CN111614106A - 电池储能系统参与电网一次调频的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电池储能系统参与电网一次调频的控制方法，根据电网所处不同工况，采用虚拟惯性响应、虚拟负惯性响应以及虚拟下垂控制三种调频模式参与电网调频。在频率处于恶化工况时，采用虚拟惯性响应与虚拟下垂控制共同参与电网调频；在频率处于恢复工况时，采用虚拟负惯性响应与虚拟下垂控制共同参与电网调频。该调频控制策略统筹考虑一次调频过程中的频率偏差和频率偏差变化率特征，结合虚拟惯性和虚拟下垂两种模式各自的优势，实现在同一时刻对三种控制模式的综合使用，从而改进一次调频效果，减小储能容量需求。

Description

电池储能系统参与电网一次调频的控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制领域，尤其涉及一种电池储能系统参与电网一次调频的控制方法。

背景技术

随着化石能源的枯竭，大规模可再生能源如风能、太阳能等被应用于发电，但是风电、光伏发电等间歇式电源具有波动性和不确定性，且目前绝大多数间歇式电源对电网不表现出惯性。大规模接入可再生能源后会显著加剧电网调频压力。储能电池的精确控制、快速响应特性使其在参与电网辅助服务方面受到了广泛关注。

电池储能运用于辅助电网调频，可充分发挥其动作迅速和调节方式灵活的优势，不仅可显著改善电网调频性能，而且能够有效减小传统机组的调频备用。在电化学储能电源辅助电网调频的领域中，控制策略是备受关注的理论与实际工程问题，合理的控制策略能够更好地发挥电化学储能电源的调频效果。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出一种电池储能系统参与电网一次调频的控制方法，根据电网所处不同工况，采用虚拟惯性响应、虚拟负惯性响应以及虚拟下垂控制三种调频模式参与电网调频。在频率处于恶化工况时，采用虚拟惯性响应与虚拟下垂控制共同参与电网调频；在频率处于恢复工况时，采用虚拟负惯性响应与虚拟下垂控制共同参与电网调频。并且控制系数采用基于SOC的自适应控制规律。该调频控制策略统筹考虑一次调频过程中的频率偏差和频率偏差变化率特征，结合虚拟惯性和虚拟下垂两种模式各自的优势，实现在同一时刻对三种控制模式的综合使用，从而改进一次调频效果，减小储能容量需求。

其具体采用以下技术方案：

一种电池储能系统参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：循环监控电池储能系统的频率以及荷电状态，当频率未超出死区范围(f_ref1,f_ref2)或储能的荷电状态不在工作区内(SOC_min,SOC_max)时，储能闭锁；当频率超出死区范围，并且储能的荷电状态在工作区内，执行步骤S2进行电网的一次调频；

其中，f_ref1,，f_ref2为死区的两个边界值；SOC_min，SOC_max为储能的荷电状态工作区的两个边界值；

步骤S2：通过传感器采集获得电池储能系统的频率与频率变化率，判断Δf×df/dt是否大于0；

如果Δf×df/dt大于0，采用虚拟惯性响应与虚拟下垂控制共同作用的模式进行电网的一次调频，如果Δf×df/dt小于0，采用虚拟负惯性响应与虚拟下垂控制共同作用的模式进行电网的一次调频；

所述虚拟下垂控制、虚拟惯性控制响应、虚拟负惯性响分别根据以下公式计算：

ΔP_E1＝-K_E×Δf；

ΔP_E2＝-M_E×d(Δf)/dt；

ΔP_E3＝M′_E×d(Δf)/dt；

其中，Δf为频率偏差，d(Δf)/dt为频率变化率，K_E为虚拟下垂控制系数，M_E为虚拟正惯性控制系数，M′_E为虚拟负惯性系数；

步骤S3：将步骤S2得到的功率响应值叠加输出至PI控制器进行参数调节，再将控制信号输出到储能逆变器控制系统。

优选地，在步骤S2中，根据储能的荷电状态自适应的调整所述虚拟下垂控制系数、虚拟正惯性响应控制系数、虚拟负惯性响应控制系数：

当SOC≤SOC_min时，

SOC_min＜SOC≤SOC₀时，

SOC_min＜SOC≤SOC_max时，

SOC≥SOC_max时，

其中，SOC₀、K_max、SOC_min、SOC_max为常量，K_C为充电下降系数，K_d为放电下降系数。优选地，SOC₀＝0.5，K_max＝1，SOC_min＝0.1，SOC_max＝0.9。

储能处于放电状态时，采用的虚拟下垂控制系数、虚拟正惯性响应控制系数、虚拟负惯性响应控制系数为：

K_E＝A×K_d，M_E＝M′_E＝B×K_d，A和B为放大系数，系经验参数。

类似的，储能处于充电状态时，采用的虚拟下垂控制系数、虚拟正惯性响应控制系数、虚拟负惯性响应控制系数为：

K_E＝A×K_C，M_E＝M′_E＝B×K_C。

本发明及其优选方案具有以下有益效果：

本发明统筹考虑了一次调频过程中的频率偏差和频率偏差变化率特征，结合虚拟惯性、虚拟负惯性和虚拟下垂三种模式各自的优势，实现在同一时刻对三种控制模式的综合使用，从而改进一次调频效果，减小储能容量配置。在频率恶化阶段，采用虚拟惯性控制与虚拟下垂控制共同作用的模式，一方面利用下垂控制稳态效果好的优势缩小频率偏差；另一方面利用惯性控制减小频差变化率，阻碍频率的进一步恶化。在频率恢复阶段，采用虚拟负惯性控制与虚拟下垂控制共同作用的模式，利用虚拟负惯性控制增加系统频率的恢复速率，最大发挥储能在调频中的的作用。并且同时考虑到了充放电过程中储能SOC变化的影响，引入了基于SOC的自适应控制策略，有益于防止储能电池的过充过放，保障其循环寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例的系统控制框图；

图2为本发明实施例电网调频工况示意图；

图3为本发明实施例的一种基于SOC的自适应控制规律；

图4为本发明实施例的仿真系统示意图；

图5为本发明实施例阶跃负荷扰动下的系统频率变化图；

图6位本发明实施例阶跃负荷扰动下的储能SOC变化图；

图7为本发明实施例连续负荷扰动曲线；

图8为本发明实施例连续负荷扰动下系统频率变化图；

图9为本发明实施例连续负荷扰动下的储能SOC变化图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

本实施例技术方案的核心点在于：虚拟惯性控制响应、虚拟负惯性响应、虚拟下垂控制在不同的频率工况下共同参与电网的一次调频。且在不同频率工况下，其采用的控制模式的不同：

当频率处于恶化工况时，采用的是虚拟惯性响应与虚拟下垂控制共同作用的模式；

当频率处于恢复工况时，采用的是虚拟负惯性响应与虚拟下垂控制共同作用的模式。

其中，虚拟下垂控制、虚拟惯性控制响应、虚拟负惯性响应分别根据以下公式计算：

ΔP_E1＝-K_E×Δf

ΔP_E2＝-M_E×d(Δf)/dt

ΔP_E3＝M′_E×d(Δf)/dt

其中，Δf为频率偏差，d(Δf)/dt为频率变化率，K_E为虚拟下垂控制系数，M_E为虚拟正惯性控制系数，M′_E为虚拟负惯性系数。

其控制框图如图1所示。首先循环监视系统的频率以及储能系统的荷电状态，当系统频率未超出死区范围(f_ref1,f_ref2)或储能的荷电状态不在工作区内(SOC_min,SOC_max)时，储能闭锁；当系统的频率超出死区范围，并且储能的荷电状态在工作区内，确定储能系统参与电网的一次调频；

其中，死区(f_ref1,f_ref2)通常根据我国一次调频的死区设计。

其次，通过传感器采集得到系统的频率与频率变化率，判断Δf×df/dt小于0还是大于0，如图2所示，即判断调频工况是处于频率恢复阶段还是频率恶化阶段。然后将根据虚拟下垂控制、虚拟惯性响应、虚拟负惯性响应得到的功率响应值叠加输出，通过改变PI控制器参数进行调节，再将控制信号输出到储能逆变器控制系统。

本实施例根据储能的荷电状态(SOC)来自适应调整控制系数。即要求虚拟下垂控制系数K_E，虚拟正惯性控制系数M_E，虚拟负惯性系数M′_E均随着储能电池SOC的变化而变化：

当SOC≤SOC_min时，

SOC_min＜SOC≤SOC₀时，

SOC_min＜SOC≤SOC_max时，

SOC≥SOC_max时，

式中，SOC₀预计保持不变，通常设置为0.5；Kmax设置为1，SOC_min取0.1，SOC_max取0.9。其自适应函数图像如图3所示。K_C为充电下降曲线，K_d为放电下降曲线。

以储能电池处于放电状态为例。此时虚拟下垂控制系数K_E，虚拟正惯性控制系数M_E,虚拟负惯性系数M′_E随SOC的变化趋势与图3中的放电曲线一致，三者不同之处在于其具体的数值大小不同。其中K_E＝A×K_d，M_E＝M′_E＝B×K_d，A和B为放大系数，是综合考虑了投入的负荷等级与储能的出力情况，通过调试获取的合适参数。

如图4所示，本实施例通过在MATLAB/Simulink中搭建一个小型的独立电力系统进行仿真实验，额定频率为50Hz，包括两台200MVA和150MVA的火电机组(带有完整的调速和励磁系统)，一个额定容量为20MW/1MWh的储能系统，其额定电压为380V，系统负荷是大小为322MW的恒功率负荷。分别在阶跃和连续2种典型负荷扰动工况下进行仿真分析。

其中，方法1为无储能；方法2控制策略为在频率恶化阶段采用虚拟惯性控制与虚拟下垂控制共同作用，在频率恢复阶段采用虚拟下垂控制；方法3在频率恶化阶段采用虚拟惯性控制与虚拟下垂控制，在频率恢复阶段采用虚拟负惯性控制与虚拟下垂控制，但下垂系数与惯性系数为常数。方法4为本实施例控制策略，即在方法3的基础上，下垂系数与惯性系数采用基于SOC的自适应控制规律。

具体仿真试验结果如图5-图9所示。

从系统频率变化图与储能系统SOC变化图可知，与传统的控制方法相比，本实施例的控制方法不仅可以减缓频率变化初期频率变化率，提高最低点的频率值与稳态频率值，而且由于采用了虚拟负惯性响应，加快了系统频率的恢复。并且对储能系统SOC的维持效果优于其他控制方法。综合考虑调频效果与对储能系统SOC的维持效果，本实施例的控制方法最优。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的电池储能系统参与电网一次调频的控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种电池储能系统参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：循环监控电池储能系统的频率以及荷电状态，当频率未超出死区范围(f_ref1，f_ref2)或储能的荷电状态不在工作区内(SOC_min，SOC_max)时，储能闭锁；当频率超出死区范围，并且储能的荷电状态在工作区内，执行步骤S2进行电网的一次调频；

其中，f_ref1，f_ref2为死区的两个边界值；SOC_min，SOC_max为储能的荷电状态工作区的两个边界值；

步骤S2：通过传感器采集获得电池储能系统的频率与频率变化率，判断Δf×df/dt是否大于0；

如果Δf×df/dt大于0，采用虚拟惯性响应与虚拟下垂控制共同作用的模式进行电网的一次调频，如果Δf×df/dt小于0，采用虚拟负惯性响应与虚拟下垂控制共同作用的模式进行电网的一次调频；

所述虚拟下垂控制、虚拟惯性控制响应、虚拟负惯性响分别根据以下公式计算：

ΔP_E1＝-K_E×Δf；

ΔP_E2＝-M_E×d(Δf)/dt；

ΔP_E3＝M′_E×d(Δf)/dt；

其中，Δf为频率偏差，d(Δf)/dt为频率变化率，K_E为虚拟下垂控制系数，M_E为虚拟正惯性控制系数，M′_E为虚拟负惯性系数；

步骤S3：将步骤S2得到的功率响应值叠加输出至PI控制器进行参数调节，再将控制信号输出到储能逆变器控制系统。

2.根据权利要求1所述的电池储能系统参与电网一次调频的控制方法，其特征在于：

在步骤S2中，根据储能的荷电状态自适应的调整所述虚拟下垂控制系数、虚拟正惯性响应控制系数、虚拟负惯性响应控制系数：

当SOC≤SOC_min时，

SOC_min＜SOC≤SOC₀时，

SOC_min＜SOC≤SOC_max时，

SOC≥SOC_max时，

其中，SOC₀、K_max、SOC_min、SOC_max为常量，K_C为充电下降系数，K_d为放电下降系数；储能处于放电状态时，采用的虚拟下垂控制系数、虚拟正惯性响应控制系数、虚拟负惯性响应控制系数为：

K_E＝A×K_d，M_E＝M′_E＝B×K_d，A和B为放大系数，系经验参数；

储能处于放电状态时，采用的虚拟下垂控制系数、虚拟正惯性响应控制系数、虚拟负惯性响应控制系数为：

K_E＝A×K_C，M_E＝M′_E＝B×K_C。

3.根据权利要求1所述的电池储能系统参与电网一次调频的控制方法，其特征在于：SOC₀＝0.5，K_max＝1，SOC_min＝0.1，SOC_max＝0.9。

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