CN113452036A - 基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，其特点是，以最大频率偏差为界将储能调频过程划分为惯性响应阶段与一次调频阶段，在惯性响应阶段，采用虚拟惯性控制和虚拟下垂控制；在一次调频阶段，采用虚拟下垂控制和虚拟负惯性控制，其次，基于双曲正切函数分别构建适应于惯性响应阶段和一次调频阶段的动态任务系数模型，根据频率偏差变化率和频率偏差的变化，动态调整一次调频过程中虚拟惯性控制、虚拟负惯性控制以及虚拟下垂控制所承担的调频任务比例，根据储能荷电状态和系统最大频差来调整负惯性控制调节系数，在频率恢复期间加速频率恢复；在虚拟下垂控制的基础上，提出变系数虚拟下垂控制，使得下垂系数随SOC自适应变化，具有科学合理，适用性强，既能够保证调频效果，又能够保证储能SOC的状态等优点，能够维持储能长期稳定出力。

Description

基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统调频控制方法，是一种基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法

背景技术

现有技术中，风电自身不具备调频能力，大规模取代传统机组势必会造成原有调频备用的减少，导致系统调频能力不足；另外，风电与电网频率解耦，大规模接入将会大大降低系统惯性响应能力，导致受扰动后的频率恶化速度加快，储能具有快速响应、控制灵活、双向调节等显著优势，被视为辅助风电场调频的有效手段之一，改善一次调频性能关键在于抑制频率扰动初期的频率变化速率、提高频率恢复速率以及减小稳态频率偏差几个方面，但现有技术中，缺乏既能兼顾整个调频过程的动态特性及稳态特性，又能实现多种控制方式之间的平滑切换，且能根据SOC自适应平滑储能出力的自适应性较强的储能控制方法，迄今为止，未见基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法的文献报道及实际应用，

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术存在的问题，提出一种科学合理，适用性强，既能兼顾整个调频过程的动态特性及稳态特性，又能实现多种控制方式之间的平滑切换，且能根据SOC自适应平滑储能出力的自适应性较强的基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，

本发明的技术方案是：一种基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)以最大频率偏差为界，将整个一次调频过程划分为惯性响应阶段和一次调频阶段；

2)考虑任务系数的储能出力深度控制；

3)基于储能SOC与最大频差反馈的储能出力深度控制。

进一步，所述步骤1)中的惯性响应阶段和一次调频阶段的划分方法如下：

①惯性响应阶段定义为：从频率偏差越过调频死区f_d开始，到频率偏差达到最大值|Δf_m|为止；

②一次调频阶段定义为：从频率偏差最大值出现时刻开始，到频率偏差首次达到稳态值为止。

进一步，所述步骤2)中的考虑任务系数的储能出力深度控制方法如下：

①惯性响应阶段储能出力深度确定

为有效抑制频率变化率，减小最大频率偏差，在惯性响应阶段采用虚拟惯性为主，虚拟下垂为辅的综合控制方式，建立如式(1)所示的任务系数解析模型：

式中，a₁为虚拟下垂控制任务系数；a₂为虚拟惯性控制任务系数；Δf为频率偏差；n₁为曲线的形状参数；

确定虚拟下垂控制的任务系数a₁与虚拟惯性控制的任务系数a₂后，可进一步确定储能在惯性响应阶段的出力深度如式(2)：

式中，P_ess为储能的功率；K_ess为虚拟下垂控制单位调节功率；M_ess ⁺为虚拟惯性控制单位调节功率；

为频率偏差变化率；

②一次调频阶段储能出力深度确定

虚拟惯性控制在频率处于恢复过程时会制约频率恢复，为此对虚拟惯性控制加以修正，提出虚拟负惯性控制，以在频率恢复过程中发挥促进频率恢复的作用，采用负虚拟惯性控制时，储能出力表达式如式(3)：

式中，M_ess ^-为虚拟负惯性控制单位调节功率；

为适应一次调频阶段的频率变化特点，采用虚拟下垂控制与虚拟负惯性控制的综合控制方式，虚拟下垂控制任务系数与虚拟负惯性控制任务系数的调整方法如式(4)，

式中，b₁为虚拟下垂控制任务系数；b₂为虚拟负惯性控制任务系数；n₂为曲线的形状参数；f₀为曲线的形状参数；

Δf_max为最大频率偏差；

确定虚拟下垂控制任务系数b₁与虚拟负惯性控制任务系数b₂后，可进一步确定储能在一次调频阶段的出力为如式(5)：

进一步，所述步骤3)中的基于储能SOC与最大频差反馈的储能出力深度控制方法如下：

①虚拟负惯性系数自适应调整方案

惯性响应过程持续时间短暂，一般在10s以内，而一次调频阶段持续时间在20s以上，可见，虚拟负惯性控制作用的时间相对较长，因此采用虚拟负惯性控制过程中应该考虑储能SOC的影响对储能的单位调节功率进行调整，限制储能出力。因而在一次调频阶段采用变虚拟负惯性系数方式，使虚拟负惯性系数根据储能SOC与最大频率偏差自适应变化，其表达式如式(6)

M_ess ^-＝m₁·m₂·M_ess ^- _max(m₁·m₂≤1) (6)

式中，M_ess ^- _max为虚拟负惯性控制单位调节功率最大值，m₁为储能SOC决策因子，m₂为最大频率偏差决策因子，其中m₁和m₂分别随储能SOC、最大频率偏差自适应变化，变化规律分别为式(7)、式(8)

式中，SOC_min为储能SOC的最小值；SOC_max为储能SOC的最大值；Δf_max为最大频率偏差；Δf_d为频率调节死区，Δf_{max_N}为系统最大频差限值；

m₁与m₂作为决策因子共同调整负惯性系数，为了保证惯性系数不超过储能能够承担的最大虚拟负惯性系数，设定m₁·m₂≤1。

②虚拟下垂系数自适应调整方案

固定虚拟下垂系数在储能电量充足时效果良好，但是在容量不足时会加快储能容量的耗尽，给电网频率带来二次冲击，因此，虚拟下垂系数基于双曲正切函数获得K_ess-SOC曲线，表达式为式(9)、式(10)：

式中，K_d、K_c分别代表储能的虚拟单位放电功率、虚拟单位充电功率；K_max表示最大虚拟单位调节功率；SOC_min、SOC_low、SOC_high、SOC_max分别对应储能SOC的最小值、偏小值、偏大值、最大值；P₀、n为曲线的自适应因子。

本发明一种基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，以最大频率偏差为界，将储能调频过程划分为惯性响应阶段与一次调频阶段，在惯性响应阶段，采用虚拟惯性控制和虚拟下垂控制；在一次调频阶段，采用虚拟下垂控制和虚拟负惯性控制，其次，基于双曲正切函数分别构建适应于惯性响应阶段和一次调频阶段的动态任务系数模型，根据频率偏差变化率和频率偏差的变化，动态调整一次调频过程中虚拟惯性控制、虚拟负惯性控制以及虚拟下垂控制所承担的调频任务比例，根据储能荷电状态和系统最大频差来调整负惯性控制调节系数，在频率恢复期间加速频率恢复；在虚拟下垂控制的基础上，提出变系数虚拟下垂控制，使得下垂系数随储能SOC自适应变化，具有科学合理，适用性强，既能够保证调频效果，又能够保证储能SOC的状态等优点，能够维持储能长期稳定出力。

附图说明

图1是本发明惯性响应阶段任务系数随频率偏差变化规律示意图；

图2是本发明惯性响应阶段任务系数随频率偏差变化率变化规律示意图；

图3是本发明一次调频阶段任务系数随频率偏差变化规律示意图；

图4是本发明一次调频阶段任务系数随频率偏差变化率变化规律示意图；

图5本发明虚拟负惯性单位调节功率调整规律示意图；

图6是不同控制方式下频率偏差变化示意图；

图7是不同控制方式下频率偏差变化率示意图；

图8是不同控制方式下储能SOC变化示意图；

图9是不同控制方式下储能输出功率变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

1、本发明提出一种基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，它包括以下步骤：

1)以最大频率偏差为界将整个一次调频过程划分为惯性响应阶段和一次调频阶段；

2)考虑任务系数的储能出力深度控制；

3)基于SOC与最大频差反馈的储能出力深度控制。

所述步骤1)中的惯性响应阶段和一次调频阶段的划分方法如下：

①惯性响应阶段定义为：从频率偏差越过调频死区开始，到频率偏差达到最大值为止；

②一次调频阶段定义为：从频率偏差最大值出现时刻开始，到频率偏差首次达到稳态值为止。

所述步骤2)中的考虑任务系数的储能出力深度控制方法如下：

①惯性响应阶段储能出力深度确定

为有效抑制频率变化率，减小最大频率偏差，在惯性响应阶段采用虚拟惯性为主，虚拟下垂为辅的综合控制方式，建立如式(1)所示的任务系数解析模型，式(1)所确定的解析模型下，惯性响应阶段的分配系数变化曲线分别如图1和图2所示；

式中，a₁为虚拟下垂控制任务系数；a₂为虚拟惯性控制任务系数；Δf为频率偏差；n₁为曲线的形状参数，

确定虚拟下垂控制的任务系数a₁与虚拟惯性控制的任务系数a₂后，可进一步确定储能在惯性响应阶段的出力深度如式(2)：

式中，P_ess为储能的功率；K_ess为虚拟下垂控制单位调节功率；M_ess ⁺为虚拟惯性控制单位调节功率；

为频率偏差变化率；

②一次调频阶段储能出力深度确定

虚拟惯性控制在频率处于恢复过程时会制约频率恢复，为此对虚拟惯性控制加以修正，提出虚拟负惯性控制，在频率恢复过程中发挥促进频率恢复的作用，采用负虚拟惯性控制时，储能出力表达式如式(3)：

式中，M_ess ^-为虚拟负惯性控制单位调节功率；

为适应一次调频阶段的频率变化特点，采用虚拟下垂控制与虚拟负惯性控制的综合控制方式，虚拟下垂控制任务系数与虚拟负惯性控制任务系数的调整方法如式(4)，一次调频阶段的分配系数变化曲线分别如图3和图4所示，

式中，b₁为虚拟下垂控制任务系数；b₂为虚拟负惯性控制任务系数；n₂为曲线的形状参数；f₀为曲线的形状参数；

Δf_max为最大频率偏差；

确定虚拟下垂控制任务系数b₁与虚拟负惯性控制任务系数b₂后，可进一步确定储能在一次调频阶段的出力为如式(5)：

所述步骤3)中的基于储能SOC与最大频差反馈的储能出力深度控制方法如下：

①虚拟负惯性系数自适应调整方案

惯性响应过程持续时间短暂，一般在10s以内，而一次调频阶段持续时间在20s以上。可见，虚拟负惯性控制作用的时间相对较长，因此采用虚拟负惯性控制过程中应该考虑储能SOC的影响对储能的单位调节功率进行调整，限制储能出力。在一次调频阶段采用变虚拟负惯性系数方式，使虚拟负惯性系数根据储能SOC与最大频率偏差自适应变化，其表达式如式(6)：

M_ess ^-＝m₁·m₂·M_ess ^- _max(m₁·m₂≤1) (6)

式中，M_ess ^- _max为虚拟负惯性控制单位调节功率最大值；m₁为SOC决策因子；m₂为最大频率偏差决策因子；其中m₁和m₂分别随SOC、最大频率偏差自适应变化；变化规律分别为式(7)、式(8)：

式中，SOC_min为储能SOC的最小值；SOC_max为储能SOC的最大值；Δf_max为最大频率偏差；Δf_d为频率调节死区；Δf_{max_N}为系统最大频差限值；

m₁与m₂作为决策因子共同调整负惯性系数，为了保证惯性系数不超过储能能够承担的最大虚拟负惯性系数，设定m₁·m₂≤1，最终得到储能虚拟负惯性系数随储能SOC与Δf_max的曲线如图5；

②虚拟下垂系数自适应调整方案

固定虚拟下垂系数在储能电量充足时效果良好，但是在容量不足时会加快储能容量的耗尽，给电网频率带来二次冲击。因此，虚拟下垂系数基于双曲正切函数获得K_ess-SOC曲线，表达式为式(9)、式(10)：

式中，K_d、K_c分别代表储能的虚拟单位放电功率、虚拟单位充电功率，K_max表示最大虚拟单位调节功率，SOC_min、SOC_low、SOC_high、SOC_max分别对应储能SOC的最小值、偏小值、偏大值、最大值；P₀、n为曲线的自适应因子。

本发明对某区域电网进行研究，该电网机组额定容量为1000MW，风电机组占比40％，配置储能容量40MW/7MWh。参数以机组额定容量及电网额定频率50Hz为基准进行标幺化。为证明本发明方法的有效性，在采用自适应综合方法、直接切换方法、定K&M自适应切换方法和无储能的工况下，加入幅值大小为0.05pu的阶跃负荷扰动，在初始储能SOC为0.5情况下，对比各控制方法的调频特性，表1为各种方法下调频指标的计算结果，图6为阶跃扰动下的频率偏差曲线，可以看出，加入储能可以有效减小系统最大频率偏差，且根据表1，本发明方法下的最大频率偏差较无储能方式降低32.69％，稳态频率偏差较无储能降低23.33％。另外，本发明方法在惯性响应阶段以虚拟惯性为主，在一次调频阶段以虚拟下垂为主，对比在惯性响应阶段仅依靠惯性控制出力的直接切换方法，最大频率偏差可降低20.41％。本发明假定若频率恢复期间的频率变化率小于0.0001p.u.且趋于稳定，则视为频率已恢复稳态。图7为阶跃扰动工况下的频率偏差变化率曲线。可以看出，本发明采用虚拟负惯性方法加速频率恢复，可以使频率率先恢复稳态，结合表1指标，不难得到本发明方法达到稳态的时间相较于在一次调频阶段采用虚拟惯性控制可缩短7％。图8为工况1下的储能SOC变化曲线，可以看出，由于储能容量相对充足，本发明方法与定K&M自适应切换方法均能以较高的功率出力，二者的储能SOC变化对比差异不大，且均与标准储能SOC的偏移度很小。但直接切换方法由于没有任务系数进行调频任务量的分配，在一次调频阶段内长时间以最大下垂系数出力，储能SOC维持效果比本发明方法与定K&M自适应切换方法低11.69％。工况1下的储能出力曲线如图9，据图9可以看出，直切切换方法在最大频率偏差时刻由虚拟惯性控制方式直接切换为虚拟下垂控制方式，储能出力发生较大的跃变；而采用本发明的变任务系数方法可以实现储能控制方式的平滑切换，即实现储能出力的平滑过渡，在惯性阶段和一次调频阶段的切换点未出现功率的跃变现象。

表1工况1：阶跃负荷扰动评价指标

综上，本发明所述基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制法比其他几种调节方式更有利于频率的长期稳定与储能SOC的维持，能够提高储能的运行经济性。

本发明提出的基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，实现了虚拟惯性控制、虚拟下垂控制、虚拟负惯性控制3种控制方式的有机结合与平滑切换，储能出力无突降为0后又突然升高的现象，在频率恢复阶段采用了虚拟负惯性控制，使得频率恢复速度加快，减小了频率恢复稳态的时间，相较与在频率恢复阶段采用虚拟惯性控制，频率恢复时间缩短7％，变下垂系数、变虚拟负惯性系数的调整方案可有效维持储能SOC，改善频率偏差。

本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，其特征是：它包括以下步骤：

1)以最大频率偏差为界将整个一次调频过程划分为惯性响应阶段和一次调频阶段；

2)考虑任务系数的储能出力深度控制；

3)基于储能SOC与最大频差反馈的储能出力深度控制。

2.如权利要求1所述的基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，其特征是：所述步骤1)中的惯性响应阶段和一次调频阶段的划分方法如下：

①惯性响应阶段定义为：从频率偏差越过调频死区f_d开始，到频率偏差达到最大值|Δf_m|为止；

②一次调频阶段定义为：从频率偏差最大值出现时刻开始，到频率偏差首次达到稳态值为止。

3.如权利要求1所述的基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，其特征是：所述步骤2)中的考虑任务系数的储能出力深度控制方法如下：

①惯性响应阶段储能出力深度确定

在惯性响应阶段采用虚拟惯性为主，虚拟下垂为辅的综合控制方式，建立如式(1)所示的任务系数解析模型：

式中，a₁为虚拟下垂控制任务系数；a₂为虚拟惯性控制任务系数；Δf为频率偏差；n₁为曲线的形状参数；

确定虚拟下垂控制的任务系数a₁与虚拟惯性控制的任务系数a₂后，可进一步确定储能在惯性响应阶段的出力深度如式(2)：

式中，P_ess为储能的功率；K_ess为虚拟下垂控制单位调节功率；M_ess ⁺为虚拟惯性控制单位调节功率；

为频率偏差变化率；

②一次调频阶段储能出力深度确定

提出虚拟负惯性控制，用于对虚拟惯性控制加以修正，以在频率恢复过程中发挥促进频率恢复的作用，采用负虚拟惯性控制时，储能出力表达式如式(3)：

式中，M_ess ^-为虚拟负惯性控制单位调节功率；

为适应一次调频阶段的频率变化特点，采用虚拟下垂控制与虚拟负惯性控制的综合控制方式，虚拟下垂控制任务系数与虚拟负惯性控制任务系数的调整方法如式(4)，

式中，b₁为虚拟下垂控制任务系数；b₂为虚拟负惯性控制任务系数；n₂为曲线的形状参数；f₀为曲线的形状参数；

Δf_max为最大频率偏差；

确定虚拟下垂控制任务系数b₁与虚拟负惯性控制任务系数b₂后，可进一步确定储能在一次调频阶段的出力为如式(5)：

4.如权利要求1所述的基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制方法，其特征是：所述步骤(3)中的基于储能SOC与最大频差反馈的储能出力深度控制方法如下：

①虚拟负惯性系数自适应调整方案

在一次调频阶段采用变虚拟负惯性系数方式，使虚拟负惯性系数根据储能SOC与最大频率偏差自适应变化，其表达式如式(6)：

M_ess ^-＝m₁·m₂·M_ess ^- _max(m₁·m₂≤1) (6)

式中，M_ess ^- _max为虚拟负惯性控制单位调节功率最大值；m₁为储能SOC决策因子；m₂为最大频率偏差决策因子；其中m₁和m₂分别随储能SOC、最大频率偏差自适应变化；变化规律分别为式(7)、式(8)：

式中，SOC_min为储能SOC的最小值；SOC_max为储能SOC的最大值；Δf_max为最大频率偏差；Δf_d为频率调节死区，Δf_{max_N}为系统最大频差限值；

m₁与m₂作为决策因子共同调整负惯性系数，为了保证惯性系数不超过储能能够承担的最大虚拟负惯性系数，设定m₁·m₂≤1；

②虚拟下垂系数自适应调整方案

虚拟下垂系数基于双曲正切函数获得K_ess-SOC曲线，表达式为式(9)、式(10)：

式中，K_d、K_c分别代表储能的虚拟单位放电功率、虚拟单位充电功率；K_max表示最大虚拟单位调节功率；SOC_min、SOC_low、SOC_high、SOC_max分别对应储能SOC的最小值、偏小值、偏大值、最大值；P₀、n为曲线的自适应因子。

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