CN114172199A - 利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法，其步骤是：构建由单台风电机组和储能系统组成的储能风电一体化机组；储能系统以交流方式并入风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流侧；储能系统采集风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流母线的频率及电压信号；在一次调频模式下，实时监测交流母线的频率信号，当交流母线频率超出电网系统所要求的一次调频死区时，根据一次调频有功调节量要求进行调节有功出力，在一次提供虚拟惯量响应模式下，实时监测交流母线的频率信号，计算出电网频率变化率，并判断电网频率变化率是否超限；当超限时根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式进行调度储能系统有功出力。

Description

利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法
技术领域
本发明涉及新能源发电领域，尤其是一种利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法。
背景技术
新能源发电未来也必将成为主要电力系统的供应主体，电力系统发展呈现出高比例新能源和高比例电力电子的“双高”新态势。然而新能源大规模接入电网会降低常规机组供电比例，使得系统转动惯量降低、调频能力下降，导致电网运行时频率变化加快、波动幅度增加、稳态频率偏差增大、进而导致越限风险增加。新能源发电的大规模并网对于我国对电力系统运行形成较大挑战，电力系统运行面临运行安全、新能源消纳和电力系统能效改善等一系列问题。针对未来以风、光发电为代表的新能源发电大规模并网所引发的新问题，电力管理部门提出要需要新能源发电场站应具备一次调频和虚拟惯量响应能力的新要求。
目前，新能源发电场站，实现一次调频和虚拟惯量响应的主要方式如下：
(1)通过减载运行预留一定的备用容量来参与电网调频。即放弃最大功率运行点；(2)给新能源场站加装快速频率响应装置实现一次调频功能；(3)在新能源场站配置储能系统实现一次调频和虚拟惯量响应。
然而上述方式存在明显的缺点，方式(1)和(2)只能实现一次调频功能，不能实现虚拟惯量响应，而且更为严重的是方式(1)因为需要预留一定的备用容量参与电网调频使得风电场发电小时数会受到不利影响，即造成了实时的弃风限电，不利于风电场收益及清洁能源的消纳利用。方式(2)在不预备备用容量的情况下，只能实现出力下调，不能实现出力上调。同时上述两种方式均存在频繁调节新能源场站单台机组出力的情况，容易对新能源场站发电设备稳定运行及长期寿命产生不利影响。方式(3)虽然能够通过对于储能系统的合理控制和调节实现新能源场站的一次调频和虚拟惯量响应功能，但是针对场站级配套储能系统实现上述功能还存在协调控制难度高、系统接入电气复杂等问题的存在。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法，用于解决目前风电场实现一次调频和虚拟惯量响应功能而存在的经济效益差、设备损耗高及无法具主动参与虚拟惯量响应的问题。
为解决上述问题，本发明提出了一种利用储能风电一体化机组实现一次调频及虚拟惯量响应的方法，利用储能系统与单台风电机组进行配套，通过协调控制实现一次调频及虚拟惯量响应功能。
本发明的技术解决方案是：一种利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法，其步骤是：
步骤1、构建由单台风电机组和储能系统组成的储能风电一体化机组，所述储能系统包括储能电池组、储能交流器、电池管理系统以及就地能量控制系统，所述就地能量控制系统包括SCADA服务器和对时装置，所述就地能量控制系统与所述储能电池组和储能变流器连接，用于对储能电池组和储能变流器进行监控，采集储能电池组和储能变流器的运行状态，同时上传电池运行状态参数，接收监控室内上级能量管理系统下发的对时指令，并下发给储能变流器和储能电池组；储能风电一体化机组中储能系统功率与单台风电机组额定功率的比例为0.05：1～0.2:1；
步骤2、所述储能系统以交流方式并入风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流侧；
步骤3、储能系统就地能量控制系统采集风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流母线的频率及电压信号；
步骤4、在一次调频模式下，储能系统就地能量控制系统实时监测交流母线的频率信号，当交流母线频率超出电网系统所要求的一次调频死区时，储能系统根据所确定的一次调频有功调节量要求进行调节有功出力，从而辅助风电机组实现一次调频功能；一次调频后发电机组功率通过设定频率与有功功率下垂曲线函数实现，即
Figure BDA0003399833080000021
式中：fd：一次调频死区；
fn：系统额定频率；
Pn：新能源场站额定功率；
δ％：新能源场站一次调频调差率；
P0：超过频率死区时刻的新能源场站有功功率初值；
一次调频的有功功率调节限幅：上调和下调功率范围不超过储能系统额定功率；
步骤5、在一次提供虚拟惯量响应模式下，储能系统就地能量控制系统实时监测交流母线的频率信号，实时计算出电网频率变化率，并判断电网频率变化率是否超过电网系统所要求的频率变化值；当交流母线频率变化率超出电网系统所要求的一次调频死区时，根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式进行调度储能系统有功出力，所述交流母线频率变化量公式：
Figure BDA0003399833080000031
其中：TJ为储能系统虚拟惯量响应时间常数；
f、fn分别为风电机组并网点频率及额定功率；
△P、Pr分别为新能源发电机组的有功功率变化量及额定功率。
进一步，所述就地能量控制系统是通过并网点采集风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流母线的频率及电压信号。
进一步，步骤5所述虚拟惯量响应的功率调节的上调和下调功率范围不超过储能系统额定功率。
进一步，步骤4中fd取±0.05Hz，fn为50Hz，δ％取2％～5％。
进一步，步骤5中TJ为4～8s，fn为50Hz。
本发明的有益效果：
1、储能系统响应能力迅速，通过协调控制，实现储能系统与单台风电机组一体化运行，从而能够有效实现单台风电机组参与一次调频及提供虚拟惯量响应，从而为整个风电场实现上述功能，满足电力系统针对新能源场站的技术要求奠定更为坚实的基础。
2、本发明不需要减载运行预留一定的备用容量来参与电网调频，新能源场站可以在最大功率运行点运行，所以可以明显改善新能源场站的发电收益；
3、本发明可以实现储能系统和风电机组一体化运行，具有一次调频和提供虚拟惯量响应速度快的优点。
附图说明
图1是本发明的储能风电一体化机组的系统图
图2是图1中电池储能系统与监控室连接原理图。
具体实施方式
如图所示，一种利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法，其步骤是：
步骤1、构建由单台风电机组和储能系统组成的储能风电一体化机组，所述储能系统包括储能电池组、储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)以及就地能量控制系统，所述就地能量控制系统包括SCADA服务器和对时装置，所述就地能量控制系统与所述储能电池组和储能变流器连接，用于对储能电池组和储能变流器进行监控，采集储能电池组和储能变流器的运行状态，同时上传电池运行状态参数，接收监控室内上级能量管理系统 (由工作站和远动装置构成)下发的对时指令，并下发给储能变流器和储能电池组。所述储能风电一体化机组中储能系统功率与单台风电机组额定功率的比例为0.1:1；
步骤2、所述储能系统以交流方式并入风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流侧；
步骤3、储能系统中就地能量控制系统采集风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流母线的频率及电压信号；
步骤4、在一次调频模式下，储能系统就地能量控制系统实施监测交流母线的频率信号，当交流母线频率超出电网系统所要求的一次调频死区时，储能系统根据所确定的一次调频有功调节量要求进行调节有功出力，从而辅助风电机组实现一次调频功能；一次调频后发电机组功率通过设定频率与有功功率下垂曲线函数实现，即
Figure BDA0003399833080000041
式中：fd：一次调频死区，取±0.05Hz；
fn：系统额定频率，为50Hz；
Pn：新能源场站额定功率，为2.5kW；
δ％：新能源场站一次调频调差率，取2％；
P0：超过频率死区时刻的新能源场站有功功率初值，为2MW。
一次调频的有功功率调节限幅：上调和下调功率范围不超过储能系统额定功率；
步骤5、在一次提供虚拟惯量响应模式下，储能系统就地能量控制系统实时监测交流母线的频率信号，实时计算出电网频率变化率，并判断电网频率变化率是否超过电网系统所要求的频率变化值；当交流母线频率变化率超出电网系统所要求的一次调频死区时，根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式进行调度储能系统有功出力，所述交流母线频率变化量公式：
Figure BDA0003399833080000051
其中：TJ为储能系统虚拟惯量响应时间常数，取值为6s；
f、fn分别为风电机组并网点频率(49Hz)及额定功率(50Hz)；
△P、Pr分别为新能源发电机组的有功功率变化量(30kW)及额定功率(单位：
2500kW)；
所述虚拟惯量响应的功率调节的上调和下调功率范围不超过储能系统额定功率。
一套独立的储能电池组经过储能变流器(PCS)接入风电机组并网逆变器交流侧，储能电池组配置电池管理系统(BMS)，储能系统配置独立的就地能量控制系统，就地能量控制系统接收并网点频率及电压信号。针对常规2.5MW单台风电机组，配置储能系统的功率为250kW，储能容量为1MWh。运行过程中，储能系统配置的就地能量控制系统随时监测并网点的频率信号，并通过实时计算可以得到频率变化率，就地能量控制系统内部设定一定的控制逻辑，设定电网频率调频死区上限值和频率变化率限值。当并网点频率超出调频死区上下限时，根据控制逻辑向储能系统中PCS发出有功功率指令，当并网点频率恢复至调频死区范围内时，向储能系统中PCS下发停止有功功率指令。当并网点频率变化率越限时，根据控制逻辑向储能系统中PCS发出相应有功功率指令，并并网点频率变化率恢复至允许范围内后，根据控制逻辑向PCS发出相应有功功率指令。通过上述针对储能系统有功功率的有效调节，可以有效的实现风电机组在并网点的一次调频和提供虚拟惯量响应的功能，相比传统风电机组，通过配套储能系统和有效控制，配套储能系统的风电机组具备了类似常规火电机组的出力特性，从而为由多台风电站机组构成的风电场站实现有效提供一次调频能力和提供虚拟惯量响应能力奠定了基础，具有广泛的应用和发展潜力。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法，其特征是，步骤是：
步骤1、构建由单台风电机组和储能系统组成的储能风电一体化机组，所述储能系统包括储能电池组、储能交流器、电池管理系统以及就地能量控制系统，所述就地能量控制系统包括SCADA服务器和对时装置，所述就地能量控制系统与所述储能电池组和储能变流器连接，用于对储能电池组和储能变流器进行监控，采集储能电池组和储能变流器的运行状态，同时上传电池运行状态参数，接收监控室内上级能量管理系统下发的对时指令，并下发给储能变流器和储能电池组；储能风电一体化机组中储能系统功率与单台风电机组额定功率的比例为0.05：1～0.2:1；
步骤2、所述储能系统以交流方式并入风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流侧；
步骤3、储能系统就地能量控制系统采集风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流母线的频率及电压信号；
步骤4、在一次调频模式下，储能系统就地能量控制系统实时监测交流母线的频率信号，当交流母线频率超出电网系统所要求的一次调频死区时，储能系统根据所确定的一次调频有功调节量要求进行调节有功出力，从而辅助风电机组实现一次调频功能；一次调频后发电机组功率通过设定频率与有功功率下垂曲线函数实现，即
Figure FDA0003399833070000011
式中：fd：一次调频死区；
fn：系统额定频率；
Pn：新能源场站额定功率；
δ％：新能源场站一次调频调差率；
P0：超过频率死区时刻的新能源场站有功功率初值；
一次调频的有功功率调节限幅：上调和下调功率范围不超过储能系统额定功率；
步骤5、在一次提供虚拟惯量响应模式下，储能系统就地能量控制系统实时监测交流母线的频率信号，实时计算出电网频率变化率，并判断电网频率变化率是否超过电网系统所要求的频率变化值；当交流母线频率变化率超出电网系统所要求的一次调频死区时，根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式进行调度储能系统有功出力，所述交流母线频率变化量公式：
Figure FDA0003399833070000021
其中：TJ为储能系统虚拟惯量响应时间常数；
f、fn分别为风电机组并网点频率及额定功率；
△P、Pr分别为新能源发电机组的有功功率变化量及额定功率。
2.根据权利要求1所述的利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法，其特征是，步骤1)中所述就地能量控制系统是通过并网点采集风电机组并网逆变器交流侧或并网变压器交流母线的频率及电压信号。
3.根据权利要求1所述的利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法，其特征是，步骤5)所述虚拟惯量响应的功率调节的上调和下调功率范围不超过储能系统额定功率。
4.根据权利要求1所述的利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法，其特征是，步骤4)中fd取±0.05Hz，fn为50Hz，δ％取2％～5％。
5.根据权利要求1所述的利用储能风电一体化机组实现调频及虚拟惯量响应的方法，其特征是，步骤5)中TJ为4～8s，fn为50Hz。
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