明提供的针对电力系统频率动态的储能配置方法,没有通过频率静态稳定指标约束,而是通过频率变化率动态指标衡量,因此,更有助于提升电网的暂态稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电气工程技术领域,更具体地,涉及一种提升电网惯性的储能容量配置方法、系统及装置。
背景技术
大规模的风电和光伏等新能源接入电网,对解决能源结构转型、气候变暖问题的治理,以及运行成本的降低均有一定的优势。但是不同于传统的同步发电机组定子绕组直接接入到电网中,风电和光伏等新能源发电单元是依靠各种电力电子器件接入到电网中。传统的同步发电机组在电网频率出现波动的情况下,其定子绕组三相电流构成的旋转磁场直接发生变化,引起同步发电机的转子原动机输入与输出不平衡,转子的转速受转子的惯性影响,开始缓慢变化,调节频率的变化率,因此,储存在同步发电机转子的旋转动能作为电力系统的备用容量,减缓电力系统频率的变化率。尽管风电机组同样存在转子,但是由于风电机组的转子转速直接受风速影响,转速不是恒定不变的,因此,通常采用交流-直流-交流的变换器,但是此时将风机转子与电网频率隔离,不利于电力系统的惯性响应。如何提升电力系统的惯性,保证电力系统对频率的支撑作用是含高比例新能源电力系统稳定运行的关键。
风机虚拟惯量控制使得原本储存在风机转子内的能量释放,为电力系统提供惯性支撑,然而大量风电机组在转速恢复到暂态前的工作状态会导致电力系统频率的二次跌落。为了进一步提高电力系统的频率支撑能力,借助于更加简单可靠的储能装置是有必要的。
针对系统惯性的储能容量配置方法是目前储能配置的发展方向之一。现有的储能容量配置方法,通常采用大量不同容量大小的储能装置进行仿真,再根据电力系统的频率变化率的目标选择最终配置储能容量的大小。该方法使得储能容量的配置过程更加复杂,当电力系统规模变大时,仿真耗费的时间也更长。同时,在含新能源系统的储能配置时,通常认为风电场等新能源运行在额定输出功率的水平没有考虑到新能源输出功率的波动性,全年绝大部分时刻工作在非额定功率输出状态,所承担的系统负荷小于新能源电站额定功率,使得最终配置结果不具有经济性。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供了一种提升电网惯性的储能容量配置方法、系统及装置,旨在解决现有的储能容量配置无法解决电网频率的暂态稳定性的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种提升电网惯性的储能容量配置方法,包括:
(1)根据电力系统运行允许的频率变化率最大值以及储能输出功率的幅值限制,确定控制比例系数K;
(2)根据电力系统频率变化率以及控制比例系数K,计算储能输出功率的标幺值;
(3)根据储能输出功率的标幺值、储能的功率容量以及储能输出功率幅值限制,获取储能输出功率的表达式;
(4)根据储能输出功率的表达式,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数;
(5)根据储能的惯性常数、新能源电站接入前的电力系统的等效惯性以及新能源电站的输出功率,配置储能的功率容量;
(6)根据电力系统频率波动的最大值、控制比例系数K以及储能的功率容量,配置储能的能量容量。
优选地,新能源电站的输出功率的获取方法为:
根据电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,获取新能源电站输出功率的累积分布函数;
根据所述累积分布函数,确定在设置的新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率。
优选地,储能输出功率的幅值限制为:
优选地,储能的惯性常数为:
其中,HESS为储能的惯性常数;fN为电力系统的额定频率;PESS为储能输出功率;SESS为储能的功率容量;
优选地,储能的功率容量为:
其中,SESS为储能的功率容量;Heq为新能源电站接入前的电力系统的等效惯性;HESS为储能的惯性常数;PW为在置信水平下新能源电站的输出功率;
优选地,储能的能量容量为:
EESS=2*1.1*K*SESS*Δf
其中,EESS为储能的能量容量;K为控制比例系数;SESS为储能的功率容量;Δf为电力系统频率波动的最大值;
优选地,新能源电站输出功率的累积分布函数为:
其中,I为指示函数,即
其中,N为新能源电站历史输出功率数据的样本个数;xi为第i个数据样本功率的标幺值;P*为累积分布函数的自变量;新能源电站输出功率的标幺值为新能源电站实际的输出功率与新能源电站的额定装机容量之间的比值;
优选地,在置信水平下的新能源电站的输出功率为:
另一方面,本发明提供了一种提升电网惯性的储能容量配置系统,包括:新能源电站数据处理模块、惯性常数获取模块和储能配置模块;
新能源电站数据处理模块的输出端与储能配置模块的第一输入端连接;惯性常数获取模块的输出端与储能配置模块的第二输入端连接;
新能源电站数据处理模块用于根据电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,计算新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率;
惯性常数获取模块,用于根据储能输出功率的表达式,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数;
储能配置模块用于根据储能的惯性常数、新能源电站接入前电力系统的等效惯性以及新能源电站的输出功率,配置储能的功率容量;
并且根据电力系统频率波动的最大值、控制比例系数以及储能的功率容量,配置储能的能量容量。
优选地,新能源电站的输出功率的计算方法为:
根据电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,获取新能源电站输出功率的累积分布函数;
根据所述累积分布函数,确定在设置的新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率。
优选地,储能的惯性常数获取方法为:
根据电力系统运行允许的频率变化率最大值以及储能输出功率的幅值限制,确定控制比例系数K;
根据电力系统频率变化率以及控制比例系数K,计算储能输出功率的标幺值;
根据储能输出功率的标幺值、储能的功率容量以及储能输出功率幅值限制,获取储能输出功率的表达式;
根据储能输出功率的表达式,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数。
另一方面,本发明提供了一种装置,包括:处理器和计算机可读存储介质;
计算机可读存储介质存储有可执行程序代码;
处理器用于调用所述计算机可读存储介质中存储的所述可执行程序代码,执行提升电网惯性的储能容量配置方法。
通过本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,能够取得以下有益效果:
1、本发明提供的提升电网惯性的储能容量配置方法,是一种针对电力系统频率动态的储能配置方法,引入电力系统频率变化率,获取储能的惯性常数,基于储能的惯性常数,配置储能的功率容量和储能的能量容量,能够定量提升电力系统的频率动态支撑能力,保证新能源电站接入前后,电力系统的惯性保持不变,使大规模新能源电站接入电力系统,电力系统能够保持原有的抗扰动能力;与现有技术的储能以功率源形式进行静态配置相比,本发明提供的针对电力系统频率动态的储能配置方法,没有通过频率静态稳定指标约束,而是通过频率变化率动态指标衡量,因此,更有助于提升电网的暂态稳定性。
2、本发明基于储能输出功率的表达式,引入在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数,计算储能的功率容量和储能的能量容量,与现有技术的通过大量时域仿真优化储能配置的方式相比,简化了储能容量配置过程,提供了更简单有效的配置方法。
3、本发明采用电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,确定置信水平,获取新能源电站的输出功率,与现有技术的新能源电站接入电力系统储能配置方式相比,本发明考虑了新能源输出功率的不确定性,保证了储能配置的经济性。
附图说明
图1是本发明提供的储能惯性控制示意图;
图2是实施例提供的风电系统结构图;
图3是实施例提供的风电场输出功率的累积分布函数曲线;
图4是实施例中负荷突增时风电系统、同步发电机系统以及含所配储能的风电系统频率响应曲线对比图;
图5是实施例中负荷突增时储能输出功率曲线;
图6是实施例中负荷突增时储能输出能量曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明提供了一种提升电网惯性的储能容量配置方法,包括:
(1)根据电力系统运行允许的频率变化率最大值以及储能输出功率的幅值限制,确定控制比例系数K;
具体地,储能输出功率的幅值限制为:
(2)根据电力系统频率变化率以及控制比例系数K,计算储能输出功率的标幺值;
(4)根据储能输出功率的表达式PESS,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数;
储能的惯性常数HESS为:
其中,HESS为储能的惯性常数;fN为电力系统的额定频率;PESS为储能输出功率;SESS为储能的功率容量;
具体地,本发明提供的储能容量配置方法为降低储能投资成本,在储能输出功率的范围内,控制比例系数K应尽可能大,留取20%的储能充放电裕度,控制比例系数由此可以保证电力系统在任何工况下,储能提供恒定的惯性大小;
(5)根据储能的惯性常数、新能源电站接入前的电力系统的等效惯性以及新能源电站的输出功率,配置储能的功率容量;
储能的功率容量为:
其中,SESS为储能的功率容量;Heq为新能源电站接入前的电力系统的等效惯性;HESS为储能的惯性常数;PW为在置信水平下新能源电站的输出功率;
(6)根据电力系统频率波动的最大值、控制比例系数K以及储能的功率容量,配置储能的能量容量;
储能的能量容量为:
其中,EESS为储能的能量容量;K为控制比例系数;SESS为储能的功率容量;Δf为电力系统频率波动的最大值;EESS_dis为储能暂态过程中放出的能量;EESS_ch为储能暂态过程中吸收的能量。
优选地,新能源电站的输出功率的获取方法为:
根据电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,获取新能源电站输出功率的累积分布函数;
新能源电站输出功率的累积分布函数为:
其中,I为指示函数,即
N为新能源电站历史输出功率数据的样本个数;xi为第i个数据样本功率的标幺值;P*为累积分布函数的自变量;新能源电站输出功率的标幺值为新能源电站实际的输出功率与新能源电站的额定装机容量的比值;
根据所述累积分布函数,确定在设置的新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率;
在新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率为:
基于上述提供的提升电网惯性的储能容量配置方法,本发明提供了一种提升电网惯性的储能容量配置系统,其特征在于,包括:
新能源电站数据处理模块、惯性常数获取模块和储能配置模块;
新能源电站数据处理模块的输出端与储能配置模块的第一输入端连接;惯性常数获取模块的输出端与储能配置模块的第二输入端连接;
新能源电站数据处理模块用于根据电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,计算新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率;
惯性常数获取模块,用于根据储能输出功率的表达式,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数;
储能配置模块用于根据储能的惯性常数、新能源电站接入前电力系统的等效惯性以及新能源电站的输出功率,配置储能的功率容量;
并且根据电力系统频率波动的最大值、控制比例系数以及储能的功率容量,配置储能的能量容量。
优选地,新能源电站的输出功率的计算方法为:
根据电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,获取新能源电站输出功率的累积分布函数;
根据所述累积分布函数,确定在设置的新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率。
优选地,储能的惯性常数获取方法为:
根据电力系统运行允许的频率变化率最大值以及储能输出功率的幅值限制,确定控制比例系数K;
根据电力系统频率变化率以及控制比例系数K,计算储能输出功率的标幺值;
根据储能输出功率的标幺值、储能的功率容量以及储能输出功率幅值限制,获取储能输出功率的表达式;
根据储能输出功率的表达式,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数。
另一方面,本发明提供了一种装置,包括:处理器和计算机可读存储介质;
计算机可读存储介质存储有可执行程序代码;
处理器用于调用所述计算机可读存储介质中存储的所述可执行程序代码,执行提升电网惯性的储能容量配置方法。
实施例
如图2所示,是由两个风电场和一个等值同步发电机构成的风电系统结构示意图;两个风电场经两级升压变压器后输出能量,其中,风电场1为额定功率为1600MW的双馈风电机组,风电场2为额定功率为580MW的双馈风电机组,等值同步发电机的额定容量为3000MVA,其等效惯性时间常数为4.3292s,负荷1的有功负荷为3000MW,无功负荷为300Mvar。
结合上述的风电系统具体阐述提升电网惯性的储能容量配置方法,储能容量的配置目标是使配置储能后的风电系统的等效惯性与风电机组接入前系统的等效惯性相同。
图1是实施例提供的储能惯性控制示意图,包括频率微分单元、调节死区单元、比例控制单元和限幅控制单元;频率微分单元将风电系统的频率变化率引入电力系统的控制输入;调节死区单元用于减少系统频率测量等误差或其他小扰动造成的储能装置输出功率波动;比例控制单元用于通过调整储能装置输出功率的大小抑制风电系统频率的变化率;限幅控制单元用于避免储能装置的过度充放电;
图3是根据某风电场一年的出力数据,时间采样间隔15min,数据个数为30394,绘制的输出功率的累积分布函数;
本实施例中,风电系统频率的相关参数取值如下:风电系统的额定频率fN=50Hz,风电系统(电网)频率波动的最大值Δf=2Hz,电力系统最大的频率变化率(df)/(dt)max=0.5Hz/s;
实施例提供的提升电网惯性的储能容量配置方法,具体包括如下步骤:
(1)根据风电系统中风电场历史出力数据,获取风电场输出功率的累积分布函数;
风电场输出功率的累积分布函数FN(P*)为:
其中,I为指示函数,即
其中,N为风电场一年输出功率数据的样本总个数;xi为第i个数据样本功率的标幺值;P*为累积分布函数的自变量;风电场输出功率的标幺值为风电场实际的输出功率与风电场的额定装机容量之间的比值;
(6)根据储能输出功率的表达式,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数;
其中,HESS为储能的惯性常数;fN为风电系统的额定频率;PESS为储能输出功率;SESS为储能的功率容量;
(7)根据储能惯性常数HESS=25K、风电场接入前风电系统的等效惯性Heq=4.3292s和置信水平α=0.98时,风电场的输出功率PW=1600MW,计算所需配置储能的功率容量SESS为:
(8)根据风电系统频率波动的最大值Δf=2Hz,风电场接入前风电系统的等效惯性Heq=4.3292s,以及风电场的输出功率PW=1600MW,考虑储能充放电效率,以及储能充放电能量和放电能量,计算配置储能的能量容量EESS;
在PSCAD/EMTDC软件中对实施例不含储能的风电系统、含等容量的同步发电机的风电系统及利用所提供的储能配置方式含储能的风电系统进行对比,图4显示了以上三种系统的频率仿真结果。两个等效风电场按输出0.733pu功率运行,在20s时,系统的有功负荷2突增300MW。由图4所示的频率波形对比可看出,在发生负荷突增时,无储能配置的风电系统20s-20.5s频率平均变化率仿真值为0.5456Hz/s,已经超出了0.5Hz/s的标准,风电系统的等效惯性常数为2.988s,低于风电接入前等值机的等效惯性常数值;将风电场替换为容量为1600MVA、惯性常数为4.3292s的同步发电机,在20s-20.5s内的频率平均变化率为0.3717Hz/s;风电系统根据所提供的储能配置方式配置储能后,在20s-20.5s内的频率平均变化率为0.3681Hz/s,与同步发电机仿真得到的频率平均变化率基本一致,频率变化率对应的等效惯性常数为4.4296s,与接入前风电系统的等效惯性常数4.3292s基本相同。由图4可以看出,同步发电机构成的系统与含储能构成的系统初始频率响应曲线基本是重合的,由图5和图6可以看出,储能输出的功率和能量均没有超过所配置的功率容量和能量容量。仿真结果说明提供的提升电网惯性的储能容量配置方法是合理的。
综上所述,本发明提供的提升电网惯性的储能容量配置方法,是一种针对电力系统频率动态的储能配置方法,引入电力系统频率变化率,获取储能的惯性常数,基于储能的惯性常数,配置储能的功率容量和储能的能量容量,能够定量提升电力系统的频率动态支撑能力,保证新能源电站接入前后,电力系统的惯性保持不变,使大规模新能源电站接入电力系统,电力系统能够保持原有的抗扰动能力;与现有技术的储能以功率源形式进行静态配置相比,本发明提供的针对电力系统频率动态的储能配置方法,没有通过频率静态稳定指标约束,而是通过频率变化率动态指标衡量,因此,更有助于提升电网的暂态稳定性。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种提升电网惯性的储能容量配置方法,其特征在于,包括:
(1)根据电力系统运行允许的频率变化率最大值以及储能输出功率的幅值限制,确定控制比例系数K;所述储能输出功率的幅值限制为:
(2)根据电力系统频率变化率以及控制比例系数K,计算储能输出功率的标幺值:
(3)根据储能输出功率的标幺值、储能的功率容量以及储能输出功率幅值限制,获取储能输出功率的表达式:
其中,PESS为储能输出功率的表达式,SESS为储能的功率容量;
(4)根据储能输出功率的表达式,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数;所述储能的惯性常数为:
其中,HESS为储能的惯性常数;fN为电力系统的额定频率;PESS为储能输出功率;
(5)根据储能的惯性常数、新能源电站接入前电力系统的等效惯性以及新能源电站的输出功率,配置储能的功率容量;所述储能的功率容量为:
其中,Heq为新能源电站接入前的电力系统的等效惯性;HESS为储能的惯性常数;PW为在置信水平下新能源电站的输出功率;
(6)根据电力系统频率波动的最大值、控制比例系数K以及储能的功率容量,配置储能的能量容量;所述储能的能量容量为:
EESS=2*1.1*K*SESS*Δf
其中,EESS为储能的能量容量;Δf为电力系统频率波动的最大值。
2.根据权利要求1所述的储能容量配置方法,其特征在于,所述新能源电站的输出功率的获取方法为:
根据电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,获取新能源电站输出功率的累积分布函数;
根据所述累积分布函数,确定在设置的新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率。
5.基于权利要求1所述的储能容量配置方法的系统,其特征在于,包括:新能源电站数据处理模块、惯性常数获取模块和储能配置模块;
新能源电站数据处理模块的输出端与储能配置模块的第一输入端连接;惯性常数获取模块的输出端与储能配置模块的第二输入端连接;
新能源电站数据处理模块用于根据电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,计算新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率;
惯性常数获取模块,用于根据储能输出功率的表达式,计算在储能输出功率的幅值限制内储能的惯性常数;
储能配置模块用于根据储能的惯性常数、新能源电站接入前电力系统的等效惯性以及新能源电站的输出功率,配置储能的功率容量;
并且根据电力系统频率波动的最大值、控制比例系数以及储能的功率容量,配置储能的能量容量。
6.根据权利要求5所述的储能容量配置方法的系统,其特征在于,所述新能源电站的输出功率的计算方法为:
根据电力系统中新能源电站的历史输出功率数据,获取新能源电站输出功率的累积分布函数;
根据所述累积分布函数,确定在设置的新能源电站的输出功率的置信水平下的新能源电站的输出功率。
7.一种装置,包括:处理器和计算机可读存储介质;其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有可执行程序代码;
所述处理器用于调用所述计算机可读存储介质中存储的所述可执行程序代码,执行权利要求1-4任一项所述的提升电网惯性的储能容量配置方法。
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