CN111614084A - 一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法，其包括：功率计算分配层的控制方案、功率追踪控制层的控制方案，功率计算分配层的控制方案通过建立储能荷电状态工作分区，将储能系统划分为24种工作模式，针对不同模式采用相适宜的控制方法，可以有效解决分散独立控制的风储系统难以保证黑启动稳定运行问题；功率追踪控制层的控制方案中V/f和PQ相结合，根据上层计算功率指令进行工作，并将储能实时荷电状态反馈到功率计算分配层中。其方法科学合理，适用性强，效果佳。

Description

一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法

技术领域

本发明属于电网黑启动技术领域，是一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法。

背景技术

依赖于大规模电网互联，电网规模日益扩大、彼此之间联系紧密；若局部故障处理不当，极易诱发连锁反应、导致大规模停电事故。传统的黑启动电源(火电、核电、水电)优先考虑的是水电，由于其本身劣势，不适用于风多水少地区。随着电网中风电占比显著提高，对于风电资源丰富风电装机大的地区，挖掘风电黑启动具有重要价值。

由于风力发电的间歇性和随机性，储能系统已经成为风电稳定参与黑启动的重要环节。采用多个储能电站可以解决单储能电站经过多次电压变换导致风电场启动困难问题。然而，分散独立控制的风储系统由于无序充放电可能会带来相反的作用，使得部分储能出现过充过放现象，进而使得黑启动小系统的稳定性不能保证，系统再次陷入黑暗之中。

现有多储能功率分配大部分采用改进下垂控制方法，对系统稳定性造成影响，一旦发生故障就不能再进行控制。且研究的前提是储能SOC未超限，对于储能荷电状态越界的情况，大多数研究都没有提出合理的解决方法。仅仅在储能SOC越界后，采取停机操作，导致适用于黑启动的储能电站减少。若为稳定系统电压频率的储能电站停机将直接导致系统稳定性下降，黑启动失败。同时在储能功率分配过程中，往往只考虑荷电状态，不能根据各储能电站的不同情况给出不同的控制指令。总而言之，已有多储能协调控制及功率分配方法无法充分为风储黑启动服务。

发明内容

本发明的目的是：为解决分散独立控制的风储系统难以保证黑启动稳定运行问题，提出一种科学合理，考虑风储黑启动系统多方面影响因素，适用性强，效果佳的基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法。

为实现上述目的所采用的技术方案是，一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法，其特征是，它包括以下内容：

1)功率计算分配层的控制方案

①由式(1)-式(4)确定处于正常区间各储能电站的充电参考功率

值和放电参考功率

值：

式中，c为储能处于充电状态；d为储能处于放电状态；

为在t时刻第i个储能电站的可充电能力；SOC_t,i为在t时刻第i个储能电站的荷电状态；

为在t时刻第i个储能电站的可充电能力；P_W为风电集群可发功率；P_M为待启动电厂辅机功率；n为参与黑启动的储能电站的数量；SOC_max为储能荷电状态最大值、SOC_min为储能荷电状态最小值；

针对计算参考功率超过极限功率值情况，将各储能电站参考功率按极限功率值进行修正，由式(5)-式(6)确定：

式中，

为第i个储能的最大充电功率、

为第i个储能的最大放电功率；

②处于临界过充区间的储能，由式(7)-式(8)定义修正参数ΔSOC值并确定其充电时储能参考功率值：

式中：SOC_{max_stable}为储能稳定运行的上界值、SOC_{min_stable}为储能稳定运行的下界值；

③处于临界过放区间的储能，由式(9)定义修正参数ΔSOC并确定其放电时储能参考功率值：

2)功率追踪控制层的控制方案

多储能协调控制系统的功率计算分配层目标是在满足储能本身性能约束的前提下，通过风电预测，对储能SOC进行预控制，实现多储能黑启动的稳定运行，各储能电站均处于稳定运行时，能够保证多储能系统吞吐有效功率、风电场实际可发功率与黑启动需求功率的平衡，以及风储黑启动的顺利进行，追踪控制层是对单个储能变流器的优化控制方案，为保证黑启动情况下稳定的系统电压和频率，核心储能采取V/f控制，其余储能采取PQ控制：

①厂用母线电压、频率的建立

当风储收到配合电网黑启动的指令后，储能零起升压自启动，建立起稳定的电压和频率，由于黑启动初期，电网处于全黑的状态，电网无法给储能DC/AC变流器传输驱动信号；因此，采取固定的三相电源给储能DC/AC变流器驱动信号，使厂用母线建立起稳定的电压和频率；

②储能VSC的控制模型

采用多储能系统作为黑启动电源，为保证黑启动顺利实施，其中一个储能采用V/f控制，通过控制能够使其输出电压的频率和幅值保持不变，从而为孤网提供电压和频率支撑，在本质上相当于平衡节点；其余储能采用PQ控制方案进行控制，通过调整功率参考值就能够改变其有功和无功输出，在本质上相当于PQ节点。

本发明的一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法，其包括：功率计算分配层的控制方案、功率追踪控制层的控制方案，功率计算分配层的控制方案通过建立储能荷电状态工作分区，将储能系统划分为24种工作模式，针对不同模式采用相适宜的控制方法，可以有效解决分散独立控制的风储系统难以保证黑启动稳定运行问题；功率追踪控制层的控制方案中V/f和PQ相结合，根据上层计算功率指令进行工作，并将储能实时荷电状态反馈到功率计算分配层中。其方法科学合理，适用性强，效果佳。

附图说明

图1为风储联合黑启动结构示意图；

图2为多储能支撑黑启动控制框图；

图3为储能系统荷电状态分区示意图；

图4为自适应多储能状态转换示意图；

图5为各储能电站(平均分配)输出功率变化图；

图6为各储能电站(平均分配)荷电状态变化图；

图7为为储能(平均分配)建立的风电场厂用母线电压变化图；

图8为储能(平均分配)建立的风电场厂用母线频率变化图；

图9为各储能电站(非ΔSOC修正)输出功率变化图；

图10为各储能电站(非ΔSOC修正)荷电状态变化图；

图11为储能(非ΔSOC修正)建立的风电场厂用母线电压变化图；

图12为储能(非ΔSOC修正)建立的风电场厂用母线频率变化图；

图13为各储能电站(ΔSOC修正)输出功率变化图；

图14为各储能电站(ΔSOC修正)荷电状态变化图；

图15为储能(ΔSOC修正)建立的风电场厂用母线电压变化图；

图16为储能(ΔSOC修正)建立的风电场厂用母线频率变化图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法，包括以下内容：

1)功率计算分配层的控制方案

①由式(1)-式(4)确定处于正常区间各储能电站的充电参考功率

值和放电参考功率

值：

式中，c为储能处于充电状态；d为储能处于放电状态；

为在t时刻第i个储能电站的可充电能力；SOC_t,i为在t时刻第i个储能电站的荷电状态；

为在t时刻第i个储能电站的可充电能力；P_W为风电集群可发功率；P_M为待启动电厂辅机功率；n为参与黑启动的储能电站的数量；SOC_max为储能荷电状态最大值、SOC_min为储能荷电状态最小值；

针对计算参考功率超过极限功率值情况，将各储能电站参考功率按极限功率值进行修正，由式(5)-式(6)确定：

式中，

为第i个储能的最大充电功率、

为第i个储能的最大放电功率；

②处于临界过充区间的储能，由式(7)-式(8)定义修正参数ΔSOC值并确定其充电时储能参考功率值：

式中：SOC_{max_stable}为储能稳定运行的上界值、SOC_{min_stable}为储能稳定运行的下界值；

③处于临界过放区间的储能，由式(9)定义修正参数ΔSOC并确定其放电时储能参考功率值：

2)功率追踪控制层的控制方案

多储能协调控制系统的功率计算分配层目标是在满足储能本身性能约束的前提下，通过风电预测，对储能SOC进行预控制，实现多储能黑启动的稳定运行，各储能电站均处于稳定运行时，能够保证多储能系统吞吐有效功率、风电场实际可发功率与黑启动需求功率的平衡，以及风储黑启动的顺利进行，追踪控制层是对单个储能变流器的优化控制方案，为保证黑启动情况下稳定的系统电压和频率，核心储能采取V/f控制，其余储能采取PQ控制：

①厂用母线电压、频率的建立

当风储收到配合电网黑启动的指令后，储能零起升压自启动，建立起稳定的电压和频率，由于黑启动初期，电网处于全黑的状态，电网无法给储能DC/AC变流器传输驱动信号；因此，采取固定的三相电源给储能DC/AC变流器驱动信号，使厂用母线建立起稳定的电压和频率；

②储能VSC的控制模型

采用多储能系统作为黑启动电源，为保证黑启动顺利实施，其中一个储能采用V/f控制，通过控制能够使其输出电压的频率和幅值保持不变，从而为孤网提供电压和频率支撑，在本质上相当于平衡节点；其余储能采用PQ控制方案进行控制，通过调整功率参考值就能够改变其有功和无功输出，在本质上相当于PQ节点。

本发明的一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法，反映了多储能系统的协调特性对稳定启动黑启动负荷的影响，体现了不同控制方案下的储能电站所表现出的黑启动性能。

具体实施例的计算条件说明如下：

结合图1和图2，母线电压额定值为10kV、频率为50HZ；风电机组BS_1、BS_2的输出功率分别为1.5MW和1.0MW；两个储能电站的容量均为0.4MW·h，极限充放电功率为±1.2MW，正常工作SOC范围为[0.1,0.9]。结合图3，本发明设定储能稳定工作SOC变化范围为[0.3，0.7]，临界过充区间为[0.7，0.9]，临界过放区间为[0.1，0.3]，预停机过充区间为[0.9，1]，预停机过放区间为[0，0.1]。

就部分储能临界运行工况进行分析。t＝0～1.5s，风储系统自启动，稳定后风电输出功率为2.5MW，初始负荷为1.5MW；t＝1.5s时，投入黑启动负荷0.3MW；t＝2.5s时，投入黑启动负荷0.3W。两组储能电站实际初始SOC分别为0.89、0.5，即储能BS_1临界过充。结合图4，分别在平均分配、不进行ΔSOC修正和进行ΔSOC修正的条件下进行仿真。

根据以上实施例计算条件，应用本发明对各风电场黑启动评估结果如下：

由图5看出：t＝0～1.5s，为风储系统自启动过程，系统富裕功率1MW，储能电站按平均1：1分配；各储能电站均吸收功率0.5MW；t＝1.5～2.5s时，系统富裕功率0.7MW，各储能电站吸收功率0.35MW；t＝2.5～3.5s时，系统富裕功率0.4MW，各储能电站吸收功率0.2MW。由于储能一直在充电，结合图6、图7和图8，在0.23s时BS_1储能电站的SOC达到储能充电上限0.9，储能停机，系统电压频率紊乱，黑启动失败。

由图9看出：t＝0～1.5s，为风储系统自启动过程，系统富裕功率1MW，储能电站按照可充放电量比例1:50来吸收富裕功率。此后到3.5s系统一直需要储能充电，结合图10，若不进行ΔSOC修正，临界过充储能电站将继续进行临界充电，储能电站的SOC均持续升高，无线逼近储能SOC临界值0.9。由图11和图12看出，黑启动正常进行。但此时若有大功率负荷投入，储能电站参考功率越限，系统按照极限功率比例充放电将导致临界过充储能SOC超过0.9，此储能停机，系统的稳定性收到干扰，若为V/f控制的储能越线将直接导致黑启动系统崩溃。

由图13看出：t＝0～1.5s，为风储系统自启动过程，系统富裕功率1MW，储能电站按可充放电量动态分配，临界过充储能反向放电0.1MW，BS_2储能多吸收功率1.1MW；t＝1.5～2.5s时，系统富裕功率0.7MW，临界过充储能反向放电0.1MW，BS_2储能多吸收功率0.83MW；t＝2.5～3.5s时，系统富裕功率0.4MW，临界过充储能反向放电0.1MW，BS_2储能多吸收功率0.41MW。结合图14、图15和图16，临界过充储能BS_1在系统需充电过程中，进行反向放电，逐渐向稳定运行区间恢复。而采用平均分配和未进行SOC修正的动态分配风储黑启动失败。有效证明了本发明基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法的有效性。

本发明实施例是对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法，其特征是，它包括以下内容：

1)功率计算分配层的控制方案

①由式(1)-式(4)确定处于正常区间各储能电站的充电参考功率

值和放电参考功率

值：

式中，c为储能处于充电状态；d为储能处于放电状态；

为在t时刻第i个储能电站的可充电能力；SOC_t,i为在t时刻第i个储能电站的荷电状态；

为在t时刻第i个储能电站的可充电能力；P_W为风电集群可发功率；P_M为待启动电厂辅机功率；n为参与黑启动的储能电站的数量；SOC_max为储能荷电状态最大值、SOC_min为储能荷电状态最小值；

针对计算参考功率超过极限功率值情况，将各储能电站参考功率按极限功率值进行修正，由式(5)-式(6)确定：

式中，

为第i个储能的最大充电功率、

为第i个储能的最大放电功率；

②处于临界过充区间的储能，由式(7)-式(8)定义修正参数ΔSOC值并确定其充电时储能参考功率值：

式中：SOC_{max_stable}为储能稳定运行的上界值、SOC_{min_stable}为储能稳定运行的下界值；

③处于临界过放区间的储能，由式(9)定义修正参数ΔSOC并确定其放电时储能参考功率值：

2)功率追踪控制层的控制方案

多储能协调控制系统的功率计算分配层目标是在满足储能本身性能约束的前提下，通过风电预测，对储能SOC进行预控制，实现多储能黑启动的稳定运行，各储能电站均处于稳定运行时，能够保证多储能系统吞吐有效功率、风电场实际可发功率与黑启动需求功率的平衡，以及风储黑启动的顺利进行，追踪控制层是对单个储能变流器的优化控制方案，为保证黑启动情况下稳定的系统电压和频率，核心储能采取V/f控制，其余储能采取PQ控制：

①厂用母线电压、频率的建立

当风储收到配合电网黑启动的指令后，储能零起升压自启动，建立起稳定的电压和频率，由于黑启动初期，电网处于全黑的状态，电网无法给储能DC/AC变流器传输驱动信号；因此，采取固定的三相电源给储能DC/AC变流器驱动信号，使厂用母线建立起稳定的电压和频率；

②储能VSC的控制模型

采用多储能系统作为黑启动电源，为保证黑启动顺利实施，其中一个储能采用V/f控制，通过控制能够使其输出电压的频率和幅值保持不变，从而为孤网提供电压和频率支撑，在本质上相当于平衡节点；其余储能采用PQ控制方案进行控制，通过调整功率参考值就能够改变其有功和无功输出，在本质上相当于PQ节点。

Images