CN112865139A - 储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跟随荷电状态(state of charge，SOC)、健康状态(stateof health，SOH)变化和系统频率偏移引起的有功功率需求的储能单元自适应优化控制策略，该策略在虚拟惯性控制及下垂控制的基础上，根据荷电状态以及健康状态决定多组储能单元参与电网一次调频的最优投切情况，在频率变化初期多组储能单元考虑健康状态共同出力，减小频率恶化程度；在频率恢复期，考虑各储能单元自身荷电状态、健康状态，在保证储能调频效果的同时使各储能单元均保持处于健康工作状态，提高了储能系统的安全性和经济性。

Description

储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略

技术领域

本发明涉及储能电站参与电网调频的控制策略，特别是涉及一种储能电站安全参与电网一次调频的优化控制。

背景技术

由于化石能源供应不足及其造成的环境污染问题，风能和太阳能等可再生能源因丰富的来源及对环境污染小而得到迅速发展。但其间歇性和波动性特点导致电网频率波动增大，甚至降低电网稳定性，增加电网安全风险。大规模储能系统因其配置灵活、响应速度快，能够较好地保证新能源供电的平衡性和连续性。储能技术作为智能电网领域中不可或缺的一部分，其发挥的作用越来越重要。国内外已有一些具备调频功能的储能电池示范工程，为了保证电力系统的安全稳定运行，大规模储能在电网调频中的应用是当今的研究热点。

目前，业内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，SOC、SOH作为储能电池非常重要的变量之一，在储能电池控制方法的研究中必须加以考虑。

大多数研究都是将储能看做一个整体进行能量调度，没有考虑SOH对电池充放电的影响，缺少对储能系统内部结构的考虑，实际中电池储能系统是由多组储能单元并联组成，如何保证调频效果的同时提升储能电站运行的经济性和安全性是本专利关注的重点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略，用以解决现有储能参与电网一次调频的一些不足，如没有考虑多储能单元并联运行时储能变流器(power conversion system，PCS)的最优投切、在参与电网一次调频时没有考虑储能电池SOH对出力的影响等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略，本研究策略在扰动初期频率变化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，并在传统虚拟惯性控制的基础上引入了健康因子的概念，结合考虑电池SOH来调整储能系统惯性出力；在渡过频率恶化期后，为了更好的控制储能单元组的投切，本专利引入考虑储能单元SOC及SOH的优先排序工作策略。大规模储能电站中单体电池可能高达数万节，在连接方式上选用串并联方式成簇，通过PCS并联组成规模化储能系统，因此，为了充分发挥规模化储能电站的潜力，在满足电网调频需求的前提下，对储能单元组进行优先排序控制，根据各储能单元组的SOC、SOH计算各自的优先系数，优先系数越大则动作优先级别越高，反之越低；频率恢复期，在确定优先级最高的单元后将其投入工作，并结合该储能单元SOC、SOH进行系数可变的下垂控制，本专利所提改进下垂控制策略根据不同SOC、SOH实时计算下垂控制系数来控制储能单元以不同的输出功率进行出力。当电网频率波动产生有功功率缺额或者过剩，储能单元根据自身状态动态的调节出力大小，在保证电网频率需求的同时尽可能使储能电池处于健康安全的状态。两种控制方法结合电池状态最终实现电网频率的快速恢复。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本专利提出的综合控制策略考虑了储能电站内部储能单元的并联运行结构，在准确估计各个储能单元SOC、SOH的基础上，对多组储能单元进行工作优先级排序，充分利用了储能电站多储能单元并列运行的优势，并且能根据储能单元的电池状态来调整出力，具有一定的工程参考价值。本发明在保证对电网调频效果的同时，使电池尽量工作在稳定工作区域中，有效的避免储能电池的过充过放，延长了电池的使用寿命。

附图说明

图1为储能电站拓扑图

图2为本发明提供的储能单元优先排序示意图

图3为本发明提供的储能电站参与一次调频的综合控制策略图

具体实施方法

大型储能电站的储能单元组数量较多，常规储能电站拓扑简化如图1所示。

传统储能系统虚拟惯性控制模拟的是传统发电机组参与电网一次调频的惯性响应，能有效的降低电网故障初期的频率变化率，减小频率恶化程度。由于电网频率允许变化的范围较小，我国一般规定为0.2～0.5Hz或者-0.5～-0.2Hz，若仅使用下垂控制无法发挥储能的全部潜力，结合惯性控制可以在频率急剧恶化时，使得储能提供较大功率的调频容量支撑，可有效阻止频率进一步恶化,因传统虚拟惯性控制可有效抑制频率扰动初期的恶化程度，但是由于维持虚拟惯性控制需要储能单元输出大功率支撑，循环多次后会加重对电池SOH产生不可逆的影响。本文在传统虚拟惯性控制的基础上引入了健康因子的概念，结合考虑电池SOH来调整储能系统惯性出力，改进虚拟惯性响应计算公式为:

G_t＝G₀G_H

上式中：ΔP_it为t时刻第i组储能单元的虚拟惯性响应值，G_t为改进虚拟惯性系数，df_t/dt为t时刻的频率变化率，R_s为频率变化率死区，G₀为固定惯性系数；G_H为关于SOH的健康因子；SOH_t为电池t时刻健康状态；SOH_max和SOH_min为电池健康状态上下限，分别为1,0.8。

综上可知，改进的储能电站虚拟惯性控制可以在频率暂态调整过程中，保证储能电站向系统持续快速地注入有功功率，可有效改善扰动初期的频率动态特性，并通过设置健康因子，根据各储能单元SOH调整出力，有效延缓电池容量衰减速度此时所有储能单元组共同出力快速控制频率恶化程度，当频率达到峰值(df_t/dt＝0)后虚拟惯性响应将中止，电网通过自身惯性响应和其他发电机组的一次调频功能实现频率恢复。

在进入频率恢复期之前，为了更好的控制储能单元组的投切，本文引入考虑储能单元SOC及SOH的优先排序工作策略。大规模储能电站中单体电池可能高达数万节，在连接方式上选用串并联方式成簇，通过PCS并联组成规模化储能系统，因此，为了充分发挥规模化储能电站的潜力，在满足电网调频需求的前提下，对储能单元组进行优先排序控制。优先排序的计算式如下：

式中：K为优先系数；SOC_i、SOH_i分别为第i组储能单元实时荷电状态、健康状态；α、β为权重系数，α:β＝1:2。

如图2所示根据优先排序计算式得到各储能单元的优先系数，优先系数K越大，储能单元组动作优先级别越高；反之，优先系数K越小，储能单元组动作优先级别越低。若Δf＜0，储能系统工作在充电状态，则优先选择实时SOC较小的储能单元组；若Δf＞0，储能系统工作在放电状态，则优先选择实时SOC较大的储能单元组，充放电两种情况均优先考虑SOH更好的储能单元。

在频率恢复期对优先投入工作的储能单元采用结合SOC、SOH的系数可变下垂控制。本发明在传统下垂控制的基础上依据储能SOC、SOH引入了可变下垂控制的概念，并且结合对多组PCS的优先投切控制，实现对电网频率偏差控制以及储能单元维持在健康状态。根据储能单元不同SOC、SOH实时变换下垂系数，传统下垂控制计算如下：

ΔP_t＝R_tΔf＝R_t(50-f_t)

可知充电状态和放电状态下不同SOC、SOH下的下垂控制系数具体描述如下：

R_t＝R_stR_ht

(1)电池充电工况

当SOC∈[0,SOC_min]时，储能电池电量充足，故不考虑荷电状态系数以最大值保证调频效果，计算式为：

R_st＝R_max

当SOC∈[SOC_min，SOC_min-s]时，计算式为：

当SOC∈[SOC_min-s,SOC_max-s]时，计算式为：

R_st＝R_nom

当SOC∈[SOC_max-s,SOC_max]时，计算式为：

(2)电池放电工况

当SOC∈[SOC_min，SOC_min-s]时，计算式为：

当SOC∈[SOC_min-s,SOC_max-s]时，计算式为：

R_st＝R_nom

当SOC∈[SOC_max-s,SOC_max]时，计算式为：

当SOC∈[SOC_max,1]时，储能电池电量不足，故系数取最大值保证快速恢复储能电量，计算式为：

R_st＝R_max

式中：R_st、R_ht分别为t时刻荷电、健康下垂系数；R_max、R_nom分别为最大下垂系数和一般正常下垂系数；SOC_t、SOH_t分别为储能单元t时刻的荷电状态和健康状态值；SOC_max、SOC_max-s、SOC_min-s、SOC_min分别为储能单元组的正常工作上限、稳定工作上限、稳定工作下限和正常工作下限。

由上可知储能电站参与电网的一次调频控制将大致分为两个阶段：虚拟惯性响应和系数可变的下垂控制，为优化储能电站的调频效果，本发明提出一种综合控制策略，如图3所示。以Δf＞0,即储能系统需要释放功率为例。

(1)储能系统实时监测电网频率f_t以及储能系统各储能单元的荷电状态，当电网频率偏差超过调频死区范围时，进入下一步判断，否则循环监视。参考国内关于调频偏差死区的标准，调频死区f_d取值为0.033Hz。

(2)当电网频率偏差超过调频死区，Δf＞0且频率变化率为负(df_t/dt＜0),若频率变化率的绝对值超过了虚拟惯性控制死区R_s，此时虚拟惯性控制启动，所有储能单元按照计算出力，同时响应电网一次调频。

(3)当频率偏差达到最大即(df_t/dt＝0)进入频率恢复阶段时，此时虚拟惯性控制闭锁。

(4)启动下垂控制之前，根据监测得到的SOC、SOH值以及优先系数对各储能单元进行优先级排序，将优先系数大的储能单元投入运行，优先系数大则代表该储能单元SOC及SOH在所有储能单元中均处于良好状态。在此基础之上投入运行的储能单元采用系数可变的下垂控制进行有功功率输出以恢复电网频率。

储能电站充电(Δf＜0)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虚拟惯性控制，当频率变化率为0时，越过死区后启动系数可变下垂控制，直至频率偏差回到调频偏差死区以内储能电站调频结束。

Claims (4)

1.储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略，其特征在于，本研究策略在扰动初期频率变化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，并在传统虚拟惯性控制的基础上引入了健康因子的概念，结合考虑电池SOH来调整储能系统惯性出力；在渡过频率恶化期后为了保证储能电站的经济性和安全性，延长储能电池的使用寿命，本专利在考虑电池SOC、SOH的情况下，进而对各个储能单元组的动作优先顺序进行分级排序，按照确定的优先顺序选择储能单元组投入工作，实现PCS的投切控制；在频率恢复期优先投入工作的储能单元组根据SOC、SOH采用系数可变的下垂控制实现对电网频率偏差控制以及储能单元维持在健康状态，根据储能单元不同SOC、SOH实时变换下垂系数，既能保证调频效果又能保证储能电站的经济性和安全性。

2.根据权利要求1所述的储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略，其特征在于，在扰动初期频率变化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，并在传统虚拟惯性控制的基础上引入了健康因子的概念，结合考虑电池SOH来调整储能系统惯性出力，改进虚拟惯性响应计算公式为：

G_t＝G₀G_H

上式中，ΔP_it为t时刻第i组储能单元的虚拟惯性响应值，G_t为改进虚拟惯性系数，df_t/dt为t时刻的频率变化率，R_s为频率变化率死区，G₀为固定惯性系数；G_H为关于SOH的健康因子；SOH_t为电池t时刻健康状态；SOH_max和SOH_min为电池健康状态上下限，分别为1,0.8。

3.根据权利要求1所述的储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略，其特征在于，在渡过频率恶化期后为了保证储能电站的经济性和安全性，延长储能电池的使用寿命，本专利在考虑电池SOC、SOH的情况下，进而对各个储能单元组的动作优先顺序进行分级排序，按照确定的优先顺序选择储能单元组投入工作，实现PCS的投切控制。大规模储能电站中单体电池可能高达数万节，在连接方式上选用串并联方式成簇，通过PCS并联组成规模化储能系统，因此，为了充分发挥规模化储能电站的潜力，在满足电网调频需求的前提下，对储能单元组进行优先排序控制。优先排序的计算式如下：

上式中：K为优先系数；SOC_i、SOH_i分别为第i组储能单元实时荷电状态、健康状态；α、β为权重系数，α:β＝1:2。

根据优先排序计算式得到各储能单元的优先系数，优先系数K越大，储能单元组动作优先级别越高；反之，优先系数K越小，储能单元组动作优先级别越低。若Δf＜0，储能系统工作在充电状态，则优先选择实时SOC较小的储能单元组；若Δf＞0，储能系统工作在放电状态，则优先选择实时SOC较大的储能单元组，充放电两种情况均优先考虑SOH更好的储能单元。

4.根据权利要求1所述的储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略，其特征在于，在频率恢复期优先投入工作的储能单元组根据SOC、SOH采用系数可变的下垂控制实现对电网频率偏差控制以及储能单元维持在健康状态，根据储能单元不同SOC、SOH实时变换下垂系数，既能保证调频效果又能保证储能电站的经济性和安全性。传统频率下垂控制策略如下：

ΔP_t＝R_tΔf＝R_t(50-f_t)

本专利在传统下垂控制的基础上依据储能SOC、SOH引入了可变下垂控制的概念，并且结合对多组PCS的优先投切控制，实现对电网频率偏差控制以及储能单元维持在健康状态。根据储能单元不同SOC、SOH实时变换下垂系数。

可知充电状态和放电状态下不同SOC、SOH下的下垂控制系数具体描述如下：

R_t＝R_stR_ht

(1)电池充电工况

当SOC∈[0,SOC_min]时，储能电池电量充足，故不考虑荷电状态系数以最大值保证调频效果，计算式为：

R_st＝R_max

当SOC∈[SOC_min，SOC_min-s]时，计算式为：

当SOC∈[SOC_min-s,SOC_max-s]时，计算式为：

R_st＝R_nom

当SOC∈[SOC_max-s,SOC_max]时，计算式为：

(2)电池放电工况

当SOC∈[SOC_min，SOC_min-s]时，计算式为：

当SOC∈[SOC_min-s,SOC_max-s]时，计算式为：

R_st＝R_nom

当SOC∈[SOC_max-s,SOC_max]时，计算式为：

当SOC∈[SOC_max,1]时，储能电池电量不足，故系数取最大值保证快速恢复储能电量，计算式为：

R_st＝R_max

上式中：R_st、R_ht分别为t时刻荷电、健康下垂系数；R_max、R_nom分别为最大下垂系数和一般正常下垂系数；SOC_t、SOH_t分别为储能单元t时刻的荷电状态和健康状态值。

Images