CN112421655B - 一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，其特征是，主要内容包括系统最大功率增量的求取和储能配置两部分，涉及新能源并网技术领域，首先以频率变化率和频率偏差为限制条件，求取系统所能承受的最大功率增量；继而根据最大功率增量确定储能系统的输出功率与容量；最后在储能系统并网逆变器采用三阶主动支撑控制策略的基础上进行虚拟惯量的配置；该配置方法能够灵活支配储能系统的功率流放，有效解决高风电渗透下同步电网中惯量支撑和调频能力缺失的问题。

Description

一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法

技术领域

本发明涉及新能源并网技术领域，特别是涉及一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法。

背景技术

随着电力系统规模的扩大与风电渗透率的提高，由负荷投切与风电出力波动性、不确定性等因素导致的功率波动变得愈加频繁和剧烈。此外，电力电子器件将风电机组旋转设备与电网频率的分离导致了系统惯量与调频容量产生缺额，电网的稳定运行面临着极大挑战。

相较于传统的通过减少风电机组发电量的调频方式，以化学电池储能电站为代表的储能系统(ESS)凭借爬坡速率快、运行范围广、启停能力灵活等特点在电网调频和规划中拥有着广阔的应用前景。为改善储能变流器并网的外特性，提高ESS参与电网调频的稳定性，大量研究围绕基于同步电机转子运动方程及电气方程的虚拟同步发电机控制展开，通过模拟同步机组参与电网调频工作的动态过程，ESS能够稳定持续地为系统提供所需的功率支撑。

当前，通过配置储能为高风电渗透率系统提供惯量支撑和一次调频容量的可行性方案中，大都通过仿真得到ESS在不同控制参数下提供的惯量支撑与配置容量的关系，根据系统在特定故障下对惯性系数和调差系数的需求估算ESS的容量。

在现有技术中存在以下技术问题：

1、储能容量尤其是惯量的配置过于依赖控制参数与仿真实验，难以在满足系统调频需求的同时精确量化地进行确定。

发明内容

本发明针对现有技术存在的技术问题，创造性构思了一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，以满足系统产生最大功率增量后的频率响应需求为目标，主要内容包括系统最大功率增量的求取和ESS配置两部分，根据频率响应的需求，基于转子运动方程和调频公式求取系统可承受的最大功率增量ΔP_sysb；根据运行及故障的历史数据定义系统可能产生的最大功率增量ΔP_sysm；在已知系统最大功率增量的基础上提出ESS的配置方法，主要工作为确定ESS的最大输入与输出功率、配置单位调节功率以及虚拟惯性常数。

实现本发明采用的技术方案是：一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)求取系统最大功率增量：

以频率响应为稳定条件，求取系统能够承受的最大功率增量，分别考虑系统频率变化率与频率偏差的需求，通过转子运动方程建立初始频率变化率与等效惯性的联系，通过一次调频公式建立稳态频率偏差与等效惯性的联系，具体公式为：

式中：H_i、σ_i和S_i分别为系统中第i个同步机单元的惯性常数、调差系数和额定容量，df/dt与Δf分别为频率变化率与频率偏差，f₀为初始频率，ΔP_sys为功率增量；

若df/dt的取值已知，则由式(1)可求得系统在该频率变化率要求下能够承受的最大功率增量ΔP_sysh；

若Δf的取值已知，则由式(2)可求得系统在该频率偏差要求下能够承受的最大功率增量ΔP_sysk；

取ΔP_sysk与ΔP_sysh中的较小值作为系统同时满足频率响应需求时所能承受的最大功率增量ΔP_sysb；

根据系统运行及故障的历史数据定义系统可能产生的最大功率增量ΔP_sysm；

2)选取并网逆变器控制方案：

储能系统并网逆变器采用基于同步机三阶模型的主动支撑控制策略，通过模拟同步发电机的静态频率特性，在系统调频中实现多机之间不平衡功率的自动分摊，即：

P_ref＝K_v(f_ref-f_mea) (3)

式中：P_ref为功率参考值；K_v为功频比例系数；f_ref为频率参考值；f_mea为频率实测值；

同步发电机的一阶暂态电压方程引入了暂态调压过程，即通过引入直轴电流分量i_d建立起调压控制器和调速控制器的耦合调节关系，使得ESS提供的调频调压辅助服务与电网自身调节过程相吻合；

公式如下：

式中：E_q′为暂态电动势；E_qe为强制空载电动势；i_d为直轴电流分量；x_d为直轴同步电抗；x_d′为直轴瞬变电抗。将同步发电机自动调节励磁系统等值为一阶惯性环节，运用电压偏差量作为调压控制器启动服务的参考信号；

公式如下：

式中：U_mea为逆变器出口电压时测值；U_ref为逆变器出口电压参考值；ΔU_f为励磁电压偏差量；K_e和T_e分别为等值的放大倍数和时间常数；

励磁电压和强制空载电动势之间的关系如下：

式中：x_ad为直轴电枢反应绕组电抗；r_f励磁绕组电抗；K_f为励磁比例系数；

由此得到端电压偏差与空载电动势偏差的关系为：

考虑到并网逆变器的安全性与储能配置的经济性，将储能电站并网逆变器的内电势E′与外部节点电压E_ref之间引入虚拟定子绕组环节，该控制方案通过虚拟定子绕组调整逆变器的输出阻抗以减小故障电流产生的冲击影响；

公式如下：

式中：E_dref为直轴电压参考值；E_qref为交轴电压参考值；E_d′为直轴内电势；E_q′为交轴内电势；r为虚拟电枢电阻；x为虚拟同步电抗；

3)确定储能系统容量：

储能配置容量按系统产生最大功率增量时频率偏差的要求进行求取，包括最大输出功率与最大输入功率，具体公式为：

式中：P_ESSout和P_ESSint分别为储能系统的最大输出功率和最大输入功率，η为往返效率的平方根，α为系统需要储能释放与吸收的最大功率之比，ΔP_sysk为步骤1)中所求的系统满足频率偏差需求时所能承受的最大功率增量，ΔP_sysm为步骤1)中根据系统运行及故障的历史数据定义系统可能产生的最大功率增量；

4)配置储能系统惯量：

储能系统惯量按照系统产生最大功率增量时频率变化率的要求配置，将储能容量与系统容许的稳态频率偏差极限值的比值设置为储能配置的等效单位调节功率，具体公式为：

式中：Δf_lim为系统允许的最大稳态频率偏差，K_ESS为储能配置的等效单位调节功率；

在控制方案中，当Δf达到系统允许的极限值时，ESS提供满发功率P_ESS，P_ESS与Δf极限值的比值即为ESS设置的单位调节功率K_ESS，除此之外，为保证当系统Δf＜0时ESS释放功率，Δf＞0时ESS吸收功率，K_ESS应取负值。

所述的储能系统的虚拟惯性常数在考虑储能配置容量和系统频率变化率需求的基础上求取，大小为满足频率响应需求时所需设定的最小值，具体公式为：

式中：S_ESS为储能配置的容量，H_sys0和S_sys0分别为投入储能前系统的等效惯性常数和容量，H_set为储能系统虚拟惯性常数的理论设定值。

所述的储能系统容量的限制会在虚拟惯性常数设定过大时导致输出功率的饱和，根据步骤3)确定的储能容量以及步骤1)确定的最大功率增量求取储能满发时对应的虚拟惯性常数，具体公式为：

式中：H_ful为储能系统满发时对应的虚拟惯性常数。

当步骤4)中为满足系统频率变化率需求所求得的虚拟惯性常数大于储能配置满发时对应的惯性常数时，储能系统的容量将按系统对频率变化率的要求重新配置，具体公式为：

式中：S′_ESS为满足频率变化率需求下所需配置的储能容量，cosφ为储能系统的功率因数，ΔP_sysk为步骤1)中所求的系统满足频率变化率需求时所能承受的最大功率增量。

本发明一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法的有益效果体现在：

1、一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，建立了新能源系统所能承受的最大功率增量与等效惯性常数、调差系数以及风电渗透率等已知参数的联系，为储能系统投入的必要性和储能容量配置的大小提供了参考；

2、一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，补充了传统储能配置过程所缺失的理论支撑，解决了控制参数与电气量的关系依赖于仿真获取的问题，提高了配置结果的精确性与最优性；

3、一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，兼顾了系统在惯量反应阶段及一次调频阶段频率的稳定性，即分别以初始频率变化率和稳态频率偏差为限制条件对储能系统的容量和惯量进行配置，提高了不同风电渗透率系统在不同时间尺度下对不平衡功率的消纳能力；

4、一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法的储能系统并网逆变器采用三阶虚拟同步机控制策略，通过模拟同步发电机的标准并网外特性可以在稳定并网点电压的同时提高系统静态稳定的功率极限，保证扰动前后储能变流器功角的无阶跃平滑切换，提高了储能调频的可靠性、稳定性以及灵活性，其中控制参数具备的物理意义也为响应电网频率需求下储能系统的量化配置提供了支撑。

附图说明

图1是本发明实施例中储能系统并网逆变器控制结构的调速器控制框图；

图2是本发明实施例中储能系统并网逆变器控制结构的励磁器控制框图；

图3是本发明实施例中储能系统并网逆变器的控制框图；

图4是本发明实施例中不同风电渗透率系统在配置储能后，产生最大功率增量时的频率响应波形。

具体实施方式

以下结合附图1-4和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种考虑电网频率响应需求的ESS配置方法，包括系统最大功率增量的求取和ESS配置两部分：

1.系统最大功率增量的求取：

H为同步电机的惯性常数，表征转子机械惯性的大小，若仅考虑系统中的同步机组具有惯性，则对于包含n个同步机单元的电力系统，其等效惯性常数H_sys为：

式中：H_i和S_i别为第i个同步机单元的惯性常数和额定容量，S_sys为系统的总装机容量；

当系统产生功率波动后，若不计风电机组以及负荷的调节作用，则系统等值同步机输出电磁功率P_E和机械功率P_T的差值即为系统的功率增量ΔP_sys，公式(2)中的运动方程描述了系统中ΔP_sys、H_sys以及初始频率变化率df/dt的关系；

式中：f₀为系统的初始频率；将式(1)带入式(2)，得到ΔP_sys关于df/dt的表达式为：

若df/dt的取值已知，则由式(3)可求得系统在该频率变化率要求下能够承受的最大功率增量ΔP_sysh；

同理，K为同步电机的单位调节功率，描述了同步电机的有功-频率下垂特性，对于包含n个同步机单元的电力系统，其等效单位调节功率K_sys为：

式中，σ_i为第i个同步机单元的调差系数。当系统产生功率波动后，若仅考虑一次调频，则ΔP_sys、K_sys以及稳态频率偏差Δf的关系如公式(5)所示：

将式(4)带入式(5)，得到ΔP_sys关于Δf的表达式为：

若Δf的取值已知，则由式(6)可求得系统在该频率偏差要求下能够承受的最大功率增量ΔP_sysk；

取ΔP_sysk与ΔP_sysh中的较小值作为系统同时满足频率响应需求时所能承受的最大功率增量ΔP_sysb；

根据系统运行及故障的历史数据定义系统可能产生的最大功率增量ΔP_sysm。

2.并网逆变器控制方案的建立：

在标么制下，模拟同步发电机的二阶模型公式为：

式中：H_v为虚拟惯性时间常数；ω为发电机角速度；D为阻尼系数；Δω为角速度偏差；δ为功角；

ESS通过模拟同步发电机的静态频率特性，在系统调频中实现多机之间不平衡功率的自动分摊，即：

P_ref＝K_v(f_ref-f_mea) (8)

式中：P_ref为功率参考值；K_v为功频比例系数；f_ref为频率参考值；f_mea为频率实测值。

频率偏差检测过程中死区的设置避免了ESS频繁的电能充放，也使得ESS能够灵活高效地投入到系统的调频工作，调速器的控制框图如图1所示。

同步发电机的一阶暂态电压方程引入了暂态调压过程，即通过引入直轴电流分量i_d建立起调压控制器和调速控制器的耦合调节关系，使得ESS提供的调频调压辅助服务与电网自身调节过程相吻合；

公式如下：

式中：E_q′为暂态电动势；E_qe为强制空载电动势；i_d为直轴电流分量；x_d为直轴同步电抗；x′_d为直轴瞬变电抗。将同步发电机自动调节励磁系统等值为一阶惯性环节，运用电压偏差量作为调压控制器启动服务的参考信号；

公式如下：

式中：U_mea为逆变器出口电压时测值；U_ref为逆变器出口电压参考值；ΔU_f为励磁电压偏差量；K_e和T_e分别为等值的放大倍数和时间常数；

励磁电压和强制空载电动势之间的关系如下：

式中：x_ad为直轴电枢反应绕组电抗；r_f励磁绕组电抗；K_f为励磁比例系数；

由此得到端电压偏差与空载电动势偏差的关系为：

励磁器的控制框图如图2所示，考虑到并网逆变器的安全性与储能配置的经济性，将储能电站并网逆变器的内电势E′与外部节点电压E_ref之间引入虚拟定子绕组环节，该控制方案通过虚拟定子绕组调整逆变器的输出阻抗以减小故障电流产生的冲击影响；

公式如下：

式中：E_dref为直轴电压参考值；E_qref为交轴电压参考值；E_d′为直轴内电势；E_q′为交轴内电势；r为虚拟电枢电阻；x为虚拟同步电抗；基于同步机三阶模型的主动支撑控制策略如图3所示。

3.储能系统的配置方案：

设功率增量为正，则通过步骤1中的ΔP_sysb与ΔP_sysm求得系统需要ESS补充的有功功率支撑P_ESS与容量S_ESS分别为：

式中：

为ESS的功率因数，由于系统中的功率波动是双向的，设系统需要ESS释放与吸收的最大功率之比为α，往返效率为η²，则ESS的最大输出功率P_ESSout和最大输入功率P_ESSint分别为：

下面将在不计传输功率损耗的情况下对ESS的单位调节功率K_ESS以及虚拟惯性常数H_ESS进行配置。

该控制方案中，当Δf达到系统允许的极限值时ESS提供满发功率P_ESS，P_ESS与Δf极限值的比值即为ESS设置的单位调节功率K_ESS，除此之外，为保证当系统Δf＜0时ESS释放功率，Δf＞0时ESS吸收功率，K_ESS应取负值。

进一步确定ESS中虚拟惯性H_ESS，由于储能容量已经由Δf的要求而确定，因此由式(1)与式(2)可求取系统满足df/dt要求下的H_ESS，即控制设定的H_set为：

式中：H_sys0和S_sys0分别为系统投入储能前的等效惯性常数和容量。可见，在已知ΔP_sysm的情况下，通过储能配置的容量可以求得满足df/dt要求时虚拟惯性的设定值H_set。但由于储能容量的限制，H_set增大到一定程度必将导致ESS输出功率的饱和。除此之外，H_set过大会延长系统的暂态响应时间，不利于系统稳态的迅速恢复，因此有必要对H_set做进一步地讨论。

假设ESS可以在ΔP_sys产生的瞬间提供其最大支撑功率P_ESS，则此时系统在满足df/dt要求下可以承受的最大功率增量由投入储能前的ΔP_sysh变为ΔP_sysh与P_ESS之和，由式(3)求得ESS在提供最大惯性支撑功率时，即满发下的H_ful为：

将H_set与H_ful的取值进行比较，当H_set小于等于H_ful时，ESS可以在系统中ΔP_sys≤ΔP_sysm的范围内提供足够的惯性支撑功率。反之，当H_set＞H_ful时，ESS会由于容量的限制而无法在该区间提供足够的惯量支撑。将式(16)与式(17)取等，得到ESS在满足df/dt要求下需要配置的容量S′_ESS为：

对比式(14)与式(18)中储能容量的表达式可知，只有当系统基于Δf要求配置的S_ESS大于等于S′_ESS时，当前的配置方案才能兼顾频率变化率的要求。否则，储能配置的容量与下垂系数K_ESS将按照S′_ESS的大小重新确定。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)求取系统最大功率增量：

以频率响应为稳定条件，求取系统能够承受的最大功率增量，分别考虑系统频率变化率与频率偏差的需求，通过转子运动方程建立初始频率变化率与等效惯性的联系，通过一次调频公式建立稳态频率偏差与等效惯性的联系，具体公式为：

式中：H_i、σ_i和S_i分别为系统中第i个同步机单元的惯性常数、调差系数和额定容量，df/dt与Δf分别为频率变化率与频率偏差，f₀为初始频率，ΔP_sys为功率增量；

若df/dt的取值已知，则由式(1)可求得系统在该频率变化率要求下能够承受的最大功率增量ΔP_sysh；

若Δf的取值已知，则由式(2)可求得系统在该频率偏差要求下能够承受的最大功率增量ΔP_sysk；

取ΔP_sysk与ΔP_sysh中的较小值作为系统同时满足频率响应需求时所能承受的最大功率增量ΔP_sysb；

根据系统运行及故障的历史数据定义系统产生的最大功率增量ΔP_sysm；

2)选取并网逆变器控制方案：

储能系统并网逆变器采用基于同步机三阶模型的主动支撑控制策略，通过模拟同步发电机的静态频率特性，在系统调频中实现多机之间不平衡功率的自动分摊，即：

P_ref＝K_v(f_ref-f_mea) (3)

式中：P_ref为功率参考值；K_v为功频比例系数；f_ref为频率参考值；f_mea为频率实测值；

同步发电机的一阶暂态电压方程引入了暂态调压过程，即通过引入直轴电流分量i_d建立起调压控制器和调速控制器的耦合调节关系，使得ESS提供的调频调压辅助服务与电网自身调节过程相吻合；

公式如下：

式中：E_q′为暂态电动势；E_qe为强制空载电动势；i_d为直轴电流分量；x_d为直轴同步电抗；x_d′为直轴瞬变电抗；将同步发电机自动调节励磁系统等值为一阶惯性环节，运用电压偏差量作为调压控制器启动服务的参考信号；

公式如下：

式中：U_mea为逆变器出口电压时测值；U_ref为逆变器出口电压参考值；ΔU_f为励磁电压偏差量；K_e和T_e分别为等值的放大倍数和时间常数；

励磁电压和强制空载电动势之间的关系如下：

式中：x_ad为直轴电枢反应绕组电抗；r_f励磁绕组电抗；K_f为励磁比例系数；

由此得到端电压偏差与空载电动势偏差的关系为：

考虑到并网逆变器的安全性与储能配置的经济性，将储能电站并网逆变器的内电势E′与外部节点电压E_ref之间引入虚拟定子绕组环节，该控制方案通过虚拟定子绕组调整逆变器的输出阻抗以减小故障电流产生的冲击影响；

公式如下：

式中：E_dref为直轴电压参考值；E_qref为交轴电压参考值；E_d′为直轴内电势；E_q′为交轴内电势；r为虚拟电枢电阻；x为虚拟同步电抗；

3)确定储能系统容量：

储能配置容量按系统产生最大功率增量时频率偏差的要求进行求取，包括最大输出功率与最大输入功率，具体公式为：

式中：P_ESSout和P_ESSint分别为储能系统的最大输出功率和最大输入功率，η为往返效率的平方根，α为系统需要储能释放与吸收的最大功率之比，ΔP_sysk为步骤1)中所求的系统满足频率偏差需求时所能承受的最大功率增量，ΔP_sysm为步骤1)中根据系统运行及故障的历史数据定义系统产生的最大功率增量；

4)配置储能系统惯量：

储能系统惯量按照系统产生最大功率增量时频率变化率的要求配置，将储能容量与系统容许的稳态频率偏差极限值的比值设置为储能配置的等效单位调节功率，具体公式为：

式中：Δf_lim为系统允许的最大稳态频率偏差，K_ESS为储能配置的等效单位调节功率；

在控制方案中，当Δf达到系统允许的极限值时，ESS提供满发功率P_ESS，P_ESS与Δf极限值的比值即为ESS设置的单位调节功率K_ESS，除此之外，为保证当系统Δf＜0时ESS释放功率，Δf＞0时ESS吸收功率，K_ESS应取负值。

2.根据权利要求1所述的一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，其特征是，所述的储能系统的虚拟惯性常数在考虑储能配置容量和系统频率变化率需求的基础上求取，大小为满足频率响应需求时所需设定的最小值，具体公式为：

式中：S_ESS为储能配置的容量，H_sys0和S_sys0分别为投入储能前系统的等效惯性常数和容量，H_set为储能系统虚拟惯性常数的理论设定值。

3.根据权利要求2所述的一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，其特征是，所述的储能系统容量的限制会在虚拟惯性常数设定过大时导致输出功率的饱和，根据步骤3)确定的储能容量以及步骤1)确定的最大功率增量求取储能满发时对应的虚拟惯性常数H_ful，具体公式为：

4.根据权利要求3所述的一种考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法，其特征是，所述的当储能系统虚拟惯性常数的理论设定值H_set大于储能满发时对应的虚拟惯性常数H_ful时，储能系统的容量将按系统对频率变化率的要求重新配置，具体公式为：

式中：S′_ESS为满足频率变化率需求下所需配置的储能容量，cosφ为储能系统的功率因数，ΔP_sysk为步骤1)中所求的系统满足频率变化率需求时所能承受的最大功率增量。

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