CN114844127A - 基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，涉及新能源技术领域。基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法包括：根据暂态约束，计算出暂态储能配置容量S_ESS；根据稳态约束，计算出稳态储能配置容量E_B；根据暂态储能配置容量S_ESS和稳态储能配置容量E_B，计算出系统储能容量配置的最小值C。基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法能够在同时满足暂态约束和稳态约束的条件下，得到系统储能容量配置的最小值，有利于系统安全稳定运行和新能源消纳。

Description

基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体而言，涉及一种基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法。

背景技术

风电、光伏等新能源的随机性和波动性较强，保持电力系统自身的安全运行，对支撑电网调峰、调压、调频等的灵活性资源等要求更高。存在于同步发电机转子或涡轮机中的惯量是电力系统中影响频率响应的重要参数，由于新能源渗透率不断提高以及高压直流输电的大规模发展，大量新能源通过电力电子装置并入电网，进而导致系统惯量水平降低。储能可以缓解高比例新能源接入电网对电力系统规划、安全稳定运行带来的一系列影响。针对高比例新能源接入条件下电力系统存在的系统惯量问题和新能源消纳问题，提出可利用储能改善系统暂态响应、并提高新能源消纳水平。储能可有效提升电网的可靠性、安全稳定性与经济性，并使可再生能源变得可控可调，成为电网友好型能源，进一步促进新能源的大规模开发利用。

储能配置的大小与新能源接入比例、常规电源提供的转动惯量、常规电源输出功率、系统频率变化率、新能源弃电量、储能运行方式等因素有关。一方面，电网侧储能主要面向电网调控运行，被广泛用于补偿可再生能源系统的虚拟惯量等环节，大大地改善了可再生能源的运行特性。在电网中配置适量的储能，并提供一定的惯量支撑，满足电力系统暂态频率响应约束条件。另一方面，电网通过配置储能，能在新能源出力较大而系统负荷水平较低时，有效调节系统低谷负荷、并储存新能源电量，然后在负荷高峰时段放出存储电量达到削峰的目的。

因此，在电网中配置储能不仅需要考虑系统的暂态响应约束，同时也需要考虑更长尺度范围内储能参与系统调峰以及稳态情况下对系统电力电量的支撑。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其能够在同时满足暂态约束和稳态约束的条件下，得到系统储能容量配置的最小值，有利于系统安全稳定运行和新能源消纳。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明提供一种基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法包括：

根据暂态约束，计算出暂态储能配置容量S_ESS；

根据稳态约束，计算出稳态储能配置容量E_B；

根据暂态储能配置容量S_ESS和稳态储能配置容量E_B，计算出系统储能容量配置的最小值C。

在可选的实施例中，暂态储能配置容量S_ESS的计算公式为：

式中，H_W为储能提供虚拟惯量控制后系统的等值惯性时间常数，令H_W＝Hcr，H_cr为系统的等值惯性时间常数的临界值，H'_T为新能源接入系统后的系统等值惯性时间常数，K为储能虚拟惯性控制环节参数，S_sys为系统总容量。

在可选的实施例中，系统等值惯性时间常数临界值H_cr的计算公式为：

式中，RoCoF_max为频率变化率的最大值，P_step为负荷扰动。

在可选的实施例中，新能源接入系统后的系统等值惯性时间常数H'_T的计算公式为：

H'_T＝H_T(1-β)

式中，H_T为原系统的等值惯性时间常数，β为新能源接入系统后的渗透率。

在可选的实施例中，原系统的等值惯性时间常数H_T的计算公式为：

式中，H_i,sys为第i台机组为整个系统提供的等值惯性时间常数，N为系统内常规机组数量。

在可选的实施例中，储能虚拟惯性控制环节参数K的计算公式为：

式中，H为系统等值惯性时间常数；Δf为系统的频率偏差标幺值；P_m为原动机提供的机械功率标幺值；P_e为电磁功率标幺值；D为发电机阻尼系数，P_droop为系统中储能下垂控制功率。

在可选的实施例中，根据稳态约束，计算出稳态储能配置容量E_B包括：

建立目标函数：min F＝E_B，式中，F为储能配置容量最小值；

根据目标函数、功率平衡约束、储能电荷状态约束、储能系统充放电速度约束以及系统新能源弃电量约束，计算出稳态储能配置容量E_B。

在可选的实施例中，功率平衡约束的公式为：

P_extra(t)+P_RES(t)+P_thermal(t)+P_hydro(t)+P_line(t)＝P_B(t)+P_L(t)

式中，P_extra为额外调节功率，为时间t的函数，P_RES为新能源实时发电功率，定义有功功率从新能源机组输出的方向为正方向，P_thermal和P_hydro分别为火电机组和水电机组的实时发电功率，P_line为联络线交换功率，定义有功功率流入系统为正方向，P_B为储能系统实时吸收的有功功率，定义有功功率流向储能系统的方向为正方向，P_L为系统负荷，定义有功功率流向负荷的方向为正方向；

储能电荷状态约束的公式为：

SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max

式中，SOC_min为储能系统荷电状态的下限，SOC_max为储能系统荷电状态的上限，SOC为储能系统的实时荷电状态，为时间t的函数；

储能系统充放电速度约束的公式为：

W_B≤E_BS_max

式中，W_B为储能系统充放电功率，S_max为储能系统的最大充放电倍率；

系统新能源弃电量约束的公式为：

ΔW≤ΔW_N

式中，ΔW为新能源弃电量，ΔW_N为系统允许的日最大弃电量。

在可选的实施例中，储能系统的实时荷电状态SOC的计算公式为：

在可选的实施例中，系统储能容量配置的最小值C的计算公式为：

C＝max(S_ESS,E_B)。

本发明实施例提供的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法的有益效果包括：

1.基于系统暂态和稳态约束分别对系统所需的储能配置容量最小值进行分析，然后在同时满足暂态约束和稳态约束的条件下，得到系统储能容量配置的最小值；

2.所提方法从不同的角度对系统储能容量配置需求进行分析，有利于系统安全稳定运行和新能源消纳，具有一定的工程实践作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法的流程图；

图2为加入储能控制后系统的频率响应曲线；

图3为抵扣后的系统负荷功率和新能源出力曲线；

图4为配置储能后的系统出力曲线。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1，本实施例提供了一种基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，包括以下步骤：

S1：根据暂态约束，计算出暂态储能配置容量S_ESS。

根据暂态约束，首先考虑同步电机转动惯量、有功功率和系统频率满足以下关系式：

式中：H为常规机组时间常数；Δf为系统的频率偏差标幺值；P_m为原动机提供的机械功率标幺值；P_e为电磁功率标幺值；D为发电机阻尼系数。

储能系统通常可采用下垂控制和虚拟惯量控制参与系统调节，假设系统中储能下垂控制功率为P_droop，系统等值惯性时间常数为H，则公式(1)可转换为如下公式：

可以发现，增加虚拟惯性控制环节后，系统的等效惯量时间常数由H变为H+K/2，等效惯量值将由储能虚拟惯性控制环节参数K决定。因此，只要保证K>0，则可实现增大系统惯性，K<0，则减小系统的惯性。

假设原系统等值惯性时间常数为H_T，系统总容量为S_sys，系统中有新能源接入或是常规电源被新能源替代时，系统的等值惯性时间常数H_T将会变小。当系统机组均为常规机组时，系统的等值惯性时间常数H_T可表示为下式：

式中，H_i,sys为第i台机组为整个系统提供的等值惯性时间常数，N为系统内常规机组数量。

新能源接入系统后的系统等值惯性时间常数H'_T与原系统的等值惯性时间常数H_T之间的关系为：

H'_T＝H_T(1-β) (4)

式中：β为新能源接入系统后的渗透率。

在频率动态响应过程中，频率变化率(Rate of Change of Frequency，简称：RoCoF)是一个重要指标。当系统RoCoF较大时会导致分布式新能源保护动作造成新能源大规模脱网，进一步增大系统功率缺额。以RoCoF作为暂态约束分析新能源接入系统后系统的惯量，当扰动发生时刻，即t＝0时，对应的是频率变化率的最大值，即RoCoF_max：

式中：P_step为负荷扰动，H_cr为满足频率变化率情况下系统的等值惯性时间常数的临界值。

在确定系统最严重的单一故障扰动情况下，根据RoCoF_max可以求解得到系统的等值惯性时间常数的临界值为H_cr。

考虑储能提供虚拟惯量控制后系统的等值惯性时间常数可表示为H_W，根据储能虚拟惯量控制环节、系统等值惯性时间常数的求解方法，结合式(2)，对储能虚拟惯量控制输出功率进行标幺化，可以得到式(6)。虚拟惯量支撑环节中考虑到储能功率输出最大值，且整个暂态响应过程中储能始终能以最大功率进行支撑，可以假设储能利用小时数为1小时，则储能容量配置值等于储能最大输出功率值。

式中：S_ESS为储能配置容量。

S2：根据稳态约束，计算出稳态储能配置容量E_B。

首先，建立目标函数。

由公式(6)可求解得出满足暂态响应约束下的储能最小配置容量。当储能配置容量满足暂态约束后，仍需进一步分析在稳态情况下，通过储能参与系统功率调节，使得系统新能源满足消纳要求。对于水电丰富的电力系统，新能源弃电主要出现在丰水期小负荷方式下，水电出力叠加新能源出力。因此需根据日负荷曲线和新能源出力曲线，基于储能协调运行方式，满足电力供需平衡和新能源弃电量要求情况下，求解储能配置容量最小值，建立目标函数如公式(7)所示：

min F＝E_B (7)

式中：F为储能配置容量最小值，E_B为储能配置容量。

其次，根据目标函数、功率平衡约束、储能电荷状态约束、储能系统充放电速度约束以及系统新能源弃电量约束，计算出稳态储能配置容量E_B。

1、功率平衡约束的公式为：

P_extra(t)+P_RES(t)+P_thermal(t)+P_hydro(t)+P_line(t)＝P_B(t)+P_L(t) (8)

式中，P_extra为额外调节功率，为时间t的函数。P_RES为新能源实时发电功率，为时间t的函数，定义有功功率从新能源机组输出的方向为正方向。P_thermal和P_hydro分别为火电机组和水电机组的实时发电功率，为时间t的函数，定义有功功率从机组输出的方向为正方向。P_line为联络线交换功率，为时间t的函数，定义有功功率流入系统为正方向。P_B为储能系统实时吸收的有功功率，为时间t的函数，定义有功功率流向储能系统的方向为正方向。P_L为系统负荷，为时间t的函数，定义有功功率流向负荷的方向为正方向。

在丰水期情况下，为了提高新能源消纳，常规电源在保证系统安全稳定的前提下会尽量减少出力，以增加新能源电量的消纳空间，因此考虑常规电源在一天内的出力均为其出力下限值。联络线交换功率以当天确定好的计划值为约束，可认为是定值。因此，公式(8)可以进行简化，简化后的功率平衡约束的公式为：

P_extra(t)+P_RES(t)＝P_B(t)+P_eq.L(t) (9)

式中，P_eq.L为抵扣常规机组出力和联络线功率后的负荷功率。

2、储能电荷状态约束的公式为：

SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max (10)

式中，SOC_min为储能系统荷电状态(SOC)的下限，SOC_max为储能系统荷电状态(SOC)的上限，SOC为储能系统的实时荷电状态，为时间t的函数。

由于储能系统以日为周期循环运行，一天内考虑储能采用两充两放的运行策略。在丰水期晚间利用多余的新能源电量进行充电，然后在第二天第一个高峰负荷时将电量释放，通常发生在中午，储能单次满功率充放电利用小时数取2小时。

为充分提高储能利用效率，在每个周期循环内应保证SOC(0)＝SOC(24)＝SOC_min，即保证储能系统在当天能将储存的电量放出，其计算公式为：

式中，E_B表示储能配置容量。

3、储能系统充放电速度约束的公式为：

W_B≤E_BS_max (12)

式中，W_B为储能系统充放电功率，E_B为储能配置容量，Smax为储能系统的最大充放电倍率，该值与储能电池的材质有关。储能单次满功率充放电利用小时数为2小时，W_B＝0.5E_B。

4、系统新能源弃电量约束的公式为：

式中，ΔW为新能源弃电量，ΔW_N为系统允许的日最大弃电量，该值可根据新能源出力预测曲线和新能源消纳要求确定。

新能源全天发电量为W_RES，可由式(14)计算得到。

根据新能源弃电量要求，可以得到新能源当天的最大弃电量：

ΔW_N＝μW_RES (15)

式中：μ为新能源弃电率。

求解满足弃电量要求的储能容量配置时可采用线性插值法和摄动法相结合的方式，可以减少计算量。

采用线性差值法计算得到实际弃电量和允许弃电量差值η＝0时的系统负荷量E_B3。

式中，E_B1为采用线性差值法求解得到的系统储能配置容量第一个初值；η₁为采用线性差值法求解得到系统储能配置容量第一个初值时所对应的实际弃电量和允许弃电量差值；E_B2为采用线性差值法求解得到的系统储能配置容量第二个初值；η₂为采用线性差值法求解得到系统储能配置容量第二个初值时所对应的实际弃电量和允许弃电量差值。当求解得到的E_B3满足公式(17)时，E_B3即为所求的稳态储能配置容量E_B。

η(E_B3)≤ε (17)

S3：根据暂态储能配置容量S_ESS和稳态储能配置容量E_B，计算出系统储能容量配置的最小值C。

基于暂态约束求解得到的暂态储能配置容量S_ESS和稳态约束求解得到的稳态储能配置容量E_B，可以得到系统储能容量配置的最小值C：

C＝max(S_ESS,E_B) (18)

实施例

以IEEE 30节点系统为例进行分析，系统装机规模如下：火电机组200MW，水电机组125MW，风电机组60MW，光伏40MW。此处系统联络线功率可视为0，系统总负荷285MW，风电、光伏视为恒定功率源，不参与系统频率调节。

1、暂态约束分析

(1)系统未考虑新能源接入时，系统等值惯性时间常数H_T＝6.5s。新能源接入后，新能源装机100MW，渗透率为23.5％。根据公式计算，系统的等值惯性时间常数H'_T为：

H'_T＝H_T(1-β)＝6.5×(1-0.235)＝4.97s

(2)设置负荷扰动为45MW，系统频率变化率最大值约束为RoCoF_max＝0.5Hz/s。当系统不配置储能时，根据公式可求得此时系统等值惯性时间常数临界值H_cr：

(3)此时若维持现有的系统惯量水平，扰动发生后将无法满足系统频率变化率的要求，因此通过储能系统虚拟惯量控制来提高系统惯量水平。

为求解得到最小的储能配置容量，即令H_W＝Hcr，由此可以求解得出S_ESS＝28.8MWh。加入储能控制后系统的频率响应曲线如图2所示，根据频率响应曲线可以计算得到系统的等效惯性时间常数H_W＝5.31s，与理论计算值的误差为0.02s，误差在可接受范围内。

2、稳态约束分析

根据稳态约束条件，水电机组和火电机组最小出力约束为235MW，抵扣后的系统负荷功率和新能源出力曲线如图3所示。当系统没有配置储能时，系统的弃电量为118.36MWh，弃电率为13.15％。

根据新能源出力曲线可以计算得出当天新能源发电为899.82MWh，假设丰水期新能源消纳要求为90％，可以计算得出新能源弃电量应小于90MWh。通过求解可以得到系统的储能容量配置最小值为19.4MWh，储能充放电功率为9.7MW。配置储能后的系统出力曲线如图4所示，由图中可以看出储能系统在夜间新能源出力较大时进行充电，提高新能源消纳水平，在负荷高峰期放出电量支撑系统尖峰负荷时的功率平衡。而当新能源出力不足以满足负荷需求时，此时可以通过常规电源调节增加出力以满足系统功率平衡。

因此，综合暂态约束分析和稳态约束分析，系统最终的储能容量配置为28.8MWh。当储能配置容量为28.8MWh时，系统既能满足暂态约束又能满足稳态情况下新能源消纳约束。

因此，随着新能源的快速发展以及渗透率的不断提高，系统等效惯量会大幅减小，在常规电源维持装机不变的情况下，可通过储能虚拟惯量控制提高系统等效惯量，同时由于新能源出力的随机性、波动性和间歇性特点，丰水期情况下可能会增加系统的新能源弃电量。通过配置储能可有效减少新能源的弃电量，提高新能源消纳能力。本发明实施例所提方法可同时考虑系统的暂态约束和稳态约束，有利于储能容量的合理配置以及系统的安全稳定运行，对于工程实践具有一定的指导意义和参考价值。

以上，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，任何熟悉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以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，所述基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法包括：

根据暂态约束，计算出暂态储能配置容量S_ESS；

根据稳态约束，计算出稳态储能配置容量E_B；

根据所述暂态储能配置容量S_ESS和所述稳态储能配置容量E_B，计算出系统储能容量配置的最小值C。

2.根据权利要求1所述的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，所述暂态储能配置容量S_ESS的计算公式为：

式中，H_W为储能提供虚拟惯量控制后系统的等值惯性时间常数，令H_W＝Hcr，H_cr为系统的等值惯性时间常数的临界值，H'_T为新能源接入系统后的系统等值惯性时间常数，K为储能虚拟惯性控制环节参数，S_sys为系统总容量。

3.根据权利要求2所述的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，系统等值惯性时间常数临界值H_cr的计算公式为：

式中，RoCoF_max为频率变化率的最大值，P_step为负荷扰动。

4.根据权利要求2所述的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，新能源接入系统后的系统等值惯性时间常数H'_T的计算公式为：

H'_T＝H_T(1-β)

式中，H_T为原系统的等值惯性时间常数，β为新能源接入系统后的渗透率。

5.根据权利要求4所述的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，原系统的等值惯性时间常数H_T的计算公式为：

式中，H_i,sys为第i台机组为整个系统提供的等值惯性时间常数，N为系统内常规机组数量。

6.根据权利要求2所述的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，储能虚拟惯性控制环节参数K的计算公式为：

式中，H为系统等值惯性时间常数；Δf为系统的频率偏差标幺值；P_m为原动机提供的机械功率标幺值；P_e为电磁功率标幺值；D为发电机阻尼系数，P_droop为系统中储能下垂控制功率。

7.根据权利要求1所述的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，所述根据稳态约束，计算出稳态储能配置容量E_B包括：

建立目标函数：min F＝E_B，式中，F为储能配置容量最小值；

根据所述目标函数、功率平衡约束、储能电荷状态约束、储能系统充放电速度约束以及系统新能源弃电量约束，计算出所述稳态储能配置容量E_B。

8.根据权利要求7所述的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，所述功率平衡约束的公式为：

P_extra(t)+P_RES(t)+P_thermal(t)+P_hydro(t)+P_line(t)＝P_B(t)+P_L(t)

式中，P_extra为额外调节功率，为时间t的函数，P_RES为新能源实时发电功率，定义有功功率从新能源机组输出的方向为正方向，P_thermal和P_hydro分别为火电机组和水电机组的实时发电功率，P_line为联络线交换功率，定义有功功率流入系统为正方向，P_B为储能系统实时吸收的有功功率，定义有功功率流向储能系统的方向为正方向，P_L为系统负荷，定义有功功率流向负荷的方向为正方向；

所述储能电荷状态约束的公式为：

SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max

式中，SOC_min为储能系统荷电状态的下限，SOC_max为储能系统荷电状态的上限，SOC为储能系统的实时荷电状态，为时间t的函数；

所述储能系统充放电速度约束的公式为：

W_B≤E_BS_max

式中，W_B为储能系统充放电功率，S_max为储能系统的最大充放电倍率；

所述系统新能源弃电量约束的公式为：

ΔW≤ΔW_N

式中，ΔW为新能源弃电量，ΔW_N为系统允许的日最大弃电量。

9.根据权利要求8所述的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，储能系统的实时荷电状态SOC的计算公式为：

10.根据权利要求1所述的基于暂态和稳态约束的储能容量配置方法，其特征在于，所述系统储能容量配置的最小值C的计算公式为：

C＝max(S_ESS,E_B)。

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