CN111740433A - 基于动态下垂系数与soc恢复基点的储能一次调频控制方法 - Google Patents

基于动态下垂系数与soc恢复基点的储能一次调频控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动态下垂系数与SOC恢复基点的储能一次调频控制方法，其特点是，以电网调频死区为分割边界将储能调频过程划分为调频阶段与SOC恢复阶段。在调频阶段，以SOC和最大频率偏差为控制量自适应调整储能出力深度以防止储能SOC的饱和或殆尽；在SOC恢复阶段，采用适应负荷变化的动态SOC恢复基点调整方法，然后设计顾SOC恢复需求与电网承受能力的储能出力确定方法，最后设计双层模糊控制器实现动态SOC基点值和储能出力值确定。具有科学合理，适用性强，既能够保证调频效果，又能够保证储能SOC的状态等优点，能够维持储能长期稳定出力。

Description

基于动态下垂系数与SOC恢复基点的储能一次调频控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统调频控制方法，是一种基于动态下垂系数与SOC恢复基点(Dynamic Droop Coefficient and Dynamic Reference of SOC,DDC&DRSOC)的储能一次调频控制方法。
背景技术
现有技术中，风电的风力机自身与电力系统频率解耦，高比例风电机组对传统机组的取 代将会导致系统惯性减弱，一次调频能力降低；另外，风电的随机性和波动性在大规模并网 时更加凸显，将给电网带来更大的功率扰动。因此，在这样的双重压力下，亟需借助新的调 频手段弥补传统方式下一次调频能力的不足。相比较而言，储能容量仅占电网容量极小的一 部分，如何利用有限容量的储能安全持续地辅助一次调频，对控制方法的科学性、高效性提 出了更高的要求。现有技术关于储能控制方法研究主要存在以下两点问题：①对SOC的管理 多集中在储能承担调频任务量的调节上，而未能在此基础上，充分利用调频死区对SOC维持 做贡献；②涉及到SOC自恢复的研究多是以0.5为基准，缺少一种既能适应SOC恢复需求， 又能适应负荷变化的SOC恢复基准确定方法。迄今为止，未见有关基于动态下垂系数与SOC 恢复基点的储能一次调频控制方法的文献报道及实际应用。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术存在的问题。提出一种科学合理，适用性强，既能够保 证调频效果，又能够保证储能SOC的状态，维持储能长期稳定出力的基于动态下垂系数与 SOC恢复基点的储能一次调频控制方法，
实现本发明目的采用的技术方案是：一种基于动态下垂系数与SOC恢复基点的储能一次 调频控制方法，其特征是，它包括以下步骤：
1)调频过程的阶段划分
以电网调频死区|f|＝fd为界限，将储能参与一次调频分为：自适应调频阶段|f|>fd、 自适应SOC恢复阶段|f|≤fd，
其中，自适应调频阶段|f|>fd简称为调频阶段，自适应SOC恢复阶段|f|≤fd简称为SOC恢复阶段；f为电网实际频率值，fd为电网频率调节死区限值；
2)调频阶段储能出力控制方法
为防止因储能SOC饱和或殆尽造成对电网频率的更大冲击，采取根据储能SOC实时状 态自适应调节虚拟下垂系数KESS的方法，令KESS随着SOC的变化以“S”曲线形式变化，“S”型变化的KESS-SOC曲线用分段函数为式(1)-式(2)，
Figure BDA0002556481920000021
Figure BDA0002556481920000022
式中，Kdc为储能的虚拟单位放电功率值，Kc为虚拟单位充电功率值，Kmax为最大虚拟单位调 节功率值，SOCmin、SOClow、SOChigh、SOCmax分别对应储能SOC的最小值、偏小值、偏大值、 最大值；P0和n为分别为曲线的两个形状参数，决定曲线的形状，取值P0＝0.01,n＝25；
3)SOC恢复阶段储能出力控制方法
A)储能SOC基点动态调整规则
若已知当前负荷扰动PnL(t)其变化率λ(t)的大小和方向，能够初步预知下一时刻的负荷的 大小为：
PnL(t+1)＝PnL(t)+λ(t)·Δt (3)
式中，PnL(t)为当前负荷扰动，PnL(t+1)为下一时刻负荷扰动，λ(t)为负荷变化率，Δt为采样时 间间隔；
据此，能够避免复杂的负荷预测，得到短时间内负荷发展趋势，并为储能SOC的恢复方 向及大小提供参考，定义SOC基点为SOC恢复的基准值，用于确定SOC恢复方向；
风电的接入会导致净负荷波动增加，而储能的SOC状态在短时间内不会有太大变化，因 此为避免因风电的频繁波动导致SOC基点的频繁变化，Δt不宜过小，综合考虑一次调频的时 间尺度和储能调频的容量配置时间尺度，选取Δt＝400s；
根据PnL(t+1)设置SOC恢复基点SOC_b，在调频死区内，首先根据当前负荷扰动PnL(t) 的大小及其变化率λ(t)，对下一时刻负荷PnL(t+1)的变化趋势进行初步预判，再根据对PnL(t+1) 预判的结果，自适应调整SOC的恢复基点SOC_b，对正向负荷扰动(PnL(t)>0)进行具体叙述：
①若当前时刻PnL(t)>0，且|PnL(t)|较大，同时，负荷变化率λ(t)>0，则预判下一刻负荷 PnL(t+1)较大，需要储能以较大功率放电，需设置一个较大的恢复基点SOC_bmax；
②若当前时刻PnL(t)>0，且|PnL(t)|较小；同时，负荷变化率λ(t)>0，且λ(t)较小，则预判 下一刻PnL(t+1)较小，需要储能以较小功率放电，则需设置一个较小的恢复基点SOC_bhigh； 而若λ(t)较大，则预判下一刻负荷PnL(t+1)较大，需设置一个大的恢复基点SOC_bmax；
③若PnL(t)<0且λ(t)>0，说明负荷扰动处于减缓状态，则预判下一刻负荷PnL(t+1)较小， 需要储能以较小功率放电，需设置一个比较小的恢复基点SOC_bhigh，
④若PnL(t)＝0且λ(t)>0，则预判下一刻需要储能以较小功率放电，需设置一个比较小的恢 复基点SOC_bhigh，
负荷扰动为负(PnL(t)<0)时，控制规律具体叙述为：
①若当前时刻PnL(t)<0，且|PnL(t)|较大，同时，负荷变化率λ(t)<0，则预判下一刻负荷 PnL(t+1)较大，需要储能以较大功率充电，需设置一个较小的恢复基点SOC_bmin；
②若当前时刻PnL(t)<0，且|PnL(t)|较小；同时，负荷变化率λ(t)<0，且|λ(t)|较小，则预 判下一刻|PnL(t+1)|较小，需要储能以较小功率充电，则需设置一个较小的恢复基点SOC_blow； 而若|λ(t)|较大，则预判下一刻负荷|PnL(t+1)|较大，需设置一个小的恢复基点SOC_bmin；
③若PnL(t)<0且λ(t)>0，说明负荷扰动处于减缓状态，则预判下一刻负荷|PnL(t+1)|较小， 需要储能以较小功率充电，需设置一个比较小的恢复基点SOC_blow；
④若PnL(t)＝0且λ(t)>0，则预判下一刻需要储能以较小功率放电，需设置一个比较小的 恢复基点SOC_blow；
为使得控制规则展示更加清晰，下面用NB表示负向偏大、NS负向偏小、ZO表示零、PS表示正向偏小、PB表示正向偏大，用NB、NS、ZO、PS、PB描述PnL(t)、λ(t)、SOC_b 的取值区间，形成如下25条控制规则：
若λ(t)为NB且PnL(t)为NB，则SOC_b为NB；
若λ(t)为NB且PnL(t)为NS，则SOC_b为NB；
若λ(t)为NB且PnL(t)为ZO，则SOC_b为NS；
若λ(t)为NB且PnL(t)为PS，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为NB且PnL(t)为PB，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为NS且PnL(t)为NB，则SOC_b为NB；
若λ(t)为NS且PnL(t)为NS，则SOC_b为NS；
若λ(t)为NS且PnL(t)为ZO，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为NS且PnL(t)为PS，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为NS且PnL(t)为PB，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为NB，则SOC_b为NS；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为NS，则SOC_b为NS；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为ZO，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为PS，则SOC_b为PS；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为PB，则SOC_b为PS；
若λ(t)为PS且PnL(t)为NB，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PS且PnL(t)为NS，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PS且PnL(t)为ZO，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PS且PnL(t)为PS，则SOC_b为PS；
若λ(t)为PS且PnL(t)为PB，则SOC_b为PS；
若λ(t)为PB且PnL(t)为NB，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PB且PnL(t)为NS，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PB且PnL(t)为ZO，则SOC_b为PS；
若λ(t)为PB且PnL(t)为PS，则SOC_b为PB；
若λ(t)为PB且PnL(t)为PB，则SOC_b为PB；
B)储能SOC恢复出力控制规则
首先，定义SOC恢复需求为恢复基点与当前SOC的差值，即为：
ΔSOC＝SOC_b-SOC (4)
式中ΔSOC为SOC恢复需求，SOC_b为SOC恢复基点；SOC为当前SOC值，设储能出力为PESS，则根据式(4)，当ΔSOC<0时，需要储能放电PESS>0；当ΔSOC>0时，需要储能充电， PESS<0；
然后，在频率死区内，根据SOC恢复需求ΔSOC与当前频率偏差Δf，自适应调整储能用 于SOC恢复的功率PESS，具体调整规则为：
①若Δf>0且ΔSOC>0，说明储能SOC恢复对电网频率恢复起积极作用，则令储能以较大 功率充电；
②若Δf<0且ΔSOC<0，则储能SOC恢复对电网频率恢复起积极作用，则令储能以较大功 率放电；
③若Δf>0但ΔSOC<0，则储能SOC恢复对电网频率恢复起消极作用，为保证频率不跌出 死区，令储能以0附近某一值充电；
④若Δf<0但ΔSOC>0，则储能SOC恢复对电网频率恢复起消极作用，为保证频率不跌出 死区，令储能以0附近某一值放电，
根据以上，用负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)表示Δf、ΔSOC、PESS的取值区间，形成如下25条储能SOC恢复出力控制规则：
若ΔSOC为NB且Δf为NB，则PESS为PB；
若ΔSOC为NB且Δf为NS，则PESS为PB；
若ΔSOC为NB且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NB且Δf为PS，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NB且Δf为PB，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NS且Δf为NB，则PESS为PB；
若ΔSOC为NS且Δf为NS，则PESS为PB；
若ΔSOC为NS且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NS且Δf为PS，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NS且Δf为PB，则PESS为ZO；
若ΔSOC为ZO且Δf为NB，则PESS为PS；
若ΔSOC为ZO且Δf为NS，则PESS为PZ；
若ΔSOC为ZO且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为ZO且Δf为PS，则PESS为NS；
若ΔSOC为ZO且Δf为PB，则PESS为NS；
若ΔSOC为PS且Δf为NB，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PS且Δf为NS，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PS且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PS且Δf为PS，则PESS为NB；
若ΔSOC为PS且Δf为PB，则PESS为NB；
若ΔSOC为PB且Δf为NB，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PB且Δf为NS，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PB且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PB且Δf为PS，则PESS为NB；
若ΔSOC为PB且Δf为PB，则PESS为NB；
C)双层模糊控制器的设计
设计双层模糊控制器用于整定恢复阶段储能输出功率，上层模糊控制用于整定SOC的恢 复基点，进而确定当前SOC的恢复需求ΔSOC；下层模糊控制器用于根据Δf及ΔSOC确定储能 用于SOC恢复的功率PESS，
根据步骤A)和B)所提方法设计模糊控制器，
①上层模糊控制器的设计
选用二维模糊控制器，负荷扰动值PnL(t)及负荷变化率λ(t)作为模糊控制器的输入控制量， 控制器的输出量为SOC_b，输入输出量的语言模糊集均设置为NB，NS，ZO，PS，PB，其 中，NB为负向偏大，NS为负向偏小，ZO为零，PS为正向偏小，PB为正向偏大；负荷扰动 值PnL(t)及负荷变化率λ(t)归一化后的论域为[-1,1]，SOC_b取离散论域[0.1，0.3，0.5，0.7，0.9]，输入量PnL(t)、λ(t)的隶属度函数为三角函数，输出量的隶属度函数为离散论域，输出量 的隶属度函数为离散论域，依照步骤A)建立25条模糊控制规则，
②下层模糊控制器的设计
第二层二维模糊控制器选用ΔSOC、Δf作为其输入控制量，储能输出功率PESS作为输出 控制量，输入输出量的语言模糊集均设置为NB，NS，ZO，PS，PB，其中，NB为负向偏大，NS为负向偏小，ZO为零，PS为正向偏小，PB为正向偏大；依照步骤A)建立25条模糊控 制规则，ΔSOC的论域设置为[-0.8,0.8]，由于恢复阶段设置在调频死区范围内，所以Δf的论域设置为[-0.033/50，0.033/50]，考虑到储能的充放电效率，将PESS的论域设置为[-0.96,0.96]， 为在SOC恢复需求较大时，储能具有较大的出力，输入量ΔSOC的隶属度函数由三角分布函 数与梯形分布函数构成，输出量PESS采用三角隶属度函数，第二层模糊控制器的控制规则依 照步骤B)建立，在获得模糊输出量后，需要进行解模糊运算，采用最大隶属度法进行解模糊 计算。
本发明的一种基于动态下垂系数与SOC恢复基点的储能一次调频控制方法，以电网调频 死区为分割边界将储能调频过程划分为调频阶段与SOC恢复阶段，在调频阶段，以SOC和 最大频率偏差为控制量自适应调整储能出力深度以防止储能SOC的饱和或殆尽；在SOC恢 复阶段，设计了利用双层模糊控制自适应调整储能恢复SOC的功率，第一层模糊控制根据当 前负荷状态动态调节SOC恢复基准，第二层模糊控制根据当前频率偏差及储能SOC恢复需 求调整储能充放电功率采用适应负荷变化的动态SOC恢复基点调整方法，然后设计顾SOC 恢复需求与电网承受能力的储能出力确定方法，最后设计双层模糊控制器实现动态SOC基点 值和储能出力值确定，具有科学合理，适用性强，既能够保证调频效果，又能够保证储能SOC 的状态等优点，能够维持储能长期稳定出力。
附图说明
图1是本发明所述的负荷变化趋势示意图；
图2是本发明所述的SOC恢复基准调整方法示意图；
图3是本发明所述的上层模糊控制器控制规律示意图；
图4是本发明所述的下层模糊控制器控制规律示意图；
图5是1h负荷扰动曲线示意图；
图6是不同控制方式下SOC基准值变化曲线示意图；
图7是不同控制方式下频率变化曲线示意图；
图8是不同控制方式下SOC变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明的一种基于动态下垂系数与SOC恢复基点的储能一次调频控制方法，包括以下步 骤：
1)调频过程的阶段划分
以电网调频死区|f|＝fd为界限将储能参与一次调频分为自适应调频阶段|f|>fd，以 下简称调频阶段与自适应SOC恢复阶段(|f|≤fd，以下简称SOC恢复阶段)。其中，f为 电网实际频率值，fd为电网频率调节死区限值。
2)调频阶段储能出力控制方法
为防止因储能SOC饱和或殆尽造成对电网频率的更大冲击，本发明采取根据储能SOC 实时状态自适应调节虚拟下垂系数KESS的方法，令KESS随着SOC的变化以“S”曲线形式变化。“S”型变化的KESS-SOC曲线用分段函数如下式(1)-(2)。
Figure BDA0002556481920000071
Figure BDA0002556481920000072
式中，Kdc为储能的虚拟单位放电功率值，Kc为虚拟单位充电功率值，Kmax为最大虚拟单位调 节功率值，SOCmin、SOClow、SOChigh、SOCmax分别对应储能SOC的最小值、偏小值、偏大值、 最大值；P0和n为分别为曲线的两个形状参数，决定曲线的形状，本发明取值P0＝0.01,n＝25。
3)SOC恢复阶段储能出力控制方法
A)储能SOC基点动态调整规则
如图1，若已知当前负荷扰动PnL(t)其变化率λ(t)的大小和方向，能够初步预知下一时刻 的负荷的大小为
PnL(t+1)＝PnL(t)+λ(t)·Δt (3)
式中，PnL(t)为当前负荷扰动，PnL(t+1)为下一时刻负荷扰动，λ(t)为负荷变化率，Δt为采样时 间间隔。
据此，能够避免复杂的负荷预测，得到短时间内负荷发展趋势，并为储能SOC的恢复方 向及大小提供参考。本发明定义SOC基点为SOC恢复的基准值，用于确定SOC恢复方向。
风电的接入会导致净负荷波动增加，而储能的SOC状态在短时间内不会有太大变化，因 此为了避免因风电的频繁波动导致SOC基点的频繁变化，Δt不宜过小。综合考虑一次调频的 时间尺度和储能调频的容量配置时间尺度，本发明选取Δt＝400s。
如图2，根据PnL(t+1)设置SOC恢复基点SOC_b的示意图，在调频死区内，首先根据当前负荷扰动PnL(t)的大小及其变化率λ(t)，对下一时刻负荷PnL(t+1)的变化趋势进行初步预判， 再根据对PnL(t+1)预判的结果，自适应调整SOC的恢复基点SOC_b。以正向负荷扰动(PnL(t)>0) 为例，阐述具体思想：
①若当前时刻PnL(t)>0，且|PnL(t)|较大，同时，负荷变化率λ(t)>0，则预判下一刻负荷 PnL(t+1)较大，需要储能以较大功率放电，需设置一个较大的恢复基点SOC_bmax；
②若当前时刻PnL(t)>0，且|PnL(t)|较小；同时，负荷变化率λ(t)>0，且λ(t)较小，则预判 下一刻PnL(t+1)较小，需要储能以较小功率放电，则需设置一个较小的恢复基点SOC_bhigh； 而若λ(t)较大，则预判下一刻负荷PnL(t+1)较大，需设置一个大的恢复基点SOC_bmax；
③若PnL(t)<0且λ(t)>0，说明负荷扰动处于减缓状态，则预判下一刻负荷PnL(t+1)较小， 需要储能以较小功率放电，需设置一个比较小的恢复基点SOC_bhigh。
④若PnL(t)＝0且λ(t)>0，则预判下一刻需要储能以较小功率放电，需设置一个比较小的恢 复基点SOC_bhigh。
负荷扰动为负(PnL(t)<0)时，控制规律与正向负荷扰动相反，此处不再赘述。为使得控 制规则展示更加清晰，下面用正大(NB)、正小(NS)、零(ZO)、负小(PS)、负大(PB)表示正向偏大、正向偏小、零，负向偏大、负向偏小描述PnL(t)、λ(t)、SOC_b的取值区间，形成 如表1所示控制规则语言表。
表1 SOC基点控制规则语言表
Figure BDA0002556481920000081
B)储能SOC恢复出力控制规则
首先，定义SOC恢复需求为恢复基点与当前SOC的差值，即
ΔSOC＝SOC_b-SOC (4)
式中ΔSOC为SOC恢复需求，SOC_b为SOC恢复基点；SOC为当前SOC值。设储能出力为PESS，则根据上式，当ΔSOC<0时，需要储能放电PESS>0；当ΔSOC>0时，需要储能充电，PESS<0。
然后，在频率死区内，根据SOC恢复需求ΔSOC与当前频率偏差Δf，自适应调整储能用 于SOC恢复的功率PESS，具体调整规则如下：
①若Δf>0且ΔSOC>0，说明储能SOC恢复对电网频率恢复起积极作用，则令储能以较大 功率充电；
②若Δf<0且ΔSOC<0，则储能SOC恢复对电网频率恢复起积极作用，则令储能以较大功 率放电；
③若Δf>0但ΔSOC<0，则储能SOC恢复对电网频率恢复起消极作用，为保证频率不跌出 死区，令储能以0附近某一值充电。
④若Δf<0但ΔSOC>0，则储能SOC恢复对电网频率恢复起消极作用，为保证频率不跌出 死区，令储能以0附近某一值放电。
根据以上，用正大(NB)、正小(NS)、零(ZO)、负小(PS)、负大(PB)表示Δf、ΔSOC、PESS的 取值区间，制定储能SOC恢复出力控制规则语言表如表2。
表2恢复阶段储能功率控制规则语言表
Figure BDA0002556481920000091
C)双层模糊控制器的设计
本发明设计双层模糊控制器用于整定恢复阶段储能输出功率，上层模糊控制用于整定 SOC的恢复基点，进而确定当前SOC的恢复需求ΔSOC；下层模糊控制器用于根据Δf及ΔSOC 确定储能用于SOC恢复的功率PESS。
下面根据步骤A)-C)所提方法设计模糊控制器。
①上层模糊控制器的设计
选用二维模糊控制器，负荷扰动值PnL(t)及负荷变化率λ(t)作为模糊控制器的输入控制量， 控制器的输出量为SOC_b。输入输出量的语言模糊集均设置为{NB(负大)，NS(负小)，ZO(零)， PS(正小)，PB(正大)}。负荷扰动值PnL(t)及负荷变化率λ(t)归一化后的论域为[-1,1]，SOC_b 取离散论域[0.1，0.3，0.5，0.7，0.9]。输入量PnL(t)、λ(t)的隶属度函数为三角函数，输出量 的隶属度函数为离散论域。输出量的隶属度函数为离散论域。根据步骤A)所述的控制思想， 共建立25条模糊控制规则，同表1所示。
②下层模糊控制器的设计
第二层二维模糊控制器选用ΔSOC、Δf作为其输入控制量，储能输出功率PESS作为输出 控制量，输入输出量的语言模糊集均设置为{NB(负大)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PB(正 大)}。ΔSOC的论域设置为[-0.8,0.8]，由于恢复阶段设置在调频死区范围内，所以Δf的论域设 置为[-0.033/50，0.033/50]，考虑到储能的充放电效率，将PESS的论域设置为[-0.96,0.96]。为 在SOC恢复需求较大时，储能具有较大的出力，输入量ΔSOC的隶属度函数由三角分布函数 与梯形分布函数构成。输出量PESS采用三角隶属度函数。第二层模糊控制器的控制规则同表 2。
在获得模糊输出量后，需要进行解模糊运算，本发明采用最大隶属度法进行解模糊计算。 根据本发明所设计的模糊控制规则，两层模糊控制器的输入输出规律分别由图3、图4所示。
本发明对某区域电网进行研究，该电网机组容量为260MW，新能源占比40％，最大负 荷为200MW，新能源占比40％，配置储能容量1MW.30min。参数以机组容量1000MW为基 准进行标幺化。
为证明本发明方法的有效性，在区域电网模型中加入1h的连续负荷扰动，如图5所示。 定SOC_b法及DDC&DRSOC法下SOC基准变化曲线如图6所示，5种控制方法所对应的频 率变化曲线及SOC变化曲线分别如图7和图8所示。
由图6能够看出，本发明调频方式下，储能SOC恢复基点随负荷趋势相应变化，在T1时段，负荷由正向发展为负向，这个过程中，储能由放电转为充电，相应的，SOC恢复基点 由大变小。T2时段，负荷扰动主要为负向扰动且有减弱趋势，SOC恢复基点一直处于0.5以 下，且逐渐增大。说明本发明方法SOC恢复基点能够适应负荷发展趋势。
由图7能够看出，定K法因SOC很快达到下限退出调频，长期来看，频率调节效果与SOC维持效果弱于其他有储能方式。DDC&DRSOC法与定SOC_b方法能够长期保证调频效 果及SOC效果，且从表3统计结果来看，DDC&DRSOC法较定SOC_b法频率偏移度小4％， SOC偏移度较定SOC_b法小9％，调频效果与SOC维持优势更加明显。
表3调频指标统计
Figure BDA0002556481920000101
Figure BDA0002556481920000111
综上，本发明所述DDC&DRSOC法比其他几种调节方式更有利于频率的长期稳定与SOC 的维持，能够提高储能的运行经济性。
本发明提出的基于动态下垂系数与SOC基点的储能一次调频控制方法。通过变下垂系数 以及利用调频死区进行SOC恢复的综合方法，能够维持SOC长时间处于良好状态，使得储 能能够保持以较大的出力进行调频，保正频率的长期平滑稳定；综合考量死区内频率偏移大 小和方向，以及负荷的发展方向，在保证频率不恶化的情况下，尽量增加SOC恢复功率，使 得SOC恢复对负荷趋势有较高的适应性，保障SOC长期处于良好状态。
本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于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)

1.一种基于动态下垂系数与SOC恢复基点的储能一次调频控制方法，其特征是，它包括以下步骤：
1)调频过程的阶段划分
以电网调频死区|f|＝fd为界限，将储能参与一次调频分为：自适应调频阶段|f|>fd、自适应SOC恢复阶段|f|≤fd，
其中，自适应调频阶段|f|>fd简称为调频阶段，自适应SOC恢复阶段|f|≤fd简称为SOC恢复阶段；f为电网实际频率值，fd为电网频率调节死区限值；
2)调频阶段储能出力控制方法
为防止因储能SOC饱和或殆尽造成对电网频率的更大冲击，采取根据储能SOC实时状态自适应调节虚拟下垂系数KESS的方法，令KESS随着SOC的变化以“S”曲线形式变化，“S”型变化的KESS-SOC曲线用分段函数为式(1)-式(2)，
Figure FDA0002556481910000011
Figure FDA0002556481910000012
式中，Kdc为储能的虚拟单位放电功率值，Kc为虚拟单位充电功率值，Kmax为最大虚拟单位调节功率值，SOCmin、SOClow、SOChigh、SOCmax分别对应储能SOC的最小值、偏小值、偏大值、最大值；P0和n为分别为曲线的两个形状参数，决定曲线的形状，取值P0＝0.01,n＝25；
3)SOC恢复阶段储能出力控制方法
A)储能SOC基点动态调整规则
若已知当前负荷扰动PnL(t)其变化率λ(t)的大小和方向，能够初步预知下一时刻的负荷的大小为：
PnL(t+1)＝PnL(t)+λ(t)·Δt (3)
式中，PnL(t)为当前负荷扰动，PnL(t+1)为下一时刻负荷扰动，λ(t)为负荷变化率，Δt为采样时间间隔；
据此，能够避免复杂的负荷预测，得到短时间内负荷发展趋势，并为储能SOC的恢复方向及大小提供参考，定义SOC基点为SOC恢复的基准值，用于确定SOC恢复方向；
风电的接入会导致净负荷波动增加，而储能的SOC状态在短时间内不会有太大变化，因此为避免因风电的频繁波动导致SOC基点的频繁变化，Δt不宜过小，综合考虑一次调频的时间尺度和储能调频的容量配置时间尺度，选取Δt＝400s；
根据PnL(t+1)设置SOC恢复基点SOC_b，在调频死区内，首先根据当前负荷扰动PnL(t)的大小及其变化率λ(t)，对下一时刻负荷PnL(t+1)的变化趋势进行初步预判，再根据对PnL(t+1)预判的结果，自适应调整SOC的恢复基点SOC_b，对正向负荷扰动(PnL(t)>0)进行具体叙述：
①若当前时刻PnL(t)>0，且|PnL(t)|较大，同时，负荷变化率λ(t)>0，则预判下一刻负荷PnL(t+1)较大，需要储能以较大功率放电，需设置一个较大的恢复基点SOC_bmax；
②若当前时刻PnL(t)>0，且|PnL(t)|较小；同时，负荷变化率λ(t)>0，且λ(t)较小，则预判下一刻PnL(t+1)较小，需要储能以较小功率放电，则需设置一个较小的恢复基点SOC_bhigh；而若λ(t)较大，则预判下一刻负荷PnL(t+1)较大，需设置一个大的恢复基点SOC_bmax；
③若PnL(t)<0且λ(t)>0，说明负荷扰动处于减缓状态，则预判下一刻负荷PnL(t+1)较小，需要储能以较小功率放电，需设置一个比较小的恢复基点SOC_bhigh，
④若PnL(t)＝0且λ(t)>0，则预判下一刻需要储能以较小功率放电，需设置一个比较小的恢复基点SOC_bhigh，
负荷扰动为负(PnL(t)<0)时，控制规律具体叙述为：
①若当前时刻PnL(t)<0，且|PnL(t)|较大，同时，负荷变化率λ(t)<0，则预判下一刻负荷PnL(t+1)较大，需要储能以较大功率充电，需设置一个较小的恢复基点SOC_bmin；
②若当前时刻PnL(t)<0，且|PnL(t)|较小；同时，负荷变化率λ(t)<0，且|λ(t)|较小，则预判下一刻|PnL(t+1)|较小，需要储能以较小功率充电，则需设置一个较小的恢复基点SOC_blow；而若|λ(t)|较大，则预判下一刻负荷|PnL(t+1)|较大，需设置一个小的恢复基点SOC_bmin；
③若PnL(t)<0且λ(t)>0，说明负荷扰动处于减缓状态，则预判下一刻负荷|PnL(t+1)|较小，需要储能以较小功率充电，需设置一个比较小的恢复基点SOC_blow；
④若PnL(t)＝0且λ(t)>0，则预判下一刻需要储能以较小功率放电，需设置一个比较小的恢复基点SOC_blow；
为使得控制规则展示更加清晰，下面用NB表示负向偏大、NS负向偏小、ZO表示零、PS表示正向偏小、PB表示正向偏大，用NB、NS、ZO、PS、PB描述PnL(t)、λ(t)、SOC_b的取值区间，形成如下25条控制规则：
若λ(t)为NB且PnL(t)为NB，则SOC_b为NB；
若λ(t)为NB且PnL(t)为NS，则SOC_b为NB；
若λ(t)为NB且PnL(t)为ZO，则SOC_b为NS；
若λ(t)为NB且PnL(t)为PS，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为NB且PnL(t)为PB，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为NS且PnL(t)为NB，则SOC_b为NB；
若λ(t)为NS且PnL(t)为NS，则SOC_b为NS；
若λ(t)为NS且PnL(t)为ZO，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为NS且PnL(t)为PS，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为NS且PnL(t)为PB，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为NB，则SOC_b为NS；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为NS，则SOC_b为NS；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为ZO，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为PS，则SOC_b为PS；
若λ(t)为ZO且PnL(t)为PB，则SOC_b为PS；
若λ(t)为PS且PnL(t)为NB，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PS且PnL(t)为NS，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PS且PnL(t)为ZO，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PS且PnL(t)为PS，则SOC_b为PS；
若λ(t)为PS且PnL(t)为PB，则SOC_b为PS；
若λ(t)为PB且PnL(t)为NB，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PB且PnL(t)为NS，则SOC_b为ZO；
若λ(t)为PB且PnL(t)为ZO，则SOC_b为PS；
若λ(t)为PB且PnL(t)为PS，则SOC_b为PB；
若λ(t)为PB且PnL(t)为PB，则SOC_b为PB；
B)储能SOC恢复出力控制规则
首先，定义SOC恢复需求为恢复基点与当前SOC的差值，即为：
ΔSOC＝SOC_b-SOC (4)
式中ΔSOC为SOC恢复需求，SOC_b为SOC恢复基点；SOC为当前SOC值，设储能出力为PESS，则根据式(4)，当ΔSOC<0时，需要储能放电PESS>0；当ΔSOC>0时，需要储能充电，PESS<0；
然后，在频率死区内，根据SOC恢复需求ΔSOC与当前频率偏差Δf，自适应调整储能用于SOC恢复的功率PESS，具体调整规则为：
①若Δf>0且ΔSOC>0，说明储能SOC恢复对电网频率恢复起积极作用，则令储能以较大功率充电；
②若Δf<0且ΔSOC<0，则储能SOC恢复对电网频率恢复起积极作用，则令储能以较大功率放电；
③若Δf>0但ΔSOC<0，则储能SOC恢复对电网频率恢复起消极作用，为保证频率不跌出死区，令储能以0附近某一值充电；
④若Δf<0但ΔSOC>0，则储能SOC恢复对电网频率恢复起消极作用，为保证频率不跌出死区，令储能以0附近某一值放电，
根据以上，用负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)表示Δf、ΔSOC、PESS的取值区间，形成如下25条储能SOC恢复出力控制规则：
若ΔSOC为NB且Δf为NB，则PESS为PB；
若ΔSOC为NB且Δf为NS，则PESS为PB；
若ΔSOC为NB且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NB且Δf为PS，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NB且Δf为PB，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NS且Δf为NB，则PESS为PB；
若ΔSOC为NS且Δf为NS，则PESS为PB；
若ΔSOC为NS且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NS且Δf为PS，则PESS为ZO；
若ΔSOC为NS且Δf为PB，则PESS为ZO；
若ΔSOC为ZO且Δf为NB，则PESS为PS；
若ΔSOC为ZO且Δf为NS，则PESS为PZ；
若ΔSOC为ZO且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为ZO且Δf为PS，则PESS为NS；
若ΔSOC为ZO且Δf为PB，则PESS为NS；
若ΔSOC为PS且Δf为NB，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PS且Δf为NS，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PS且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PS且Δf为PS，则PESS为NB；
若ΔSOC为PS且Δf为PB，则PESS为NB；
若ΔSOC为PB且Δf为NB，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PB且Δf为NS，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PB且Δf为ZO，则PESS为ZO；
若ΔSOC为PB且Δf为PS，则PESS为NB；
若ΔSOC为PB且Δf为PB，则PESS为NB；
C)双层模糊控制器的设计
设计双层模糊控制器用于整定恢复阶段储能输出功率，上层模糊控制用于整定SOC的恢复基点，进而确定当前SOC的恢复需求ΔSOC；下层模糊控制器用于根据Δf及ΔSOC确定储能用于SOC恢复的功率PESS，
根据步骤A)和B)所提方法设计模糊控制器，
①上层模糊控制器的设计
选用二维模糊控制器，负荷扰动值PnL(t)及负荷变化率λ(t)作为模糊控制器的输入控制量，控制器的输出量为SOC_b，输入输出量的语言模糊集均设置为NB，NS，ZO，PS，PB，其中，NB为负向偏大，NS为负向偏小，ZO为零，PS为正向偏小，PB为正向偏大；负荷扰动值PnL(t)及负荷变化率λ(t)归一化后的论域为[-1,1]，SOC_b取离散论域[0.1，0.3，0.5，0.7，0.9]，输入量PnL(t)、λ(t)的隶属度函数为三角函数，输出量的隶属度函数为离散论域，输出量的隶属度函数为离散论域，依照步骤A)建立25条模糊控制规则，
②下层模糊控制器的设计
第二层二维模糊控制器选用ΔSOC、Δf作为其输入控制量，储能输出功率PESS作为输出控制量，输入输出量的语言模糊集均设置为NB，NS，ZO，PS，PB，其中，NB为负向偏大，NS为负向偏小，ZO为零，PS为正向偏小，PB为正向偏大；依照步骤A)建立25条模糊控制规则，ΔSOC的论域设置为[-0.8,0.8]，由于恢复阶段设置在调频死区范围内，所以Δf的论域设置为[-0.033/50，0.033/50]，考虑到储能的充放电效率，将PESS的论域设置为[-0.96,0.96]，为在SOC恢复需求较大时，储能具有较大的出力，输入量ΔSOC的隶属度函数由三角分布函数与梯形分布函数构成，输出量PESS采用三角隶属度函数，第二层模糊控制器的控制规则依照步骤B)建立，在获得模糊输出量后，需要进行解模糊运算，采用最大隶属度法进行解模糊计算。
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