CN113949077B - 基于soc正弦函数的储能一次调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于SOC正弦函数的储能一次调频控制方法，属于储能调频技术领域，包括以下步骤：计算储能系统中储能电池的当前时刻荷电状态值SOC；进行电网实际频率采样，通过电网实际频率与电网额定频率的频率差值判断储能系统工作状态；储能系统中储能逆变器采用VSG技术控制，其功率参考P_ref由基于SOC正弦函数的频率下垂控制得出；根据VSG功率参考指令进行电网频率调节。本发明控制中采用基于SOC正弦函数的下垂系数，简化了下垂系数的设计，使得下垂系数曲线连续、光滑，同时采用此下垂系数可以较好的兼顾调频效果与荷电状态维持效果，使得此调频方法更具有优越性。

Description

基于SOC正弦函数的储能一次调频控制方法

技术领域

本发明涉及储能调频技术领域，特别是一种基于SOC正弦函数的储能一次调频控制方法。

背景技术

由于化石能源供应不足及其造成的环境污染问题，可再生能源中的风能和太阳能因来源丰富及利用过程中对环境污染小而受到重视，但其存在的间歇性和波动性导致电网频率波动加剧，甚至影响电网的安全稳定运行，为保证其供电的均衡性和连续性，储能装置成为风力发电、光伏发电系统的关键配套部件。而储能电池以其控制精度高、响应速度快,可双向调节等特点，能实现在任何情况下系统功率的完全平衡，成为一种“主动致稳”的电力系统调频新手段。

关于储能电池参与电网调频的研究中，其控制方法多只考虑电网调频的需求，少有考虑储能电池的荷电状态(State of charge，简称SOC)情况。现有储能调频控制方法中多设计基于定K法，或者变K法下垂系数的下垂控制进行调频。但对于定K法，其不能更好的综合考虑电网调频和储能电池的SOC情况，对于变K法中下垂系数变化曲线分段不连续，需要设计的参数有调节因子n与下垂系数中的K_f-min、K_f-max，且n需要试凑，因K_f-max对函数凹凸性存在影响，当K_f-max改变时需重新试凑n，设计复杂。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于SOC正弦函数的储能一次调频控制方法，简化了下垂系数的设计，使得下垂系数曲线连续、光滑，同时采用此下垂系数可以较好的兼顾调频效果与荷电状态维持效果。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于SOC正弦函数的储能一次调频控制方法，包括以下步骤：

步骤1、计算储能系统中储能电池的当前时刻荷电状态值SOC；

步骤2、进行电网实际频率采样，通过电网实际频率与电网额定频率的频率差值判断储能系统工作状态；

步骤3、储能系统中储能逆变器采用VSG技术控制，其功率参考P_ref由基于SOC正弦函数的频率下垂控制得出；

步骤4、根据VSG功率参考指令进行电网频率调节。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3中，所述下垂控制公式如下所示：

P_ref＝-K_b(SOC)Δf (2)

其中，Δf为电网实际频率与电网额定频率的频率差值，K_b(SOC)为基于SOC正弦函数的下垂系数，取值与储能系统工作状态相关，且K_b(SOC)≥0。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述基于SOC正弦函数的下垂系数K_b(SOC)，其取值与储能系统工作状态相关，分为以下两种情况：

(1)当储能系统工作于放电状态时，K_b(SOC)采用放电系数，其表达式为

其中，K_{f_max}为一次调频出力最大值；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；

(2)当储能系统工作于充电状态时，K_b(SOC)采用充电系数，其表达式为

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明通过设置一个变量SOC来构造下垂系数，达到了变系数下垂控制和简化下垂系数设计的技术效果。

2、本发明设置基于SOC正弦函数的下垂系数，实现了下垂系数曲线存在导数为零的点，适合衔接常数，令整个分段函数图像连续、光滑，保证储能出力持续平稳。

3、本发明通过利用正弦函数的凹凸性，建立下垂系数与SOC的二维关系，同时采用频率下垂控制，实现了控制过程中储能系统更快的充放电来响应调频需求，且兼顾了调频效果和荷电状态维持。

附图说明

图1是本发明本发明基于SOC正弦函数的储能一次调频控制方法流程图；

图2是本发明中VSG功率指令形成原理图；

图3是本发明实施例中不同设计方法下垂系数对比；

图4是本发明实施例中基于正弦函数设计的下垂系数；

图5是本发明实施例中600s负荷扰动变化曲线；

图6是本发明实施例中基于无储能、一次函数、逻辑函数、反正切函数、正弦函数系数的下垂控制的频率偏差变化曲线仿真图；

图7是本发明实施例中基于一次函数、逻辑函数、反正切函数、正弦函数系数的下垂控制下荷电状态变化曲线仿真图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，基于SOC正弦函数的储能一次调频控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、计算储能电池的当前时刻荷电状态值SOC；

步骤2、进行电网实际频率采样，通过电网实际频率与电网额定频率的频率差值判断储能系统工作状态，判断方法如下：

其中，频率差值Δf＝f-f_n，f为电网频率，f_n为额定频率。

步骤3、储能系统中储能逆变器采用虚拟同步电机(Virtual SynchronousGenerator，简称VSG)技术控制，其功率参考P_ref由基于SOC正弦函数的频率下垂控制得出。

所述下垂控制公式如下所示：

P_ref＝-K_b(SOC)Δf (2)

其中，K_b(SOC)为基于SOC正弦函数的下垂系数，取值与储能系统工作状态相关，且K_b(SOC)≥0。

所述的基于SOC正弦函数的下垂系数K_b(SOC)，其取值与储能系统工作状态相关，主要分为以下两种情况：

(1)当储能系统工作于放电状态时，K_b(SOC)采用放电系数，其表达式为

其中，K_{f_max}为一次调频出力最大值；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；

(2)当储能系统工作于充电状态时，K_b(SOC)采用充电系数，其表达式为

步骤4、根据VSG功率参考指令进行电网频率调节。

图2为本发明实施例中形成VSG功率指令的原理图。对于储能电池参与一次调频控制方法的研究重点在于储能系统功率指令的设计。下垂控制是电力系统调频与功率分配的主要手段，因此本发明采用基于SOC正弦函数的频率下垂控制确定功率指令,其中P_of为逆变器输出实际功率，δ为逆变器输出相位。逆变器输出相位与电网电压相位共同决定逆变器向电网输出的实际功率进行电网调频。

如图3所示，储能电池在充放电条件一致时，各种设计方法的下垂系数对比。从图中可以看出正弦函数法在SOC分段点处平滑连续变化，与一次函数法、逻辑函数法和反正切函数法相比，可以做到出力变化更加平滑。图4中单独绘制出了基于SOC正弦函数设计的下垂系数变化曲线，显然下垂系数变化曲线在SOC整个范围内光滑、连续。

如图5所示，为验证调频控制方法的有效性，依据本发明所述的基于SOC正弦函数的频率下垂控制，使电网在600s连续负荷扰动的工况下，进行储能电池的一次调频仿真验证。同时，为了定量评估所述方法调频效果与SOC维持效果，采用频率偏移度和SOC偏移度作为评价指标，如式(5)与式(6)所示。频率偏移度与SOC偏移度越小，代表频率或SOC的偏离程度越小，也就表示调频效果与SOC维持效果越好。

频率偏移度表达式为

SOC偏移度表达式为

式中，n表示电网频率和荷电状态采样样本总数；i表示第i次采样；f(i)表示第i次采样频率；SOC(i)表示第i次估算SOC。

本实施例中储能电池控制方法相关参数如表1所示。

表1储能电池控制方法相关参数

频率偏移度与SOC偏移度指标如表2所示。

表1不同调频控制方法下的频率偏移度与SOC偏移度

如图6、7所示，在没有储能电池参与电网调频时，频率偏移度为0.09592，储能电池参与电网调频后，频率偏移度减小，说明储能电池提高了电网频率质量；一次函数法调频效果优于逻辑函数法和常数法，但荷电状态维持效果弱于逻辑函数法、优于常数法，针对储能电池对于调频效果与荷电状态维持效果的双重需求，逻辑函数法是一种更优选择。在调频效果上逻辑函数优于正弦函数、正弦函数优于反正切函数，在荷电状态维持效果上，反正切函数优于正弦函数，正弦函数优于逻辑函数，由此可知，正弦函数可以较好的兼顾调频效果与荷电状态维持效果，验证了本发明所提调频控制方法的优越性。

综上所述，所述正弦函数具有优良的数学性质，根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种基于SOC正弦函数的储能一次调频控制方法，储能系统的功率指令采用基于频率下垂控制，采用基于SOC正弦函数的下垂系数，因其存在凹凸性变化，具有导数为零的点，适合衔接常数，可令整个分段函数图像光滑，且不用设计或试凑调节因子n和下垂系数最小值K_f-min，同时也兼顾考虑了储能电池SOC的因素和电网调频需求的优点，从而简化了设计还保证了系统的可靠性和稳定。

Claims (1)

1.一种基于SOC正弦函数的储能一次调频控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、计算储能系统中储能电池的当前时刻荷电状态值SOC；

步骤2、进行电网实际频率采样，通过电网实际频率与电网额定频率的频率差值判断储能系统工作状态；

步骤3、储能系统中储能逆变器采用VSG技术控制，其功率参考P_ref由基于SOC正弦函数的频率下垂控制得出；

步骤4、根据VSG功率参考指令进行电网频率调节；

步骤3中，所述下垂控制公式如下所示：

P_ref＝-K_b(SOC)Δf (2)

其中，Δf为电网实际频率与电网额定频率的频率差值，K_b(SOC)为基于SOC正弦函数的下垂系数，取值与储能系统工作状态相关，且K_b(SOC)≥0；

所述基于SOC正弦函数的下垂系数K_b(SOC)，其取值与储能系统工作状态相关，分为以下两种情况：

(1)当储能系统工作于放电状态时，K_b(SOC)采用放电系数，其表达式为

其中，K_{f_max}为一次调频出力最大值；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；

(2)当储能系统工作于充电状态时，K_b(SOC)采用充电系数，其表达式为