CN115378038A - 基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法 - Google Patents

基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法 Download PDF

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CN115378038A CN202211149750.6A CN202211149750A CN115378038A CN 115378038 A CN115378038 A CN 115378038A CN 202211149750 A CN202211149750 A CN 202211149750A CN 115378038 A CN115378038 A CN 115378038A
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曹博源
杨忠光
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Lanzhou University of Technology
State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
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Abstract

一种基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法，包括1)调频状态判断，2)一次调频火储联合出力优化，3)储能出力指令生成。本发明首先对当前采样点的信息进行采集，通过当前采样点信息对机组调频状态判断并输出火电机组出力；然后对模型进行周期为Δt的优化分析，获取当前采样点储能优化目标出力值和一次调频火储联合出力最大值；最后通过储能当前SO C和储能充放电功率生成相应约束集，对储能目标出力修正，输出修正后的储能出力指令。本发明从一次调频的考核规则出发，考虑不同时段的补偿度，控制储能系统的最优出力，达到既节约一次调频考核费用，又降低储能损耗的目的。

Description

基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法
技术领域
本发明属于储能系统辅助火电机组参与一次调频领域，为基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法。
背景技术
随着越来越多的可再生能源并入电网，其固有的发电功率具有随机波动性和间歇性将导致电网频率发生偏移，电网频率控制正面临日益严峻的考验。以火电机组为主的调频方式受限于其运行特点，面对日益增加的调频需求显得力不从心。根据中电联2021年发布的全国电力工业统计快报，从发电端来看，2020年全社会用电总量为75110亿千瓦，相较2019年同比增长了3.1％，全口径发电设备容量为220058万千瓦，相较2019年同比增长了9.5％。其中火电容量为124517万千瓦，与2019年比装机容量增长了4.7％，是我国装机量最大的发电单位。与此同时，新能源发电量相较于2019年快速增长，其中风电设备容量达到了28153万千瓦，同比增长了34.6％，太阳能发电设备容量为25343万千瓦，同比增长了24.1％。
对于火力发电机组，一次能源需要经历一系列的转换过程最终输出电能，同时其轴系具有旋转惯性，因此火电机组对有功功率的响应速度较为缓慢，调频过程中存在一些问题。传统火电机组在参与一次调频时，通常会出现响应时间长、受自身蓄热约束导致一次调频量不足及调频死区设置过大等问题。所以面对新能源发电越来越普遍，电网受到的扰动变大，调频任务更加严峻的情况下，储能电池作为新型储能技术之一，不仅具有能源利用率高，清洁环境的优点，同时还可以起到双向调节的功能。与传统火电机组相比，储能电池能快速响应电网的调频信号，有效的减小了频率的波动，在辅助火电机组参与调频服务方面拥有巨大潜力。在实践中，“火电+储能联合调频”成为目前流行的组合，储能技术配合燃煤机组参与辅助调频服务。目前对于储能系统辅助火电机组参与调频的方法，主要有两种控制方法，一种是虚拟下垂控制方法，另一种是虚拟惯性控制方法。通过设定电池储能系统虚拟惯性与虚拟下垂控制模式切换的临界值及其采用的控制模式，实现二者的优势互补，可提升一次调频的改善效果。然而，若临界值的选取不当，电池储能系统出力在模式切换时刻易发生跃变。此外，电池储能系统的荷电状态(以下简称为SOC)与功率输出密切相关，若只考虑调频效果的改善而忽略电池储能系统自身容量的限制，将会导致电池储能系统使用寿命的降低，且电网频率易受到二次冲击。因此，在结合两种方法让电池储能联合传统机组参与一次调频控制时，频率偏差临界值的选取以及SOC的维持都是其中的关键因素。还有基于权重因子和荷电状态恢复提出了电池储能参与一次调频的方法：在频率波动超过储能调频死区时，为避免电池过度充放电提出储能调频系数计算方法，同时引入控制虚拟惯性和虚拟下垂出力比重随频率变化而调节的权重因子，进而设计了调频控制方法；在频率不超过储能调频死区时，兼顾储能恢复需求和电网承受能力，提出储能SOC恢复方法。
发明内容
为提升储能系统辅助火电机组参与一次调频的经济性，本发明提供一种基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法，基于补偿度的方法，通过对模型的优化分析得出一次调频火储联合出力的最优值，通过对储能出力修正后，输出修正后的储能出力指令。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)调频状态判断：
采集当前采样点信息包括采样点所处调频窗口内的时段和采样点频率，首先通过采样点所处调频窗口内的时段确定当前采样点的补偿度；然后根据当前采样点频率、补偿度和窗口前10秒机组的出力确定联合系统目标出力，并判断当前采样点火电机组的调频状态；最后由调频状态和火电机组内部控制逻辑得到当前采样点火电机组出力；
2)一次调频火储联合出力优化：
对当前采样点的一次调频模型进行周期为△t优化分析，△t为机组一次调频采样时间；经过对当前采样点一次调频模型的优化分析，获取当前采样点一次调频火储联合出力最大值和储能优化目标出力值；
3)储能出力指令生成：
根据储能SOC状态和储能充放电功率生成相应约束集，对储能优化目标出力值进行修正，输出修正后的储能出力指令。
进一步，所述步骤1)中，根据华东区域对火电机组参与一次调频的考核细则可知，当一次调频窗口小于20秒时，此窗口不参加考核，下文将20秒称为最小考核时间；调频窗口如果大于60秒，则超过60秒的部分不参加考核。其他区域对一次调频的考核规则中也有相应的最大、最小考核时间的设定。基于此，将调频时段分为Period A和Period B两个阶段，对这两个阶段采取不同的补偿度δ％，Period A代表小于最小调频时长的时段，用于降低储能寿命损耗，Period B代表大于等于最小调频时长的时段，用于降低调频考核费用。
采集采样点信息，包括采样点所处调频窗口内的时段和采样点频率，通过采样点所处调频窗口内的时段确定当前采样点的补偿度δ％。每3个小时具有相同的补偿度，今天的补偿度由昨天相同时段调频状况优化得到；
根据所给定的当前采样点的补偿度δ％按下式确定当前采样点的目标出力为：
Figure BDA0003855998150000031
式中，△fi为系统频率偏差量；
Figure BDA0003855998150000032
为火电机组额定容量；ε％为火电机组调差系数；Pbase为调频窗口前10秒火电机组平均出力；
根据当前采样点的目标出力Pi target判断调频状态，然后根据当前采样点的调频状态和火电机组内部控制逻辑输出当前采样点火电机组出力。
所述的对当前采样点的一次调频火储联合出力优化过程如下：
由于系统频率可能超出频率死区或低于频率死区，超出频率死区时需要系统降低出力，低于频率死区时需要系统增加出力，下文把低于频率死区的情况称为向上调频，超出频率死区的情况称为向下调频。
在对模型的优化分析引入过补偿变量
Figure BDA0003855998150000033
与欠补偿变量
Figure BDA0003855998150000034
一对0，1变量，且
Figure BDA0003855998150000035
用来约束储能动作的辅助变量：
Figure BDA0003855998150000036
Figure BDA0003855998150000037
Figure BDA0003855998150000038
Figure BDA0003855998150000039
Figure BDA00038559981500000310
Figure BDA0003855998150000041
式中，
Figure BDA0003855998150000042
为储能充电辅助变量；
Figure BDA0003855998150000043
为储能放电辅助变量；λ为一个极小值；M为一个极大值，为约束的松弛因子，Pi G为火电机组的第i个采样点的出力。
储能优化目标出力还需要考虑之前采样点的调频状态，所述的调频状态由累积调频电量差Si表示，Si由过补偿电量
Figure BDA0003855998150000044
欠补偿电量
Figure BDA0003855998150000045
组成：
Figure BDA0003855998150000046
Figure BDA0003855998150000047
式中，
Figure BDA0003855998150000048
表示之前采样点的火储联合目标出力，
Figure BDA0003855998150000049
表示之前采样点的储能目标充电状况，
Figure BDA00038559981500000410
表示之前采样点的储能目标放电状况，
Figure BDA00038559981500000411
表示之前采样点的机组出力状况。
储能优化目标出力由储能动作辅助变量与累计调频电量差来约束
Figure BDA00038559981500000412
Figure BDA00038559981500000413
经过此约束修正后生成储能优化目标出力，然后联合火电机组出力，获取一次调频火储联合出力最大值Pi max：
Figure BDA00038559981500000414
所述的储能出力指令生成过程如下：
根据当前储能SOC状态以及储能充放电功率生成相应约束集，其中储能系统的功率约束如下式：
Figure BDA00038559981500000415
其中，Pcmax为储能系统最大充电功率，Pdmax为储能系统最大放电功率。
下式为储能系统的SOC约束，设起始点的SOC为0.5，η为储能的充放电效率，
Figure BDA0003855998150000051
0.2≤SOCi≤0.8
将储能系统的SOC范围限制在0.2-0.8，防止储能过充或过放。
经过储能出力约束、SOC约束，对储能优化目标出力进行修正，输出修正后的储能出力指令。该指令为储能系统在每个采样周期的最优出力，为功率值。
该控制方法的目标函数旨在火储联合一次调频控制方法的经济性最低，调频经济性计算单元为每个调频窗口，如下式：
minG＝G_loss+G_punish+G_penalty
式中，G_loss为储能系统寿命损耗，G_punish为一次调频考核费用，G_penalty为在Period A阶段内未补偿到δ％的惩罚费用。
与现有技术相比，本发明从一次调频的考核规则出发，考虑不同时段的补偿度，控制储能系统的最优出力，达到既节约一次调频考核费用，又降低储能损耗的目的。
附图说明
图1为本发明一次调频火储联合出力优化过程的流程图。
图2为本发明基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1和图2，本发明基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法，本发明为降低火电机组一次调频考核的积极性，在加入储能系统后，通过考虑火电机组的本身运行状况以及上海地区的一次调频考核方法来控制储能系统的出力状态。
本发明基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法，包括如下步骤：
1)调频状态判断：
根据华东区域对火电机组参与一次调频的考核细则可知，当一次调频窗口小于20秒时，此窗口不参加考核，下文将20秒称为最小考核时间；调频窗口如果大于60秒，则超过60秒的部分不参加考核。其他区域对一次调频的考核规则中也有相应的最大、最小考核时间的设定。基于此，将调频时段分为Period A和Period B两个阶段，对这两个阶段采取不同的补偿度δ％，Period A代表小于最小调频时长的时段，用于降低储能寿命损耗，Period B代表大于等于最小调频时长的时段，用于降低调频考核费用。
采集采样点信息，包括采样点所处调频窗口内的时段和采样点频率，通过采样点所处调频窗口内的时段，确定当前采样点的补偿度δ％。每3个小时具有相同的补偿度，今天的补偿度由昨天相同时段调频状况优化得到。
根据所给定的当前采样点的补偿度δ％、电网频率数据、机组额定容量以及窗口前10秒机组平均出力数据确定当前的目标出力为：
Figure BDA0003855998150000061
式中，△fi为系统频率偏差量，
Figure BDA0003855998150000062
为火电机组额定容量，ε％为火电机组调差系数，Pbase为调频窗口前10秒火电机组平均出力。
根据当前采样点的目标出力Pi target判断调频状态，然后根据当前采样点的调频状态和火电机组内部控制逻辑输出当前采样点火电机组出力。
2)一次调频火储联合出力优化过程如下：
对当前采样点的一次调频火储联合出力优化进行周期为△t优化分析过程如下：
由于系统频率可能超出频率死区或低于频率死区，超出频率死区时需要系统降低出力，低于频率死区时需要系统增加出力，下文把低于频率死区的情况称为向上调频，超出频率死区的情况称为向下调频。
在对模型的优化分析引入过补偿变量
Figure BDA0003855998150000063
与欠补偿变量
Figure BDA0003855998150000064
一对0，1变量，且
Figure BDA0003855998150000065
用来约束储能动作辅助变量。
Figure BDA0003855998150000066
Figure BDA0003855998150000067
Figure BDA0003855998150000068
Figure BDA0003855998150000069
Figure BDA00038559981500000610
Figure BDA00038559981500000611
式中，
Figure BDA00038559981500000612
为储能充电辅助变量，
Figure BDA00038559981500000613
为储能放电辅助变量，λ为一个极小值，M为一个极大值，为约束的松弛因子，Pi G为火电机组的第i个采样点的出力。
储能优化目标出力还需要考虑之前采样点的调频状态，其中调频状态由累积调频电量差Si表示，Si由过补偿电量
Figure BDA0003855998150000071
欠补偿电量
Figure BDA0003855998150000072
组成：
Figure BDA0003855998150000073
Figure BDA0003855998150000074
Figure BDA0003855998150000075
式中，
Figure BDA0003855998150000076
表示之前采样点的火储联合目标出力，
Figure BDA0003855998150000077
表示之前采样点的储能目标充电状况，
Figure BDA0003855998150000078
表示之前采样点的储能目标放电状况，
Figure BDA0003855998150000079
表示之前采样点的机组出力状况。
储能优化目标出力由储能动作辅助变量与累计调频电量差来约束：
Figure BDA00038559981500000710
Figure BDA00038559981500000711
经过此约束修正后生成储能优化目标出力，然后联合火电机组出力，获取一次调频火储联合出力最大值。
Figure BDA00038559981500000712
3)储能出力指令生成：
所述的储能出力指令生成的过程如下：
根据当前储能SOC状态以及储能充放电功率生成相应约束集，其中储能系统的功率约束如下式：
Figure BDA00038559981500000713
其中，Pcmax为储能系统最大充电功率，Pdmax为储能系统最大放电功率。
设起始点的SOC为0.5，η为储能的充放电效率，下式为储能系统SOC约束：
Figure BDA0003855998150000081
0.2≤SOCi≤0.8
将储能系统的SOC范围限制在0.2-0.8，防止储能过充或过放。
经过储能出力约束、SOC约束，对储能优化目标出力进行修正，输出修正后的储能出力指令。该指令为储能系统在每个采样周期的最优出力，为功率值。
该控制方法的目标函数旨在火储联合一次调频控制方法的经济性最低，调频经济性计算单元为每个调频窗口，即系统频率超出调频死区的时段，一般火电机组的调频死区为50±0.033Hz，如下式：
minG＝G_loss+G_punish+G_penalty
式中，G_loss为储能系统寿命损耗，G_punish为一次调频考核费用，G_penalty为在Period A阶段内未补偿到δ％的惩罚费用。
实验表明，本发明的优点是基于一次调频的考核规则，考虑不同时段的补偿度，控制储能系统的最优出力，从而降低了一次调频考核费用和储能寿命损耗费用。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或者联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于补偿度优化的火储联合一次调频的控制方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)调频状态判断：
采集当前采样点信息，包括采样点所处调频窗口内的时段和采样点频率：首先通过采样点所处调频窗口内的时段确定当前采样点的补偿度；然后根据当前采样点的频率、补偿度和窗口前10秒机组出力确定联合系统目标出力，并判断当前采样点火电机组的调频状态；最后由调频状态和火电机组内部控制逻辑得到当前采样点火电机组出力；
2)一次调频火储联合出力优化：
对当前采样点的一次调频模型进行优化分析，获取当前采样点一次调频火储联合出力最大值和储能优化目标出力值；
3)储能出力指令生成：
根据储能SOC状态以及储能充放电功率生成相应约束集，对储能优化目标出力值进行修正，输出修正后的储能出力指令。
2.如权利要求1所述的基于补偿度优化的火储联合一次调频的控制方法，其特征在于：所述的调频状态判断，具体是：
根据华东区域对火电机组参与一次调频的考核细则可知，当一次调频窗口小于20秒时，此窗口不参加考核，下文将20秒称为最小考核时间；调频窗口如果大于60秒，则超过60秒的部分不参加考核，下文将60秒称为最大考核时间，其他区域对一次调频的考核规则中也有相应的最大、最小考核时间的设定；基于此，将调频时段分为Period A和Period B两个阶段，对这两个阶段采取不同的补偿度δ％，Period A代表小于最小调频时长的时段，用于降低储能寿命损耗，Period B代表大于等于最小调频时长的时段，用于降低调频考核费用；
采集采样点信息，包括采样点所处调频窗口内的时段和采样点频率，通过采样点所处调频窗口内的时段确定当前采样点的补偿度δ％。每3个小时具有相同的补偿度，今天的补偿度由昨天相同时段调频状况优化得到。
然后根据当前采样点的补偿度δ％、采样点频率、机组额定容量以及窗口前10秒机组平均出力数据确定当前采样点的目标出力为：
Figure FDA0003855998140000021
式中，△fi为系统频率偏差量；
Figure FDA0003855998140000022
为火电机组额定容量；ε％为火电机组调差系数；Pbase为调频窗口前10秒火电机组平均出力；
根据当前采样点的目标出力Pi target判断调频状态，然后根据当前采样点的调频状态和火电机组内部控制逻辑输出当前采样点火电机组出力。
3.如权利要求1所述的基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法，其特征在于：所述的一次调频火储联合出力优化过程如下：
由于系统频率可能超出频率死区或低于频率死区，超出频率死区时需要系统降低出力，低于频率死区时需要系统增加出力，把低于频率死区的情况称为向上调频，超出频率死区的情况称为向下调频；
对模型的优化分析引入过补偿变量
Figure FDA0003855998140000023
与欠补偿变量
Figure FDA0003855998140000024
一对0，1变量，且
Figure FDA0003855998140000025
用来约束储能动作辅助变量：
Figure FDA0003855998140000026
Figure FDA0003855998140000027
Figure FDA0003855998140000028
Figure FDA0003855998140000029
Figure FDA00038559981400000210
Figure FDA00038559981400000211
式中，
Figure FDA00038559981400000212
为储能充电辅助变量；
Figure FDA00038559981400000213
为储能放电辅助变量；λ为一个极小值；M为一个极大值，为约束的松弛因子，Pi G为火电机组的第i个采样点的出力；
储能优化目标出力还需要考虑之前采样点的调频状态，所述的调频状态由累积调频电量差Si表示，Si由过补偿电量
Figure FDA00038559981400000214
和欠补偿电量
Figure FDA00038559981400000215
组成：
Figure FDA00038559981400000216
Figure FDA00038559981400000217
Figure FDA0003855998140000031
式中，
Figure FDA0003855998140000032
表示之前采样点的火储联合目标出力，
Figure FDA0003855998140000033
表示之前采样点的储能目标充电状况，
Figure FDA0003855998140000034
表示之前采样点的储能目标放电状况，
Figure FDA0003855998140000035
表示之前采样点的机组出力状况；
储能优化目标出力由储能动作辅助变量与过补偿电量、欠补偿电量来约束：
Figure FDA0003855998140000036
Figure FDA0003855998140000037
经过此约束修正后生成储能优化目标出力，然后联合火电机组出力，获取一次调频火储联合出力最大值；
Figure FDA0003855998140000038
4.如权利要求1所述的基于补偿度优化的火储联合一次调频控制方法，其特征在于：所述的储能出力指令生成的过程如下：
根据当前储能SOC状态和储能充放电功率生成相应约束集，其中储能系统的功率约束如下式：
Figure FDA0003855998140000039
其中，Pcmax为储能系统最大充电功率，Pdmax为储能系统最大放电功率；
下式为储能系统的SOC约束，设起始点的SOC为0.5，η为储能的充放电效率，
Figure FDA00038559981400000310
0.2≤SOCi≤0.8
将储能系统的SOC范围限制在0.2-0.8，防止储能过充或过放；
经过储能出力约束、SOC约束，对储能优化目标出力进行修正，输出修正后的储能出力指令。该指令为储能系统在每个采样周期的最优出力，为功率值；
该控制方法的目标函数旨在火储联合一次调频控制方法的经济性最低，调频经济性计算单元为每个调频窗口，如下式：
minG＝G_loss+G_punish+G_penalty
式中，G_loss为储能系统的寿命损耗，G_punish为一次调频的考核费用，G_penalty为在Period A阶段内未补偿到δ％的惩罚费用。
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