CN112865172B - 兼顾规模化储能荷电状态的电力系统二次调频控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种兼顾规模化电池储能荷电状态的电力系统二次调频控制方法及储能站分布式协同控制系统,方法包括:计算区域控制偏差,获取规模化电池储能站的荷电状态及其水平区间;根据区域控制偏差确定区域调节功率需求及其所处的调节区间;根据规模化电池储能站的荷电状态水平区间以及区域调节功率需求的调节区间,按照预设的功率分配策略获得分别对应火电机组和储能站的二次调频功率数据,下发给火电机组和储能站,储能站根据接收到的二次调频功率数据进行分布式协同控制,使得储能站的总功率跟踪二次调频功率数据,且所有储能单元的荷电状态一致、充放电功率一致。本发明在能够达到电力系统二次调频目标的同时,可保证储能电站荷电状态在设定的运行区间,提高储能电站持续参与二次调频的能力。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统二次调频技术领域,特别是一种兼顾规模化电池储能荷电状态的电力系统二次调频控制方法及储能站分布式协同控制系统。
背景技术
大规模可再生能源接入电网大大降低了系统惯性和抗干扰能力,给电力系统调频带来极大挑战。传统的调频资源在应对变化速度快、波动幅度大的负荷时存在自身局限,不利于电力系统调频品质进一步提升,因此亟需协调配置调节速度块、控制灵活的调频资源。随着电化学储能技术的不断发展,电池储能从小容量分散式应用逐渐向大容量规模化接入发展,全球储能装机容量节节攀升,据2018年能源咨询公司伍德麦肯兹预测,全球储能总装机容量将在2025年增至43GWh。近年来,我国多个兆瓦级大容量储能站相继落地投运,可见我国电网侧电池储能发展极为迅速。
与水、火电机组等传统调频电源相比,规模化电池储能系统具有调节速度快、调频指令跟踪精确、功率双向调节等诸多优势,在电力系统调频领域具有巨大的应用潜力。但是,电池储能系统参与系统调频的能力受到电池容量以及电池荷电状态限制,长时间持续放电(或充电)会使电池存储的电量耗竭(或蓄满),而电池储能系统在耗竭或蓄满状态下只能进行单向调频,很大程度上削弱了参与调频的能力。此外,储能站内各储能单元的充电功率及荷电状态须进行有效管理,否则将会大大降低储能系统调频容量利用率,甚至危害储能系统的健康运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼顾规模化电池储能荷电状态的电力系统二次调频控制方法及储能站分布式协同控制系统,在能够达到电力系统二次调频的目标的同时,保证储能电站荷电状态在设定的运行区间,提高储能电站持续参与二次调频的能力。本发明采用的技术方案如下。
一方面,本发明提供一种电力系统二次调频控制方法,包括:
获取电力系统区域频率偏差和联络线功率偏差,计算得到区域控制偏差;
获取规模化电池储能站的荷电状态数据,确定规模化电池储能站的荷电状态水平区间;
根据区域控制偏差计算得到区域调节功率需求,确定区域调节功率需求所处的调节区间;
根据规模化电池储能站的荷电状态水平区间以及区域调节功率需求所处的调节区间,按照预设的功率分配策略获得分别对应火电机组和储能站的二次调频功率数据;
将二次调频功率数据下发给火电机组和储能站,其中,储能站根据接收到的二次调频功率数据,对储能单元进行分布式协同控制,使得储能站的总功率跟踪二次调频功率数据,且所有储能单元的荷电状态一致、充放电功率一致。
可选的,根据电力系统区域频率偏差Δf和联络线功率偏差ΔPtie,利用下式计算区域控制偏差ACE:
ACE=βΔf+ΔPtie
所述区域调节功率需求ΔPR为将区域控制偏差ACE经比例积分器整定得到,整定计算式如下:
式中,KP和KI分别为比例积分器的比例和积分系数,t表示时间。
可选的,区域调节功率需求所属的调节区间包括紧急调节区间、正常调节区间和调节死区;
所述根据规模化电池储能站的荷电状态以及区域调节功率需求所处的调节区间,按照预设的功率分配策略获得分别对应火电机组和储能站的二次调频功率数据包括:
a1)当区域调节功率需求处在紧急调节区间时,区域控制中心按照如下功率分配策略向储能站和火电机组下发对应的二次调频功率数据:
式中,和分别表示下发至储能站和火电机组的二次调频功率数据,和分别表示储能站的最大放电功率和充电功率,表示紧急调节区的临界值,ΔPR表示区域调节功率需求,min(·)和max(·)分别表示取最小值和最大值的函数;
b1)当区域调节功率需求在正常调节区时,区域控制中心按照如下功率分配策略向储能站和火电机组下发对应的二次调频功率数据:
c1)当区域调节功率需求在调节死区时:
如果电池储能系统的荷电状态处在非正常运行区间,则区域控制中心按照如下功率分配策略向储能站和火电机组下发对应的二次调频功率数据:
可选的,所述储能站根据接收到的二次调频功率数据,对储能单元进行分布式协同控制包括:
储能站能量管理层根据二次调频功率数据计算荷电状态初始参考数据SBES0以及充/放电功率初始参考数据PBES0,下发给至少一组储能单元;
各组储能单元将实时荷电状态相关信息和充/放电功率传输给至少一个其他储能单元;
各组储能单元根据储能站能量管理层下发的SBESO、PBESO,以及其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息和充/放电功率,进行本组储能单元的控制。
可选的,储能站能量管理层根据二次调频功率数据,利用下式计算SBESO以及PBESO:
式中,K0为正增益系数,为t时刻储能站能量管理层接收的二次调频功率数据, PBES(t)表示t时刻储能电站在并网点处的实测功率,SBESO(t)、PBESO(t)分别为t时刻的SBESO、PBES0。
可选的,第i组储能单元传输给其它储能单元的实时荷电状态相关信息为SBESi(t):
SBESi(t)=-3600Emax,iSoCi(t)
其中,Emax,i表示第i组储能电池的最大存储电量,SoCi(t)表示第i组储能电池在t时刻的荷电状态。
可选的,各储能单元进行本组储能单元的控制包括:
a).根据SBESO、PBESO,以及其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息SBESi(t)和充/ 放电功率PBESi(t)计算控制率uBESi(t),利用以下公式:
上式中,aij=1表示第i和第j组电池储能单元彼此通信交换信息,aij=0表示彼此之间无通信;sgn(·)表示符号函数;λ1、λ2、λ3为正增益常数;
b).按照计算得到的控制率,基于储能单元的动态特性进行本组储能单元的控制,其中,储能单元的动态特性表示为二阶状态方程如下:
第二方面,本发明提供一种储能站分布式协同控制系统,包括储能站能量管理层和多组储能单元,储能站能量管理层与至少一组储能单元之间通信,多组储能单元中,各储能单元至少与一组其它储能单元之间通信;
储能站能量管理层接收二次调频功率数据,根据二次调频功率数据计算荷电状态初始参考数据SBESO以及充/放电功率初始参考数据PBESO,下发给与之通信的其它储能单元;各储能单元将实时荷电状态相关信息和充/放电功率传输给与之通信的储能单元;
各储能单元根据储能站能量管理层下发的SBESO、PBESO,其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息和充/放电功率,进行本组储能单元的控制。
可选的,各组储能单元与位置相邻的其它储能单元之间分别连接通信;储能站能量管理层与两组以上储能单元之间分别连接通信。
可选的,储能站能量管理层根据二次调频功率数据,利用下式计算SBESO以及PBESO:
式中,K0为正增益系数,为t时刻储能站能量管理层接收的二次调频功率数据, PBES(t)表示t时刻储能电站在并网点处的实测功率,SBESO(t)、PBESO(t)分别为t时刻的SBESO、PBESO。
可选的,第i组储能单元传输给与之通信的其它储能单元的实时荷电状态相关信息为 SBESi(t):
SBESi(t)=-3600Emax,iSoCi(t)
其中,Emax,i表示第i组储能电池的最大存储电量,SoCi(t)表示第i组储能电池在t时刻的荷电状态。
可选的,各储能单元进行本组储能单元的控制包括:
a2).根据SBES0、PBES0,以及其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息SBESi(t)和充 /放电功率PBESi(t)计算控制率uBESi(t),利用以下公式:
上式中,aij=1表示第i和第j组电池储能单元彼此通信交换信息,aij=0表示彼此之间无通信;sgn(·)表示符号函数;λ1、λ2、λ3为正增益常数;
b2).按照计算得到的控制率,基于储能单元的动态特性进行本组储能单元的控制,其中,储能单元的动态特性表示为二阶状态方程如下:
有益效果
本发明的储能站分布式协同控制系统,实现了储能站能量管理层与多组储能单元之间的分布式协同控制,使得储能电站的总功率能够跟踪上层下发的二次调频功率指令数据,且能够实现储能站内所有储能单元的荷电状态一致、充放电功率一致,不仅有利于储能系统高效健康运行,还有助于评估计算储能站整体的电量水平。
本发明兼顾规模化电池储能荷电状态的电力系统二次调频控制方法,既可以达到电力系统二次调频的目标,又能保证储能电站荷电状态在设定的运行区间,提高了储能电站持续参与二次调频的能力。
附图说明
图1所示为本发明电力系统二次调频控制方法的控制原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
本发明的技术构思为:针对规模化电池储能参与电力系统二次调频问题,在区域调频功率分配时,充分考虑区域调频需求和储能站的荷电状态,实现二次调频目标,并通过分布式协同控制保证储能站的荷电状态维持在预设区间,以及协调控制各储能单元的功率输出,实现储能站的调频功率指令跟踪,使各组储能单元荷电状态趋于一致。
实施例1
本实施例介绍一种储能站分布式协同控制系统,包括储能站能量管理层和多组储能单元,储能站能量管理层与至少一组储能单元之间通信,多组储能单元中,各储能单元至少与一组其它储能单元之间通信;
储能站能量管理层接收二次调频功率数据,根据二次调频功率数据计算荷电状态初始参考数据SBES0以及充/放电功率初始参考数据PBES0,下发给与之通信的其它储能单元;各储能单元将实时荷电状态相关信息和充/放电功率传输给与之通信的储能单元;
各储能单元根据储能站能量管理层下发的SBES0、PBES0,其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息和充/放电功率,进行本组储能单元的控制。
参考图1中,各组储能单元与位置相邻的其它储能单元之间分别连接通信;储能站能量管理层与两组以上储能单元之间分别连接通信。
储能站能量管理层根据二次调频功率数据,利用下式计算SBES0以及PBES0:
式中,K0为正增益系数,为t时刻储能站能量管理层接收的二次调频功率数据, PBES(t)表示t时刻储能电站在并网点处的实测功率,SBES0(t)、PBES0(t)分别为t时刻的SBES0、PBEs0。
上述第i组储能单元传输给与之通信的其它储能单元的实时荷电状态相关信息为SBESi(t):
SBESi(t)=-3600Emax,iSoCi(t)
其中,Emax,i表示第i组储能电池的最大存储电量,SoCi(t)表示第i组储能电池在t时刻的荷电状态。
上述各储能单元进行本组储能单元的控制包括:
a2).根据SBES0、PBES0,以及其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息SBESi(t)和充 /放电功率PBESi(t)计算控制率uBESi(t),利用以下公式:
上式中,aij=1表示第i和第j组电池储能单元彼此通信交换信息,aij=0表示彼此之间无通信;sgn(·)表示符号函数;λ1、λ2、λ3为正增益常数;
b2).按照计算得到的控制率,基于储能单元的动态特性进行本组储能单元的控制,其中,储能单元的动态特性表示为二阶状态方程如下:
本实施例能够实现储能站能量管理层与多组储能单元之间的分布式协同控制,使得储能电站的总功率能够跟踪上层下发的二次调频功率指令数据,且能够实现储能站内所有储能单元的荷电状态一致、充放电功率一致,不仅有利于储能系统高效健康运行,还有助于评估计算储能站整体的电量水平。
实施例2
参考图1所示的控制原理图,本实施例介绍一种兼顾规模化电池储能荷电状态的电力系统二次调频控制方法。
电力系统二次调频控制方法,包括:
获取电力系统区域频率偏差和联络线功率偏差,计算得到区域控制偏差;
获取规模化电池储能站的荷电状态数据,确定规模化电池储能站的荷电状态水平区间;
根据区域控制偏差计算得到区域调节功率需求,确定区域调节功率需求所处的调节区间;
根据规模化电池储能站的荷电状态水平区间以及区域调节功率需求所处的调节区间,按照预设的功率分配策略获得分别对应火电机组和储能站的二次调频功率数据;
将二次调频功率数据下发给火电机组和储能站,其中,储能站根据接收到的二次调频功率数据,对储能单元进行分布式协同控制,使得储能站的总功率跟踪二次调频功率数据,且所有储能单元的荷电状态一致、充放电功率一致。
本实施例中,储能站根据接收到的二次调频功率数据,对储能单元进行分布式协同控制的具体方案可采用实施例1中的技术方案,与实施例1基于相同的发明构思。
本实施例的电力系统二次调频控制方法具体涉及以下步骤。
S1、区域控制中心通过量测电力系统区域频率偏差Δf和联络线功率偏差ΔPtie,计算出区域控制偏差,计算式为:
ACE=βΔf+ΔPtie (1)
其中,ACE表示区域控制偏差,Δf表示电力系统的频率偏差,ΔPtie为联络线功率偏差,β表示区域频率偏差系数。
S2、区域控制中心将区域控制偏差经过比例积分器整定出区域调节功率需求,整定计算式为:
ΔPR=KPACE+KI∫o tACEdt (2)
其中,KP和KI分别为比例积分器的比例和积分系数,t表示时间。
S3、区域控制中心根据当前区域调节需求所在的区间以及规模化电池储能电站的荷电状态水平,将区域调节功率需求按照设定的功率分配策略形成二次调频功率指令,并下发给火电机组和储能站执行。具体涉及以下内容。
S31、当区域调节功率需求处在紧急调节区域时,区域控制中心下发给电池储能站和火电机组的功率分配策略如下:
其中,和分别表示电池储能系统和传统电源的调节量,和分别表示电池储能系统的最大放电功率和充电功率,表示紧急调节区的临界值,ΔPR表示区域调节功率需求,min(·)和max(·)分别表示取最小值和最大值的函数。
S32、当区域调节功率需求在正常调节区时,区域控制中心下发给电池储能站和火电机组的功率分配策略如下:
S33、当区域调节功率需求在调节死区时:
如果电池储能系统的荷电状态处在非正常运行区间,区域控制中心下发给电池储能站和火电机组的功率分配策略如下:
S4、在储能站内,利用分布式协同控制算法控制各组储能单元,实现储能站的总功率快速准确跟踪上级下发的二次调频功率指令,同时保证站内各组储能单元的荷电状态一致收敛。
此处,用于控制储能站内各组储能单元的分布式协同控制算法包括储能单元动态特性建模和分布式协同控制率设计。
S41、各组储能单元的动态特性用二阶状态方程表示为:
其中,SBESi(t)=-3600Emax,iSoCi(t),Emax,i表示第i组储能电池的最大存储电量,SoCi(t)、 PBESi(t)和uBESi(t)分别表示第i组储能电池在t时刻的荷电状态、充/放电功率和控制输入信号。
S42、参考图1所示,在储能站能量管理层,设计一个编号为0的二阶领导智能体,其动态模型如下:
S43、为保证各组电池储能单元的荷电状态和充放电功率一致,每组电池储能单元所采用的分布式协同控制算法如下:
其中,aij=1表示第i和第j组电池储能单元彼此通信交换信息,aij=0表示彼此之间无通信;sgn(·)表示符号函数;λ1、λ2、λ3是正增益常数。
根据以上内容,在进行分布式协同控制时,储能站能量管理层接收二次调频功率数据,根据二次调频功率数据利用式(8)计算荷电状态初始参考数据SBES0以及充/放电功率初始参考数据PBES0,下发给与之通信的其它储能单元;各储能单元将实时荷电状态相关信息和充/ 放电功率传输给与之通信的储能单元;并根据储能站能量管理层下发的SBES0、PBES0,以及其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息和充/放电功率,利用式(9)计算本组储能单元的控制率,然后基于式(7)的动态特性方程进行本组储能单元的控制,即可实现储能站的总功率跟踪二次调频功率数据,且所有储能单元的荷电状态一致、充放电功率一致。
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。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种电力系统二次调频控制方法,其特征是,包括:
获取电力系统区域频率偏差和联络线功率偏差,计算得到区域控制偏差;
获取规模化电池储能站的荷电状态数据,确定规模化电池储能站的荷电状态水平区间;
根据区域控制偏差计算得到区域调节功率需求,确定区域调节功率需求所处的调节区间;
根据规模化电池储能站的荷电状态水平区间以及区域调节功率需求所处的调节区间,按照预设的功率分配策略获得分别对应火电机组和储能站的二次调频功率数据;
将二次调频功率数据下发给火电机组和储能站,其中,储能站根据接收到的二次调频功率数据,对储能单元进行分布式协同控制,使得储能站的总功率跟踪二次调频功率数据,且所有储能单元的荷电状态一致、充放电功率一致;
其中,区域调节功率需求所属的调节区间包括紧急调节区间、正常调节区间和调节死区;
所述根据规模化电池储能站的荷电状态以及区域调节功率需求所处的调节区间,按照预设的功率分配策略获得分别对应火电机组和储能站的二次调频功率数据包括:
a1)当区域调节功率需求处在紧急调节区间时,区域控制中心按照如下功率分配策略向储能站和火电机组下发对应的二次调频功率数据:
b1)当区域调节功率需求在正常调节区时,区域控制中心按照如下功率分配策略向储能站和火电机组下发对应的二次调频功率数据:
c1)当区域调节功率需求在调节死区时:
如果电池储能系统的荷电状态处在非正常运行区间,则区域控制中心按照如下功率分配策略向储能站和火电机组下发对应的二次调频功率数据:
2.根据权利要求1所述的方法,其特征是,根据电力系统区域频率偏差Δf和联络线功率偏差ΔPtie,利用下式计算区域控制偏差ACE:
ACE=βΔf+ΔPtie
所述区域调节功率需求ΔPR为将区域控制偏差ACE经比例积分器整定得到,整定计算式如下:
ΔPR=KPACE+KI∫o tACEdt
式中,KP和KI分别为比例积分器的比例和积分系数,t表示时间。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征是,所述储能站根据接收到的二次调频功率数据,对储能单元进行分布式协同控制包括:
储能站能量管理层根据二次调频功率数据计算荷电状态初始参考数据SBES 0以及充/放电功率初始参考数据PBES 0,下发给至少一组储能单元;
各组储能单元将实时荷电状态相关信息和充/放电功率传输给至少一个其他储能单元;
各组储能单元根据储能站能量管理层下发的SBES 0、PBES 0,以及其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息和充/放电功率,进行本组储能单元的控制。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征是,第i组储能单元传输给其它储能单元的实时荷电状态相关信息为SBES i(t):
SBES i(t)=-3600Emax,iSoCi(t)
其中,Emax,i表示第i组储能电池的最大存储电量,SoCi(t)表示第i组储能电池在t时刻的荷电状态。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述电力系统二次调频控制方法的储能站分布式协同控制系统,其特征是,包括储能站能量管理层和多组储能单元,储能站能量管理层与至少一组储能单元之间通信,多组储能单元中,各储能单元至少与一组其它储能单元之间通信;
储能站能量管理层接收通过权利要求1-6任一项所述电力系统二次调频控制方法获得的对应储能站的二次调频功率数据,根据二次调频功率数据计算荷电状态初始参考数据SBES 0以及充/放电功率初始参考数据PBES 0,下发给与之通信的其它储能单元;各储能单元将实时荷电状态相关信息和充/放电功率传输给与之通信的储能单元;
各储能单元根据储能站能量管理层下发的SBES 0、PBES 0,其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息和充/放电功率,进行本组储能单元的控制。
8.根据权利要求7所述的储能站分布式协同控制系统,其特征是,各组储能单元与位置相邻的其它储能单元之间分别连接通信;储能站能量管理层与两组以上储能单元之间分别连接通信。
9.根据权利要求7所述的储能站分布式协同控制系统,其特征是,储能站能量管理层根据二次调频功率数据,利用下式计算SBES 0以及PBES 0:
式中,K0为正增益系数,为t时刻储能站能量管理层接收的二次调频功率数据,PBES(t)表示t时刻储能电站在并网点处的实测功率,SBES 0(t)、PBES 0(t)分别为t时刻的SBES 0、PBES 0;
和/或,第i组储能单元传输给与之通信的其它储能单元的实时荷电状态相关信息为SBES i(t):
SBES i(t)=-3600Emax,iSoCi(t)
其中,Emax,i表示第i组储能电池的最大存储电量,SoCi(t)表示第i组储能电池在t时刻的荷电状态;
和/或,各储能单元进行本组储能单元的控制包括:
a).根据SBES 0、PBES 0,以及其它储能单元传输的实时荷电状态相关信息SBES i(t)和充/放电功率PBES i(t)计算控制率uBES i(t),利用以下公式:
上式中,aij=1表示第i和第j组电池储能单元彼此通信交换信息,aij=0表示彼此之间无通信;sgn(·)表示符号函数;λ1、λ2、λ3为正增益常数;
b).按照计算得到的控制率,基于储能单元的动态特性进行本组储能单元的控制,其中,储能单元的动态特性表示为二阶状态方程如下:
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