CN110783935B - 一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法 - Google Patents

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Abstract

一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，涉及电池储能调频发电技术领域。包括以下步骤：获取时间段开始和结束所限定的荷电状态和电池储能调频基本信息；进而采用动态规划方法根据以上信息建立电池储能响应调频信号的充放电功率的数学模型，以最大化电池储能跟踪精度为目标函数，以此计算出电池储能跟踪调频信号的充放电功率的最优解，该方法有利于提高系统频率稳定性。

Description

一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法
技术领域
本发明涉及电网调频技术领域，尤其涉及一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法。
背景技术
目前，发展新能源已成为许多国家推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径，也是我国推进能源生产和消费革命、推动能源转型的重要措施。近年来，我国新能源发电产业全面发展，规模不断壮大，进入了大范围增量替代和区域性存量替代的阶段，风力和光伏电站发展突飞猛进。然而，新能源发电具有波动性、随机性的特点，随着新能源发电接入规模和容量的不断扩大，电网调频能力不足、频率失稳的现象时有发生。
近年来，利用大规模储能电源参与电网调频已受到业界的广泛关注。储能电源具有响应速度快、控制精度高的优点，能够在很大程度上改善电力系统的调频效果。目前，规模化电池储能参与电网调频已经具备了研究基础和应用示范。在电池储能响应调频信号的过程中，如果不对荷电状态进行限制，容易出现过充过放现象的发生，甚至停止工作的现象。与此同时，电池储能通过选择性的响应调频信号，实现对自身荷电状态的一个调节，确保其工作的可持续性。因此，在限定电池储能荷电状态下，最大化电池储能响应调频信号的力度，可以达到减小电力系统频率波动的效果，以此提高电网的调频能力。
发明内容
本发明专利目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：包括以下步骤：获取时间段开始和结束所限定的荷电状态和电池储能调频基本信息，采用动态规划方法根据以上信息建立电池储能响应调频信号的充放电功率的数学模型，以最大化电池储能跟踪精度为目标确定目标函数，以此计算出电池储能跟踪调频信号的充放电功率的最优解。
作为限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，建立电池储能跟踪调频信号的数学模型的具体方法为：
首先，基于动态规划方法定义电池储能响应调频信号的状态变量为：St＝(Ct，Dt，Gt)；其中，Ct为t时刻电池储能的容量(MWh)；Dt为t时刻调频信号(MW)，通常4秒钟变化一次；Gt为t时刻电池储能跟踪精度；其次，定义电池储能响应调频信号的决策变量为
Figure BDA0002272114960000011
代表t时刻电池储能响应调频信号的功率(MW)，随调频信号变化每4秒决策一次；最后，根据状态变量St和决策变量
Figure BDA0002272114960000021
初步确定电池储能跟踪精度的目标函数为：
Figure BDA0002272114960000022
其中，
Figure BDA0002272114960000023
为T时段内电池储能跟踪精度的最大值，T时段表示若干小时；Δt为电池储能充放电的时间间隔，表示电池储能充放电功率每隔Δt变化一次。
作为限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，求解电池储能跟踪调频信号的充放电决策最优解的方法为：
计算电池储能调频基值
Figure BDA0002272114960000024
计算电池储能对调频信号的跟踪决策
Figure BDA0002272114960000025
作为限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，计算电池储能调频基值
Figure BDA0002272114960000026
时，设定电池储能调频基值
Figure BDA0002272114960000027
跟随电力市场电价每30分钟变化一次，则t时刻电池储能跟踪精度的目标函数为：
Figure BDA0002272114960000028
其中，
Figure BDA0002272114960000029
代表t时刻电池储能状态变量为
Figure BDA00022721149600000210
确定电池储能调频基值
Figure BDA00022721149600000211
时电池储能跟踪精度的指标函数。τ＝1800s，G′τ∈[0，1]是对t时刻到t+τ时刻期间内电池储能响应调频信号的精度进行假设，并在该时段内保持不变。当G′τ＝0时，代表t时刻到t+τ时刻期间电池储能完全不跟踪调频信号；当G′τ＝1时，代表电池储能完全跟踪信号。
以最大化电池储能跟踪精度为目标计算电池储能调频基值
Figure BDA00022721149600000212
为了求解每一时刻以及T时段内电池储能跟踪精度最大值，得出t时刻至t+τ时刻电池储能容量的状态转移方程为：
Figure BDA00022721149600000213
表示t时刻与t+τ时刻电池储能容量的关系；其中，
Figure BDA00022721149600000214
分别表示t到t+τ时刻期间电池储能响应调频信号的充/放电能量；ηc为电池储能充电效率。根据状态转移方程定义新的电池储能跟踪精度目标函数为：
Figure BDA0002272114960000031
其中，
Figure BDA0002272114960000032
表示t时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数，
Figure BDA0002272114960000033
表示t+τ时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数。通过递归算法最终得到每一时刻及T时段内电池储能跟踪精度最大值，从而确定电池储能的调频基值
Figure BDA0002272114960000034
和每个30分钟内电池储能跟踪调频信号的精度G′τ。
作为限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，计算电池储能对调频信号的跟踪决策
Figure BDA0002272114960000035
时，设定电池储能对调频信号的跟踪决策
Figure BDA0002272114960000036
随调频信号每4秒变化一次，则t时刻电池储能跟踪精度的阶段指标函数为：
Figure BDA0002272114960000037
其中，
Figure BDA0002272114960000038
表示t时刻电池储能的状态变量；
Figure BDA0002272114960000039
表示t时刻电池储能状态为
Figure BDA00022721149600000310
时，确定电池储能响应调频信号的决策
Figure BDA00022721149600000311
时电池储能跟踪精度。K表示T时段内电池储能投标功率。
以最大化电池储能跟踪精度为目标计算对调频信号的跟踪决策
Figure BDA00022721149600000312
为了求解每一时刻以及T时段内电池储能跟踪精度的最大值，得出t时刻至t+Δt时刻电池储能容量的状态转移方程为：
Figure BDA00022721149600000313
表示t时刻与t+Δt时刻电池储能容量的关系。根据状态转移方程定义新的电池储能跟踪精度目标函数为：
Figure BDA00022721149600000314
其中，
Figure BDA00022721149600000315
表示t时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数，
Figure BDA00022721149600000316
表示t+τ时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数。通过递归算法最终得到每一时刻及T时段内电池储能跟踪精度最大值，从而确定电池储能对调频信号的跟踪决策
Figure BDA0002272114960000041
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明所提出的一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，根据限定的荷电状态和电池储能调频基本信息建立电池储能跟踪精度的数学模型，以最大化电池储能跟踪精度为目标动态规划出电池储能响应调频信号的充放电功率的最优决策。充分考虑了电化学储能容量和功率等约束，在工作周期内跟踪精度不断增大的过程中，能够客观反应电池储能对提高系统频率稳定性的有益效果，确定的电池储能的充放电功率更加合理。
(2)本发明所提出的一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，使用动态规划算法求解电池储能跟踪调频信号的充放电功率，将一个长时间段的问题划分成多个短时间段的问题，算法灵活度高，不仅降低了问题的求解难度，还反映了电池储能响应调频信号的动态演变过程，提高了计算结果的精确度和准确度，提高了该发明的可信度。
附图说明
图1为本发明电池储能响应调频信号的充放电计划制定方法的流程示意图；
图2为本发明电池储能响应的两种不同调频信号示例图；
图3为本发明限定荷电状态下电池储能响应不同调频信号的容量仿真图。
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。
本发明公开的限定荷电状态下一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法如图1所示，包含以下四个步骤。
步骤1：获取电池储能调频的基本信息
计算电池储能响应调频信号的充放电功率需要提前获取电池储能的基本信息，用于建立最大化电池储能跟踪精度的目标函数，电池储能的基本信息如下：
1)电池储能额定功率Prated，额定容量Crated，充放电效率ηc；
2)T时段内电池储能荷电状态初值和终值SoCinit、SoCfinal；
3)T时段内电池储能投标功率K；
4)T时段内历史调频信号，4秒钟变化一次。
步骤2：基于动态规划建立电池储能响应调频信号的数学模型
(2-1)定义电池储能响应调频信号的状态变量St
定义电池储能响应调频信号的状态变量St＝(Ct，Dt，Gt)。其中，Ct为t时刻电池储能的容量(MWh)；Dt为调频信号(MW)；Gt为t时刻电池储能跟踪精度。
(2-2)定义电池储能响应调频信号的决策变量
Figure BDA0002272114960000051
Figure BDA0002272114960000052
为t时刻电池储能响应调频信号的功率(MW)，随调频信号变化每4秒决策一次。
Figure BDA0002272114960000053
代表电池储能充电，
Figure BDA0002272114960000054
代表电池储能放电。决策变量
Figure BDA0002272114960000055
需要满足的电池储能额定容量和额定功率约束如下：
Figure BDA0002272114960000056
其中，Δt为电池储能充放电的时间间隔，表示电池储能充放电功率每隔Δt变化一次。
Figure BDA0002272114960000057
是电池储能调频基值，代表电池储能t时刻正处于的充/放电状态(MW)，设定每30分钟变化一次。C0为电池储能起始时刻容量，CT为电池储能结束时刻容量，均满足电池储能起始和结束时刻荷电状态的约束。
状态变量：表示t时刻反应电池储能状态的各项参数的数值，包括电池储能容量Ct，调频信号Dt，电池储能跟踪精度Gt。
本发明中分为两个时间尺度：30min和4s。确定调频基值时是在30min的时间尺度下，此时的状态变量只包括Ct。求解电池储能响应调频信号的充放电功率时是在4s的时间尺度下，此时状态变量包括Ct，Dt，Gt。
决策变量：表示t时刻电池储能响应调频信号的功率
Figure BDA0002272114960000058
也就是电池储能的出力，是一个未知量(动态规划算法用于该未知数的求解)。30min的时间尺度下，调频基值
Figure BDA0002272114960000059
就作为未知量，通过动态规划算法求得。4s的时间尺度下，电池储能响应调频信号的功率
Figure BDA00022721149600000510
就是最终的未知量。
(2-3)确定电池储能状态转移函数
Figure BDA00022721149600000511
其中，Ct+Δt是t+Δt时刻电池储能容量(MWh)。
由目标函数可知，状态转移函数是连接两个相邻时刻的媒介，本发明用电池储能容量作为媒介。
(2-4)建立最大化电池储能跟踪精度的目标函数
为了提高电池储能调频力度，本发明选取最大化电池储能跟踪精度作为目标函数：
Figure BDA0002272114960000061
其中，
Figure BDA0002272114960000062
为T时段内电池储能跟踪精度的最大值。
由式(2)可以看出，目标函数具有分离性，满足动态规划方法对指标函数的要求。
步骤3：求解电池储能响应调频信号的充放电功率
Figure BDA0002272114960000063
根据步骤3建立的动态规划模型求解电池储能响应调频信号的充放电功率
Figure BDA0002272114960000064
分为两个步骤：(1)先求出电池储能调频基值
Figure BDA0002272114960000065
为了区分电池储能参与电力市场其他服务和调频服务；(2)根据电池储能调频基值
Figure BDA0002272114960000066
求解电池储能响应调频信号的充放电功率
Figure BDA0002272114960000067
(3-1)计算电池储能调频基值
Figure BDA0002272114960000068
电池储能调频基值
Figure BDA0002272114960000069
设定跟随电价每30分钟变化一次，可得t时刻到t+τ时刻电池储能容量的状态转移方程如下：
Figure BDA00022721149600000610
其中，τ＝1800s，
Figure BDA00022721149600000611
表示t到t+τ时刻期间电池储能响应调频信号的充/放电能量，由历史调频数据训练而得。
在电池储能的运行过程中，即使调频信号功率达到最大值K，电池储能调频基值
Figure BDA00022721149600000612
仍需满足电池储能的额定容量和额定功率约束。所以，在计算电池储能调频基值
Figure BDA00022721149600000613
时，需要满足的约束如下：
Figure BDA00022721149600000614
其中，G′τ∈[0，1]是对t时刻到t+τ时刻期间内电池储能响应调频信号的精度进行假设，并在该时段内保持不变。当G′τ＝0时，代表t时刻到t+τ时刻期间电池储能完全不跟踪调频信号；当G′τ＝1时，代表电池储能完全跟踪信号。
根据动态规划特征求解电池储能调频基值时，将T时段划分为N个阶段，时间间隔为τ。则t时刻的电池储能跟踪精度的阶段指标函数为：
Figure BDA0002272114960000071
其中，
Figure BDA0002272114960000072
代表t时刻电池储能状态变量为
Figure BDA0002272114960000073
确定电池储能调频基值
Figure BDA0002272114960000074
时电池储能跟踪精度的指标函数。
为了求解每一时刻以及全局的最大化电池储能跟踪精度的最优解，基于式(3)，利用贝尔曼最优方程定义新的最大化电池储能跟踪精度的目标函数为：
Figure BDA0002272114960000075
其中，
Figure BDA0002272114960000076
表示t时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数，
Figure BDA0002272114960000077
表示t+τ时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数。公式(5)表明了当前时刻与下一时刻目标函数之间的关系，通过递归算法最终得到T时段内每一时刻跟踪精度指标函数的最大值，从而确定电池储能的调频基值
Figure BDA0002272114960000078
和每个30分钟内电池储能跟踪调频信号的精度G′τ。
(3-2)计算电池储能响应调频信号的充放电功率
Figure BDA0002272114960000079
求解电池储能跟踪调频信号的决策模型，调频信号每4秒变化一次。在每个30分钟周期内，
Figure BDA00022721149600000710
保持不变，唯一变量是储能响应调频信号的功率
Figure BDA00022721149600000711
因此，可得当前电池储能的状态变量为
Figure BDA00022721149600000712
此时电池储能状态转移方程如公式(1)所示，约束条件如下：
Figure BDA00022721149600000713
表示t时刻决策变量
Figure BDA00022721149600000714
满足额定容量约束，
Figure BDA00022721149600000715
表示t时刻决策变量
Figure BDA00022721149600000716
满足电池储能额定功率约束，
Figure BDA00022721149600000717
表示t时刻决策变量
Figure BDA00022721149600000718
满足电池储能跟踪力度约束，G′τ表示每个30分钟内电池储能响应调频信号的力度不得低于G′τ。
可得t时刻电池储能跟踪精度的阶段指标函数如下：
Figure BDA00022721149600000719
其中，
Figure BDA0002272114960000081
表示t时刻电池储能状态为
Figure BDA0002272114960000082
时，确定电池储能响应调频信号的决策
Figure BDA0002272114960000083
时电池储能跟踪精度。
同理，定义新的最大化电池储能跟踪精度的目标函数为：
Figure BDA0002272114960000084
其中，
Figure BDA0002272114960000085
表示t时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数，
Figure BDA0002272114960000086
表示t+Δt时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数。由该目标函数通过递归算法得到T时段内及每一时刻电池储能跟踪精度的最大值，从而确定电池储能响应调频信号的最优决策变量
Figure BDA0002272114960000087
下面结合一实施例对本发明技术方案的有益效果进行说明。
假设电池储能的额定容量Crated＝0.5MWh，电池储能的充放电效率ηc＝0.9、ηd＝0.9，电池储能的额定功率Prated＝1MW，T＝0.5小时，T时段内电池储能投标功率K＝1MW。
不同起始和结束荷电状态时电池储能对不同调频信号的跟踪精度如表1所示，表1为T时段内不同起始和结束荷电状态下电池储能对不同调频信号的跟踪精度示例。
Figure BDA0002272114960000088
表1
两种不同的调频信号示例如图2所示，表1的情况2的仿真结果如图3所示。由图3可知，在电池储能起始和结束的荷电状态确定情况下，电池储能均能满足对不同调频信号的积极响应。

Claims (4)

1.一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取时间段开始和结束所限定的荷电状态，电池储能的调频基本信息；
S2、采用动态规划方法根据以上信息建立电池储能响应调频信号的充放电功率的数学模型；
S3、以最大化电池储能跟踪精度为目标确定目标函数，计算出电池储能跟踪调频信号的充放电功率的最优解；
步骤S1中，电池储能在时间段内响应调频信号，但是其开始和结束时的荷电状态被严格限定，取值范围为0.2-0.8；
步骤S2中，调频周期内电池储能响应调频信号的跟踪精度最大化的目标函数为：
Figure FDA0002947198750000011
其中，
Figure FDA0002947198750000012
为调频时段T内电池储能跟踪精度的最大值，
Figure FDA0002947198750000013
为t时刻电池储能响应调频信号的功率，Dt为t时刻的调频信号，Δt为调频信号控制周期，K为调频时段内电池储能的投标功率；
步骤S3中，以最大化电池储能跟踪精度为目标动态规划出电池储能跟踪调频信号的充放电功率的具体方法为：
建立电力市场电价控制周期内电池储能参与电网调频服务的最大精度函数并确定电池储能跟踪精度最大化的贝尔曼最优方程，根据储能调频周期内每一时刻电池储能参与电网调频服务的最大跟踪精度函数及约束条件下反解对应时刻电池储能参与电网调频的跟踪精度并确定对应时刻电池储能调频基值；
建立调频信号控制周期内的电池储能响应调频信号的跟踪精度并确定储能调频周期内每一时刻电池储能响应调频信号最大跟踪精度的贝尔曼最优方程，根据储能调频周期内每一时刻电池储能响应调频信号的最大跟踪精度及约束下反解对应时刻电池储能响应调频信号的跟踪精度并确定对应时刻电池储能响应调频信号功率；
电力市场电价控制周期内的电池储能参与电网调频服务的跟踪精度目标函数为：
Figure FDA0002947198750000014
其中，
Figure FDA0002947198750000015
代表t时刻电池储能状态变量为
Figure FDA0002947198750000016
确定电池储能调频基值
Figure FDA0002947198750000017
时电池储能跟踪精度的指标函数；
Figure FDA0002947198750000018
Ct为t时刻电池储能的容量，τ为储能调频基值调节周期的时长，T代表若干小时；
G′τ∈[0，1]是对t时刻到t+τ时刻期间内电池储能响应调频信号的精度进行假设，并在该时段内保持不变；
t时刻至t+τ时刻电池储能容量的状态转移方程为：
Figure FDA0002947198750000021
表示t时刻与t+τ时刻电池储能容量的关系；其中，
Figure FDA0002947198750000022
分别表示t到t+τ时刻期间电池储能响应调频信号的充/放电能量；ηc为电池储能充电效率；
为了求解运行周期内每一时刻电池储能调频基值最优解，电池储能运行周期内每一时刻参与电网调频服务的跟踪精度的贝尔曼最优方程为：
Figure FDA0002947198750000023
Figure FDA0002947198750000024
表示t时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数，
Figure FDA0002947198750000025
表示t+τ时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数。
2.根据权利要求1所述一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，其特征在于，各时刻电池储能调频基值取值约束为：
Figure FDA0002947198750000026
Figure FDA0002947198750000027
Crated为电池储能的额定容量，Prated为电池储能的额定功率，C0为电池储能起始时刻容量，CT为电池储能结束时刻容量，SoCinit为电池储能荷电状态初值，SoCfinal为电池储能荷电状态终值。
3.根据权利要求1所述一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，其特征在于，调频信号控制周期内的电池储能响应调频信号的跟踪精度目标函数为：
Figure FDA0002947198750000028
其中，
Figure FDA0002947198750000029
表示t时刻电池储能状态为
Figure FDA00029471987500000210
时，确定电池储能响应调频信号的决策
Figure FDA00029471987500000211
时电池储能跟踪精度；
Figure FDA00029471987500000212
Δt为调频信号的控制周期，Dt为t时刻的调频信号，K表示T时段内电池储能投标功率；
t时刻到t+Δt时刻电池储能的状态转移方程为：
Figure FDA0002947198750000031
Ct、Ct+Δt为t时刻、t+Δt时刻电池储能的容量；
为了求解每一时刻以及全局的最大化电池储能跟踪精度的最优解，电池储能运行周期内每一时刻电池储能响应调频信号的跟踪精度贝尔曼最优方程为：
Figure FDA0002947198750000032
其中，
Figure FDA0002947198750000033
表示t时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数，
Figure FDA0002947198750000034
表示t+Δt时刻至最后一个时刻电池储能跟踪精度最大化的目标函数。
4.根据权利要求3所述一种限定荷电状态下电池储能响应调频信号的方法，其特征在于，各时刻电池储能响应调频信号功率的取值约束有：
Figure FDA0002947198750000035
Figure FDA0002947198750000036
Ct为t时刻电池储能的容量，
Figure FDA0002947198750000037
为t时刻电池储能响应调频信号的功率，
Figure FDA0002947198750000038
为t时刻电池储能的调频基值，Δt为调频信号控制周期，Crated为电池储能的额定容量，Prated为电池储能的额定功率，K为调频时段内电池储能的投标功率，G′τ为t时刻到t+τ时刻内电池储能跟踪调频信号的精度。
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