CN113612236A - 一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业负荷需求侧管理技术领域，具体提供了一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法及装置，旨在解决矿热炉和工业园区储能装置协同配合参与电网调频响应的技术问题。包括：基于储能装置的充放电功率确定储能装置的可调容量；基于矿热炉的有功功率及冶炼阶段最小有功功率限制确定矿热炉的可调容量；利用所述储能装置的可调容量、矿热炉的可调容量以及工业负荷参与电网调频响应的功率确定矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率和储能装置的调节功率。该方案能够增加负荷侧可调容量，减轻发电机侧压力，实现源网荷储协同保证电网的安全稳定性。

Description

一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法及装置

技术领域

本发明涉及工业负荷需求侧管理领域，具体涉及一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法及装置。

背景技术

随着电网规模的扩大、高比例新能源的接入以及负荷日益加重，电网的调峰调频以及频率稳定问题越来越严峻。电弧类高耗能工业负荷具有耗电多、功率稳定的特点，有巨大的功率调控潜力，在短时内调节工业负荷的功率并不会对工业生产造成严重影响，因此大容量、高耗能的工业负荷可以参与电网调峰调频。

常规情况下矿热炉和工业园区储能装置各自都具有一定的需求侧参与调频的能力，但各自的调频能力有限。对于电力系统的大扰动，可能主要还是依靠增加发电机出力或者储能出力使系统稳定。

发明内容

为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决矿热炉和工业园区储能装置协同配合参与电网调频响应的技术问题的矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法及装置。

第一方面，提供一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法，所述矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法包括：

基于储能装置的充放电功率确定储能装置的可调容量；

基于矿热炉的有功功率及冶炼阶段最小有功功率限制确定矿热炉的可调容量；

利用所述储能装置的可调容量、矿热炉的可调容量以及工业负荷参与电网调频响应的功率确定矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率和储能装置的调节功率。

优选的，所述储能装置的可调容量的计算式如下：

ΔP_SOC＝NP_b

上式中，ΔP_SOC为储能装置的可调容量，P_b为储能装置中储能电池的充放电功率，N为储能装置中储能电池的总数量。

优选的，所述矿热炉的可调容量的计算式如下：

ΔP_SAF＝P_{SAF max}-P_{SAF min}

上式中，ΔP_SAF为矿热炉的可调容量，P_{SAF max}为矿热炉的有功功率最大值，P_{SAF min}为矿热炉的有功功率最小值；

其中，按下式确定所述矿热炉的有功功率最小值P_{SAF min}：

按下式确定所述矿热炉的有功功率最大值P_{SAF max}：

上式中，P_{SAF min}为矿热炉的有功功率最小值，R_line为电弧的静态电阻，R_{arc min}为电弧的静态电阻最小值，R_{arc max}为电弧的静态电阻最大值，X_line为静态电抗，X_{arc min}为静态电抗最小值，X_{arc max}为静态电抗最大值，V_L为矿热炉的有载调压变压器低压侧电压，P_t,min为矿热炉的冶炼阶段最小有功功率。

进一步的，按下式确定所述矿热炉的有载调压变压器低压侧电压V_L：

V_L＝V_AH/k_SAF

上式中，V_AH为矿热炉的有载调压变压器高压侧电压，k_SAF为矿热炉的有载调压变压器变比。

进一步的，所述矿热炉的有载调压变压器变比满足：k_SAF∈{k_SAF1,k_SAF2,k_SAF3,…,k_SAFn}，其中，k_SAFn为矿热炉的有载调压变压器的可调级数为n时对应的变压器变比，n为有载调压变压器的可调级数总数。

进一步的，按下式确定所述静态电抗最小值X_{arc min}：

上式中，

为电弧功率因数，

为电弧功率因数最大值，所述电弧功率因数

满足

为电弧功率因数最小值。

优选的，所述矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率的计算式如下：

所述矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时储能装置的调节功率的计算式如下：

上式中，ΔP_SAF,t为矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率，ΔP_SOC,t为矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时储能装置的调节功率，ΔP_SAF为矿热炉的可调容量，ΔP_SOC为储能装置的可调容量，ΔP为工业负荷参与电网调频响应的功率。

第二方面，提供一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定装置，所述矿热炉和储能协同配合的调频容量确定装置包括：

第一确定模块，用于基于储能装置的充放电功率确定储能装置的可调容量；

第二确定模块，用于基于矿热炉的有功功率及冶炼阶段最小有功功率限制确定矿热炉的可调容量；

第三确定模块，用于利用所述储能装置的可调容量、矿热炉的可调容量以及工业负荷参与电网调频响应的功率确定矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率和储能装置的调节功率。

本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

本发明提供了一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法及装置，旨在解决矿热炉和工业园区储能装置协同配合参与电网调频响应的技术问题。包括：基于储能装置的充放电功率确定储能装置的可调容量；基于矿热炉的有功功率及冶炼阶段最小有功功率限制确定矿热炉的可调容量；利用所述储能装置的可调容量、矿热炉的可调容量以及工业负荷参与电网调频响应的功率确定矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率和储能装置的调节功率。该方案以矿热炉和储能电池的调频容量比为分配原则，求出矿热炉和储能装置各自需要调节的功率，实现对电网功率波动的协同平抑，矿热炉和储能装置协同参与电网互动响应，大大增加负荷侧可调容量，同时减轻发电机侧输出压力。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法的主要步骤流程示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法的具体步骤流程示意图；

图3是本发明实施例中储能电池荷电状态模型示意图；

图4是本发明实施例中储能电池的运行状态示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的矿热炉和储能协同配合的调频容量确定装置的主要结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

参阅附图1和附图2，图1是根据本发明的一个实施例的矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法的主要步骤流程示意图，图2是根据本发明的一个实施例的矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法的具体步骤流程示意图。

如图1所示，本发明实施例中的矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法主要包括以下步骤：

步骤S101：基于储能装置的充放电功率确定储能装置的可调容量；

步骤S102：基于矿热炉的有功功率及冶炼阶段最小有功功率限制确定矿热炉的可调容量；

步骤S103：利用所述储能装置的可调容量、矿热炉的可调容量以及工业负荷参与电网调频响应的功率确定矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率和储能装置的调节功率。

具体的，首先分析矿热炉的生产约束边界条件，包括变压器可调范围，电弧静态电阻范围，功率因素约束和最小冶炼功率约束等条件，确定矿热炉的理论可调容量。然后基于储能装置荷电状态SOC的约束上下限，确定储能电池在一定时间尺度内的出力作为调频容量。

本实施例中，所述储能装置的可调容量的计算式如下：

ΔP_SOC＝NP_b

上式中，ΔP_SOC为储能装置的可调容量，P_b为储能装置中储能电池的充放电功率，N为储能装置中储能电池的总数量。

所述矿热炉的可调容量的计算式如下：

ΔP_SAF＝P_SAFmax-P_SAFmin

上式中，ΔP_SAF为矿热炉的可调容量，P_{SAF max}为矿热炉的有功功率最大值，P_{SAF min}为矿热炉的有功功率最小值；

在一个实施方式中，矿热炉功率调节方式主要包括定阻抗调电压和定电压调阻抗两种方式，将两种调节方式结合起来即得到阻抗-电压协同调节方法，具体的，矿热炉的生产约束边界条件具体可以包括：

矿热炉有功和无功功率特性。

其中，P_SAF为矿热炉有功功率，Q_SAF为矿热炉无功功率，V_L为有载调压变压器低压侧电压，R_line和X_line为网络电阻和电抗，R_arc和X_arc为电弧的静态电阻和静态电抗，其中电弧静态电阻R_arc和静态电抗X_arc之间的关系可由实际生产数据拟合得到。

对于矿热炉专用变压器，高压侧电压为V_AH，低压侧电压为V_L，k_SAF为变压器变比，则假定电弧静态阻抗不变，矿热炉专用变压器低压侧电压满足：

V_L＝V_AH/k_SAF (3)

其中，假设变压器变比可调级数为n，则变压器变比满足：

k_SAF∈{k_SAF1,k_SAF2,k_SAF3,…,k_SAFn} (4)

电弧静态电阻满足：

R_arcmin≤R_arc≤R_arcmax (5)

电弧功率因数满足：

即电弧电阻和电弧电抗满足关系：

X_arcmin≤X_arc≤X_arcmax (7)

其中

再考虑各个冶炼阶段满足最小有功功率限制：

P_SAF,t≥P_t,min (10)

矿热炉有功功率和无功功率为：

P_SAFmin≤P_SAF≤P_SAFmax (11)

Q_SAFimin≤Q_SAF≤Q_SAFimax (12)

其中按下式确定所述矿热炉的有功功率最小值P_{SAF min}：

按下式确定所述矿热炉的有功功率最大值P_{SAF max}：

上式中，P_{SAF min}为矿热炉的有功功率最小值，R_line为电弧的静态电阻，R_{arc min}为电弧的静态电阻最小值，R_{arc max}为电弧的静态电阻最大值，X_line为静态电抗，X_{arc min}为静态电抗最小值，X_{arc max}为静态电抗最大值，V_L为矿热炉的有载调压变压器低压侧电压，P_t,min为矿热炉的冶炼阶段最小有功功率，Q_SAFimin为矿热炉的无功功率最小值，Q_SAFimax为矿热炉的无功功率最大值。

对于储能电池，当电网功率过剩时，电网会对储能电池进行充电，当电网出现功率缺额时，储能电池可以放电做功率支撑，储能电池充放电的性能指标主要由荷电状态SOC来决定。储能电池荷电状态模型如图3所示。储能电池荷电状态SOC(state of charge)是指在一定放电倍率下，电池剩余电量与额定电量之比，如式(17)所示。

其中，SOC为电池的荷电状态，SOC₀为电池的初始荷电水平，Q_N为电池的额定容量，P_b为充放电功率，η为电池充放电效率。

基于储能电池的SOC状态，将储能电池的运行状态分为正常运行状态与警戒状态，如图4所示。当储能电池长期运行在低警戒与高警戒状态都会大大缩短电池的寿命，因此防止电池过充过放是延缓缩短电池寿命的重要措施。

因此，为了延长储能电池的工作寿命，规定储能电池放电的最低荷电状态为SOCmin，满足关系：

SOC_min＝0.2SOC_N (18)

其中SOC_N为储能电池在额定状态下的荷电状态。因此储能电池在放电时满足的荷电状态约束为：

SOC_min≤SOC (19)

基于式(17)～(19)，储能电池可提供的功率支撑为P_b，由于单台储能电池的容量有限，一般情况都是将N台储能电池并联以提高储能总容量，于是在满足荷电状态约束的一定时间尺度内，可以得到所述储能装置的可调容量的计算式。

最后，对矿热炉和储能装置的功率进行归一化处理，计算二者调频容量比，以调频容量比为分配原则计算功率扰动下矿热炉和储能装置分别需要调节的功率。

本实施例中，所述矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率的计算式如下：

所述矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时储能装置的调节功率的计算式如下：

上式中，ΔP_SAF,t为矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率，ΔP_SOC,t为矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时储能装置的调节功率，ΔP_SAF为矿热炉的可调容量，ΔP_SOC为储能装置的可调容量，ΔP为工业负荷参与电网调频响应的功率。

确定矿热炉负荷调节ΔP_SAF,t时变压器变比k_SAF以及电弧静态电阻和电抗的值，下发至矿热炉负荷即可实现有功功率的调节，确定储能电池在一定时间尺度内需要提供的功率，将结果传输给储能装置的控制系统以实现储能装置放电功率的调节，最终实现基于矿热炉和储能装置的协同配合保证电网频率稳定。

基于同一发明构思，本发明还提供一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定装置，如图5所示，所述矿热炉和储能协同配合的调频容量确定装置包括：

第一确定模块，用于基于储能装置的充放电功率确定储能装置的可调容量；

第二确定模块，用于基于矿热炉的有功功率及冶炼阶段最小有功功率限制确定矿热炉的可调容量；

第三确定模块，用于利用所述储能装置的可调容量、矿热炉的可调容量以及工业负荷参与电网调频响应的功率确定矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率和储能装置的调节功率。

优选的，所述储能装置的可调容量的计算式如下：

ΔP_SOC＝NP_b

上式中，ΔP_SOC为储能装置的可调容量，P_b为储能装置中储能电池的充放电功率，N为储能装置中储能电池的总数量。

优选的，所述矿热炉的可调容量的计算式如下：

ΔP_SAF＝P_SAFmax-P_SAFmin

上式中，ΔP_SAF为矿热炉的可调容量，P_{SAF max}为矿热炉的有功功率最大值，P_{SAF min}为矿热炉的有功功率最小值；

其中，按下式确定所述矿热炉的有功功率最小值P_{SAF min}：

按下式确定所述矿热炉的有功功率最大值P_{SAF max}：

上式中，P_{SAF min}为矿热炉的有功功率最小值，R_line为电弧的静态电阻，R_{arc min}为电弧的静态电阻最小值，R_{arc max}为电弧的静态电阻最大值，X_line为静态电抗，X_{arc min}为静态电抗最小值，X_{arc max}为静态电抗最大值，V_L为矿热炉的有载调压变压器低压侧电压，P_t,min为矿热炉的冶炼阶段最小有功功率。

进一步的，按下式确定所述矿热炉的有载调压变压器低压侧电压V_L：

V_L＝V_AH/k_SAF

上式中，V_AH为矿热炉的有载调压变压器高压侧电压，k_SAF为矿热炉的有载调压变压器变比。

进一步的，所述矿热炉的有载调压变压器变比满足：k_SAF∈{k_SAF1,k_SAF2,k_SAF3,…,k_SAFn}，其中，k_SAFn为矿热炉的有载调压变压器的可调级数为n时对应的变压器变比，n为有载调压变压器的可调级数总数。

进一步的，按下式确定所述静态电抗最小值X_{arc min}：

上式中，

为电弧功率因数，

为电弧功率因数最大值，所述电弧功率因数

满足

为电弧功率因数最小值。

优选的，所述矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率的计算式如下：

所述矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时储能装置的调节功率的计算式如下：

上式中，ΔP_SAF,t为矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率，ΔP_SOC,t为矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时储能装置的调节功率，ΔP_SAF为矿热炉的可调容量，ΔP_SOC为储能装置的可调容量，ΔP为工业负荷参与电网调频响应的功率。

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。

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 (8)

1.一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定方法，其特征在于，所述方法包括：

基于储能装置的充放电功率确定储能装置的可调容量；

基于矿热炉的有功功率及冶炼阶段最小有功功率限制确定矿热炉的可调容量；

利用所述储能装置的可调容量、矿热炉的可调容量以及工业负荷参与电网调频响应的功率确定矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率和储能装置的调节功率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述储能装置的可调容量的计算式如下：

ΔP_SOC＝NP_b

上式中，ΔP_SOC为储能装置的可调容量，P_b为储能装置中储能电池的充放电功率，N为储能装置中储能电池的总数量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿热炉的可调容量的计算式如下：

ΔP_SAF＝P_SAFmax-P_SAFmin

上式中，ΔP_SAF为矿热炉的可调容量，P_SAFmax为矿热炉的有功功率最大值，P_SAFmin为矿热炉的有功功率最小值；

其中，按下式确定所述矿热炉的有功功率最小值P_SAFmin：

按下式确定所述矿热炉的有功功率最大值P_SAFmax：

上式中，P_SAFmin为矿热炉的有功功率最小值，R_line为电弧的静态电阻，R_arcmin为电弧的静态电阻最小值，R_arcmax为电弧的静态电阻最大值，X_line为静态电抗，X_arcmin为静态电抗最小值，X_arcmax为静态电抗最大值，V_L为矿热炉的有载调压变压器低压侧电压，P_t,min为矿热炉的冶炼阶段最小有功功率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，按下式确定所述矿热炉的有载调压变压器低压侧电压V_L：

V_L＝V_AH/k_SAF

上式中，V_AH为矿热炉的有载调压变压器高压侧电压，k_SAF为矿热炉的有载调压变压器变比。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述矿热炉的有载调压变压器变比满足：k_SAF∈{k_SAF1,k_SAF2,k_SAF3,…,k_SAFn}，其中，k_SAFn为矿热炉的有载调压变压器的可调级数为n时对应的变压器变比，n为有载调压变压器的可调级数总数。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，按下式确定所述静态电抗最小值X_arcmin：

上式中，

为电弧功率因数，

为电弧功率因数最大值，所述电弧功率因数

满足

为电弧功率因数最小值。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率的计算式如下：

所述矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时储能装置的调节功率的计算式如下：

上式中，ΔP_SAF,t为矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率，ΔP_SOC,t为矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时储能装置的调节功率，ΔP_SAF为矿热炉的可调容量，ΔP_SOC为储能装置的可调容量，ΔP为工业负荷参与电网调频响应的功率。

8.一种矿热炉和储能协同配合的调频容量确定装置，其特征在于，所述装置包括：

第一确定模块，用于基于储能装置的充放电功率确定储能装置的可调容量；

第二确定模块，用于基于矿热炉的有功功率及冶炼阶段最小有功功率限制确定矿热炉的可调容量；

第三确定模块，用于利用所述储能装置的可调容量、矿热炉的可调容量以及工业负荷参与电网调频响应的功率确定矿热炉和储能装置协同配合参与电网调频响应时矿热炉的调节功率和储能装置的调节功率。

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