CN111740434A - 箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法及系统,包括步骤:在频率波动区时,采用虚拟惯性控制;在频率平稳区,采用系数可变的下垂控制,并在多组PCS并联工作时,根据SOC估计对各储能单元组的工作状态进行分区,根据分区将所有储能单元组进行归类,根据类别实现PCS的投切控制,包括:放电时,按照SOC从高到低的优先顺序将储能单元组投入工作,按照SOC从低到高的优先顺序将储能单元组切除待机;充电时,按照SOC从低到高的优先顺序将储能单元组投入工作,按照的SOC从高到低的优先顺序将储能单元组切除待机。本发明结合了储能单元的工作状态以及SOC值及电网需求考虑是否将其投入工作,有助于各储能单元组间均衡实际电量。
Description
技术领域
本发明涉及储能变电站参与电网调频技术领域,尤其涉及一种箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法及系统。
背景技术
由于石化能源供应不足及其造成的环境污染问题,可再生能源中的风能和太阳能因来源丰富及利用过程中对环境污染小而受到重视,但其存在的间歇性和波动性导致电网频率波动加剧,甚至影响电网的安全稳定运行,为保证其供电的均衡性和连续性,储能装置(通常为电池组)成为电力系统重要的组成部分,图1即为典型的储能变电站拓扑图。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。目前已有一些具备调频功能的储能电池示范工程,基于电网运行全局的需求,在电网调频中发挥储能电池优势是当今研究的热点问题。
目前,关于电池储能辅助电网一次调频的控制方法开展了多方面研究。现有针对集中式储能的研究大多采用固定的单位调节功率值来模拟机组的下垂特性,从而实现储能电池参与一次调频,但针对负荷的长时随机小扰动,储能电池成本高及收益不明确是影响其规模化应用的主要原因之一,维持电池荷电状态、提高其循环寿命已成为研究其经济可行性的重要因素。
大多数研究对储能变电站多电池组参与一次调频没有合理的解决方法,仅仅是针对一单组储能单元进行功率控制,并且没有结合多电池组的SOC(State of Charge,荷电状态)(对)的精准估计。SOC 是储能电池非常重要的变量之一,如不加以考虑会导致储能系统的能量利用率降低,可用的储能单元减少,系统的稳定性降低,无法实现储能单元的最优充放电控制。
发明内容
本发明提供了一种箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法及系统,用以解决现有储能变电站多电池组参与一次调频没有合理的解决方法的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
在频率波动区时,采用虚拟惯性控制;
在频率平稳区,采用系数可变的下垂控制,并在多组PCS并联工作时,根据SOC估计对各储能单元组的工作状态进行分区,根据所述分区将所述箱式储能变电站中的所有储能单元组进行归类,根据归类的类别实现PCS的投切控制;所述PCS(Power Conversion System,能量转换系统)的投切控制包括:
放电时,按照SOC从高到低的优先顺序将储能单元组的类别投入工作,按照SOC从低到高的优先顺序将储能单元组的类别切除待机;充电时,按照SOC从低到高的优先顺序将储能单元组的类别投入工作,按照SOC从高到低的优先顺序将储能单元组的类别切除待机。
优选地,在频率波动区进行虚拟惯性控制时,还设置有控制死区,当频率偏差率大于控制死区范围时才启动虚拟惯性响应;虚拟惯性控制的虚拟惯性响应计算公式为:
优选地,采用系数可变的下垂控制,包括:根据系统调频要求,分别确定充电状态和放电状态下储能单元不同 SOC 对应的下垂控制系数,实时控制中由实时 SOC 值按线性插值法计算t时刻的下垂系数;
充电状态和放电状态下不同SOC下的下垂控制系数如下:
优选地,根据SOC估计对各储能单元组的工作状态进行分区,包括:依据储能单元SOC将储能单元组的正常的工作状态划分为临界过充、稳定运行及临界过放状态。
优选地,根据SOC估计对各储能单元组的工作状态进行分区,包括:依据储能单元SOC将储能单元组的正常的工作状态划分为越界过充、临界过充、稳定运行、临界过放及越界过放。
优选地,依据储能单元组的工作状态将箱式储能变电站中的所有储能单元组进行归类,类别包括:a组越界过充单元,b组临界过充单元,k-(a+b+c+d)组稳定运行单元,c组临界过放单元和d组越界过放单元;在储能系统工作时,根据储能单元的分组进行PCS的投切控制。
本发明还提供一种计算机系统,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明的箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法及系统,根据储能单元的工作状态以及SOC值及电网需求考虑是否将其投入工作。在不影响总功率的平衡下,实现了临界储能单元组的荷电状态恢复能力,延长了电池的使用寿命和可靠性。结合了更加精准的SOC估计算法,有助于各储能单元组间均衡实际电量。
2、在优选方案中,本发明的箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法及系统,根据储能单元临界过充过放区间,细分了储能单元的工作状态,发生荷电状态越界的情况也可以根据工作模式自动投切,避免了由于功率超限引起的系统不稳定。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明优选实施例的箱式储能变电站拓扑结构示意图;
图2是本发明优选实施例的箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法的流程示意图;
图3是本发明优选实施例的储能单元组工作状态的分区示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1:
参见图2,本发明的一种箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法,包括进行以下步骤的控制:
在频率波动区(扰动初期频率变化大)时,采用虚拟惯性控制;
在频率平稳区(渡过频率恶化期后),采用系数可变的下垂控制,并在多组PCS并联工作时,根据SOC估计对各储能单元组的工作状态进行分区,根据所述分区将所述箱式储能变电站中的所有储能单元组进行归类,根据归类的类别实现PCS的投切控制;PCS的投切控制包括:放电时,SOC较高的储能单元优先投入工作,SOC较低的储能单元则切除待机;充电时,SOC较低的储能单元优先投入工作,SOC较高的储能单元则切除待机。
本实施例中,在频率波动区进行虚拟惯性控制时,还设置有控制死区,当频率偏差率大于控制死区范围时才启动虚拟惯性响应;虚拟惯性控制的虚拟惯性响应计算公式为:
本实施例中,参见图1,当∆f≥fd时(调频死区fd 取值为 0.033Hz,当频率偏差大
于调频死区时储能才参与电网调频),储能电站参与一次调频。储能电站参与一次调频时,
虚拟惯性控制和下垂控制动态配合:在调频死区外,当频率偏差∆f>0(∆f<0)时,频率偏差
率d∆f/dt>(d∆f/t<),为频率波动区,即频率偏差率(绝对值)大于虚拟惯性控制的
控制死区,即则启动虚拟惯性控制;当时,且频率偏差率d∆f/dt<(d∆f/t>0),为频率平稳区,即频率偏差率(绝对值)小于虚拟惯性控制的控制死区,则启动下
垂控制,两种控制相互配合最终实现频率的快速恢复。
本实施例中,采用系数可变的下垂控制,包括:根据系统调频要求,分别确定充电状态和放电状态下储能单元不同 SOC 对应的下垂控制系数,实时控制中由实时 SOC 值按线性插值法计算t时刻的下垂系数;
充电状态和放电状态下不同SOC下的下垂控制系数如下:
其中,、、、分别为储能单元组的正常工作上限
(本实施例取0.9)、稳定工作上限(本实施例取0.8)、稳定工作下限(本实施例取0.2)和正常
工作下限(本实施例取0.1);(本实施例设置稳定工作SOC范围为0.2~0.8,即临界过充区间
为 0.8~0.9,越界过充区间为0.9~1,临界过放区间为 0.1~0.2,越界过放区间为0~0.1);、分别为充电工况下垂系数和放电工况下出系数为最大下垂系数,为
正常下垂系数,为t时刻储能的荷电状态。
本实施例中,采用图3所示的分区方法,根据SOC估计对各储能单元组的工作状态
进行分区,包括:依据储能单元SOC将储能单元组的正常的工作状态划分为:越界过充(,1)、临界过充(,)、稳定工作(,)、临界过放(,)以及越界过放(0,)。也可以仅划分为三种工作状态,即临界过
充(,)、稳定工作(,)和临界过放(,)。
本实施例中,待储能单元组的工作状态分区以后,各储能单元组都有相应的状态。此时,将箱式储能变电站中的储能单元组根据工作状态进行归类,包括a组越界过充单元,b组临界过充单元,k-(a+b+c+d)组稳定运行单元,c组临界过放单元,d组越界过放单元。按照前述五组的从左到右顺序设定各储能单元组的类型的优先级由高到低投入工作,由低到高切除待机。在储能系统工作时,根据储能单元的分组进行PCS的投切控制。即:放电时,SOC较高的储能单元(优先级最高的为a组越界过充单元,最先被投入)优先投入工作,SOC较低的储能单元(此时,优先级最高的为d组越界过放单元,最先被切除)则切除待机;充电时,SOC较低的储能单元优先投入工作,SOC较高的储能单元则切除待机。既能保证调频效果又能保证箱式储能变电站的经济性和安全性,同时还能有效延长电池的使用寿命。
本发明在扰动初期频率偏差率大时采用虚拟惯性控制以减缓频率恶化速度和减小频率的最大偏差,并设置控制死区以减少频差曲线的抖动;在渡过频率恶化期后采用系数可变的下垂控制并结合SOC精准估计对各储能单元组进行分区,实现对PCS的投切控制。
实施例2
本实施例是实施例1的进一步应用,以储能放电为例说明。参见图2,本实施例的储能系统参与电网的一次调频控制大致分为两个阶段:虚拟惯性响应和系数可变的下垂控制,为优化储能系统的调频效果。
配置的储能系统额定功率为60MW,容量为6MWh,由三组额定容量为20MW/2MWh的储能单元组成。将三组储能单元命名为1号,2号,3号。电网的基准频率为50Hz。假设系统的负荷突然增加,系统发生暂态不平衡,系统的频率瞬时跌落,下面将描述本实施例按照以下步骤控制储能系统对电网频率进行调节:
假设此时系统频率偏差(实际频率-额定频率)大于调频死区0.033Hz,启动储能系统开始放电,补充系统有功。
根据频率偏差和频率偏差率来决定是选择可变下垂控制还是虚拟惯性控制来计算有功输出。
当频率偏差率大于虚拟惯性控制的控制死区时,启动虚拟惯性控制,此时系统
的频率波动剧烈,为保证储能系统向电网持续快速的注入有功功率,所以不考虑三组储能
单元的SOC,1,2,3三组储能单元全部投入工作。
本发明根据SOC对储能单元组进行分区的规则为:设置稳定工作SOC范围为0.2~0.8,即临界过充区间为 0.8~0.9,越界过充区间为0.9~1,临界过放区间为 0.1~0.2,越界过放区间为0~0.1。
1.若此时三组储能单元的SOC分别为0.8、0.5、0.6。按照上述分类规则,将1号储能单元归为临界过充单元,2、3号储能单元归为稳定工作单元。此时将1号储能单元投入运行,2号3号切除。
2.若此时三组储能单元的SOC分别为0.4、0.5、0.6。按照提到的分类规则,1、2、3号储能单元都为稳定工作单元,此时没有临界过充和越界过充单元,则按照SOC进行排序,取最高的那一组投入工作,此时为3号储能单元组SOC最高,所以将3号投入运行。
系统频率突然上升,储能电站充电时的控制策略和上述过程类似,负荷扰动越过调频死区范围后启动下垂控制,当频率偏差率为正时,越过死区后启动虚拟惯性控制,直至频率偏差回到调频偏差死区以内储能电站调频结束。
多储能单元并联运行的情况下,合理的对其进行投切能有效提高储能系统安全性和经济性,延长电池使用寿命,使能量合理分配。
实施例3:
本发明还提供一种计算机系统,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例的步骤。
综上可知,本发明通过根据储能单元临界过充过放区间,结合储能单元的工作状态以及SOC值及电网需求考虑是否将其投入工作。细分了储能单元的工作状态,发生荷电状态越界的情况也可以根据工作模式自动投切,避免了由于功率超限引起的系统不稳定。在不影响总功率的平衡下,实现了临界储能单元组的荷电状态恢复能力,延长了电池的使用寿命和可靠性。结合了更加精准的SOC估计算法,有助于各储能单元组间均衡实际电量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法,其特征在于,包括进行以下步骤的控制:
在频率波动区时,采用虚拟惯性控制;
在频率平稳区,采用系数可变的下垂控制,并在多组PCS并联工作时,根据SOC估计对各储能单元组的工作状态进行分区,根据所述分区将所述箱式储能变电站中的所有储能单元组进行归类,根据归类的类别实现PCS的投切控制;所述PCS的投切控制包括:
放电时,按照SOC从高到低的优先顺序将储能单元组的类别投入工作,按照SOC从低到高的优先顺序将储能单元组的类别切除待机;充电时,按照SOC从低到高的优先顺序将储能单元组的类别投入工作,按照SOC从高到低的优先顺序将储能单元组的类别切除待机。
5.根据权利要求1所述的箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法,其特征在于,所述根据SOC估计对各储能单元组的工作状态进行分区,包括:依据储能单元SOC将储能单元组的正常的工作状态划分为临界过充、稳定运行及临界过放状态。
6.根据权利要求1所述的箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法,其特征在于,所述根据SOC估计对各储能单元组的工作状态进行分区,包括:依据储能单元SOC将储能单元组的正常的工作状态划分为越界过充、临界过充、稳定运行、临界过放及越界过放。
7.根据权利要求6所述的箱式储能变电站参与电网一次调频的优化控制方法,其特征在于,依据储能单元组的工作状态将所述箱式储能变电站中的所有储能单元组进行归类,类别包括:a组越界过充单元,b组临界过充单元,k-(a+b+c+d)组稳定运行单元,c组临界过放单元和d组越界过放单元;在储能系统工作时,根据储能单元的分组进行PCS的投切控制。
8.一种计算机系统,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至7中任一所述方法的步骤。
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