CN114725955A - 用于新能源场站的电力调频系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于新能源场站的电力调频系统及方法，针对现有的新能源场站无法主动参与电网一次调频，在最大功率点跟踪或低有功功率出力时，无法参与电网调频的问题，通过氢能发电模块与飞轮储能模块电连接，复合调频控制模块与HAGC调控模块、氢能发电模块及飞轮储能模块通讯连接，HAGC调控模块与负荷预测模块及电网调度侧通讯连接；其中，负荷预测模块用于监测电网中电力系统的功率，预测当前电网中电力负荷的有功功率，发送至HAGC调控模块；HAGC调控模块接收电网调度侧发送的指令，对复合调频控制模块进行优化调控，以使复合调频控制模块实现对氢能发电模块与飞轮储能模块的协同调频控制，以平滑新能源场站的电能输出。

Description

用于新能源场站的电力调频系统及方法
技术领域
本发明属于电网控制的技术领域，尤其涉及一种用于新能源场站的电力调频系统及方法。
背景技术
电网作为接纳大规模可再生能源电力的能源系统，可再生能源的随机性和波动性对电力系统安全稳定运行将产生较大的影响。
可再生能源电力参与的一次调频及AGC(自动发电控制)调频可降低稳态频率偏差和暂态最大频率偏差，但因未改善系统惯量，存在低惯量系统越限风险。同时，传统的大规模集中式能量型电化学储能系统若频繁响应电网频率变化，将导致其寿命周期缩短，经济性差，且存在起火爆炸等安全隐患，导致安全性和可靠性不高。
氢能既是清洁低碳的新能源，又可作为储能介质。氢储能的能量密度高、运维成本低、长时间存储、运行过程无污染，可实现能源储存TW·h以上，以适用于极短或极长时间供电的能量储备技术。对于可再生能源系统，氢气是一种较好的能量存储介质。
同时，功率型飞轮储能系统具备瞬时高功率频繁充放电的技术特性，大幅降低电化学储能系统的充放电次数，降低初始和运维投入的费用，大幅提高系统的安全性和可靠性。飞轮储能系统可改善电力系统惯量，在调频中具备较好的补偿性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于新能源场站的电力调频系统及方法，解决现有技术中新能源场站无法主动参与电网一次调频，在最大功率点跟踪或低有功功率出力时，无法参与电网调频，以及大规模能量型电化学储能系统频繁响应电网调频，导致安全可靠性低及经济性差的问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种用于新能源场站的电力调频系统，包括：氢能发电模块、飞轮储能模块、复合调频控制模块、HAGC调控模块及负荷预测模块；
所述氢能发电模块与所述飞轮储能模块电连接，所述复合调频控制模块与所述HAGC调控模块、所述氢能发电模块及所述飞轮储能模块通讯连接，所述HAGC调控模块与所述负荷预测模块及电网调度侧通讯连接；
所述负荷预测模块用于监测电网中电力系统的功率，预测当前电网中电力负荷的有功功率，发送至HAGC调控模块；
所述HAGC调控模块接收电网调度侧发送的指令，对所述复合调频控制模块进行优化调控，以使所述复合调频控制模块实现对所述氢能发电模块与所述飞轮储能模块的协同调频控制，以平滑新能源场站的电能输出。
根据本发明一实施例，所述氢能发电模块包括氢燃料电池单元、辅助供电单元和第一电力电子设备；
其中，所述氢燃料电池单元为以氢气为反应介质的发电装置；
所述辅助供电单元为功率型电力储能供电设备；
所述第一电力电子设备为DC-AC转换设备，其输出功率根据所述氢燃料电池单元确定；
所述氢燃料电池单元与所述辅助供电单元输出相同的直流电压。
根据本发明一实施例，所述飞轮储能模块包括飞轮储能机组、第二电力电子设备和第三电力电子设备；
其中，所述飞轮储能机组与新能源场站电连接，用于存储和消纳新能源场站的电力资源；
所述飞轮储能机组与所述第二电力电子设备及所述第三电力电子设备电连接，通过所述第二电力电子设备进行电能量的调峰调频，通过所述第三电力电子设备为辅助供电单元提供电能补偿。
根据本发明一实施例，所述HAGC调控模块将调频指令传输至所述复合调频控制模块；
所述复合调频控制模块将调频指令分别传输至氢燃料电池单元和飞轮储能机组，优先启动所述飞轮储能模块，判断飞轮储能模块的SOC是否小于60％，若是，则启动氢能发电模块，通过辅助供电单元为氢燃料电池单元的辅助设备供电，辅助供电单元通过第一电力电子设备进行调频响应；若否，则通过第二电力电子设备为飞轮储能模块供电，进行调频响应。
根据本发明一实施例，所述复合调频控制模块收到所述氢能发电模块的调频响应后，以第一电力电子设备为飞轮储能机组进行供电，使得飞轮储能机组的SOC>60％，启动飞轮储能模块进行调频响应。
根据本发明一实施例，所述复合调频控制模块收到所述飞轮储能模块的调频响应后，以第三电力电子设备为氢能发电模块的辅助供电单元供电，启动氢能发电模块进行调频响应。
根据本发明一实施例，所述氢能发电模块的调频响应时间和/或所述飞轮储能模块的调频响应时间为毫秒级。
一种用于新能源场站的电力调频方法，实现本发明一实施例中的用于新能源场站的电力调频系统对有功功率进行调节，以平滑新能源场站的电能输出，包括以下步骤：
S1.调取电网电力负荷的预测有功功率Pl；
S2.采集新能源场站的有功功率Pe；
S3.判断T1时间内，新能源场站有功功率Pe的积分量TPe是否小于预测有功功率Pl的积分量TPl，若是，则执行步骤S4；若否，则通过飞轮储能模块将高于负荷预测的电能进行储存；
S4.启动氢能发电模块，响应时间为Th，发电达到有功功率Ph后稳定输出；
S5.启动飞轮储能模块，响应时间为TF，记录飞轮储能模块的有功功率PF；
S6.通过调频复合控制模块，使在T2时间内，氢能发电模块满足|Pe+PF+Ph-Pl|＜5％～10％；
S7.获取T3时间内的电力负荷的目标有功功率PL；
S8.判断T3时间内，预测有功功率Pl均值是否等于负载的目标功率PL的均值，若是，则执行步骤S9；若否，则执行步骤S10；
S9.通过负荷预测模块对电力系统进行功率监测，重复步骤S6；
S10.通过HAGC调控模块的寻优算法对预测有功功率Pl进行数据修正，重复步骤S8。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明一实施例中的用于新能源场站的电力调频系统，针对现有的新能源场站无法主动参与电网一次调频，在最大功率点跟踪或低有功功率出力时，无法参与电网调频的问题，通过氢能发电模块与飞轮储能模块电连接，复合调频控制模块与HAGC调控模块、氢能发电模块及飞轮储能模块通讯连接，HAGC调控模块与负荷预测模块及电网调度侧通讯连接；其中，负荷预测模块用于监测电网中电力系统的功率，预测当前电网中电力负荷的有功功率，发送至HAGC调控模块；HAGC调控模块接收电网调度侧发送的指令，对复合调频控制模块进行优化调控，以使复合调频控制模块实现对氢能发电模块与飞轮储能模块的协同调频控制，以平滑新能源场站的电能输出。实现新能源场站接入电网后的调频及电能输出的稳定性和安全性。
附图说明
图1为本发明一实施例中的用于新能源场站的电力调频系统的框图；
图2为本发明一实施例中的用于新能源场站的电力调频系统的结构示意图；
图3为本发明一实施例中的有功功率控制逻辑流程图；
图4为本发明一实施例中的复合调频控制逻辑流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于新能源场站的电力调频系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例一
本实施例针对现有的新能源场站无法主动参与电网一次调频，在最大功率点跟踪或低有功功率出力时，无法参与电网调频的问题，提供了一种用于新能源场站的电力调频系统，该系统结合了飞轮储能惯量响应的特征和氢能大规模存储发电的特征，实现双储条件下的电力调控模式，有效提高了新能源场站接入电网后输出电能的稳定性及安全性，促进光伏、风电等可再生能源电力的消纳。
请参看图1，该用于新能源场站的电力调频系统，包括：氢能发电模块1、飞轮储能模块2、复合调频控制模块3、HAGC(混成自动调频控制)调控模块4及负荷预测模块5。
其中，氢能发电模块1与飞轮储能模块2电连接，复合调频控制模块3与HAGC调控模块4、氢能发电模块1及飞轮储能模块2之间实现电连接及通讯连接，HAGC调控模块4与负荷预测模块5及电网调度侧通讯连接。
负荷预测模块5用于监测电网中电力系统的功率，预测当前电网中电力负荷的有功功率，发送至HAGC调控模块4。HAGC调控模块4接收电网调度侧发送的指令，对复合调频控制模块3进行优化调控，以使复合调频控制模块3实现对氢能发电模块1与飞轮储能模块2的协同调频控制，以平滑新能源场站的电能输出。
具体的，请参看图2，氢能发电模块1包括氢燃料电池单元101、辅助供电单元103和第一电力电子设备102。其中，氢燃料电池单元101为以氢气为反应介质的发电装置，优选为PEM(质子交换膜)氢燃料电池组。
辅助供电单元103为功率型电力储能供电设备，优选为高倍率(充放电倍率为2～5C)磷酸铁锂电池簇。
第一电力电子设备102为DC-AC转换设备，其输出功率根据所述氢燃料电池单元确定。
该氢燃料电池单元101与辅助供电单元103输出相同的直流电压。
飞轮储能模块2包括飞轮储能机组201、第二电力电子设备202和第三电力电子设备203。其中，所述飞轮储能机组201与新能源场站电连接，用于存储和消纳新能源场站的电力资源。
该飞轮储能机组201与第二电力电子设备202及第三电力电子设备203电连接，并通过第二电力电子设备202进行电能量的调峰调频，通过第三电力电子设备203为辅助供电单元103提供电能补偿。
复合调频控制模块3用于对氢能发电模块1和飞轮储能模块2进行协同调频控制，并由HAGC调控模块4对其进行计算优化调控。
具体的，该HAGC调控模块4将接收到的调频指令传输至复合调频控制模块3。
该复合调频控制模块3将调频指令分别传输至氢燃料电池单元101和飞轮储能机组201，优先启动飞轮储能模块2，判断飞轮储能模块2的SOC(能量状态)是否小于60％，若是，则启动氢能发电模块1，通过辅助供电单元103为氢燃料电池单元101的辅助设备供电，辅助供电单元103通过第一电力电子设备102进行调频响应；若否，则通过第二电力电子设备202为飞轮储能模块1供电，进行调频响应。
该复合调频控制模块3收到氢能发电模块1的调频响应后，以第一电力电子设备102为飞轮储能机组201进行供电，使得飞轮储能机组201的SOC>60％，以启动飞轮储能模块2进行调频响应。
该复合调频控制模块3收到飞轮储能模块2的调频响应后，通过第三电力电子设备203为氢能发电模块1的辅助供电单元103供电，以启动氢能发电模块1进行调频响应。
上述氢能发电模块1进行调频响应是辅助供电单元103通过第一电力电子设备102进行高精度的及时响应，飞轮储能模块2进行调频响应是飞轮储能机组201通过第二电力电子设备202进行高精度的及时响应。两者的调频响应时间均为毫秒级。
本实施例中的用于新能源场站的电力调频系统，在运行过程中，飞轮储能模块通过接入的新能源场站的电力或氢能发电模块的电力来满足储能和调频的供电需求；同时，能够为用于氢能发电模块启动的辅助供电单元提供电力支持。本实施例结合了飞轮储能惯量响应的特征和氢能大规模存储发电的特征，实现双储条件下的电力调控模式，有效提高了新能源场站接入电网电能的稳定性及安全性，促进光伏、风电等可再生能源电力的消纳。
实施例二
本实施例提供了一种用于新能源场站的电力调频方法，实现本发明一实施例中的用于新能源场站的电力调频系统对有功功率进行调节，以平滑新能源场站的电能输出。请参看图3，该用于新能源场站的电力调频方法包括以下步骤：
S1.调取电网电力负荷的预测有功功率Pl；
S2.采集新能源场站的有功功率Pe；
S3.判断T1时间内，新能源场站有功功率Pe的积分量TPe是否小于预测有功功率Pl的积分量TPl，若是，则执行步骤S4；若否，则通过飞轮储能模块将高于负荷预测的电能进行储存；
S4.启动氢能发电模块，响应时间为Th，发电达到有功功率Ph后稳定输出；
S5.启动飞轮储能模块，响应时间为TF，记录飞轮储能模块的有功功率PF；
S6.通过调频复合控制模块，使在T2时间内，氢能发电模块满足|Pe+PF+Ph-Pl|＜5％～10％；
S7.获取T3时间内的电力负荷的目标有功功率PL；
S8.判断T3时间内，预测有功功率Pl均值是否等于负载的目标功率PL的均值，若是，则执行步骤S9；若否，则执行步骤S10；
S9.通过负荷预测模块对电力系统进行功率监测，重复步骤S6；
S10.通过HAGC调控模块的寻优算法对预测有功功率Pl进行数据修正，重复步骤S8。
上述步骤中的时间T1为负荷预测的监视时间(1分钟～5年)，包括超短期、短期、中期和长期；时间T2为1～5min的评估时间；时间T3为12～24h的系统监视时间。
该用于新能源场站的电力调频方法还可实现复合控制氢能发电模块和飞轮储能模块进行调频响应，请参看图4，具体以下步骤：
A1.HAGC调控模块将调频指令传输到复合调频控制模块；
A2.复合调频控制模块分别将调频需求传输到氢燃料电池单元和飞轮储能机组；
A3.优先启动飞轮储能模块，判断飞轮储能模块的SOC是否小于60％，若满足条件，则控制氢能发电模块通过辅助供电单元为氢燃料电池单元的辅助设备供电，辅助供电单元通过第一电力电子设备进行调频响应，进一步，执行A4；若不满足条件，则控制飞轮储能模块通过第二电力电子设备供电以响应调频，进一步，执行A5；
A4.氢能发电模块通过第一电力电子设备为飞轮储能机组进行供电，使得飞轮储能机组SOC>60％，进一步，执行A6；
A5.飞轮储能模块通过第三电力电子设备为氢能发电模块的辅助供电单元供电，以启动氢能发电模块进行调频响应，进一步，实施A6；
A6.通过复合调频控制模块计算调节，使得飞轮储能模块和氢能发电模块的频率能够符合HAGC调控模块的调频指令，以维持新能源场站的电网频率；
A7.系统运行始末，维持飞轮储能模块的SOC>20％。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种用于新能源场站的电力调频系统，其特征在于，包括：氢能发电模块、飞轮储能模块、复合调频控制模块、HAGC调控模块及负荷预测模块；
所述氢能发电模块与所述飞轮储能模块电连接，所述复合调频控制模块与所述HAGC调控模块、所述氢能发电模块及所述飞轮储能模块通讯连接，所述HAGC调控模块与所述负荷预测模块及电网调度侧通讯连接；
所述负荷预测模块用于监测电网中电力系统的功率，预测当前电网中电力负荷的有功功率，发送至HAGC调控模块；
所述HAGC调控模块接收电网调度侧发送的指令，对所述复合调频控制模块进行优化调控，以使所述复合调频控制模块实现对所述氢能发电模块与所述飞轮储能模块的协同调频控制，以平滑新能源场站的电能输出。
2.如权利要求1所述的用于新能源场站的电力调频系统，其特征在于，所述氢能发电模块包括氢燃料电池单元、辅助供电单元和第一电力电子设备；
其中，所述氢燃料电池单元为以氢气为反应介质的发电装置；
所述辅助供电单元为功率型电力储能供电设备；
所述第一电力电子设备为DC-AC转换设备，其输出功率根据所述氢燃料电池单元确定；
所述氢燃料电池单元与所述辅助供电单元输出相同的直流电压。
3.如权利要求2所述的用于新能源场站的电力调频系统，其特征在于，所述飞轮储能模块包括飞轮储能机组、第二电力电子设备和第三电力电子设备；
其中，所述飞轮储能机组与新能源场站电连接，用于存储和消纳新能源场站的电力资源；
所述飞轮储能机组与所述第二电力电子设备及所述第三电力电子设备电连接，通过所述第二电力电子设备进行电能量的调峰调频，通过所述第三电力电子设备为辅助供电单元提供电能补偿。
4.如权利要求1所述的用于新能源场站的电力调频系统，其特征在于，
所述HAGC调控模块将调频指令传输至所述复合调频控制模块；
所述复合调频控制模块将调频指令分别传输至氢燃料电池单元和飞轮储能机组，优先启动所述飞轮储能模块，判断飞轮储能模块的SOC是否小于60％，若是，则启动氢能发电模块，通过辅助供电单元为氢燃料电池单元的辅助设备供电，辅助供电单元通过第一电力电子设备进行调频响应；若否，则通过第二电力电子设备为飞轮储能模块供电，进行调频响应。
5.如权利要求4所述的用于新能源场站的电力调频系统，其特征在于，所述复合调频控制模块收到所述氢能发电模块的调频响应后，以第一电力电子设备为飞轮储能机组进行供电，使得飞轮储能机组的SOC>60％，启动飞轮储能模块进行调频响应。
6.如权利要求4所述的用于新能源场站的电力调频系统，其特征在于，所述复合调频控制模块收到所述飞轮储能模块的调频响应后，以第三电力电子设备为氢能发电模块的辅助供电单元供电，启动氢能发电模块进行调频响应。
7.如权利要求5或6所述的用于新能源场站的电力调频系统，其特征在于，所述氢能发电模块的调频响应时间和/或所述飞轮储能模块的调频响应时间为毫秒级。
8.一种用于新能源场站的电力调频方法，其特征在于，实现如权利要求1至7中任意一项所述的用于新能源场站的电力调频系统对有功功率进行调节，以平滑新能源场站的电能输出，包括以下步骤：
S1.调取电网电力负荷的预测有功功率Pl；
S2.采集新能源场站的有功功率Pe；
S3.判断T1时间内，新能源场站有功功率Pe的积分量TPe是否小于预测有功功率Pl的积分量TPl，若是，则执行步骤S4；若否，则通过飞轮储能模块将高于负荷预测的电能进行储存；
S4.启动氢能发电模块，响应时间为Th，发电达到有功功率Ph后稳定输出；
S5.启动飞轮储能模块，响应时间为TF，记录飞轮储能模块的有功功率PF；
S6.通过调频复合控制模块，使在T2时间内，氢能发电模块满足|Pe+PF+Ph-Pl|＜5％～10％；
S7.获取T3时间内的电力负荷的目标有功功率PL；
S8.判断T3时间内，预测有功功率Pl均值是否等于负载的目标功率PL的均值，若是，则执行步骤S9；若否，则执行步骤S10；
S9.通过负荷预测模块对电力系统进行功率监测，重复步骤S6；
S10.通过HAGC调控模块的寻优算法对预测有功功率Pl进行数据修正，重复步骤S8。
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