CN112152242A - 一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法和系统,包括:获取调频期间储能电池容量、系统频率和机组变流器母线电压的数据;根据所述系统频率确定系统频率偏差量;基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压确定对储能电池进行充电/放电以及控制风电机组工作状态。通过该方法根据充放状态确定风电机组是否变桨实现二次降载达到调节作用。充分利用机组变桨调节深度,优化储能电池充电及放电过程,同时对变流器直流侧进行监测保护,提高风储联合调频的安全性及响应能力,提高储能电池能源的发电效率和风电储能联合调频方案可用性。
Description
技术领域
本发明属于新能源接入与控制领域,具体涉及一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法和系统。
背景技术
传统火电机组被风电替代,系统调节能力逐步减弱,系统稳定性面临巨大挑战,风电主动参与系统频率调节已成为当前焦点。然而,由于风的间歇性,风电参与系统调节的动力源是不可控的,依靠风电机组自身参与系统频率调节具有一定的局限性,比如减载备用调频方式降低了风能利用率,惯量响应调频方式会导致系统频率的二次跌落等。储能电池具有稳定的能源且响应快速,风电储能联合调频方案被广泛关注。然而,当前风储联合调频多关注储能放电方式,较少关注储能充电及对风电机组的影响。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明提出一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法,包括:
获取调频期间储能电池容量、系统频率和机组变流器母线电压的数据;
根据所述系统频率确定系统频率偏差量;
基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压确定对储能电池进行充电/放电以及控制风电机组工作状态。
优选的,基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压对储能电池进行充电/放电,包括:
当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:
判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则基于机组变流器母线电压对储能电池进行放电,否则基于机组变流器母线电压对储能电池进行充电。
优选的,所述基于机组变流器母线电压对储能电池进行充/放电,包括:
根据系统频率和储能电池容量确定调频期间储能电池的充/放电功率,对储能电池进行充/放电;
当所述储能电池处于放电过程时:判断机组变流器母线电压是否大于等于机组变流器母线电压的最大值,若是停止放电,若不是则继续放电;
当所述储能电池处于充电过程中时,判断机组变流器母线电压是否小于等于机组变流器母线电压的最小值,若是停止充电,若不是则继续充电。
优选的,储能电池的充/放电功率的计算式如下:
式中,PB为储能电池充电功率或放电功率,Δf表示系统频率偏差量,fd表示电网频率调节死区,k1为与频率变化率相关的系数,k2为频率变化量相关系数,k3为基于储能电池特性对充放电过程进行约束的系数,为系统频率变化过程中随时间变化的物理量。
优选的,所述频率变化率相关的系数k1的计算式如下:
式中,J0为k1的初始值,C1为常数,sign为符号函数。
优选的,所述基于储能电池特性对充放电过程进行约束的系数k3的取值如下:
式中,soc为电池的容量,n为幂函数指数。
优选的,基于所述系统频率偏差量、储能电池容量控制风电机组工作状态,包括:
当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:
判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则控制风电机组正常运行,若不是则基于储能电池容量对风电机组进行变桨控制。
优选的,所述基于储能电池容量对风电机组进行变桨控制,包括:
当储能电池容量达到最大值且风电机组输出功率大于预设比例的额定功率时,基于系统频率偏差量经设置的下垂曲线得到有功调整值;
将当前输出有功功率与所述有功调整值作差得到有功参考值;
基于所述有功参考值经转速-功率曲线得到机组转速参考值;
将实际风电机组转速与所述机组转速参考值作差经PI后得到桨距参考值;
根据所述桨距参考值由变桨系统对风电机组进行降载控制,参与系统调频。
基于同一发明构思,本申请还提供了一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的系统,,包括:采集模块、确定偏差量模块和状态模块;
其中采集模块,用于获取调频期间储能电池容量、系统频率和机组变流器母线电压的数据;
其中确定偏差量模块,用于根据所述系统频率确定系统频率偏差量;
其中状态模块,用于基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压确定对储能电池进行充电/放电以及控制风电机组工作状态。
优选的,所述状态模块包括充电/放电状态子模块和工作状态子模块;
其中充电/放电状态子模块,用于当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则基于机组变流器母线电压对储能电池进行放电,否则基于机组变流器母线电压对储能电池进行充电;
其中工作状态子模块,用于当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则控制风电机组正常运行,若不是则基于储能电池容量对风电机组进行变桨控制。
与最接近的现有技术相比,本发明具有的有益效果如下:
1、本发明提供的一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法和系统,包括:获取调频期间储能电池容量、系统频率和机组变流器母线电压的数据;根据所述系统频率确定系统频率偏差量;基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压确定对储能电池进行充电/放电以及控制风电机组工作状态。通过该方法优提高风储联合调频的安全性及响应能力,提高储能电池能源的发电效率和风电储能联合调频方案可用性;
2、本发明提供了优化储能电池的充放电过程,减小储能电池充放电深度,同时模拟传统同步机组的惯量响应与一次调频过程,可兼顾系统调频快速性、稳定性需求和SOC特性;
3、本发明提供了风电机组变桨与储能电池配合,低频时风电机组运行在最大功率运行,减小风能损失,高频时两者联合调节,响应快速并具备较大的调节能力;
4、本发明提供了监测保护机组变流器母线电压,保障风储联合调频的安全性。
附图说明
图1为本发明提供的一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法流程示意图;
图2为本发明提供的一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法中典型的电网低频事故曲线示意图;
图3为本发明提供的一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法电网频率升高并超出死区时,风电机组变桨控制示意图;
图4为本发明提供的一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法风储联合调频的控制框架示意图;
图5为本发明提供的一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的系统框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1:
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。如图1所示,本发明实施例的一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法,包括:
步骤1:获取调频期间储能电池容量、系统频率和机组变流器母线电压的数据;
步骤2:根据所述系统频率确定系统频率偏差量;
步骤3:基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压确定对储能电池进行充电/放电以及控制风电机组工作状态。
储能电池通过DC/DC升降压变换器与风电机组变流器直流侧并联,DC/DC变换器与风电机组变流器通过光纤通信。风电机组机侧变流器控制发电机有功及无功,网侧变流器控制直流母线电压和网侧无功功率。当电网频率扰动在死区范围内时,机组正常运行(最大功率跟踪状态),储能闭锁;当电网频率降低并超出频率调节死区时,此时风电机组运行于最大功率跟踪状态,储能电池参与电网调频;当电网频率升高并超出频率调节死区时,储能电池首先充电,然后风电机组变桨实现二次降载,实现深度调节,具体步骤如图4所示。
(1)储能电池充放电控制
储能电池响应于电网频率变化率(系统频率变化量)及频率偏差调节,同时根据电池特性约束充放电过程。调频期间储能电池充放电功率PB由频率变化率相关量和频率偏差相关量组成,并受k1、k2、k3三个关键系数调节和约束。
式中,Δf为电网频率偏差量(系统频率偏差量)即实际电网频率(实际系统频率)与额定频率的差值Δf=f-fn,fd为电网频率调节死区,k1为与频率变化率相关的系数即模拟惯量系数,k2为频率变化量相关系数即模拟一次调频系数,k3为与储能电池充放电特性相关的系数。
k1为模拟惯量响应,可实现对电网频率变化趋势的快速响应,其大小由电网频率变化情况确定。考虑到实际电网频率事件中,频率变化呈深“V”特性(如图2所示)。在频率下降过程中df/dt<0,Δf<0,此时k1应增大以减缓频率的下降速率,抬高频率最低点;频率恢复过程中df/dt>0,Δf<0,此时k1宜小一些,避免恢复中出现超调现象;频率升高情况与此相似,不再赘述。k1取值如下:
式中,J0为k1初始值,C1为常数,sign为符号函数。
k2为模拟一次调频系数,可实现频率偏差的稳定支撑,大小可保持恒定,即
k2=C2
式中,C2为常数。
k3是基于储能电池特性对充放电过程进行约束的系数。储能电池SOC曲线与幂函数相近,根据幂函数动态调整k3,可兼顾调频需求和SOC特性,实现频率响应优化。k3的取值如下:
式中,soc反映电池的剩余容量,取值范围为0~1,n为幂函数指数,取值宜在2~5,具体可根据soc特性选择。
为防止储能电池过放(过充)导致电池损伤,储能电池soc应满足:
socmin≤soc≤socmax
式中,socmin、socmax分别为储能电池soc的下限和上限。
此外,储能电池接入风电机组变流器直流侧,调频期间由于功率的快速释放或吸收,可能导致直流母线电压的突升或突降,若网侧变流器调节迟缓易引起直流电压越线,对机组安全造成威胁,因此需对直流电压Udc进行监测,当Udc接近直流电压最小值Udcmin或最大值Udcmax时,停止充放电过程。
(2)风电机组变桨控制
由前所述,在频率降低时,储能参数调频,风电机组保持正常运行;而频率升高时,需要储能电池与风电机组协同参与调节,如图3所示。
电网频率(系统频率)升高并超出死区,储能电池首先充电,当soc达到socmax时若风电机组输出功率P0大于20%额定功率(20%Pn),则风电机组通过变桨降载参与系统调频,具体如下:电网频率偏差经设置的下垂曲线得到有功调整值ΔP,当前输出有功功率P0与ΔP作差得到有功参考值Pref,Pref经转速-功率曲线得到机组转速参考值ωref,实际机组转速ωr与ωref作差经PI后得到桨距参考值βref,最终由变桨系统实现降载控制。
实施例2:
基于同一发明构思,本发明还提供了一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的系统,由于这些系统解决技术问题的原理与风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法相似,重复之处不再赘述。
一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的系统,如图5所示,包括:
采集模块、确定偏差量模块和状态模块;
其中采集模块,用于获取调频期间储能电池容量、系统频率和机组变流器母线电压的数据;
其中确定偏差量模块,用于根据所述系统频率确定系统频率偏差量;
其中状态模块,用于基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压确定对储能电池进行充电/放电以及控制风电机组工作状态。
所述状态模块包括充电/放电状态子模块和工作状态子模块;
其中充电/放电状态子模块,用于当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则基于机组变流器母线电压对储能电池进行放电,否则基于机组变流器母线电压对储能电池进行充电;
其中工作状态子模块,用于当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则风电机组正常运行,若不是则基于储能电池容量对风电机组进行变桨控制。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换,但这些变更、修改或者等同替换,均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的方法,其特征在于,包括:
获取调频期间储能电池容量、系统频率和机组变流器母线电压的数据;
根据所述系统频率确定系统频率偏差量;
基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压确定对储能电池进行充电/放电以及控制风电机组工作状态。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压对储能电池进行充电/放电,包括:
当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:
判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则基于机组变流器母线电压对储能电池进行放电,否则基于机组变流器母线电压对储能电池进行充电。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述基于机组变流器母线电压对储能电池进行充/放电,包括:
根据系统频率和储能电池容量确定调频期间储能电池的充/放电功率,对储能电池进行充/放电;
当所述储能电池处于放电过程中时:判断机组变流器母线电压是否大于等于机组变流器母线电压的最大值,若是停止放电,若不是则继续放电;
当所述储能电池处于充电过程中时:判断机组变流器母线电压是否小于等于机组变流器母线电压的最小值,若是停止充电,若不是则继续充电。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,基于所述系统频率偏差量、储能电池容量控制风电机组工作状态,包括:
当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:
判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则控制风电机组正常运行,若不是则基于储能电池容量对风电机组进行变桨控制。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述基于储能电池容量对风电机组进行变桨控制,包括:
当储能电池容量达到最大值且风电机组输出功率大于预设比例的额定功率时,基于系统频率偏差量经设置的下垂曲线得到有功调整值;
将当前输出有功功率与所述有功调整值作差得到有功参考值;
基于所述有功参考值经转速-功率曲线得到机组转速参考值;
将实际风电机组转速与所述机组转速参考值作差经PI后得到桨距参考值;
根据所述桨距参考值由变桨系统对风电机组进行降载控制,参与系统调频。
9.一种风电机组与储能协同参与系统频率调节的系统,其特征在于,包括:采集模块、确定偏差量模块和状态模块;
所述采集模块,用于获取调频期间储能电池容量、系统频率和机组变流器母线电压的数据;
所述确定偏差量模块,用于根据所述系统频率确定系统频率偏差量;
所述状态模块,用于基于所述系统频率偏差量、储能电池容量和机组变流器母线电压确定对储能电池进行充电/放电以及控制风电机组工作状态。
10.根据权利要求9所述的系统,其特征在于,所述状态模块包括充电/放电状态子模块和工作状态子模块;
所述充电/放电状态子模块,用于当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则基于机组变流器母线电压对储能电池进行放电,否则基于机组变流器母线电压对储能电池进行充电;
所述工作状态子模块,用于当所述系统频率偏差量的绝对值大于电网频率调节死区且所述储能电池容量属于规定的容量范围时:判断所述系统频率偏差量是否小于零,若是则控制风电机组正常运行,若不是则基于储能电池容量对风电机组进行变桨控制。
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