CN115207940A - 一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法，方法包括：根据获取的运行参数计算频率偏差，并判断所述频率偏差的绝对值是否大于储能调频阈值；若所述频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则基于储能电池SOC状态对储能电池的出力进行自适应控制，所述自适应控制为采用虚拟下垂方式、虚拟惯性方式和/或虚拟负惯性方式的组合控制。通过分析储能电池虚拟下垂与虚拟惯性控制对电网频率的影响，得到改进后的虚拟负惯性控制，并通过该三种控制方式的自适应综合控制，达到了快速恢复电网频率的需求。

Description

一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法
技术领域
本发明属于储能调频技术领域，尤其涉及一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法。
背景技术
因新型电力系统需要，火电机组需要常态化深度调峰。深度调峰工况下，火电机组以往提供涉网性能所依据的系统、设计和运行边界条件发生巨大变化，随调峰深度的增加，各项涉网性能呈现不同程度下降趋势。
而储能的自身优势及其快速发展则给深度调峰工况下的调频提供了新的思路。储能由于具有响应速度快、响应精度高、控制灵活等优势，很好地契合了分钟级甚至秒级的调频调度需求。通过引入储能系统参与电网调频可以减少机组自身出力，保证深度调峰工况下调频的经济性与可靠性。
在当前研究中，在控制方式方面，主要集中在虚拟下垂控制与虚拟惯性控制对频率改善效果进行研究，忽略了机组的调频需求与这两种经典控制策略对电网频率的动态影响；在储能出力约束方面，很多研究集中于采用变单位调节功率值，但大部分的算法忽略了在后期硬件设计中的实现及其工程实践便捷性，还有较多研究中默认死区大小与常规机组参与一次调频的死区一致，这样会导致储能电池频繁充放电，没有从经济性，环保性的角度去考虑这一问题；在机组调峰工况方面，当前研究主要集中在常规调峰，忽略了深度调峰工况已逐渐常态化的背景。
发明内容
本发明提供一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法，用于至少解决上述的现有技术忽略了机组的调频需求与虚拟下垂控制、虚拟惯性控制对电网频率的动态影响的技术问题。
本发明提供一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法，包括：
根据获取的运行参数计算频率偏差，并判断所述频率偏差的绝对值是否大于储能调频阈值；
若所述频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则基于储能电池SOC状态对储能电池的出力进行自适应控制，所述自适应控制为采用虚拟下垂方式、虚拟惯性方式和/或虚拟负惯性方式的组合控制，其中，储能电池仅采用虚拟下垂方式对储能电池的出力进行控制时，储能系统的有功功率变化量为：
ΔPE1＝-KFΔF，
式中，ΔPE1为储能电池采用虚拟下垂方式时储能系统的有功功率变化量，KE为虚拟下垂控制系数，ΔF为频率偏差；
储能电池仅采用虚拟负惯性方式对储能电池的出力进行控制时，储能系统的有功功率变化量为：
Figure BDA0003729295780000021
式中，ΔPE3为储能电池采用虚拟负惯性方式时储能系统的有功功率变化量，M′E为虚拟负惯性控制系数，
Figure BDA0003729295780000022
为频率偏差变化率；
其中，计算虚拟负惯性控制系数M′E的表达式为：
Figure BDA0003729295780000023
式中，β为虚拟负惯性系数与虚拟下垂系数的比例系数，Kc、Kd分别为采用虚拟下垂方式控制时的充电系数、采用虚拟下垂方式控制时的放电系数。
进一步地，所述运行参数中包含电网实时频率。
进一步地，所述若所述频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则基于储能电池SOC状态对储能电池的出力进行自适应控制包括：
若频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则判断频率偏差是否大于0以及频率偏差变化率是否大于0；
若频率偏差大于0且频率偏差变化率大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令；
若频率偏差大于0且频率偏差变化率不大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟负惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令；
若频率偏差不大于0且频率偏差变化率大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟负惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令；
若频率偏差不大于0且频率偏差变化率不大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令。
进一步地，其中，计算采用虚拟下垂方式控制时的充电系数的表达式为：
Figure BDA0003729295780000031
计算采用虚拟下垂方式控制时的放电系数的表达式为：
Figure BDA0003729295780000032
式中，Kmax为最大虚拟单位调节功率，P0为功率初始值，储能电池SOC设置的最小值，SOCmin为，SOCmax为储能电池SOC设置的最大值，SOC为储能电池荷电状态，n为自适应因子。
本申请的基于储能电池参与一次调频的综合控制方法及系统具有以下有益效果：
1、通过分析储能电池虚拟下垂与虚拟惯性控制对电网频率的影响，得到改进后的虚拟负惯性控制，然后根据电网频率控制的几个阶段对虚拟负惯性控制、虚拟下垂控制以及虚拟惯性进行自适应切换，以达到更好控制电网频率的作用；
2、设置储能调频死区，以防储能电池进行频繁充放电；
3、考虑了储能电池SOC即时状态，控制其以合适的下垂系数、惯性系数和负惯性系数进行出力，在储能辅助火电机组参与电网调频的同时，对储能电池的循环寿命起到了很好的保护作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法的流程图；
图2为本发明一个具体实施例提供的储能电池参与一次调频的具体结构图；
图3为本发明一个具体实施例提供的基于电池SOC状态虚拟下垂自适应规律示意图；
图4为本发明一个具体实施例提供的深度调峰工况下电池储能参与一次调频的流程图；
图5为本发明一实施例提供的一种基于储能电池参与一次调频的综合控制系统的结构框图。
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。
请参阅图1，其示出了本申请的一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法的流程图。
如图1所示，基于储能电池参与一次调频的综合控制方法具体包括以下步骤：
步骤S101，根据获取的运行参数计算频率偏差，并判断所述频率偏差的绝对值是否大于储能调频阈值。
在本实施例中，运行参数包含电网实时频率，计算电网实时频率和50HZ的差，能够得到频率偏差，通过设置储能调频阈值，即储能人工频率死区，当频率偏差的绝对值不大于储能人工频率死区时储能不参与调频，从而防止储能电池进行频繁充放电。
需要说明的是，设置储能人工频率死区后火电机组与储能系统参与电网一次调频的综合功率变化量的表达式为：
Figure BDA0003729295780000051
式中，ΔP为火电机组与储能系统参与电网一次调频的综合功率变化量，ΔPG为火电机组参与电网一次调频的功率变化量，ΔPE为储能系统参与电网一次调频的功率变化量，
Figure BDA0003729295780000052
为火电机组参与电网一次调频的死区，即0.033Hz，
Figure BDA0003729295780000053
为储能人工频率死区，即人为设定的安全边界，ΔF为频率偏差。
步骤S102，若所述频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则基于储能电池SOC状态对储能电池的出力进行自适应控制，所述自适应控制为采用虚拟下垂方式、虚拟惯性方式和/或虚拟负惯性方式的组合控制。
在本实施例中，虚拟下垂控制和虚拟惯性控制分别是对频率偏差和频率偏差变化率这两个维度进行控制，而虚拟负惯性控制是基于虚拟惯性控制改进后得到的，可以避免在频率恢复阶段，虚拟惯性控制对频率恢复的抑制。因此，在频率恶化阶段使用虚拟下垂与虚拟惯性控制有利于频率恢复；而在频率恢复阶段，使用虚拟下垂控制与虚拟负惯性控制则有助频率快速恢复。
进一步地，提供如图2所示的储能电池参与一次调频的具体结构。其中，ΔPL(s)为负荷扰动，本实例中为阶跃负荷扰动，ΔPG(s)为火电机组参与一次调频的功率变化，G(s)为火电机组调速器传递函数，KG为火电机组的单位调节功率，ΔF为频率偏差，M＝2H，H为惯性时间系数，D为负荷阻尼，
Figure BDA0003729295780000061
为发电机和负荷传递函数，储能系统分别采用虚拟下垂方式、虚拟惯性方式和虚拟负惯性方式控制时，该过程储能系统的有功变化量分别为：
ΔPE1＝-KEΔF，
式中，ΔPE1为储能电池采用虚拟下垂方式时储能系统的有功功率变化量，KE为虚拟下垂控制系数，ΔF为频率偏差；
Figure BDA0003729295780000062
式中，ΔPE2为储能电池采用虚拟惯性方式时储能系统的有功功率变化量，ME为虚拟惯性控制系数，
Figure BDA0003729295780000063
为频率偏差变化率；
Figure BDA0003729295780000064
式中，ΔPE3为储能电池采用虚拟负惯性方式时储能系统的有功功率变化量，M′E为虚拟负惯性控制系数；
为了延长储能电池寿命，防止电池的过充过放，基于储能电池SOC状态对储能电池的出力进行自适应控制的规律为：
Figure BDA0003729295780000065
Figure BDA0003729295780000071
式中，Kmax为最大虚拟单位调节功率，其值取20p.u.MW/p.uHzP0为功率初始值，其值取0.01，SOCmin为储能电池SOC设置的最小值，其值取0.1，SOCmax为储能电池SOC设置的最大值，其值取0.9，SOC为储能电池荷电状态，n为自适应因子，其值取15。
需要说明的是，如图3所示的基于电池SOC状态虚拟下垂自适应规律图。其中，曲线Kc与曲线Kd分别为电池充、放电对应的SOC自适应规律。在储能系统参与调频时，若一直采用最大功率进行充放电，将会造成储能电池的过充过放；若一直采用较低功率充放电，虽然保护了储能电池，但是未能对储能功率进行充分利用。因此本实例采用自适应控制规律，所采用的Logistic曲线的特点在于初始阶段数值呈指数方式增长，随着数值逐渐饱和，增加速度有所减缓，达到一定程度时停止增长并稳定于某一数值。回归函数的形式越接近于电池储能系统SOC与充放电系数之间的线性关系，就越能保证反馈系数计算的准确性。以储能放电曲线Kd为例：当SOC水平较低时，为了防止电池过充，储能系统不出力或者以较低功率出力；当SOC水平逐渐升高时，储能出力值也在增加；当SOC较高时，储能以最大功率出力，在实现快速放电的同时，也不会损害电池。
具体地，虚拟惯性系数、虚拟负惯性系数与虚拟下垂系数的关系如下：
Figure BDA0003729295780000072
Figure BDA0003729295780000081
式中，ME为虚拟惯性控制系数，α为虚拟惯性系数与虚拟下垂系数的比例关系，M′E为虚拟负惯性控制系数，β为虚拟负惯性系数与虚拟下垂系数的比例系数，
Figure BDA0003729295780000082
为频率偏差变化率，Kc、Kd分别为采用虚拟下垂方式控制时的充电系数、采用虚拟下垂方式控制时的放电系数。
综上，本实施例的方法，采用虚拟下垂控制、虚拟惯性控制及虚拟负惯性控制，并定义了频率偏差变化率的临界值，区分不同频差变化率下系统调频需求，进而选择相应的控制方式；设置了储能调频死区，防止电池系统在受到扰动后频繁地充放电，为深度调峰工况下的调频系统提供了安全边界，保证了系统的经济性、环保性和可靠性；基于储能电池荷电状态(State of Charge，SOC)采用自适应控制规律对储能电池出力进行实时控制，防止储能电池过充过放，对保护储能电池寿命具有重要意义。
在一个具体实施例中，如图4所示，基于储能电池参与一次调频的综合控制方法包括以下步骤：
步骤1、在发生负荷扰动时，根据获取的运行参数计算频率偏差，并判断频率偏差的绝对值是否大于储能调频阈值；
步骤2、若频率偏差的绝对值不大于储能调频阈值，则控制储能不参与调频；
步骤3、若频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则判断频率偏差是否大于0以及频率偏差变化率是否大于0；
步骤4、若频率偏差大于0且频率偏差变化率大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令；
步骤5、若频率偏差大于0且频率偏差变化率不大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟负惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令；
步骤6、若频率偏差不大于0且频率偏差变化率大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟负惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令；
步骤7、若频率偏差不大于0且频率偏差变化率不大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令。
综上，本申请采用的深度调峰工况下电池储能参与一次调频的综合控制方法能够很大程度地改善深度调峰工况下的一次调频性能，保证了机组的安全性和经济性。
请参阅图5，其示出了本申请的一种基于储能电池参与一次调频的综合控制系统的结构框图。
如图5所示，综合控制系统200，包括判断模块210以及控制模块220。
其中，判断模块210，配置为根据获取的运行参数计算频率偏差，并判断所述频率偏差的绝对值是否大于储能调频阈值；控制模块220，配置为若所述频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则基于储能电池SOC状态对储能电池的出力进行自适应控制，所述自适应控制为采用虚拟下垂方式、虚拟惯性方式和/或虚拟负惯性方式的组合控制，其中，储能电池仅采用虚拟下垂方式对储能电池的出力进行控制时，系统的有功功率变化量为：ΔPE1＝-KEΔF，式中，ΔPE1为储能电池采用虚拟下垂方式时系统的有功功率变化量，KE为虚拟下垂控制系数，ΔF为频率偏差；储能电池仅采用虚拟惯性方式对储能电池的出力进行控制时，储能系统的有功功率变化量为：
Figure BDA0003729295780000091
式中，ΔPE2为储能电池采用虚拟惯性方式时储能系统的有功功率变化量，ME为虚拟惯性控制系数，
Figure BDA0003729295780000092
为频率偏差变化率；储能电池仅采用虚拟负惯性方式对储能电池的出力进行控制时，系统的有功功率变化量为：
Figure BDA0003729295780000093
式中，ΔPE3为储能电池采用虚拟负惯性方式时系统的有功功率变化量，M′E为虚拟负惯性控制系数，
Figure BDA0003729295780000094
为频率偏差变化率；其中，计算虚拟负惯性控制系数M′E的表达式为：
Figure BDA0003729295780000101
式中，β为虚拟负惯性系数与虚拟下垂系数的比例系数，Kc、Kd分别为采用虚拟下垂方式控制时的充电系数、采用虚拟下垂方式控制时的放电系数。
应当理解，图5中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图5中的诸模块，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法，其特征在于，包括：
根据获取的运行参数计算频率偏差，并判断所述频率偏差的绝对值是否大于储能调频阈值；
若所述频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则基于储能电池SOC状态对储能电池的出力进行自适应控制，所述自适应控制为采用虚拟下垂方式、虚拟惯性方式和/或虚拟负惯性方式的组合控制，其中，储能电池仅采用虚拟下垂方式对储能电池的出力进行控制时，储能系统的有功功率变化量为：
ΔPE1＝-KEΔF，
式中，ΔPE1为储能电池采用虚拟下垂方式时储能系统的有功功率变化量，KE为虚拟下垂控制系数，ΔF为频率偏差；
储能电池仅采用虚拟惯性方式对储能电池的出力进行控制时，储能系统的有功功率变化量为：
Figure FDA0003729295770000011
式中，ΔPE2为储能电池采用虚拟惯性方式时储能系统的有功功率变化量，ME为虚拟惯性控制系数，
Figure FDA0003729295770000012
为频率偏差变化率；
储能电池仅采用虚拟负惯性方式对储能电池的出力进行控制时，储能系统的有功功率变化量为：
Figure FDA0003729295770000013
式中，ΔPE3为储能电池采用虚拟负惯性方式时储能系统的有功功率变化量，M′E为虚拟负惯性控制系数，
Figure FDA0003729295770000014
为频率偏差变化率；
其中，计算虚拟负惯性控制系数M′E的表达式为：
Figure FDA0003729295770000021
式中，β为虚拟负惯性系数与虚拟下垂系数的比例系数，Kc、Kd分别为采用虚拟下垂方式控制时的充电系数、采用虚拟下垂方式控制时的放电系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法，其特征在于，所述运行参数中包含电网实时频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法，其特征在于，所述若所述频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则基于储能电池SOC状态对储能电池的出力进行自适应控制包括：
若频率偏差的绝对值大于储能调频阈值，则判断频率偏差是否大于0以及频率偏差变化率是否大于0；
若频率偏差大于0且频率偏差变化率大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令；
若频率偏差大于0且频率偏差变化率不大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟负惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令；
若频率偏差不大于0且频率偏差变化率大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟负惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令；
若频率偏差不大于0且频率偏差变化率不大于0，则基于虚拟下垂方式以及虚拟惯性方式对储能系统进行一次调频储能出力分配指令。
4.根据权利要求1所述的一种基于储能电池参与一次调频的综合控制方法，其特征在于，其中，计算采用虚拟下垂方式控制时的充电系数的表达式为：
Figure FDA0003729295770000022
计算采用虚拟下垂方式控制时的放电系数的表达式为：
Figure FDA0003729295770000031
式中，Kmax为最大虚拟单位调节功率，P0为功率初始值，SOCmin为储能电池SOC设置的最小值，SOCmax为储能电池SOC设置的最大值，SOC为储能电池荷电状态，n为自适应因子。
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CN116131289A (zh) * 2023-02-22 2023-05-16 上海采日能源科技有限公司 调频控制方法、装置和计算机可读存储介质
CN116131289B (zh) * 2023-02-22 2023-12-15 上海采日能源科技有限公司 调频控制方法、装置和计算机可读存储介质

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