CN111654048A - 一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法及系统 - Google Patents

一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法及系统，其中方法包括：测量电网频率变化量和电网频率变化率；当所述电网频率变化率的绝对值超过控制死区时，电池储能系统启动虚拟惯性支撑控制；根据所述电网频率变化量、所述电网频率变化率和储能电池荷电状态变化情况，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制。

Description

一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统安全稳定技术领域，更具体地，涉及一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法及系统。
背景技术
现阶段我国可再生能源发展迅速，虽然减轻了对化石能源的依赖，但其受自然资源条件影响较大，出力具有波动性和间歇性，给电网运行和电能质量带来严重影响。频率是衡量电能质量的重要指标之一，随着高比例可再生能源大规模并网，传统调频手段的效果不断减弱。电池储能系统具有四象限调节能力，响应速度快、能量密度高、功率和容量配置灵活，在电网辅助调频中应用广泛。
电池储能虚拟惯性控制模拟发电机转动惯量特性，调整系统总惯量大小，利于优化调频效果。传统的惯性控制中的惯性系数为常数，无法针对不同频率偏差和储能电池荷电状态SOC调整储能出力，且在频率恢复期存在负调频作用阻碍频率恢复。
因此，需要一种技术，以提高电池储能系统虚拟惯性的支撑效果。
发明内容
本发明技术方案提供一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法及系统，以解决如何提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法，所述方法包括：
测量电网频率变化量和电网频率变化率；
当所述电网频率变化率的绝对值超过控制死区时，电池储能系统启动虚拟惯性支撑控制；
根据所述电网频率变化量、所述电网频率变化率和储能电池荷电状态变化情况，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制。
优选地，所述通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制，包括：
Figure BDA0002496564730000021
MB＝(-1)kMB0MB1MB2 (2)
Figure BDA0002496564730000022
Figure BDA0002496564730000023
Figure BDA0002496564730000024
在上式中，ΔPB为储能出力变化量，Δf为电网频率变化量，dΔf/dt为电网频率变化率；RN为控制死区；MB为储能电池荷电状态的控制系数，MB0为储能电池荷电状态的控制系数；MB1为储能电池荷电状态的控制系数，MB2为反应频率变化量的控制系数；SOC为储能电池荷电状态；SOCmax、SOCmin分别为储能电池荷电状态的上、下限值；fd为调频死区；|Δf|max为最大频率偏差幅值。
优选地，包括：根据储能充放电状态、频率偏差大小确定控制系数MB。
优选地，所述控制死区RN为0.0001-0.0005。
优选地，包括：储能电池荷电状态的控制系数MB0为5-10；储能电池荷电状态的上限值为0.9；储能电池荷电状态的下限值为0.1；调频死区fd为0.033Hz；最大频率偏差幅值|Δf|max为0.5Hz。
基于本发明的另一方面，本发明提供一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的系统，所述系统包括：
获取单元，用于测量电网频率变化量和电网频率变化率；
执行单元，用于当所述电网频率变化率的绝对值超过控制死区时，电池储能系统启动虚拟惯性支撑控制；
控制单元，用于根据所述电网频率变化量、所述电网频率变化率和储能电池荷电状态变化情况，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制。
优选地，所述通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制，包括：
Figure BDA0002496564730000031
MB＝(-1)kMB0MB1MB2 (2)
Figure BDA0002496564730000032
Figure BDA0002496564730000033
Figure BDA0002496564730000034
在上式中，ΔPB为储能出力变化量，Δf为电网频率变化量，dΔf/dt为电网频率变化率；RN为控制死区；MB为储能电池荷电状态的控制系数，MB0为储能电池荷电状态的控制系数；MB1为储能电池荷电状态的控制系数，MB2为反应频率变化量的控制系数；SOC为储能电池荷电状态；SOCmax、SOCmin分别为储能电池荷电状态的上、下限值；fd为调频死区；|Δf|max为最大频率偏差幅值。
优选地，包括：根据储能充放电状态、频率偏差大小确定控制系数MB。
优选地，所述控制死区RN为0.0001-0.0005。
优选地，包括：储能电池荷电状态的控制系数MB0为5-10；储能电池荷电状态的上限值为0.9；储能电池荷电状态的下限值为0.1；调频死区fd为0.033Hz；最大频率偏差幅值|Δf|max为0.5Hz。
本发明技术方案提供一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法及系统，其中方法包括：测量电网频率变化量和电网频率变化率；当电网频率变化率的绝对值超过控制死区时，电池储能系统启动虚拟惯性支撑控制；根据电网频率变化量、电网频率变化率和储能电池荷电状态变化情况，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制。本发明技术方案提供的一种提高电池储能虚拟惯性支撑效果的方法，确立不同频率恶化程度及电池荷电状态时对虚拟惯性的支撑效果，在调频期根据频率变化方向调整惯性控制出力方向，加速频率恢复。本发明技术方案解决了传统定惯性常数控制手段存在负调频段、未考虑储能电池荷电状态SOC状态的缺点。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施方式的一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法流程图；
图2为根据本发明优选实施方式的电池储能提高虚拟惯性支撑效果的仿真模型；
图3为根据本发明优选实施方式的实例仿真中的频率偏差曲线图；
图4为根据本发明优选实施方式的仿真中的频率偏差变化率曲线图；
图5为根据本发明优选实施方式的仿真中的控制系数MB1曲线图；
图6为根据本发明优选实施方式的仿真中的控制系数MB2曲线图；
图7为根据本发明优选实施方式的仿真中的控制系数MB曲线图；
图8为根据本发明优选实施方式的仿真中的储能出力变化量曲线图；以及
图9为根据本发明优选实施方式的一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施方式的一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法流程图。如图1所示，本发明提供一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法，方法包括：
优选地，在步骤101：测量电网频率变化量和电网频率变化率。本发明测量电池储能系统电网频率变化量Δf和频率变化率dΔf/dt。
优选地，在步骤102：当电网频率变化率的绝对值超过控制死区时，电池储能系统启动虚拟惯性支撑控制。优选地，控制死区RN为0.0001-0.0005。本发明当电网频率变化率的绝对值超过控制死区时，电池储能启动虚拟惯性支撑控制，控制死区RN取为0.0001-0.0005。
优选地，在步骤103：根据电网频率变化量、电网频率变化率和储能电池荷电状态变化情况，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制。
优选地，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制，包括：
Figure BDA0002496564730000051
MB＝(-1)kMB0MB1MB2 (2)
Figure BDA0002496564730000061
Figure BDA0002496564730000062
Figure BDA0002496564730000063
在上式中，ΔPB为储能出力变化量，Δf为电网频率变化量，dΔf/dt为电网频率变化率；RN为控制死区；MB为储能电池荷电状态的控制系数，MB0为储能电池荷电状态的控制系数；MB1为储能电池荷电状态的控制系数，MB2为反应频率变化量的控制系数；SOC为储能电池荷电状态；SOCmax、SOCmin分别为储能电池荷电状态的上、下限值；fd为调频死区；|Δf|max为最大频率偏差幅值。
优选地，根据储能充放电状态、频率偏差大小确定控制系数MB。
优选地，储能电池荷电状态的控制系数MB0为5-10；储能电池荷电状态的上限值为0.9；储能电池荷电状态的下限值为0.1；调频死区fd为0.033Hz；最大频率偏差幅值|Δf|max为0.5Hz。
本发明根据电网频率变化量Δf、频率变化率dΔf/dt、储能电池荷电状态SOC变化情况，电池储能的虚拟惯性支撑控制按下式进行储能出力变化量的控制：
Figure BDA0002496564730000064
MB＝(-1)kMB0MB1MB2 (2)
Figure BDA0002496564730000065
Figure BDA0002496564730000071
Figure BDA0002496564730000072
在上式中，ΔPB为储能出力变化量，MB0为控制系数之一，取为5-10；MB1为基于荷电状态SOC的控制系数之二，MB2为反应频率变化量的控制系数之三；SOCmax、SOCmin分别为储能电池荷电状态SOC的上、下限值，一般在0.1-0.9之间；fd为调频死区，取为0.033Hz；|Δf|max为最大频率偏差幅值，取为0.5Hz。
根据上述方法，结合某算例系统为例做进一步说明，在Matlab\Simulink中搭建了与图2对应的电池储能提高虚拟惯性支撑效果的仿真模型。
将控制参数标幺化(SB＝100MVA)，电网惯性时间常数M取值为10；负荷阻尼系数D取值为1；再热器增益FHP取值为0.5；电池储能时间常数TB取值为0.1s；传统调频机组的调速器时间常数TG、再热器时间常数TRH和汽轮机时间常数TCH分别取值为0.08s、10s和0.3s；传统调频机组额定容量取为100MVA，电池储能额定参数取为2MW/500kWh；系统基准频率为50Hz。在算例中加入标幺值为0.03的阶跃负荷扰动，验证本发明中的控制方法提高电池储能虚拟惯性控制支撑效果。
本发明提供的一种提高电池储能虚拟惯性支撑效果的方法包括下述步骤：
步骤一中，测量某负荷扰动下电网频率变化量Δf和频率变化率dΔf/dt，包括以下步骤：
测量受扰动后的系统频率变化量和频率变化率，频率变化量Δf输出如图3所示，频率变化率dΔf/dt输出如图4所示。
步骤二中，步骤二测量的电网频率变化率的绝对值|dΔf/dt|超过控制死区RN时电池储能启动虚拟惯性支撑控制，控制死区RN取为0.0001-0.0005。
步骤三中，根据电网频率变化量Δf、频率变化率dΔf/dt、储能电池荷电状态SOC变化情况，电池储能的虚拟惯性支撑控制按下式进行储能出力变化量的控制，包含以下步骤：
S301：判断频率变化Δf与频率变化率dΔf/dt符号差异，在t＝5时刻前符号相同，k值取1，在t＝5时刻后符号相反，k值取2；
S302：实时监测电池荷电状态SOC大小，根据储能充放电状态、频率偏差大小确定控制系数MB，控制系数MB1、MB2、MB如图5-图7所示；
S303：确定电池储能在虚拟惯性支撑控制下的储能出力变化量，储能出力ΔPB(s)如图8所示。
表1为初始SOC＝0.5时阶跃扰动下评价储能虚拟惯性支撑效果的评价指标。调频过程中的重要变量有：最大频率偏差(Δfm)、稳态偏差(Δfs)、峰值时间(tm)、稳态时间(ts)和频率下降速度(α)，α的表达式为α＝|Δfm|/tm；频率恢复期的频率恢复速度(β)，β的表达式为β＝(|Δfm|-|Δfs|)/(ts-tm)。将α和β作为电池储能在阶跃负荷扰动类型下评价虚拟惯性支撑效果的指标，可知α越小越好，β越大越好。
由图3-图6、表1可知，本发明1电池储能的虚拟惯性控制可有效改善扰动初期的频率动态特性，使电网频率下降速度减缓，同时为电网一次调频赢得时间，因考虑SOC及频率偏差影响，本发明方法频率下降速度与传统控制相差不大；在频率恢复期增加电池储能的出力，避免传统虚拟控制方法对频率恢复的抑制，加速频率恢复频率，本发明方法的恢复速度最快，充分发挥了储能调频潜力。电池储能在提高虚拟惯性支撑效果中综合考虑了频率恶化程度和电池荷电状态，使电池储能出力更合理可持续。
Figure BDA0002496564730000081
本发明提供的实施方式实现了依据储能电池的荷电状态动态调整储能出力，综合考虑虚拟惯性支撑效果和电池的使用寿命；本发明可依据电网频率偏差大小动态调整储能出力，针对不同频率恶化程度提供不同的虚拟惯性支撑效果；本发明通过改变不同调频时段内的电池储能虚拟惯性控制出力方向(k的正负取值)，避免传统虚拟惯性控制在频率恢复期内阻碍频率恢复至工频的现象，优化了调频效果。
图9为根据本发明优选实施方式的一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的系统结构图。如图9所示，本发明提供一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的系统，系统包括：
获取单元901，用于测量电网频率变化量和电网频率变化率。
执行单元902，用于当电网频率变化率的绝对值超过控制死区时，电池储能系统启动虚拟惯性支撑控制；优选地，控制死区RN为0.0001-0.0005。
控制单元903，用于根据电网频率变化量、电网频率变化率和储能电池荷电状态变化情况，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制。
优选地，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制，包括：
Figure BDA0002496564730000091
MB＝(-1)kMB0MB1MB2 (2)
Figure BDA0002496564730000092
Figure BDA0002496564730000093
Figure BDA0002496564730000094
在上式中，ΔPB为储能出力变化量，Δf为电网频率变化量，dΔf/dt为电网频率变化率；RN为控制死区；MB为储能电池荷电状态的控制系数，MB0为储能电池荷电状态的控制系数；MB1为储能电池荷电状态的控制系数，MB2为反应频率变化量的控制系数；SOC为储能电池荷电状态；SOCmax、SOCmin分别为储能电池荷电状态的上、下限值；fd为调频死区；|Δf|max为最大频率偏差幅值。
优选地，包括：根据储能充放电状态、频率偏差大小确定控制系数MB。
优选地，包括：储能电池荷电状态的控制系数MB0为5-10；储能电池荷电状态的上限值为0.9；储能电池荷电状态的下限值为0.1；调频死区fd为0.033Hz；最大频率偏差幅值|Δf|max为0.5Hz。
本发明优选实施方式的一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的系统900与本发明另一优选实施方式的一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法100相对应，在此不再进行赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (10)

1.一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的方法，所述方法包括：
测量电网频率变化量和电网频率变化率；
当所述电网频率变化率的绝对值超过控制死区时，电池储能系统启动虚拟惯性支撑控制；
根据所述电网频率变化量、所述电网频率变化率和储能电池荷电状态变化情况，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，所述通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制，包括：
Figure FDA0002496564720000011
MB＝(-1)kMB0MB1MB2 (2)
Figure FDA0002496564720000012
Figure FDA0002496564720000013
Figure FDA0002496564720000014
在上式中，ΔPB为储能出力变化量，Δf为电网频率变化量，dΔf/dt为电网频率变化率；RN为控制死区；MB为储能电池荷电状态的控制系数，MB0为储能电池荷电状态的控制系数；MB1为储能电池荷电状态的控制系数，MB2为反应频率变化量的控制系数；SOC为储能电池荷电状态；SOCmax、SOCmin分别为储能电池荷电状态的上、下限值；fd为调频死区；|Δf|max为最大频率偏差幅值。
3.根据权利要求1所述的方法，包括：根据储能充放电状态、频率偏差大小确定控制系数MB。
4.根据权利要求1所述的方法，所述控制死区RN为0.0001-0.0005。
5.根据权利要求1所述的方法，包括：储能电池荷电状态的控制系数MB0为5-10；储能电池荷电状态的上限值为0.9；储能电池荷电状态的下限值为0.1；调频死区fd为0.033Hz；最大频率偏差幅值|Δf|max为0.5Hz。
6.一种提高电池储能系统虚拟惯性支撑效果的系统，所述系统包括：
获取单元，用于测量电网频率变化量和电网频率变化率；
执行单元，用于当所述电网频率变化率的绝对值超过控制死区时，电池储能系统启动虚拟惯性支撑控制；
控制单元，用于根据所述电网频率变化量、所述电网频率变化率和储能电池荷电状态变化情况，通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制。
7.根据权利要求6所述的系统，所述通过电池储能系统的虚拟惯性支撑控制对储能出力变化量进行控制，包括：
Figure FDA0002496564720000021
MB＝(-1)kMB0MB1MB2 (2)
Figure FDA0002496564720000022
Figure FDA0002496564720000023
Figure FDA0002496564720000024
在上式中，ΔPB为储能出力变化量，Δf为电网频率变化量，dΔf/dt为电网频率变化率；RN为控制死区；MB为储能电池荷电状态的控制系数，MB0为储能电池荷电状态的控制系数；MB1为储能电池荷电状态的控制系数，MB2为反应频率变化量的控制系数；SOC为储能电池荷电状态；SOCmax、SOCmin分别为储能电池荷电状态的上、下限值；fd为调频死区；|Δf|max为最大频率偏差幅值。
8.根据权利要求6所述的系统，包括：根据储能充放电状态、频率偏差大小确定控制系数MB。
9.根据权利要求6所述的系统，所述控制死区RN为0.0001-0.0005。
10.根据权利要求6所述的系统，包括：储能电池荷电状态的控制系数MB0为5-10；储能电池荷电状态的上限值为0.9；储能电池荷电状态的下限值为0.1；调频死区fd为0.033Hz；最大频率偏差幅值|Δf|max为0.5Hz。
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