CN113036822A - 一种风储协调控制方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风储协调控制方法、系统、设备及存储介质，所述风储协调控制方法包括：根据风储并网点频率得到风储并网参考有功功率；基于风储并网参考有功功率设置功率有限状态机；基于风电机组转速与储能机组荷电状态设置风储有限状态机；通过功率有限状态机和风储有限状态机计算风电机组与储能机组参考有功功率，并根据参考有功功率进行风储协调控制。本发明综合考虑风电机组转速与储能机组荷电状态，在响应系统频率变化的基础上降低风电机组失稳风险并实现储能机组优化管理。

Description

一种风储协调控制方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及风储参与频率控制技术领域，更具体地涉及一种风储协调控制方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
风力发电的发展对于改善能源结构，降低碳排放具有重大推动作用。然而，风力发电的不确定性导致系统频率波动，同时由于风电机组转速与电网频率解耦，降低了系统频率响应能力。基于此学者提出在转子侧换流器控制环节中引入与系统频率相关的参考功率附加量，利用转子动能参与响应系统频率。但风力发电机频率响应能力受风力发电机工况限制，且功率易发生二次波动。
近年来，发展迅速的电力电子行业使储能系统的控制更加灵活。而且随时规模化电池储能电站的技术经济性快速提升，电池储能电站并网应用规模也逐步向百兆瓦级和吉瓦级的超大规模化、跨越式发展。电池储能技术动态响应好，配置容量适中，引入电池储能与风力发电相配合提升频率响应可靠性。电池储能成本较高，过度充放电对其自身造成不可逆的伤害，运行过程中需考虑其自身安全性与经济性。随着大规模风电场和超大规模电池储能电站并网规模的逐步增加，亟待解决应对大规模风电机组失稳的风储协调控制难题。
发明内容
针对现有技术中风电机组失稳风险高的技术问题，本发明提供了一种风储协调控制方法、系统、设备及存储介质。本发明综合考虑风电机组转速与储能机组荷电状态，在响应系统频率变化的基础上降低风电机组失稳风险并实现储能机组优化管理。尤其是在风储响应系统频率变化时，综合考虑风电机组转速与储能荷电状态的限制。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种风储协调控制方法，包括如下步骤：
将风储并网点频率经综合惯量环节得到风储并网参考有功功率；
基于风储并网参考有功功率与允许最大频率波动对应的有功功率数值关系建立功率有限状态机；基于风电机组转速与储能机组荷电状态及其对应的限值建立风储有限状态机；
通过功率有限状态机和风储有限状态机计算风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率，并根据风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率进行风储协调控制。
作为本发明的进一步改进，所述综合惯量环节是根据实际电网情况与频率响应要求选取下垂控制参数与虚拟惯量控制参数生成风储并网参考有功功率。
作为本发明的进一步改进，所述风电机组转速的限值为风电机组引起功率二次波动风险的限值。
作为本发明的进一步改进，所述功率有限状态机包含以下状态：
第一功率状态：|P|≤C的状态；
第二功率状态：P<-C的状态；
第三功率状态：P>C的状态；
其中，P为风储并网参考有功功率，C为系统允许最大频率波动对应的风储并网参考有功功率，C>0。
作为本发明的进一步改进，所述风储有限状态机共包含以下状态：
第一风储状态：SOC<SOCmin,w<wmin的状态；
第二风储状态：SOC<SOCmin,wmin≤w≤wmax的状态；
第三风储状态：SOC<SOCmin,w>wmax的状态；
第四风储状态：SOCmin≤SOC≤SOCmax,w<wmin的状态；
第五风储状态：SOCmin≤SOC≤SOCmax,wmin≤w≤wmax的状态；
第六风储状态：SOCmin≤SOC≤SOCmax,w>wmax的状态；
第七风储状态：SOC>SOCmax,w<wmin的状态；
第八风储状态：SOC>SOCmax,wmin≤w≤wmax的状态；
第九风储状态：SOC>SOCmax,w>wmax的状态；
其中，ω是风电机组转速，ωmin与ωmax分别为防止风电机组功率二次波动的转速上、下限值，SOC是储能机组荷电状态，SOCmin与SOCmax是荷电状态限值。
作为本发明的进一步改进，风电机组参考有功功率Pf与电池储能机组参考有功功率Pb具体计算包括：
当功率有限状态机中的功率处于第一功率状态时，储能机组调整荷电状态，风电机组不动作，通过下述方法计算：
风储状态处于第一风储状态或第二风储状态或第三风储状态时，Pf＝0,Pb＝-|P|；
风储状态处于第四风储状态或第五风储状态或第六风储状态时，Pf＝0,Pb＝0；
风储状态处于第七风储状态或第八风储状态或第九风储状态时，Pf＝0,Pb＝|P|；
当功率有限状态机中的功率处于第二功率状态时，储能机组荷电状态SOC极小时仅储能动作，反之风电机组与储能机组基于转速与荷电状态配合动作，通过下述方法计算Pf与Pb：
风储状态处于第一风储状态或第二风储状态或第三风储状态或第六风储状态或第九风储状态时，Pf＝0,Pb＝P；
风储状态处于第四风储状态或第五风储状态时，
m1＝SOC/SOCmax,m2＝w/wmax,m＝max[m1,m2]；
m1≥m2,Pf＝mP,Pb＝(1-m)P，m1<m2,Pf＝(1-m)P,Pb＝mP
风储状态处于第七风储状态或第八风储状态时，Pf＝P,Pb＝0；
当功率有限状态机中的功率处于第三功率状态时，储能机组荷电状态SOC极大时仅储能机组动作；反之，风电机组与储能机组基于转速与荷电状态配合动作，通过下述方法计算Pf与Pb：
风储状态处于第七风储状态或第八风储状态或第九风储状态或第四风储状态或第一风储状态时，Pf＝0,Pb＝P；
风储状态处于第五风储状态或第六风储状态时，
m1＝SOC/SOCmin,m2＝w/wmin,m＝min[m1,m2]；
m1≥m2,Pf＝mP,Pb＝(1-m)P，m1<m2,Pf＝(1-m)P,Pb＝mP
风储状态处于第二风储状态或第三风储状态时，Pf＝P,Pb＝0。
作为本发明的进一步改进，根据风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率进行风储协调控制具体为：
采用风电机组参考有功功率与风机最大功率跟踪控制风机机侧换流器，采用电池储能机组参考有功功率控制储能换流器。
一种风储协调控制系统，包括：
综合惯量单元，用于根据风储并网点频率经综合惯量环节得到风储并网参考有功功率；
有限状态机单元，用于基于风储并网参考有功功率与系统允许最大频率波动对应的风储并网参考有功功率的数值关系建立功率有限状态机；基于风电机组转速与储能机组荷电状态及其对应的限值建立风储有限状态机；
控制单元，用于通过功率有限状态机和风储有限状态机计算风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率，并根据风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率进行风储协调控制。
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述风储协调控制方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述风储协调控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明综合考虑风电机组转速与电池储能荷电状态，经有限状态机实时整定风电机组与储能机组参考有功功率，风电机组配置的电池储能以并网点频率为输入量，通过综合惯量环节与有限状态机环节改善系统频率特性，并提升风储系统运行性能。并且在响应系统频率变化的基础上降低风电机组失稳风险并实现储能机组优化管理，在满足系统频率响应要求的基础上提高了风电机组与储能机组运行的安全性与经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为风储协调控制方法流程图；
图2为频率响应控制系统示意图；
图3为一种风储协调控制系统结构示意图；
图4为电子设备结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
下面将结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的范围。
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本发明提供一种风储协调控制方法、系统、设备及存储介质，用于风储参与系统频率响应，提升风储系统运行稳定性和经济性。本发明适用于兆瓦级至百兆瓦级不同规模风储联合发电站，例如超大规模电池储能电站与大容量风电场联合发电的风储联合电站。
具体地，如图1所示，本发明第一个目的是提供一种风储协调控制方法，所述方法包括如下步骤：
步骤101：获取风电机组当前风储并网点频率值、储能机组荷电状态值与风电机组转速值；该步骤可以直接获取机组状态，不需要单独采集；
步骤102：据风储并网点频率得到风储并网参考有功功率；
步骤103：基于风储并网参考有功功率设置功率有限状态机；基于风电机组转速与储能机组荷电状态设置风储有限状态机；
步骤104：基于功率有限状态机和风储有限状态机计算风电机组与储能机组参考有功功率，并基于参考有功功率进行风储协调控制。
如图3所示，本发明的另一目的在于提出一种风储协调控制系统，其包括初始单元、综合惯量单元、有限状态机单元、控制单元；
初始单元：用于获取当前风储并网点频率值、当前储能机组荷电状态值与风电机组转速值；
综合惯量单元：用于据风储并网点频率得到风储并网参考有功功率；
有限状态机单元：用于基于风储并网参考有功功率设置功率有限状态机；基于风电机组转速与储能机组荷电状态设置风储有限状态机；
控制单元：用于基于功率有限状态机和风储有限状态机计算风电机组与储能机组参考有功功率，并基于参考有功功率进行风储协调控制。
风力发电并网运行影响系统频率特性，风电机组转子动能与电池储能相配合改善系统频率特性。风力发电机转子动能参与系统频率响应功率易发生二次波动，电池储能成本高，不可忽视其参与工作时自身的安全经济运行。故合理控制风机与储能功率至关重要。
本发明综合考虑风电机组转速与电池储能荷电状态，经有限状态机实时整定风电机组与储能机组参考有功功率。
本发明实施方式提供了一种基于频率响应的风储协调控制方法及系统，风电场配置的集中式电池储能以并网点频率为输入量，通过综合惯量环节与有限状态机环节改善系统频率特性，并提升风储系统运行性能。
实施例
下面以电池储能系统为例、结合附图和具体实施例对本发明的控制方法和系统作进一步的详细说明。下面结合具体实施步骤，对本例中实施方式进行详细说明。如图1所示，为基于频率响应的风储协调控制方法流程图，包括如下步骤：
步骤101：获取当前风储并网点频率、当前储能机组荷电状态与风电机组转速；
步骤102：风储并网点频率经综合惯量环节得到风储并网参考有功功率；
步骤103：基于风储并网参考有功功率设置功率有限状态机；基于风电机组转速与储能机组荷电状态设置风储有限状态机；
步骤104基于功率有限状态机和风储有限状态机计算风电机组与储能机组参考有功功率，并基于参考有功功率进行风储协调控制。
进一步的，步骤102中，风储并网点频率经综合惯量环节得到风储并网参考有功功率。风储参与系统频率响应控制环节如图2所示，fs为风储并网点频率值，fn为电力系统额定频率值50Hz。根据实际电网情况与频率响应要求选取下垂控制参数K1与虚拟惯量控制参数K2值，生成风储并网参考有功功率P，使风储响应系统频率变化。
进一步的，步骤103中，基于风储并网参考有功功率设置功率有限状态机；基于风电机组转速与储能机组荷电状态设置风储有限状态机。
功率有限状态机包含以下三种状态：
“功率状态A”(第一功率状态)：|P|≤C的状态；
“功率状态B”(第二功率状态)：P<-C的状态；
“功率状态C”(第三功率状态)：P>C的状态；
风储有限状态机共包含九种状态：
“风储状态A”(第一风储状态)：SOC<SOCmin,w<wmin的状态；
“风储状态B”(第二风储状态)：SOC<SOCmin,wmin≤w≤wmax的状态；
“风储状态C”(第三风储状态)：SOC<SOCmin,w>wmax的状态；
“风储状态D”(第四风储状态)：SOCmin≤SOC≤SOCmax,w<wmin的状态；
“风储状态E”(第五风储状态)：SOCmin≤SOC≤SOCmax,wmin≤w≤wmax的状态；
“风储状态F”(第六风储状态)：SOCmin≤SOC≤SOCmax,w>wmax的状态；
“风储状态G”(第七风储状态)：SOC>SOCmax,w<wmin的状态；
“风储状态H”(第八风储状态)：SOC>SOCmax,wmin≤w≤wmax的状态；
“风储状态I”(第九风储状态)：SOC>SOCmax,w>wmax的状态；
其中ωmin与ωmax为防止风电机组功率二次波动的转速上下限值，SOCmin与SOCmax是为保证储能机组运行安全性与经济性而设置的荷电状态限值。
进一步的，步骤104中，基于功率有限状态机和风储有限状态机计算风电机组与储能机组参考有功功率，并基于参考有功功率进行风储协调控制。如图2所示，经有限状态机得到风电机组参考有功功率Pf与电池储能机组参考有功功率Pb。具体的有限状态机计算方法如下：
当功率有限状态机中的功率处于“功率状态A”时：储能机组调整荷电状态，风电机组不动作，即通过下述方法计算Pf与Pb：
风储状态处于A或B或C时，Pf＝0,Pb＝-|P|；
风储状态处于D或E或F时，Pf＝0,Pb＝0；
风储状态处于G或H或I时，Pf＝0,Pb＝|P|；
当功率有限状态机中的功率处于“功率状态B”时：SOC极小时仅储能动作，反之风电机组与储能基于转速与荷电状态配合动作，即通过下述方法计算Pf与Pb：
风储状态处于A或B或C或F或I时，Pf＝0,Pb＝P；
风储状态处于D或E时，
m1＝SOC/SOCmax,m2＝w/wmax,m＝max[m1,m2]；
m1≥m2,Pf＝mP,Pb＝(1-m)P，m1<m2,Pf＝(1-m)P,Pb＝mP
风储状态处于H或G时，Pf＝P,Pb＝0；
当功率有限状态机中的功率处于“功率状态C”时：SOC极大时仅储能动作，反之风电机组与储能基于转速与荷电状态配合动作，即通过下述方法计算Pf与Pb：
风储状态处于G或H或I或D或A时，Pf＝0,Pb＝P；
风储状态处于E或F时，
m1＝SOC/SOCmin,m2＝w/wmin,m＝min[m1,m2]；
m1≥m2,Pf＝mP,Pb＝(1-m)P，m1<m2,Pf＝(1-m)P,Pb＝mP
风储状态处于B或C时，Pf＝P,Pb＝0；
如图2所示，最终根据风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率进行风储协调控制具体为：
采用风电机组参考有功功率Pf与风机最大功率跟踪Pmppt控制机侧换流器，采用电池储能机组参考有功功率Pb控制储能换流器。
本发明实施方式提供了一种风储协调控制方法及系统，风电机组配置的电池储能以并网点频率为输入量，通过综合惯量环节与有限状态机环节改善系统频率特性，并提升风储系统运行性能。由于采用上述技术方案，所以本发明在满足系统频率响应要求的基础上进一步提高风电机组与储能机组运行的安全性与经济性。
如图4所示，本发明第三个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述风储协调控制方法的步骤。
本发明第四个目的是提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述风储协调控制方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风储协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
将风储并网点频率经综合惯量环节得到风储并网参考有功功率；
基于风储并网参考有功功率与允许最大频率波动对应的有功功率数值关系建立功率有限状态机；基于风电机组转速与储能机组荷电状态及其对应的限值建立风储有限状态机；
通过功率有限状态机和风储有限状态机计算风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率，并根据风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率进行风储协调控制。
2.根据权利要求1所述的一种风储协调控制方法，其特征在于，所述综合惯量环节是根据实际电网情况与频率响应要求选取下垂控制参数与虚拟惯量控制参数生成风储并网参考有功功率。
3.根据权利要求1所述的一种风储协调控制方法，其特征在于，所述风电机组转速的限值为风电机组引起功率二次波动风险的限值。
4.根据权利要求1所述的一种风储协调控制方法，其特征在于，所述功率有限状态机包含以下状态：
第一功率状态：|P|≤C的状态；
第二功率状态：P<-C的状态；
第三功率状态：P>C的状态；
其中，P为风储并网参考有功功率，C为系统允许最大频率波动对应的风储并网参考有功功率，C>0。
5.根据权利要求4所述的一种风储协调控制方法，其特征在于，所述风储有限状态机共包含以下状态：
第一风储状态：SOC<SOCmin,w<wmin的状态；
第二风储状态：SOC<SOCmin,wmin≤w≤wmax的状态；
第三风储状态：SOC<SOCmin,w>wmax的状态；
第四风储状态：SOCmin≤SOC≤SOCmax,w<wmin的状态；
第五风储状态：SOCmin≤SOC≤SOCmax,wmin≤w≤wmax的状态；
第六风储状态：SOCmin≤SOC≤SOCmax,w>wmax的状态；
第七风储状态：SOC>SOCmax,w<wmin的状态；
第八风储状态：SOC>SOCmax,wmin≤w≤wmax的状态；
第九风储状态：SOC>SOCmax,w>wmax的状态；
其中，ω是风电机组转速，ωmin与ωmax分别为防止风电机组功率二次波动的转速上、下限值，SOC是储能机组荷电状态，SOCmin与SOCmax是荷电状态限值。
6.根据权利要求5所述的一种风储协调控制方法，其特征在于，风电机组参考有功功率Pf与电池储能机组参考有功功率Pb具体计算包括：
当功率有限状态机中的功率处于第一功率状态时，储能机组调整荷电状态，风电机组不动作，通过下述方法计算：
风储状态处于第一风储状态或第二风储状态或第三风储状态时，Pf＝0,Pb＝-|P|；
风储状态处于第四风储状态或第五风储状态或第六风储状态时，Pf＝0,Pb＝0；
风储状态处于第七风储状态或第八风储状态或第九风储状态时，Pf＝0,Pb＝|P|；
当功率有限状态机中的功率处于第二功率状态时，储能机组荷电状态SOC极小时仅储能动作，反之风电机组与储能机组基于转速与荷电状态配合动作，通过下述方法计算Pf与Pb：
风储状态处于第一风储状态或第二风储状态或第三风储状态或第六风储状态或第九风储状态时，Pf＝0,Pb＝P；
风储状态处于第四风储状态或第五风储状态时，
Figure FDA0002958864910000031
风储状态处于第七风储状态或第八风储状态时，Pf＝P,Pb＝0；
当功率有限状态机中的功率处于第三功率状态时，储能机组荷电状态SOC极大时仅储能机组动作；反之，风电机组与储能机组基于转速与荷电状态配合动作，通过下述方法计算Pf与Pb：
风储状态处于第七风储状态或第八风储状态或第九风储状态或第四风储状态或第一风储状态时，Pf＝0,Pb＝P；
风储状态处于第五风储状态或第六风储状态时，
Figure FDA0002958864910000032
风储状态处于第二风储状态或第三风储状态时，Pf＝P,Pb＝0。
7.根据权利要求1所述的一种风储协调控制方法，其特征在于，根据风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率进行风储协调控制具体为：
采用风电机组参考有功功率与风机最大功率跟踪控制风机机侧换流器，采用电池储能机组参考有功功率控制储能换流器。
8.一种风储协调控制系统，其特征在于，包括：
综合惯量单元，用于根据风储并网点频率经综合惯量环节得到风储并网参考有功功率；
有限状态机单元，用于基于风储并网参考有功功率与系统允许最大频率波动对应的风储并网参考有功功率的数值关系建立功率有限状态机；基于风电机组转速与储能机组荷电状态及其对应的限值建立风储有限状态机；
控制单元，用于通过功率有限状态机和风储有限状态机计算风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率，并根据风电机组参考有功功率与储能机组参考有功功率进行风储协调控制。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述风储协调控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述风储协调控制方法的步骤。
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