CN114285095B - 基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略。它包括以下步骤：构建二次分组的评价指标体系，并设计自适应天牛须算法的适应度函数；构建自适应天牛须算法的自适应步长公式；确定二次分组技术的自动更新周期；应用自适应天牛须算法，优化二次分组技术的强制更新阈值；对电池单元进行分组，应用二次分组技术确定储能电站中三个电池组的调频功率指令，进而确定每个电池单元的调频指令，并使电池单元响应。本发明使用自适应天牛须优化算法搜索强制更新阈值，降低了响应结束后电池单元的荷电状态极差，提升了下一时段的储能电站的可调度潜力；降低了储能系统的动作次数及其极差，提高了运行的经济性。

Description

基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略

技术领域

本发明涉及电池储能电站控制领域，具体涉及一种集中式电池储能电站调频控制策略。

技术背景

风电、光伏等可再生能源大规模并网，其间歇性与波动性给电力系统的频率调节带来了极大地压力。集中式储能电站由于集中布局、可控性强和调频效果好等优点被广泛应用于调频实践。电池储能系统如果不采用合理的控制策略，会导致电池单元过充过放，荷电状态相差过大，不利于电池电站调频。二次分组技术明显降低了集中式电池储能电站电池单元的动作次数。为降低末时刻电池单元动作次数极差，需采用二次分组以提升集中式电池储能电站经济性。

发明内容

本发明的目的在于降低响应结束后电池单元的荷电状态极差与动作次数极差，提升了下一调度时段储能电站的可调度潜力与电站运行经济性。本发明设计了一种集中式电池储能电站调频控制策略，该策略设计了二次分组的评价指标，并在该评价指标的基础上应用自适应天牛须优化算法获得强制更新阈值，最后通过仿真验证了该策略的有效性。

本发明采用技术方案：基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略，包括以下步骤：

(1)构建二次分组技术的评价指标体系，并依照此评价指标体系设计适应度函数；

(2)确定自适应天牛须搜索算法的自适应步长；

(3)根据AGC更新周期，确定二次分组技术的自动更新周期t；

(4)结合适应度函数，应用自适应天牛须搜索算法确定二次分组技术的强制更新阈值w；

(5)将集中式电池储能电站中电池单元分成为3个电池组，并命名为优先充电组、备用组与优先放电组；根据二次分组技术确定3个电池组的调频功率指令，进而确定每个电池单元的调频指令，并使电池单元响应各自指令，完成调频任务。

所述步骤(1)中评价指标体系由5部分构成，即储能电站出力与AGC指令差值的标准差、电池单元荷电状态极差平均值、响应结束时刻电池单元荷电状态极差和强制更新次数、响应结束时刻电池单元动作次数极差；其中，强制更新次数用于表征由于电池单元荷电状态极差大于等于设定强制更新阈值导致的动态分组次数增加量；

设计的适应度函数为：

其中，f₁为储能系统出力与AGC指令差值的标准差，N₁为AGC指令个数，s_i为每个AGC周期储能系统出力，y_i为AGC指令期望出力值，f₂为电池单元荷电状态极差平均值，u_i为每个AGC周期末电池单元荷电状态极差，f₃为响应结束时刻电池单元荷电状态极差，f₄为强制更新次数X₁，f₅为响应结束时刻电池单元动作次数极差X₂；α₁、α₂、α₃、α₄和α₅为权重，适应度函数权重α₁、α₂和α₅取值分别为0.33、100和1.1，α₃和α₄的确定方法如下：

其中，

为响应结束时刻电池单元荷电状态极差，末时刻极差阈值E₁与强制更新次数阈值E₂分别为0.04和40。

所述步骤(2)中自适应天牛须搜索算法的自适应步长通过以下公式获取：

μ_n＝-arc tan[a(n+b)]+c (4)

其中，μ_n为自适应步长，n为迭代次数，步长参数a、b和c取值分别为0.1、1.4和1.14。

所述步骤(3)中，根据AGC更新周期，确定二次分组技术的自动更新周期t。

所述步骤(4)中，自适应天牛须算法搜索二次分组的强制更新阈值w步骤如下：

(1)天牛须算法参数初始化：

设置初始步长(最大步长)、最大迭代次数、步长参数a、b和c；

(2)确定天牛须朝向并归一化处理，即：

式中：rands为随机函数，k为空间维度；

(3)天牛位置初始化，选取[-1,1]之间的随机数作为天牛初始位置，并将其保存在X_best中；

(4)根据式(1)计算天牛初始位置的适应度函数值，并保存在Y_best中；

(5)根据下式(6)对天牛须左右位置更新：

式中：x_ln和x_rn分别表示天牛左须和天牛右须在第n次迭代时的位置坐标，x_n为天牛在第n次迭代时的质心坐标，dis为两须之间的距离；

(6)天牛须算法解集更新：

根据天牛左右须位置，利用式(1)分别求取左右须的适应度函数值f(x_ln)和f(x_rn)，比较其强度并根据下式(7)更新天牛位置，即搜索二次分组技术的强制更新阈值w，并计算当前位置下的适应度函数值，若此时适应度函数值优于Y_best，则更新X_best、Y_best；

式中：sign为符号函数；

(7)判断是否满足迭代终止条件，若满足，输出当前w为二次分组技术的最优强制更新阈值，若不满足，返回本专利所述步骤(4)中(5)。

所述步骤(5)中，将集中式电池储能电站中电池单元分成为3个电池组，根据二次分组确定3个电池组的调频功率指令，进而确定每个电池单元的调频指令，并使电池单元响应各自指令，步骤如下：

(1)将集中式电池储能电站的储能单元按照电池单元荷电状态高低分为三组，并按照如下公式计算电池组i的平均荷电状态SOC_i；并以荷电状态升序将三组命名为：优先充电组、备用组和优先放电组，h_i为三个电池组的电池单元个数，即：

满足下式时重新分组：

其中，T为集中式电池储能电站运行时间；

当电池单元动作次数极差满足：

X₃≥E₃ (10)

其中，X₃为每个响应时刻电池单元的动作次数极差，电池单元极差阈值E₃为40；

随后，对电池单元进行组别替换，P_c为电池储能电站待输出功率，P_groupc为优先充电组最大充放电功率，P_groupb为备用组最大充放电功率，P_groupd为优先放电组最大充放电功率；并规定P_c、P_groupc、P_groupb与P_groupd的取值大于0时为充电功率，小于0时为放电功率方法如下：

1)电池储能电站处于待充电状态P_c＞0时：

①当P_c≤P_groupc时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先充电组中存在v_i，将优先充电组中电池单元v_i与备用组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置；

②当P_c≤P_groupc+P_groupb时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先充电组或者备用组中存在v_i，先将备用组中电池单元v_i与优先放电组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置，再将优先充电组中电池单元v_i与优先放电组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置，交换位置的电池单元个数不超过优先放电组的电池单元个数；

2)电池储能电站处于待放电状态P_c＜0时：

①当P_c≥P_groupd时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先放电组中存在v_i，将优先放电组中电池单元v_i与备用组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置；

②当P_c≥P_groupd+P_groupb时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先放电组或者备用组中存在v_i，先将备用组中电池单元v_i与优先充电组中电池单元按动作次数由大到小的顺序依次交换位置，再将优先放电组中电池单元v_i与优先充电组中电池单元按动作次数由大到小的顺序依次交换位置，交换位置的电池单元个数不超过优先充电组的电池单元个数；

(2)接收下发的AGC指令P_c后，首先确定集中式储能电站的工作状态，方法如下：

1)待充电状态P_c＞0：令优先充电组优先动作，如果组内每个电池单元P_i,j均以最大充电功率运行的话高于AGC指令需求时，则只有该组动作，且组内功率平均分配，即：

如果低于AGC指令需求时，则该组内每个电池单元以最大充电功率运行，即：

P_i,j＝P_i,jmax (12)

然后备用组也参与响应，如果组内每个电池单元均以最大充电功率运行的话高于功率差额时，则只有该组动作，且组内功率平均分配，即：

如果低于功率差额需求时，则该组内每个电池单元以最大充电功率运行，即：

P_k,j＝P_k,jmax (14)

重复上述过程，直至储能电站的充电功率满足AGC指令需求；

2)待放电状态P_c＜0：放电状态下确定需要进行动作的电池组个数与充电状态类似；

(3)确定好每个电池单元的充放电功率后，电池单元进行响应，完成调频的任务。

本发明提供的技术方案具有的有益效果：

通过使用自适应天牛须搜索算法确定二次分组的最优强制更新阈值，并将集中式电池储能电站的电池单元分为三组，利用二次分组确定三个电池组的调频指令，进而确定每个电池单元的调频指令，并使电池单元响应各自指令。对于电网而言，集中式电池储能电站实时跟踪AGC指令，提高了电网电能质量；对于储能系统而言，既避免了电池单元荷电状态极差较大，减少了电池单元动作次数及其极差，提高了储能电站的经济性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的流程图；

图2为自适应天牛须寻优过程；

图3为三个电池组分配的功率；

图4为电池单元调频指令分配结果；

图5为电池单元的响应结果；

图6为三个电池组响应的功率；

图7为电池单元的SOC变化情况；

图8为储能系统实际出力与AGC指令对比结果。

具体实施方案

为了更好地理解本发明的目的、技术方案及技术效果，以下结合附图对本发明进行进一步的讲解说明。

本发明提出了基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略，附图1为本发明的流程图，其实施流程包括如下详细步骤。

步骤1确定二次分组的评价指标体系，并依照此评价指标体系确定适应度函数：

(1)确定二次分组技术的评价指标体系：

储能电站出力与AGC指令差值的标准差、电池单元荷电状态极差平均值、响应结束时刻电池单元荷电状态极差和强制更新次数、响应结束时刻电池单元动作次数极差；其中，强制更新次数用于表征由于电池单元荷电状态极差大于等于设定强制更新阈值导致的动态分组次数增加量；

(2)确定适应度函数，如下式所示：

其中，f₁为储能系统出力与AGC指令差值的标准差，N₁为AGC指令个数，s_i为每个AGC周期储能系统出力，y_i为AGC指令期望出力值，f₂为电池单元荷电状态极差平均值，u_i为每个AGC周期末电池单元荷电状态极差，f₃为响应结束时刻电池单元荷电状态极差，f₄为强制更新次数X₁，f₅为响应结束时刻电池单元动作次数极差X₂；α₁、α₂、α₃、α₄和α₅为权重，适应度函数权重α₁、α₂和α₅取值分别为0.33、100和1.1，α₃和α₄的确定方法如下：

其中，

为响应结束时刻电池单元荷电状态极差，末时刻极差阈值E₁与强制更新次数阈值E₂分别为0.04和40。

步骤2确定天牛须搜索算法的自适应步长，步长因子通过以下公式获取：

μ_n＝-arctan[a(n+b)]+c (18)

其中，μ_n为自适应步长，n为迭代次数，步长参数a、b和c取值分别为0.1、1.4和1.14。步骤3结合适应度函数，应用自适应天牛须搜索算法确定二次分组的强制更新阈值w：

(1)天牛须算法参数初始化：

设置初始步长(最大步长)、最大迭代次数、步长参数a、b和c；

(2)确定天牛须朝向并归一化处理，即：

式中：rands为随机函数，k为空间维度；

(3)利用式(18)计算步长因子：

(4)天牛位置初始化，选取[-1,1]之间的随机数作为天牛初始位置，并将其保存在X_best中；

(5)根据式(13)计算天牛初始位置的适应度函数值，并保存在Y_best中；

(6)根据下式(20)对天牛须左右位置更新：

式中：x_ln和x_rn分别表示天牛左须和天牛右须在第n次迭代时的位置坐标，x_n为天牛在第n次迭代时的质心坐标，dis为两须之间的距离；

(7)天牛须算法解集更新：

根据天牛左右须位置，利用式(15)分别求取左右须的适应度函数值f(x_ln)和f(x_rn)，比较其强度并根据下式(21)更新天牛位置，即调整动态分组技术的强制更新阈值w，并计算当前位置下的适应度函数值，若此时适应度函数值优于Y_best，则更新X_best、Y_best；

式中：sign为符号函数；

(8)判断是否满足迭代终止条件，若满足，输出当前w为二次分组技术的最优强制更新阈值，若不满足，返回本专利步骤3中(6)。经自适应天牛须算法搜索的二次分组技术的最优强制更新阈值为0.0874。

以某地一年中典型的1小时AGC指令数据为研究对象，AGC指令的周期为4s，集中式储能电站装机容量为100MW，采用自适应天牛须确定二次分组技术的强制更新阈值w，搜索过程如附图2所示。

步骤4二次分组技术的自动更新周期为13min。

步骤5将集中式电池储能电站中电池单元分成为3个电池组，根据二次分组技术确定3个电池组的调频功率指令，进而确定每个电池单元的调频指令，并使电池单元响应各自指令，完成调频任务：

(1)按照如下公式计算电池单元v的荷电状态SOC_v,t；

首先采用安时积分法对储能系统SOC进行估计：

其中：SOC_v,t为t时刻第v个电池单元的SOC；P_bv,t为t时刻第v个电池单元的充放电功率，充电时取正值，放电时取负值；C_v为第v个电池单元的最大储能容量；

电池单元在参与调频运行时，一般不采用高倍率的充放电方式，故电池单元的出力可表示为：

式中：P_r·bv为第v个电池单元下层分配的调频功率；P_bmaxv和P_bminv分别为第v个电池单元的最大充电功率和最大放电功率；

以SOC表征储能系统运行的容量限制，相应约束条件为：

其中：SOC_maxv和SOC_minv分别表示第v个电池单元SOC的上限和下限；

(2)按照如下公式计算电池组i的平均荷电状态SOC_i；按照以荷电状态升序将储能单元分为三组，并分别命名为：优先充电组、备用组和优先放电组，即：

同时当集中式电池储能电站电池单元极差大于等于强制更新阈值w时，对集中式电池储能电站电池单元重新分组，即满足下式时重新分组：

其中，T为集中式电池储能电站运行时间；

当电池单元动作次数极差满足：

X₃≥E₃ (27)

其中，X₃为每个响应时刻电池单元的动作次数极差，电池单元极差阈值E₃为40；

随后，对电池单元进行组别替换，P_c为电池储能电站待输出功率，P_groupc为优先充电组最大充放电功率，P_groupb为备用组最大充放电功率，P_groupd为优先放电组最大充放电功率；并规定P_c、P_groupc、P_groupb与P_groupd的取值大于0时为充电功率，小于0时为放电功率，方法如下：

1)电池储能电站处于待充电状态P_c＞0时：

①当P_c≤P_groupc时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先充电组中存在v_i，将优先充电组中电池单元v_i与备用组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置；

②当P_c≤P_groupc+P_groupb时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先充电组或者备用组中存在v_i，先将备用组中电池单元v_i与优先放电组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置，再将优先充电组中电池单元v_i与优先放电组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置，交换位置的电池单元个数不超过优先放电组的电池单元个数；

2)电池储能电站处于待放电状态P_c＜0时：

①当P_c≥P_groupd时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先放电组中存在v_i，将优先放电组中电池单元v_i与备用组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置；

②当P_c≥P_groupd+P_groupb时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先放电组或者备用组中存在v_i，先将备用组中电池单元v_i与优先充电组中电池单元按动作次数由大到小的顺序依次交换位置，再将优先放电组中电池单元v_i与优先充电组中电池单元按动作次数由大到小的顺序依次交换位置，交换位置的电池单元个数不超过优先充电组的电池单元个数。

(3)接收下发的AGC指令P_c后，首先确定集中式储能电站的工作状态，方法如下：

1)待充电状态P_c＞0：令优先充电组优先动作，如果组内每个电池单元P_i,j均以最大充电功率运行的话高于AGC指令需求时，则只有该组动作，且组内功率平均分配，即：

如果低于AGC指令需求时，则该组内每个电池单元以最大充电功率运行，即：

P_i,j＝P_i,jmax (29)

然后备用组也参与响应，如果组内每个电池单元均以最大充电功率运行的话高于功率差额时，则只有该组动作，且组内功率平均分配，即：

如果低于功率差额需求时，则该组内每个电池单元以最大充电功率运行，即：

P_k,j＝P_k,jmax (31)

重复上述过程，直至所有动作组的充电功率满足AGC指令需求；

2)待放电状态P_c＜0：放电状态下确定需要进行动作的电池组个数与充电状态类似；

在调频过程中，三个组别分配的功率如图3所示，电池单元分配的调频功率指令如图4所示，根据图4可知由于AGC指令过大导致超越电池单元最大充放电功率的情况时有发生；

(4)确定好每个电池单元的充放电功率后，电池单元进行响应，完成调频的任务。

图5为电池单元的实际响应功率，对比图4，十个电池单元响应功率均维持在最大充放电功率以下；图6为三个电池组实际响应的功率，对比图6与图3，由于个别时间段分配给电池单元的功率略大于电池单元的最大充放电功率，三个电池组实际输出功率在部分时刻略小于分配功率。图7为电池单元的荷电状态变化情况，末时刻荷电状态差极差为0.035，相较于初始荷电状态极差0.1，提升了集中式储能电站的可调度潜力；图8为储能电站实际出力与AGC指令之间的关系，储能系统出力与AGC指令差值的标准差为2.07，调频效果相对较好。

将本研究基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略与传统功率直接分配方法中电池单元的动作次数进行对比，结果如表1所示。本研究方案下储能电池单元的动作次数仅为5896次.本文策略有效地减少了电池单元的动作次数，减缓了储能资源的寿命损失。

表1两种方法下储能电池单元动作次数

将本研究与基于动态分组的集中式电池储能电站调频控制策略中末时刻电池单元的动作次数极差进行对比，结果如表2所示。本研究方案下储能电池单元的动作次数仅为70次。本文策略有效地减少了电池单元的动作次数极差，提升了经济性。

表2两种方法下储能电池单元动作次数极差

综上所述，本控制策略降低响应结束后电池单元的荷电状态极差，提升了下一调度时段储能电站的可调度潜力；同时降低了储能系统的动作次数及其极差，提高了储能电站运行的经济性。

Claims (4)

1.基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建二次分组技术的评价指标体系，并依照此评价指标体系设计适应度函数；

(2)确定自适应天牛须搜索算法的自适应步长；

(3)根据AGC更新周期，确定二次分组技术的自动更新周期t；

(4)结合适应度函数，应用自适应天牛须搜索算法确定二次分组技术的强制更新阈值w；

(5)将集中式电池储能电站中电池单元分成为3个电池组，并按照荷电状态升序命名为优先充电组、备用组与优先放电组；根据二次分组技术确定3个电池组的调频功率指令，进而确定每个电池单元的调频指令，并使电池单元响应各自指令，完成调频任务；为了降低响应结束时刻电池单元动作次数极差，第二次分组流程如下：

当电池单元动作次数极差满足：

X₃≥E₃ (1)

其中X₃为每个响应时刻电池单元的动作次数极差，电池单元极差阈值E₃为40；

对电池单元进行组别替换，其中，P_c为电池储能电站待输出功率，P_groupc为优先充电组最大充放电功率，P_groupb为备用组最大充放电功率，P_groupd为优先放电组最大充放电功率；并规定P_c、P_groupc、P_groupb与P_groupd的取值大于0时为充电功率，小于0时为放电功率，方法如下：

(1)电池储能电站处于待充电状态P_c＞0时：

1)当P_c≤P_groupc时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先充电组中存在v_i，将优先充电组中电池单元v_i与备用组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置；

2)当P_c≤P_groupc+P_groupb时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先充电组或者备用组中存在v_i，先将备用组中电池单元v_i与优先放电组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置，再将优先充电组中电池单元v_i与优先放电组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置，交换位置的电池单元个数不超过优先放电组的电池单元个数；

(2)电池储能电站处于待放电状态P_c＜0时：

1)当P_c≥P_groupd时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先放电组中存在v_i，将优先放电组中电池单元v_i与备用组中电池单元按动作次数由小到大的顺序依次交换位置；

2)当P_c≥P_groupd+P_groupb时，寻找三个组动作次数最高的电池单元v_i，若优先放电组或者备用组中存在v_i，先将备用组中电池单元v_i与优先充电组中电池单元按动作次数由大到小的顺序依次交换位置，再将优先放电组中电池单元v_i与优先充电组中电池单元按动作次数由大到小的顺序依次交换位置，交换位置的电池单元个数不超过优先充电组的电池单元个数。

2.根据权利要求1所述的基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略，其特征在于，所述步骤(1)中评价指标体系由5部分构成，即储能电站出力与AGC指令差值的标准差、电池单元荷电状态极差平均值、响应结束时刻电池单元荷电状态极差和强制更新次数、响应结束时刻电池单元动作次数极差；其中，强制更新次数用于表征由于电池单元荷电状态极差大于等于设定强制更新阈值w导致的动态分组次数增加量；

设计的适应度函数为：

其中，f₁为储能系统出力与AGC指令差值的标准差，N₁为AGC指令个数，s_i为每个AGC周期储能系统出力，y_i为AGC指令期望出力值，f₂为电池单元荷电状态极差平均值，u_i为每个AGC周期末电池单元荷电状态极差，f₃为响应结束时刻电池单元荷电状态极差，f₄为强制更新次数X₁，f₅为响应结束时刻电池单元动作次数极差X₂；α₁、α₂、α₃、α₄和α₅为权重，适应度函数权重α₁、α₂和α₅取值分别为0.33、100和1.1，α₃和α₄的确定方法如下：

其中，

为响应结束时刻电池单元荷电状态极差，末时刻极差阈值E₁与强制更新次数阈值E₂分别为0.04和40。

3.根据权利要求1所述的基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略，其特征在于，所述步骤(2)中自适应天牛须搜索算法的自适应步长通过以下公式获取：

μ_n＝-arctan[a(n+b)]+c (5)

其中，μ_n为自适应步长，n为迭代次数，步长参数a、b和c取值分别为0.1、1.4和1.14。

4.根据权利要求1所述的基于二次分组的集中式电池储能电站调频控制策略，其特征在于，所述步骤(4)中结合所述的二次分组技术评价指标体系及适应度函数，应用自适应天牛须优化算法搜索强制更新阈值w。

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