CN114142504B - 一种考虑电网频率波动区间和soc状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法 - Google Patents

一种考虑电网频率波动区间和soc状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法 Download PDF

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Abstract

一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法，包括：确定电网频率的波动区间；确定储能系统虚拟惯量的支撑方向；确定储能系统的SOC状态区间；确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数；根据确定的虚拟惯量支撑方向、控制参数调整系数和控制参数计算储能系统虚拟惯量支撑量。本发明通过判断电网频率所处的波动区间确定储能系统的虚拟惯量支撑方向，加快了电网频率的恢复速度；根据电网频率的波动区间和储能系统的SOC状态区间，确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数，进而对储能系统的虚拟惯量输出进行控制，在对电网惯量进行充分支撑的同时，保证储能自身的荷电状态不超出运行范围，延长了储能的寿命。

Description

一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚 拟惯量控制方法
技术领域
本发明属于储能充放电控制技术领域，具体涉及一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法。
背景技术
近年来，随着我国能源转型步伐的加快，以风电和太阳能为代表的可再生能源发展迅猛。2020年中国风电、光伏新增发电装机1.2亿千瓦，实现了历史性的突破。然而，新能源大多通过电力电子装置接入电网，不具备同步发电机的惯性和阻尼，其大规模接入电网后将挤占常规机组的开机空间，从而降低了系统的转动惯量和调频能力，导致系统频率变化加快、波动幅度增大和频率稳态偏差增大，从而增加了系统频率的越限风险。
储能具有响应速度快、短时功率吞吐能力强、调节方向易改变等优点，一方面可以改变电能的时间分布，另一方面又可以在电力系统发生故障或波动时进行快速响应。通过在储能的控制中加入虚拟惯量控制，可以在一定程度上增加系统的总惯量，降低系统的频率稳定风险。
目前储能的虚拟惯量控制主要分为正虚拟惯量控制、负虚拟惯量控制以及其他一些基于虚拟同步控制的控制方法，但其中有些控制方法只是纯粹模仿同步机组的惯量特性，减慢了频率的恢复；有些控制方法虽然考虑了频率波动的不同阶段，但没有考虑到储能的荷电状态SOC(State of charge)，易使储能到达边界状态而不能进行虚拟惯量响应，有些控制方法虽考虑了储能的荷电状态影响，但在整个SOC范围内都对充放电功率进行限制，降低了储能的惯量支撑作用。
发明内容
为了克服上述现有技术中的这些不足，本发明提供一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法，通过分辨电网频率在不同的波动区间，改变储能系统的虚拟惯量支撑方向，在分辨电网频率波动区间的基础上，通过分辨储能系统SOC在不同的区间，确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数，通过储能系统虚拟惯量支撑方向和控制参数调整系数的适时调整，既加快了频率的恢复速度进而增强了系统的频率稳定性，又保证了储能自身的荷电状态不超出运行范围，延长了储能的寿命。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法，包括：
步骤1：根据获取的电网频率和频率变化率，确定电网频率的波动区间；
步骤2：根据电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量的支撑方向；
步骤3：根据获取的储能系统SOC值，确定储能系统的SOC状态区间；
步骤4：根据储能系统的SOC状态区间和电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数；
步骤5：根据频率变化率、储能系统虚拟惯量的支撑方向、储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数以及储能系统虚拟惯量控制参数计算储能系统虚拟惯量支撑量。
进一步的，所述步骤1根据获取的电网频率和频率变化率，确定电网频率的波动区间，包括：
计算所述储能系统并网点的电网频率与电网额定频率之间的频率偏差；
计算所述储能系统并网点的电网频率变化率；
基于所述频率偏差和所述电网频率变化率确定电网频率的波动区间。
进一步的，所述基于所述频率偏差和所述频率变化率确定电网频率的波动区间，包括：
若所述频率偏差和所述频率变化率均大于0，则电网频率的波动处于区间1；
若所述频率偏差大于0，所述频率变化率小于0，则电网频率的波动处于区间2；
若所述频率偏差和所述频率变化率均小于0，则电网频率的波动处于区间3；
若所述频率偏差小于0，所述频率变化率大于0，则电网频率的波动处于区间4。
进一步的，所述步骤2根据电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量的支撑方向，包括：
若所述电网频率的波动处于区间1和区间3，则将所述储能系统虚拟惯量的支撑方向设为-1；
若所述电网频率的波动处于区间2和区间4，则将所述储能系统虚拟惯量的支撑方向设为+1。
进一步的，所述步骤3根据获取的储能系统SOC值，确定储能系统的SOC状态区间，包括：
若所述储能系统SOC值SOCmin<SOCc≤0.5，则将所述储能系统的SOC状态区间定为充电富裕区；
若所述储能系统SOC值0.5<SOCc<SOCmax，则将所述储能系统的SOC状态区间定为放电富裕区；
其中SOCc为储能系统SOC的当前值，SOCmin为储能SOC的下限值，SOCmax为储能SOC的上限值。
进一步的，所述步骤4根据储能系统的SOC状态区间和电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数，包括：
若所述电网频率的波动处于区间1和区间2，所述储能系统的SOC状态区间为充电富裕区，则所述储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为1；
若所述电网频率的波动处于区间1和区间2，所述储能系统的SOC状态区间为放电富裕区，则所述储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为
Figure BDA0003366420920000031
若所述电网频率的波动处于区间3和区间4，所述储能系统的SOC状态区间为充电富裕区，则所述储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为
Figure BDA0003366420920000032
若所述电网频率的波动处于区间3和区间4，所述储能系统的SOC状态区间为放电富裕区，则所述储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为1；
其中，SOCc为储能系统SOC的当前值，SOCmin为储能SOC的下限值，SOCmax为储能SOC的上限值。
进一步的，所述步骤5具体包括：
若所述频率变化率的绝对值小于等于Rdb，则所述储能系统的虚拟惯量支撑量为0；
若所述频率变化率的绝对值大于Rdb，将所述储能系统虚拟惯量支撑方向、所述储能系统虚拟惯量控制参数调整系数、所述储能系统虚拟惯量控制参数和所述电网频率变化率相乘，得到所述储能系统的虚拟惯量支撑量。
本发明提出了一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法，该方法具有以下优点：
1、通过判断电网频率所处的波动区间确定储能系统的虚拟惯量支撑方向，加快了电网频率的恢复速度；
2、根据电网频率的波动区间和储能系统的SOC状态区间，确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数，进而对储能系统的虚拟惯量输出进行控制，在对电网惯量进行充分支撑的同时，保证储能自身的荷电状态不超出运行范围，延长了储能的寿命。
附图说明
图1是本发明实施例中储能系统接入电网的拓扑图；
图2是本发明实施例考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法的流程图；
图3是本发明实施例中电网频率波动区间图。
具体实施方式
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的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法，具体流程图如图2所示，具体过程如下：
S101：根据获取的电网频率和频率变化率，确定电网频率的波动区间；
S102：根据电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量的支撑方向；
S103：根据获取的储能系统SOC值，确定储能系统的SOC状态区间；
S104：根据储能系统的SOC状态区间和电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数；
S105：根据确定的虚拟惯量支撑方向、控制参数调整系数和控制参数计算储能系统虚拟惯量支撑量。
储能系统接入电网的拓扑如图1所示，图1中，A表示储能系统接入电网的并网点，P为储能系统的虚拟惯量支撑输出功率。
步骤S101中，根据获取的电网频率和频率变化率，确定电网频率的波动区间，包括：
计算储能系统并网点的电网频率与电网额定频率之间的频率偏差，如下式所示：
Δf＝fnom-f (1)
其中，f为并网点的电网频率，fnom为电网额定频率，Δf为频率偏差。
计算储能系统并网点的电网频率变化率，如下式所示：
Figure BDA0003366420920000051
其中，ft+1为t+1时刻并网点的电网频率采样值，ft为t时刻并网点的电网频率采样值，Δt为采样周期，df/dt为并网点的电网频率变化率。
基于频率偏差和频率变化率确定电网频率的波动区间。
基于频率偏差和频率变化率确定电网频率的波动区间，如图3所示，包括：
若频率偏差和频率变化率均大于0，则电网频率的波动处于区间1；
若频率偏差大于0，频率变化率小于0，则电网频率的波动处于区间2；
若频率偏差和频率变化率均小于0，则电网频率的波动处于区间3；
若频率偏差小于0，频率变化率大于0，则电网频率的波动处于区间4。
步骤S102中，根据电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量的支撑方向，包括：
若电网频率的波动处于区间1和区间3，则将储能系统虚拟惯量的支撑方向设为-1；若电网频率的波动处于区间2和区间4，则将储能系统虚拟惯量的支撑方向设为+1，如下式所示：
Figure BDA0003366420920000052
其中，Kdire为储能系统虚拟惯量的支撑方向。
步骤S103中，根据获取的储能系统SOC值，确定储能系统的SOC状态区间，包括：
若储能系统SOC值SOCmin<SOCc≤0.5，则将储能系统的SOC状态区间定为充电富裕区；
若储能系统SOC值0.5<SOCc<SOCmax，则将储能系统的SOC状态区间定为放电富裕区。
其中，SOCc为储能系统SOC的当前值，SOCmin为储能SOC的下限值，SOCmax为储能SOC的上限值。
步骤S104中，根据储能系统的SOC状态区间和电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数，包括：
若电网频率的波动处于区间1和区间2，储能系统的SOC状态区间为充电富裕区，则储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为1；若电网频率的波动处于区间1和区间2，储能系统的SOC状态区间为放电富裕区，则储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为
Figure BDA0003366420920000061
若电网频率的波动处于区间3和区间4，储能系统的SOC状态区间为充电富裕区，则储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为
Figure BDA0003366420920000062
若电网频率的波动处于区间3和区间4，储能系统的SOC状态区间为放电富裕区，则储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为1，如下式所示：
Figure BDA0003366420920000063
其中，Kadju为储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数。
步骤S105中储能系统虚拟惯量支撑量的计算，包括：
若频率变化率的绝对值小于等于Rdb，则储能系统的虚拟惯量支撑量为0；若频率变化率的绝对值大于Rdb，将储能系统虚拟惯量支撑方向、储能系统虚拟惯量控制参数调整系数、储能系统虚拟惯量控制参数和电网频率变化率相乘，得到储能系统的虚拟惯量支撑量，如下式所示：
Figure BDA0003366420920000071
其中，Pinertia为储能系统的虚拟惯量支撑量，Rdb为并网点电网频率变化率死区。
目前储能系统虚拟惯量控制采用的正虚拟惯量控制和负虚拟惯量控制方法，在电网频率的整个波动区间(图3中的区间1、2、3、4)都采用同方向的惯量支撑。正虚拟惯量控制时，在整个波动区间都将增加电网的惯量，在区间1和3时能够起到减缓频率偏离速度的作用，对电网频率稳定起积极作用，但在区间2和4却减缓了频率的恢复速度，增加了频率的恢复时间；负虚拟惯量控制的效果与正虚拟惯量控制相反，在整个波动区间都将减少电网的惯量，在区间1和3时加快了频率偏离的速度，对电网频率稳定起消极作用，但在区间2和4却能够加快频率的恢复速度，减少了频率的恢复时间。此外，储能系统还有采用虚拟同步控制技术进行虚拟惯量支撑，其本质是模拟传统同步发电机的特性，但其作用效果与正虚拟惯量控制具有相似性，都是在区间1和3时能够起到减缓频率偏离速度的作用，对电网频率稳定起积极作用，但在区间2和4却减缓了频率的恢复速度，增加了频率的恢复时间。本发明通过对电网频率进行波动区间划分，在区间1和3采用类似正虚拟惯量控制的方法，在区间2和4采用类似负虚拟惯量控制的方法，充分利用了储能可进行充放电功率双向流动的特性，适时增加或减少电网的惯量，加快了电网频率的恢复速度，提升了电网的频率稳定性。
考虑储能系统在不同电网频率波动区间虚拟惯量支撑方向的同时，本发明还考虑了储能SOC对虚拟惯量支撑作用的影响。有方法提出在储能整个SOC上下限范围内根据充放电需求对储能系统的虚拟惯量控制参数进行调整，方法过于保守，未能充分发挥储能系统的最大虚拟惯量支撑能力。本发明以SOC＝0.5为分界线，将储能系统的状态分为充电富裕区和放电富裕区，通过与电网频率波动区间进行结合，当储能系统处于充电富裕区时，如果需要吸收功率提供虚拟惯量支撑，则储能系统的控制参数保持不变，如果需要发出功率提供虚拟惯量支撑，则储能系统的控制参数需要根据SOC的值进行调整；当储能系统处于放电富裕区时，如果需要发出功率提供虚拟惯量支撑，则储能系统的控制参数保持不变，如果需要吸收功率提供虚拟惯量支撑，则储能系统的控制参数需要根据SOC的值进行调整。本发明在进行储能系统虚拟惯量控制参数调整时采用了余弦函数的方式，可以保证储能SOC在中间值附近时控制参数调整很慢，储能SOC越靠近最大和最小限值时控制参数调整越快，通过本发明提供的这种方法，可以最大限度地发挥储能的虚拟惯量支撑作用，同时还能保证储能SOC不越限，提升储能虚拟惯量支撑时间的同时也延长了储能的寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据获取的电网频率和频率变化率，确定电网频率的波动区间；
步骤2：根据电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量的支撑方向；
步骤3：根据获取的储能系统SOC值，确定储能系统的SOC状态区间；
步骤4：根据储能系统的SOC状态区间和电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数；
步骤5：根据频率变化率、储能系统虚拟惯量的支撑方向、储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数以及储能系统虚拟惯量控制参数计算储能系统虚拟惯量支撑量；
所述步骤1根据获取的电网频率和频率变化率，确定电网频率的波动区间，包括：
计算所述储能系统并网点的电网频率与电网额定频率之间的频率偏差；
计算所述储能系统并网点的电网频率变化率；
基于所述频率偏差和所述电网频率变化率确定电网频率的波动区间，具体的，
若所述频率偏差和所述频率变化率均大于0，则电网频率的波动处于区间1；
若所述频率偏差大于0，所述频率变化率小于0，则电网频率的波动处于区间2；
若所述频率偏差和所述频率变化率均小于0，则电网频率的波动处于区间3；
若所述频率偏差小于0，所述频率变化率大于0，则电网频率的波动处于区间4；
所述步骤3根据获取的储能系统SOC值，确定储能系统的SOC状态区间，包括：
若所述储能系统SOC值SOCmin<SOCc≤0.5，则将所述储能系统的SOC状态区间定为充电富裕区；
若所述储能系统SOC值0.5<SOCc<SOCmax，则将所述储能系统的SOC状态区间定为放电富裕区；
其中SOCc为储能系统SOC的当前值，SOCmin为储能SOC的下限值，SOCmax为储能SOC的上限值；
所述步骤4根据储能系统的SOC状态区间和电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量控制参数的调整系数，包括：
若所述电网频率的波动处于区间1和区间2，所述储能系统的SOC状态区间为充电富裕区，则所述储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为1；
若所述电网频率的波动处于区间1和区间2，所述储能系统的SOC状态区间为放电富裕区，则所述储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为
Figure FDA0003968663270000021
若所述电网频率的波动处于区间3和区间4，所述储能系统的SOC状态区间为充电富裕区，则所述储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为
Figure FDA0003968663270000022
若所述电网频率的波动处于区间3和区间4，所述储能系统的SOC状态区间为放电富裕区，则所述储能系统的虚拟惯量控制参数的调整系数为1；
其中，SOCc为储能系统SOC的当前值，SOCmin为储能SOC的下限值，SOCmax为储能SOC的上限值。
2.根据权利要求1所述的一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述步骤2根据电网频率的波动区间，确定储能系统虚拟惯量的支撑方向，包括：
若所述电网频率的波动处于区间1和区间3，则将所述储能系统虚拟惯量的支撑方向设为-1；
若所述电网频率的波动处于区间2和区间4，则将所述储能系统虚拟惯量的支撑方向设为+1。
3.根据权利要求1所述的一种考虑电网频率波动区间和SOC状态的储能系统变参数虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：
若所述频率变化率的绝对值小于等于Rdb，则所述储能系统的虚拟惯量支撑量为0；
若所述频率变化率的绝对值大于Rdb，将所述储能系统虚拟惯量支撑方向、所述储能系统虚拟惯量控制参数调整系数、所述储能系统虚拟惯量控制参数和所述电网频率变化率相乘，得到所述储能系统的虚拟惯量支撑量。
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