CN113937790B - 一种用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法 - Google Patents

一种用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供的一种用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法，解决储能系统一次调频与二次调频配合的问题。配合方法包括：获取一次调频指令和二次调频指令；若所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向相反，则根据配电网的频率偏差，得到增益系数；根据所述增益系数，调节所述一次调频指令中的下垂系数，用以使电化学储能系统对频率变化的响应加强。本申请提供的一次调频与二次调频的配合方法，当一次调频指令的调节方向和二次调频指令的调节方向相反时，通过引入下垂控制环节的增益系数，来实现一次调频与二次调频的配合，从而改变一次调频指令对储能系统处理的影响程度，对于频率波动或突变的情况有良好的适应能力。

Description

一种用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法
技术领域
本申请涉及电力系统调频技术应用领域，尤其涉及一种用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法。
背景技术
随着电能储能规模的扩大，需要对电力系统(包括储能系统和配电网)进行调频，以实现对当前电力系统的综合控制。常规储能系统，如火力发电储能系统和水力发电储能系统，参与电力系统调频的方式通常为一次调频和二次调频相配合。其中，一次调频的指令通过直接采集配电网的频率偏差或发电机转速偏差计算得出，其工作方式是频率闭环；二次调频的指令是调度中心根据区域控制偏差发出，其工作方式是功率闭环。一次调频和二次调频的调频响应时间并不相同，以火力发电机组为例，一次调频响应时间在3s以内；由于受能量转换过程的时间限制，二次调频对系统负荷变化的响应比一次调频慢得多，它的响应时间一般需要1～2min。
常规储能系统一次调频和二次调频的配合策略为以一次调频为主。具体来说，一次调频动作时，退出二次调频，一次调频动作迅速能够有效支撑电力系统稳定，该模式下当电力系统发生波动时，储能系统优先响应一次调频指令，而闭锁二次调频指令，当一次调频指令消失后，储能才开始按照二次调频指令进行调节。
然而，通过常规储能系统一次调频和二次调频的配合策略得到的调频结果对潮流控制的精度低，不适用于电化学储能系统。
发明内容
本申请提供一种用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法，解决储能系统一次调频与二次调频配合的问题。
第一方面，本申请提供一种用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法，包括：获取一次调频指令和二次调频指令；若所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向相反，则根据配电网的频率偏差，得到增益系数；根据所述增益系数，调节所述一次调频指令中的下垂系数，用以使电化学储能系统对频率变化的响应加强。
这样，一次调频指令由电化学储能系统本身完成，二次调频指令通过采集配电网的频率和功率来计算差额来生成，若一次调频指令的调节方向和二次调频指令的调节方向相反，则通过采集到的配电网的频率来计算增益系数，进而通过增益系数计算一次调频中下垂控制环节的下垂系数，从而改变一次调频指令对储能系统处理的影响程度，最终实现一次调频与二次调频的配合。本申请提供的一次调频与二次调频的配合方法，当一次调频指令的调节方向和二次调频指令的调节方向相反时，一次调频指令和二次调频指令并不是简单的叠加，而是通过引入下垂控制环节的增益系数，来实现一次调频与二次调频的配合，从而改变一次调频指令对储能系统处理的影响程度，这对于功率缺失或突变的情况有良好的适应能力，本申请不但充分利用储能发电系统可控精度高、对调频指令响应速度快的优势，又可以根据当前电力系统的情况进行综合控制；另外，还能很大程度上减小二次调频由于控制计算周期较长，带来调节滞后的不利影响。
在某一实施例中，配合方法还包括：若所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向相同，则将所述一次调频指令和所述二次调频指令叠加。
在某一实施例中，配合方法还包括：当所述电化学储能系统的二次调频结束或者一次调频恢复时，则退出所述一次调频与所述二次调频的配合。
在某一实施例中，所述增益系数k的计算公式为：
k＝k0·e|Δf|(k0≥0)；
其中，|Δf|表示为频率偏差的绝对值；k0表示为初始增益系数。
在某一实施例中，所述下垂控制环节包括可变下垂控制环节，所述可变下垂控制环节中下垂系数的计算公式如下：
其中，SOC(t)为电化学储能系统的实时状态值，且SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax，f为电化学储能系统的当前系统频率，fref为电化学储能系统的系统目标频，k为增益系数，放电为电化学储能系统处于放电状态，充电为电化学储能系统处于充电状态。下垂增益系数k，其值的大小直接影响下垂系数，当k＝0时，Kdr＝0，即控制系统可变下垂控制特性失效，电化学储能系统无法参加一次调频响应，相当于闭锁一次调频。若k的取值较大时，则在相同工况下间接增大了Kdr的值，使得电化学储能系统对频率变化的响应加强。
在某一实施例中，在当前系统频率f低于阈值，且偏差大于一次调频死区Δfref时，所述电化学储能系统处于放电状态；在当前系统频率f高于正常值，且偏差大于储能一次调频死区Δfref时，所述电化学储能系统处于充电状态。当处于放电状态时；此时Kdr的大小应正比于SOC值，即SOC值越高下垂系数越大；当SOC低于最小工作值时，下垂系数为0，储能系统不对外放电。当处于充电状态时，此时Kdr的大小应反比于SOC值，即SOC值越高下垂系数越小；当SOC值大于最大工作值时，下垂系数为0，储能系统不再充电。
在某一实施例中，若所述增益系数为零，所述下垂控制环节的下垂系数为零，用以闭锁所述一次调频。
在某一实施例中，所述下垂系数随所述增益系数的增大而增大，用以使所述系统对频率变化的响应加强。
在某一实施例中，所述下垂控制环节还包括虚拟惯性控制环节，所述虚拟惯性控制环节以频率变化率来模拟传统发电机的惯性响应，用以降低频率波动幅值增加所述电化学储能系统的阻尼。
本申请提出一种用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法，当同时收到一次调频指令和二次调频指令时，系统首先通过判断两者的调节方向，若调节方向相同则将两控制指令叠加执行，相反则通过调节下垂控制环节的增益系数，改变一次调频指令对储能系统处理的影响程度。该方法充分利用储能发电系统可控精度高，对调频指令响应速度快的优势，又可以根据当前电力系统的情况进行综合控制。特别是在很大程度上减小二次调频由于控制计算周期较长，带来调节滞后的不利影响。
第二方面，本申请提供一种电化学储能控制系统，系统包括：获取模块，所述获取模块被配置为获取一次调频指令和二次调频指令；判断模块，所述判断模块被配置为判断所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向是否相反；计算模块，所述计算模块被配置为根据配电网的频率偏差，得到增益系数；控制模块，所述控制模块被配置为根据所述增益系数，调节所述一次调频指令，用以使电化学储能系统对频率变化的响应加强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请基于虚拟惯性和可变下垂控制的一次调频的控制原理图；
图2为本申请二次调频的流程示意图；
图3为本申请用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法的一种实施例的流程示意图；
图4为本申请用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法的一种实施例的流程示意图；
图5为本申请提供的电化学储能系统的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
电化学储能电池利用化学反应完成电能与化学能之间的相互转化，从而实现电能的存储与释放，目前在各行业都得到广泛运用。随着储能规模的扩大，电化学储能在电力系统调频方面的问题亟待解决。
常规储能系统，如火力发电储能系统和水力发电储能系统，参与电力系统调频的方式通常为一次调频和二次调频相配合，配合策略主要有三种：“以一次调频为主”、“一次调频和二次调频叠加”以及“以二次调频为主”。
下面对以上三种一次调频和二次调频相配合策略进行说明：
“以一次调频为主”：该模式下，当电力系统发生波动时，储能系统优先响应一次调频指令，而闭锁二次调频指令，当一次调频指令消失后，储能才开始按照二次调频指令进行调节。该模式的优点为：一次调频动作迅速能够有效支撑电力系统稳定。
“一次调频和二次调频叠加”：该模式下，当电力系统发生波动时，根据一次调频指令和二次调频指令的调节方向，将一次调频指令和二次调频指令进行叠加，使用叠加后的指令进行调解。
“以二次调频为主”：该模式下，当电力系统发生波动时，闭锁一次调频，优先执行二次调频指令。该模式的优点为：随着电网结构越来越复杂，对潮流控制的精度要求越来越高，二次调频对电网的协调控制起着重要作用，该模式的储能系统优先执行二次调频指令，退出一次调频，待二次调频调整结束，重新开放一次调频功能。
但是，不管是“以一次调频为主”还是“以二次调频为主”，都有其局限性，若是能够兼顾“以一次调频为主”和“以二次调频为主”的优点，才能够适用于电化学储能系统。而“一次调频和二次调频叠加”对于功率缺失或突变的情况适应能力差，因而不能直接运用到电化学储能系统。
下面结合附图说明本申请提供一次调频和二次调频。
图1为本申请基于虚拟惯性和可变下垂控制的一次调频的控制原理图。如图1所示，电化学储能系统参与一次调频主要通过基于虚拟惯性和可变下垂控制完成，下面对参与一次调频的各参数(f、fref、Kdr、Kine)进行说明。f为电化学储能系统的当前系统频率。fref为电化学储能系统的系统目标频。|Δf|为电化学储能系统的当前系统频率和系统目标频的频率偏差的绝对值。Kdr为下垂系数。Kine为惯性系数。Pref为有功功率指令；Qref为无功功率指令。
如图1所示，一次调频的可变下垂控制的原理如下：基于虚拟惯性得到Kine，以及可变下垂控制得到Kdr后，根据电化学储能系统的三相脉冲宽度调制(pulse widthmodulation，PWM)储能逆变器在dq坐标系下的动态方程，解耦后，对d、q轴电流独立控制，电流控制器采用电流反馈控制和电压前馈补偿控制。
其中，上述动态方程如下：
式中，ud、uq为系统电压d、q轴分量；ucd、ucq为控制电压d、q轴分量；id、iq输出电流d、q轴分量；L、R为等效电感和等效电阻，ω为系统电压角频率。
如图1所示，解耦后，电流控制器采用电流反馈控制和电压前馈补偿控制，其表达式为：
式中，Kp1、KI1为d轴电流PI控制器比例系数和积分系数；Kp2、KI2为q轴电流PI控制器比例系数和积分系数；为d、q轴电流参考值。
采用电压定向矢量控制时，当将同步旋转坐标系d轴定向于电压矢量方向时，有ud＝upm(upm为电压矢量幅值)，uq＝0，则此时
因此，此时可得电流参考值为：
式中，Pref为有功功率指令；Qref为无功功率指令。
如图1所示，一次调频的虚拟惯性控制环节的原理如下：以频率变化率来模拟传统发电机的惯性响应，从而达到降低频率波动幅值增加系统阻尼的作用，即：
其中，Kine为惯性系数且Kine＜0，T为虚拟惯性死区。
综上，基于可变下垂系数及虚拟惯性系数的功率控制计算公式为：
图2为本申请二次调频的流程示意图。如图2所示，电化学储能系统参与二次调频的步骤包括：
S001，判断区域控制偏差(area control error，ACE)是否超过电化学储能系统的动作死区。
电力系统发生较大扰动后，频率和联络线功率都会发生变化，以现代大型互联电力系统中各区最常用的自动增益控制(automatic gain control，AGC)联络线频率偏差控制模式(Tie-Line Frequency Bias Control-TBC)为例，ACE的计算公式为：ACE＝ΔPtie+BΔf，其中ΔPtie为联络线实际功率与计划功率偏差，B为频率偏差系数。
S002，若ACE值超过了动作死区，则储能AGC投入响应二次调频指令。
自动发电控制系统根据ACE值的大小进行分区域控制，
S003，计算相应的Δf、ACE及SOC。
S004，需求分解以及功率分配。
自动发电控制系统综合考虑频率变化Δf和储能SOC状态，以不同增益系数和比例进行调节分量计算，并将计算结果下发到储能系统控制单元。
S005，储能系统响应S004中的需求分解以及功率分配。
储能系统控制单元接收到各自承担的调节分量后，通过在参考功率Pref中附加AGC调节量进行储能系统出力调节，即Pref *＝Pref+PAGc。
通过数轮调节，直至ACE恢复至死区以内储能二次调频退出。
下面结合附图说明如图1所示的一次调频和如图2所示的二次调频的配合方法。
图3为本申请用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法的一种实施例的流程示意图。如图3所示，一次调频与二次调频的配合包括：
S01，获取一次调频指令和二次调频指令。
S02，若所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向相反，则根据配电网的频率偏差，得到增益系数。
在某一实现方式中，增益系数可参考当前电化学储能系统的频率偏差来进行确定，如：
k＝k0.e|Δf|(k0≥0)；
其中，|Δf|表示为频率偏差的绝对值；k0表示为初始增益系数。
由上述增益系数的公式可知：其大小与频率偏差的绝对值|Δf|以及二次调频控制指令有关，其值的大小直接影响下垂系数。
S03，根据所述增益系数，调节所述一次调频指令，用以使电化学储能系统对频率变化的响应加强。
根据S02中计算出来的增益系数k值，代入下垂控制环节中进行计算，将计算结果作为一次调频指令并与二次调频指令叠加的指令执行。
其中，代入下垂控制环节中进行计算的步骤包括：
下垂系数的计算公式如下：
其中，SOC(t)为电化学储能系统的实时状态值，且SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax，f为电化学储能系统的当前系统频率，fref为电化学储能系统的系统目标频，k为增益系数，放电为电化学储能系统处于放电状态，充电为电化学储能系统处于充电状态。在当前系统频率f低于阈值，且区域控制偏差大于一次调频死区Δfref时，所述电化学储能系统处于放电状态；在当前系统频率f高于正常值，且区域控制偏差大于储能一次调频死区Δfref时，所述电化学储能系统处于充电状态。
由上述下垂系数的公式可知：电化学储能系统处于放电状态，此时Kdr的大小应正比于SOC值，即SOC值越高下垂系数越大；当SOC低于最小工作值时，下垂系数为0，电化学储能系统不对外放电。电化学储能系统处于充电状态，此时Kdr的大小应反比于SOC值，即SOC值越高下垂系数越小；当SOC值大于最大工作值时，下垂系数为0，电化学储能系统不再充电。当k＝0时，Kdr＝0，即控制系统下垂特性失效，电化学储能系统无法参加一次调频响应，相当于闭锁一次调频，若k的取值较大时，则在相同工况下间接增大了Kdr的值使得储能系统对频率变化的响应加强。
这样，一次调频指令由电化学储能系统本身完成，二次调频指令通过采集配电网的频率和功率来计算差额来生成，若一次调频指令的调节方向和二次调频指令的调节方向相反，则通过采集到的配电网的频率来计算增益系数，进而通过增益系数计算一次调频中下垂控制环节的下垂系数，从而改变一次调频指令对储能系统处理的影响程度，最终实现一次调频与二次调频的配合。本申请提供的一次调频与二次调频的配合方法，当一次调频指令的调节方向和二次调频指令的调节方向相反时，一次调频指令和二次调频指令并不是简单的叠加，而是通过引入下垂控制环节的增益系数，来实现一次调频与二次调频的配合，从而改变一次调频指令对储能系统处理的影响程度，这对于功率缺失或突变的情况有良好的适应能力，本申请不但充分利用储能发电系统可控精度高、对调频指令响应速度快的优势，又可以根据当前电力系统的情况进行综合控制；另外，还能很大程度上减小二次调频由于控制计算周期较长，带来调节滞后的不利影响。
图4为本申请用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法的一种实施例的流程示意图。如图4所示，配合方法包括：
S1，储能控制系统判断当前储能系统是否同时收到了一次调频和AGC二次调频的动作指令。
S2，若没有同时接收到，则储能系统按照接收到的单独指令执行调频功能。
S3，若同时收到来自AGC和一次调频动作信号，则判断所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向是否相同。
S4，若所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向相反，则执行上述实施例中S01-S03。
S5，若所述调节方向相同，则将两控制指令叠加执行。
此时叠加后的控制电流参考值为：
其中，此时增益系数时k值为初始的恒定值。
S6，判断二次调频是否结束或一次调频动作复归。
若是，则结束；若否则重复S3-S6。
图5为本申请提供的电化学储能系统的一种实施例的结构示意图。如图5所示，本申请提供一种电化学储能控制系统，系统包括：获取模块，所述获取模块被配置为获取一次调频指令和二次调频指令；判断模块，所述判断模块被配置为判断所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向是否相反；计算模块，所述计算模块被配置为根据配电网的频率偏差，得到增益系数；控制模块，所述控制模块被配置为根据所述增益系数，调节所述一次调频指令，用以使电化学储能系统对频率变化的响应加强。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法，其特征在于，包括：
获取一次调频指令和二次调频指令；
若所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向相反，则根据配电网的频率偏差，得到增益系数；
根据所述增益系数，调节所述一次调频指令，用以使电化学储能系统对频率变化的响应加强；
所述增益系数k的计算公式为：
k＝k0·eΔf，k0>0；
其中，Δf表示为频率偏差的绝对值；k0表示为初始增益系数；
下垂控制环节包括可变下垂控制环节，所述可变下垂控制环节中下垂系数的计算公式如下：
其中，SOC(t)为电化学储能系统的实时状态值，且SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax，f为电化学储能系统的当前系统频率，fref为电化学储能系统的系统目标频，k为增益系数，放电为电化学储能系统处于放电状态，充电为电化学储能系统处于充电状态。
2.根据权利要求1中所述的配合方法，其特征在于，还包括：
若所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向相同，则将所述一次调频指令和所述二次调频指令叠加。
3.根据权利要求2中所述的配合方法，其特征在于，还包括：当所述电化学储能系统的二次调频结束或者一次调频恢复时，则退出所述一次调频与所述二次调频的配合。
4.根据权利要求1中所述的配合方法，其特征在于，在当前系统频率f低于阈值，且区域控制偏差大于一次调频死区Δfref时，所述电化学储能系统处于放电状态；
在当前系统频率f高于正常值，且区域控制偏差大于储能一次调频死区Δfref时，所述电化学储能系统处于充电状态。
5.根据权利要求4中所述的配合方法，其特征在于，若所述增益系数为零，所述下垂控制环节的下垂系数为零，用以闭锁所述一次调频。
6.根据权利要求5中所述的配合方法，其特征在于，所述下垂系数随所述增益系数的增大而增大，用以使所述系统对频率变化的响应加强。
7.根据权利要求1中所述的配合方法，其特征在于，所述下垂控制环节还包括虚拟惯性控制环节，所述虚拟惯性控制环节以频率变化率来模拟传统发电机的惯性响应，用以降低频率波动幅值增加所述电化学储能系统的阻尼。
8.一种电化学储能控制系统，应用于权利要求1所述的用于电化学储能系统一次调频与二次调频的配合方法，其特征在于，包括：
获取模块，所述获取模块被配置为获取一次调频指令和二次调频指令；
判断模块，所述判断模块被配置为判断所述一次调频指令的调节方向和所述二次调频指令的调节方向是否相反；
计算模块，所述计算模块被配置为根据配电网的频率偏差，得到增益系数；
控制模块，所述控制模块被配置为根据所述增益系数，调节所述一次调频指令，用以使电化学储能系统对频率变化的响应加强。
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