CN113098028A - 面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法及系统 - Google Patents

面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法及系统。本发明的方法采用的技术方案为：确定待优化时段并读取该时段可再生能源与负荷预测功率，计算阶跃型扰动功率值，结合电力系统统一频率模型，建立面向一次调频的储能控制器参数优化模型，兼顾频率控制效果和储能动作深度与频繁程度；通过求解所建立的储能控制器参数优化模型，得到储能在未来待优化时段参与一次调频的优化控制参数，并在对应时段到来时将参数投入运行，从而实现了对储能控制参数的优化选取。

Description

面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统频率稳定控制领域，具体地说是一种面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法及系统。
背景技术
面向一次调频的储能控制器的控制方式主要包括下垂控制和虚拟惯性控制；其中，下垂控制模仿机组调速器的控制模式，根据电力系统频率偏差确定储能充放电功率，以其效果显著、操作简单的优势备受青睐。下垂控制的主要参数包括频率死区、调差系数，这些参数的选取是储能参与一次调频的重要内容之一。如果死区过大、调差系数过小，则无法对电力系统频率进行有效控制；如果死区过小、调差系数过大，会造成储能运行时的频繁动作。
因此，合理选取下垂控制参数，对于储能有效参与一次调频具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法及系统，以确定采用下垂控制方式控制储能参与一次调频的控制器优化控制参数，从而实现兼顾频率控制效果和储能动作深度与频繁程度。
为实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其包括：
建立储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系；
基于电力系统潮流计算结果和机组、负荷模型及其参数，结合储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系，构建含有储能的电力系统统一频率模型；
确定待优化时段并读取该时段可再生能源与负荷预测功率；
基于可再生能源与负荷预测功率，计算阶跃型扰动功率值并输入至电力系统统一频率模型；
基于所建立的电力系统统一频率模型，建立面向一次调频的储能控制器参数优化模型；
通过求解所建立的储能控制器参数优化模型，得到储能控制器的优化控制参数。
进一步地，确定待优化时段并读取该时段可再生能源与负荷预测功率的具体内容如下：选取未来短期一段时间T，为了保证超短期预测精度，原则上该时段不超过未来时间24h，基于超短期预测结果获取该时段可再生能源有功功率PR,f与负荷有功功率PL,f。
进一步地，所述的储能有功与电力系统频率之间的耦合关系为：基于下垂控制方式，建立储能有功功率-频率特性表达式E。
更进一步地，所述的储能有功功率-频率特性表达式E，形式如下：
Figure BDA0002988952630000021
Figure BDA0002988952630000022
其中，Pe(t)为储能在t时刻的有功功率，Δf(t)为电力系统在时刻t的频率偏差，Pe,max为储能有功功率上下限值，Kdc表示控制器的调差系数，Δfdb表示控制器的动作死区。
进一步地，所述的含有储能的电力系统统一频率模型具体为：基于电力系统潮流计算结果，得到电力系统初始状态x(0)，基于机组原动机-调速器模型及其参数以及负荷模型及其参数，结合储能有功功率-频率特性表达式E建立含有储能的电力系统统一频率模型G。
更进一步地，所述的含有储能的电力系统统一频率模型，形式如下：
Figure BDA0002988952630000031
Xl≤x(t)≤Xu
其中，x(t)为电力系统状态变量在t时刻的值，
Figure BDA0002988952630000032
为电力系统状态变量在t时刻的一阶导数值，Xl、Xu分别电力系统状态变量下限、上限向量，ΔPdis表示阶跃型扰动功率值。
再进一步地，所述阶跃型扰动功率值的计算方法如下：
PR-L,f＝PR,f-PL,f
ΔPR-L,f,max＝max(PR-L,f-PR-L,f,0)
ΔPR-L,f,min＝min(PR-L,f-PR-L,f,0)
Figure BDA0002988952630000033
其中，PR,f为可再生能源有功功率，PL,f为负荷有功功率，PR-L,f为可再生能源功率与负荷功率之差，PR-L,f,0为待优化时段初始时刻的PR-L,f，max()为最大值函数，min()为最小值函数，ΔPR-L,f,max为PR-L,f与PR-L,f,0功率之差的最大值，ΔPR-L,f,min为PR-L,f与PR-L,f,0功率之差的最小值。
进一步地，所述的储能控制器参数优化模型，如下所示：
Figure BDA0002988952630000041
Figure BDA0002988952630000042
其中，fN为额定频率，Ee(t)为t时刻储能能量，θc、θd分别为储能充、放电效率，El、Eu分别为储能能量的下限与上限，Δfmax为最大频率偏差，Δt为仿真步长，α1和α2为目标函数的权重因子。
更进一步地，目标函数的权重因子α1和α2的计算方法为：
Figure BDA0002988952630000043
Figure BDA0002988952630000044
α2＝1-α1
其中，η，β为可调控参数，满足0<η≤1，0≤β≤1，PR-L,f,ave为PR-L,f的平均值，PR-L,N为可再生能源额定功率与负荷额定功率之差，PR-L,f为可再生能源功率与负荷功率之差，PR-L,f,0为待优化时段初始时刻的PR-L,f，T表示待优化时段，≤24h。
进一步地，所述的储能控制器待优化控制参数具体为：通过求解储能控制器参数优化模型O，得到控制器的动作死区Δfdb与调差系数Kdc，用以确定采用下垂控制方式控制储能参与一次调频的控制器优化控制参数。
本发明采用的另一种技术方案为：面向一次调频的储能控制器参数优化选取系统，其包括：
耦合关系建立单元，建立储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系；
电力系统统一频率模型构建单元，基于电力系统潮流计算结果和机组、负荷模型及其参数，结合储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系，构建含有储能的电力系统统一频率模型；
阶跃型扰动功率值计算单元，确定待优化时段并读取该时段可再生能源与负荷预测功率，基于可再生能源与负荷预测功率，计算阶跃型扰动功率值并输入至电力系统统一频率模型；
储能控制器参数优化模型建立单元，基于所建立的电力系统统一频率模型，建立面向一次调频的储能控制器参数优化模型；
优化控制参数计算单元，通过求解所建立的储能控制器参数优化模型，得到储能控制器的优化控制参数。
本发明具有的有益效果是：本发明基于储能参与一次调频的应用场景，建立了采用下垂控制方式的储能控制器参数优化模型，优化选取合理的储能控制参数，既保证了一次调频的控制效果，又兼顾了储能的动作深度与频繁程度。本发明的应用可为面向一次调频的储能控制器参数优化选取提供参考依据。
附图说明
图1是本发明面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法的流程图；
图2是本发明中未来1h-2h的PR-L,f预测曲线图；
图3是本发明在优化控制参数下储能参与一次调频的控制效果图。
图4是本发明面向一次调频的储能控制器参数优化选取系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
实施例1
本发明为一种面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，如图1所示，其基本原理为：该方法首先基于储能有功功率与系统频率之间的耦合关系和含有储能的电力系统统一频率模型；然后通过待优化时段可再生能源与负荷预测功率，计算阶跃型扰动功率值并输入至所建立的统一频率模型；接着建立储能控制器参数优化模型，最后通过求解所建立的优化模型，得到储能采用下垂控制方式参与一次调频的优化控制参数。
本发明的具体步骤如下：
基于下垂控制方式，建立储能有功功率-频率特性表达式E；所述的基于下垂控制方式的储能有功功率-频率特性表达式，形式如下：
Figure BDA0002988952630000061
Figure BDA0002988952630000062
其中，Pe(t)为储能在t时刻的有功功率，Δf(t)为电力系统在时刻t的频率偏差，Pe,max为储能有功功率上下限值。
基于潮流计算结果，得到电力系统初始状态x(0)，基于机组原动机-调速器模型及其参数以及负荷模型及其参数，结合E建立含有储能的电力系统统一频率模型G；所述的含有储能的电力系统统一频率模型，形式如下：
Figure BDA0002988952630000071
Xl≤x(t)≤Xu
其中，x(t)为电力系统状态变量在t时刻的值，
Figure BDA0002988952630000072
为电力系统状态变量在t时刻的一阶导数值，PR(t)为t时刻的可再生能源功率，PL(t)为t时刻的负荷功率，Xl、Xu分别电力系统状态变量下限、上限向量。
选取未来短期一段时间T，为了保证超短期预测精度，原则上该时段不超过未来时间24h，基于超短期预测结果获取该时段可再生能源有功功率PR,f与负荷有功功率PL,f。
根据待优化时段可再生能源与负荷预测功率，计算阶跃型扰动功率值ΔPdis，并输入至电力系统统一频率模型G；所述的基于可再生能源与负荷预测功率计算阶跃型扰动功率值，方法如下：
PR-L,f＝PR,f-PL,f
ΔPR-L,f,max＝max(PR-L,f-PR-L,f,0)
ΔPR-L,f,min＝min(PR-L,f-PR-L,f,0)
Figure BDA0002988952630000073
其中，PR-L,f为可再生能源功率与负荷功率之差，PR-L,f,0为待优化时段初始时刻的PR-L,f，max()为最大值函数，min()为最小值函数，ΔPR-L,f,max为PR-L,f最大值与PR-L,f,0的功率之差，ΔPR-L,f,min为PR-L,f最小值与PR-L,f,0的功率之差。
基于所建立的电力系统统一频率模型G，建立储能控制器参数优化模型O，兼顾频率控制效果与储能动作深度和频繁程度；所述的储能控制器参数优化模型，如下所示：
Figure BDA0002988952630000081
Figure BDA0002988952630000082
其中，fN为额定频率，Ee(t)为t时刻储能能量，θc、θd分别为储能充、放电效率，El、Eu分别为储能能量的下限与上限，Δfmax为最大频率偏差，Δt为仿真步长。α1和α2为目标函数的权重因子，其计算方法为：
Figure BDA0002988952630000083
Figure BDA0002988952630000084
α2＝1-α1
其中，η，β为可调控参数，满足0<η≤1，0≤β≤1，PR-L,f,ave为PR-L,f的平均值，PR-L,N为可再生能源额定功率与负荷额定功率之差。
通过求解储能控制器参数模型O，得到储能控制器的动作死区Δfdb与调差系数Kdc，用以确定储能参与一次调频的功率。
实施例2
本发明为一种面向一次调频的储能控制器参数优化选取系统，如图4所示，其包括：
耦合关系建立单元，建立储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系；
电力系统统一频率模型构建单元，基于电力系统潮流计算结果和机组、负荷模型及其参数，结合储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系，构建含有储能的电力系统统一频率模型；
阶跃型扰动功率值计算单元，确定待优化时段并读取该时段可再生能源与负荷预测功率，基于可再生能源与负荷预测功率，计算阶跃型扰动功率值并输入至电力系统统一频率模型；
储能控制器参数优化模型建立单元，基于所建立的电力系统统一频率模型，建立面向一次调频的储能控制器参数优化模型；
优化控制参数计算单元，通过求解所建立的储能控制器参数优化模型，得到储能控制器的优化控制参数。
确定待优化时段并读取该时段可再生能源与负荷预测功率的具体内容如下：选取未来短期一段时间T，为了保证超短期预测精度，原则上该时段不超过未来时间24h，基于超短期预测结果获取该时段可再生能源有功功率PR,f与负荷有功功率PL,f。
所述储能有功与电力系统频率之间的耦合关系为：基于下垂控制方式，建立储能有功功率-频率特性表达式E。
所述的储能有功功率-频率特性表达式E，形式如下：
Figure BDA0002988952630000091
Figure BDA0002988952630000092
其中，Pe(t)为储能在t时刻的有功功率，Δf(t)为电力系统在时刻t的频率偏差，Pe,max为储能有功功率上下限值，Kdc表示控制器的调差系数，Δfdb表示控制器的动作死区。
所述的含有储能的电力系统统一频率模型具体为：基于电力系统潮流计算结果，得到电力系统初始状态x(0)，基于机组原动机-调速器模型及其参数以及负荷模型及其参数，结合储能有功功率-频率特性表达式E建立含有储能的电力系统统一频率模型G。
所述的含有储能的电力系统统一频率模型，形式如下：
Figure BDA0002988952630000101
Xl≤x(t)≤Xu
其中，x(t)为电力系统状态变量在t时刻的值，
Figure BDA0002988952630000102
为电力系统状态变量在t时刻的一阶导数值，Xl、Xu分别电力系统状态变量下限、上限向量，ΔPdis表示阶跃型扰动功率值。
所述阶跃型扰动功率值的计算方法如下：
PR-L,f＝PR,f-PL,f
ΔPR-L,f,max＝max(PR-L,f-PR-L,f,0)
ΔPR-L,f,min＝min(PR-L,f-PR-L,f,0)
Figure BDA0002988952630000103
其中，PR,f为可再生能源有功功率，PL,f为负荷有功功率，PR-L,f为可再生能源功率与负荷功率之差，PR-L,f,0为待优化时段初始时刻的PR-L,f，max()为最大值函数，min()为最小值函数，ΔPR-L,f,max为PR-L,f与PR-L,f,0功率之差的最大值，ΔPR-L,f,min为PR-L,f与PR-L,f,0功率之差的最小值。
所述的储能控制器参数优化模型，如下所示：
Figure BDA0002988952630000111
Figure BDA0002988952630000112
其中，fN为额定频率，Ee(t)为t时刻储能能量，θc、θd分别为储能充、放电效率，El、Eu分别为储能能量的下限与上限，Δfmax为最大频率偏差，Δt为仿真步长，α1和α2为目标函数的权重因子。
目标函数的权重因子α1和α2的计算方法为：
Figure BDA0002988952630000113
Figure BDA0002988952630000114
α2＝1-α1
其中，η，β为可调控参数，满足0<η≤1，0≤β≤1，PR-L,f,ave为PR-L,f的平均值，PR-L,N为可再生能源额定功率与负荷额定功率之差，PR-L,f为可再生能源功率与负荷功率之差，PR-L,f,0为待优化时段初始时刻的PR-L,f，T表示待优化时段，≤24h。
所述的储能控制器待优化控制参数具体为：通过求解储能控制器参数优化模型O，得到控制器的动作死区Δfdb与调差系数Kdc，用以确定采用下垂控制方式控制储能参与一次调频的控制器优化控制参数。
应用例
下面以国内某省级电网作为应用例，具体阐述本发明的方法。
基于下垂控制方式，建立储能有功功率与系统频率之间的耦合关系，其中储能动作死区Δfdb与调差系数Kdc是待优化参数，储能最大充放电功率Pe,max设置为600MW。读取电力系统典型允许方式文件，解析潮流计算结果，得到电力系统初始状态，解析机组模型数据，建立含有储能的电力系统统一频率模型。选取未来1h-2h作为待优化区间，即T＝1h，基于超短期预测结果获取该时段可再生能源有功功率PR,f与负荷有功功率PL,f。图2展示了可再生能源功率与负荷功率之差PR-L,f的曲线。基于可再生能源有功功率PR,f与负荷预测功率PL,f计算阶跃型扰动功率值，得到ΔPdis＝419.4MW，并输入至统一频率模型。建立面向一次调频的储能控制器参数优化模型，其中fN＝50Hz，η＝0.8，β＝0.5，PR-L,N＝-67386MW，Δt＝0.05s，Δfmax＝0.2Hz。最后，对所建立的模型进行求解，得到储能控制器参数的优化结果Δfdb＝0.01Hz，Kdc＝2805MW/Hz。图3展示了在所求得的优化控制参数下储能参与一次调频的控制效果。在功率扰动下，与无储能的情况相比，使用储能能够更有效地减少频率偏差。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其特征在于，包括：
建立储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系；
基于电力系统潮流计算结果和机组、负荷模型及其参数，结合储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系，构建含有储能的电力系统统一频率模型；
确定待优化时段并读取该时段可再生能源与负荷预测功率；
基于可再生能源与负荷预测功率，计算阶跃型扰动功率值并输入至电力系统统一频率模型；
基于所建立的电力系统统一频率模型，建立面向一次调频的储能控制器参数优化模型；
通过求解所建立的储能控制器参数优化模型，得到储能控制器的优化控制参数。
2.如权利要求1所述的面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其特征在于，所述的储能有功与电力系统频率之间的耦合关系为：基于下垂控制方式，建立储能有功功率-频率特性表达式E。
3.如权利要求2所述的面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其特征在于，所述的储能有功功率-频率特性表达式E，形式如下：
Figure FDA0002988952620000011
Figure FDA0002988952620000012
其中，Pe(t)为储能在t时刻的有功功率，Δf(t)为电力系统在时刻t的频率偏差，Pe,max为储能有功功率上下限值，Kdc表示控制器的调差系数，Δfdb表示控制器的动作死区。
4.如权利要求3所述的面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其特征在于，所述的含有储能的电力系统统一频率模型具体为：基于电力系统潮流计算结果，得到电力系统初始状态x(0)，基于机组原动机-调速器模型及其参数以及负荷模型及其参数，结合储能有功功率-频率特性表达式E建立含有储能的电力系统统一频率模型G。
5.如权利要求4所述的面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其特征在于，所述的含有储能的电力系统统一频率模型，形式如下：
Figure FDA0002988952620000021
Xl≤x(t)≤Xu
其中，x(t)为电力系统状态变量在t时刻的值，
Figure FDA0002988952620000022
为电力系统状态变量在t时刻的一阶导数值，Xl、Xu分别电力系统状态变量下限、上限向量，ΔPdis表示阶跃型扰动功率值。
6.如权利要求5所述的面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其特征在于，所述阶跃型扰动功率值的计算方法如下：
PR-L,f＝PR,f-PL,f
ΔPR-L,f,max＝max(PR-L,f-PR-L,f,0)
ΔPR-L,f,min＝min(PR-L,f-PR-L,f,0)
Figure FDA0002988952620000023
其中，PR,f为可再生能源有功功率，PL,f为负荷有功功率，PR-L,f为可再生能源功率与负荷功率之差，PR-L,f,0为待优化时段初始时刻的PR-L,f，max()为最大值函数，min()为最小值函数，ΔPR-L,f,max为PR-L,f与PR-L,f,0功率之差的最大值，ΔPR-L,f,min为PR-L,f与PR-L,f,0功率之差的最小值。
7.如权利要求5所述的面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其特征在于，所述的储能控制器参数优化模型，如下所示：
Figure FDA0002988952620000031
O:
Figure FDA0002988952620000032
其中，fN为额定频率，Ee(t)为t时刻储能能量，θc、θd分别为储能充、放电效率，El、Eu分别为储能能量的下限与上限，Δfmax为最大频率偏差，Δt为仿真步长，α1和α2为目标函数的权重因子。
8.如权利要求7所述的面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其特征在于，目标函数的权重因子α1和α2的计算方法为：
Figure FDA0002988952620000033
Figure FDA0002988952620000034
α2＝1-α1
其中，η，β为可调控参数，满足0<η≤1，0≤β≤1，PR-L,f,ave为PR-L,f的平均值，PR-L,N为可再生能源额定功率与负荷额定功率之差，PR-L,f为可再生能源功率与负荷功率之差，PR-L,f,0为待优化时段初始时刻的PR-L,f，T表示待优化时段，≤24h。
9.如权利要求1所述的面向一次调频的储能控制器参数优化选取方法，其特征在于，所述的储能控制器待优化控制参数具体为：通过求解储能控制器参数优化模型O，得到控制器的动作死区Δfdb与调差系数Kdc，用以确定采用下垂控制方式控制储能参与一次调频的控制器优化控制参数。
10.面向一次调频的储能控制器参数优化选取系统，其特征在于，包括：
耦合关系建立单元，建立储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系；
电力系统统一频率模型构建单元，基于电力系统潮流计算结果和机组、负荷模型及其参数，结合储能有功功率与电力系统频率之间的耦合关系，构建含有储能的电力系统统一频率模型；
阶跃型扰动功率值计算单元，确定待优化时段并读取该时段可再生能源与负荷预测功率，基于可再生能源与负荷预测功率，计算阶跃型扰动功率值并输入至电力系统统一频率模型；
储能控制器参数优化模型建立单元，基于所建立的电力系统统一频率模型，建立面向一次调频的储能控制器参数优化模型；
优化控制参数计算单元，通过求解所建立的储能控制器参数优化模型，得到储能控制器的优化控制参数。
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