CN116131283A - 火电-储能一体化系统及一次调频方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火电‑储能一体化系统及一次调频方法，包括：储能装置，获取火电机组的出力状态，响应火电机组未满足的调频需求；火电机组，响应一次调频需求，同时根据储能装置的容量状态向其提供能量支撑。在一次调频过程中，储能装置不直接响应电网的一次调频需求，而是实时获取火电机组的出力状态，响应其因响应速度慢、爬坡速率低等缺点而未及时响应的部分一次调频需求；另一方面，火电机组不仅响应一次调频需求，同时也实时监控储能装置的容量状态，并根据实际情况不断地向储能提供能量支撑，从而使火储系统兼具响应速度快、控制灵活、可长时间参与调频的优点。

Description

火电-储能一体化系统及一次调频方法

技术领域

本发明涉及电力工程技术领域，具体为火电-储能一体化系统及一次调频方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在电网中，光伏、风电等新能源的渗透率不断提高，火电机组的比例正逐渐减小，由于新能源缺乏同步机具备的旋转惯量，在系统频率变化时不能提供惯量支撑；并且为了保证对新能源的消纳水平，新能源往往运行在最大功率跟踪模式，缺乏调频备用，从而导致系统的频率支撑能力下降。在系统发生发电机组跳闸、直流闭锁等严重有功扰动事件情况下，由于火电机组一次调频的响应速度较慢，一次调频难以快速响应以支撑频率，这导致频率越限风险增加，极易发生停电事故；在负荷波动过程中，频率波动也频频超出一次调频死区，导致火电机组一次调频的频繁动作，造成机械器件的磨损，减损机组的使用寿命。

为了应对上述问题，现有技术通过引入储能装置提升当前并网火电机组的一次调频能力，但相关的技术均集中于通过优化储能装置自身的控制方式来提升系统总体的一次调频能力，在参与一次调频时储能装置与火电机组根据各自的控制策略并行承担相应的一次调频任务，优点是不需要建立两者之间的信息交换，缺点是控制策略不够灵活，储能装置与火电机组之间没有协调配合，不能很好的将两者的优势相结合。同时，为维持SOC水平，储能装置的一次调频出力始终受到自身SOC变化的影响，无法保证其调频性能。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供火电-储能一体化系统及一次调频方法，在一次调频过程中，储能装置不直接响应电网的一次调频需求，而是实时获取火电机组的出力状态，响应其因响应速度慢、爬坡速率低等缺点而未及时响应的部分一次调频需求；另一方面，火电机组不仅响应一次调频需求，同时也实时监控储能装置的容量状态，并根据实际情况不断地向储能提供能量支撑，从而使火储系统兼具响应速度快、控制灵活、可长时间参与调频的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供火电-储能一体化系统，包括：

储能装置，获取火电机组的出力状态，响应火电机组未满足的调频需求；

火电机组，响应一次调频需求，同时根据储能装置的容量状态向其提供能量支撑。

火电机组未满足的调频需求，具体为：火电机组与一次调频需求之间的偏差量。

火电机组与火电-储能一体化系统的一次调频响应方程分别为：

储能装置的调频特性方程为：

式中，K为机组一次调频的下垂系数，Δf为频率偏差，P_m1为火电机组输出的机械功率，P_m＝_m1+_m2是加入火电-储能一体化系统总的输出功率，P_m2是储能装置的输出功率，T₁为简化的火电机组一次调频响应时间常数，T₂是一次调频等效时间常数。

还具有滤波器，电网一次调频需求产生的调频信号经过滤波器分频为高频分量和低频分量，高频分量通过储能装置应对，低频分量通过火电机组应对。

在事件扰动场景下，储能装置在事件扰动的初期承担主要调频任务；当火电机组出力响应到位时，储能装置的出力降低并逐渐退出一次调频，由火电机组承担主要调频任务。

事件扰动场景下，储能装置响应火电机组与一次调频需求之间的偏差量。

火电机组周期性地为储能装置提供能量，使储能SOC水平维持在设定范围内。

本发明的第二个方面提供上述系统的工作方法，包括以下步骤：

获取电网发出的一次调频需求，利用滤波器将调频信号分频为高频分量和低频分量；

火电机组根据低频分量响应一次调频需求，同时根据储能装置的容量状态向其提供能量支撑；

储能装置获取火电机组的出力状态，并根据高频分量响应火电机组未满足的调频需求。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、在一次调频过程中，储能装置不直接响应电网的一次调频需求，而是实时获取火电机组的出力状态，响应其因响应速度慢、爬坡速率低等缺点而未及时响应的部分一次调频需求；另一方面，火电机组不仅响应一次调频需求，同时也实时监控储能装置的容量状态，并根据实际情况不断地向储能提供能量支撑，从而使火储系统兼具响应速度快、控制灵活、可长时间参与调频的优点。

2、负荷波动场景下，要避免负荷波动的幅值增大使得频率偏差信号频繁超出调频死区，导致火电机组一次调频功能频繁启停，通过引入滤波器将调频信号分频，使得调频信号中的高频分量和低频分量分别储能装置和火电机组应对。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明提供的火电-储能一体化系统结构示意图；

图2是本发明提供的分频调节原理图；

图3是本发明提供的储能装置的SOC控制策略控制示意图；

图4是本发明提供的火电-储能一体化系统控制示意图；

图5是本发明提供的包含火储系统的区域电网模型；

图6是本发明提供的事件扰动场景下不同系统一次调频出力变化曲线示意图；

图7是本发明提供的负荷波动场景下不同系统一次调频出力变化曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，为了应对新能源并入电网时引发的惯性问题，现有技术通过引入储能装置提升当前并网火电机组的一次调频能力。主要以模拟同步机惯量响应的虚拟惯量控制和模拟同步机一次调频响应特性的下垂控制为主，并从仿真的角度进行了验证，也有将两种控制方式相结合，根据频率偏差或频率偏差变化率大小作为临界值来进行切换，实现两者的优势互补，但其调频效果过于依赖临界值和动作时机的选取，且在控制模式切换时容易使储能出现较大的功率跃变，给电网频率变化造成冲击。

对此，现有技术提出了一种不涉及频率临界值进行模式切换的控制策略，根据频率偏差和频差变化率的变化来改变两种控制模式在储能调频出力中的比例系数来调整控制方式，从而实现两者的优势互补和协调运行。同时，若只考虑调频效果的改善而忽略储能容量的限制，容易导致储能系统使用寿命的降低，为了更好的维持储能自身荷电状态，避免过充过放的现象，目前大部分研究都是基于储能荷电状态(State Of Charge，SOC)采用自适应方法动态调整充放电控制系数，例如根据实时SOC值采用双曲正切函数、线性分段函数、线性插值法等确定相应时刻的控制系数，从而改变储能出力，维持SOC在一定范围内。

上述方式均集中于通过优化储能装置自身的控制方式来提升系统总体的一次调频能力，在参与一次调频时储能装置与火电机组根据各自的控制策略并行承担相应的一次调频任务，优点是不需要建立两者之间的信息交换，缺点是控制策略不够灵活，储能装置与火电机组之间没有协调配合，不能很好的将两者的优势相结合。同时，为维持SOC水平，储能装置的一次调频出力始终受到自身SOC变化的影响，无法保证其调频性能。

因此以下实施例给出火电-储能一体化系统，能够实现以下功能：

1)在严重的有功事件扰动场景中，储能在扰动初期率先承担主要的一次调频任务，避免由于火电机组响应速度慢而在调频初期产生功率缺额，等效提高火电机组的一次调频响应速度；

2)在负荷持续波动的场景中，调用储能应对波动中的高频分量，避免高频的频率波动造成火电机组一次调频的频繁动作；

3)令火电机组监测储能运行状态，实现储能状态的周期性恢复，在不影响储能正常参与调频的同时维持储能的SOC水平。

实施例一：

如图1-图7所示，火电-储能一体化系统，包括：

储能装置，获取火电机组的出力状态，响应火电机组未满足的调频需求；

火电机组，响应一次调频需求，同时根据储能装置的容量状态向其提供能量支撑。

具体的：

本实施例在一次调频过程中，储能装置不直接响应电网的一次调频需求，而是实时获取火电机组的出力状态，响应其因响应速度慢、爬坡速率低等缺点而未及时响应的部分一次调频需求；另一方面，火电机组不仅响应一次调频需求，同时也实时监控储能装置的容量状态，并根据实际情况不断地向其提供能量支撑，从而使火储系统兼具响应速度快、控制灵活、可长时间参与调频的优点。

在图1所示的结构中，储能装置在响应频率变化过程中首先将自身能量以高频、高速、高精度的特点释放出去，再从火电机组中吸收/补充自身能量，从而使整个系统对外表现的调频性能优于单独的火电机组的调频性能。从能量来源上讲，系统参与一次调频的所有能量实质上都来源于火电机组，而储能只作为火电机组的能量缓冲。

在事件扰动场景下，火电-储能一体化系统(以下简称“火储系统”)的控制目标为：利用储能装置动作的快速性，使其在事件扰动的初期承担主要调频任务，从而加快火储系统对扰动的响应速度，即将响应延迟时间减小；而当火电机组出力响应到位时，储能的出力缓慢降低，逐渐退出一次调频，由火电机组承担主要调频任务，使得加入储能不改变频率的稳态特性，即保持调频增益不变。在这种控制策略下，储能仅在事件扰动前期参与一次调频，这可以减少对储能能量释放的需求。综合考虑以上的需求，事件扰动场景下利用储能等效减小火电机组一次调频的响应时间常数，此时原火电机组与火储系统的一次调频响应方程为：

式中，K为机组一次调频的下垂系数，Δf为频率偏差，Pm1为火电机组输出的机械功率，P_m＝P_m1+P_m2是加入火储系统总的输出功率，Pm2是储能的输出功率，T1为简化的火电机组一次调频响应时间常数，T2是火储系统的一次调频等效时间常数。加入储能后火电机组自身的调频特性不变，因此由火储系统的一次调频特性方程减去火电机组的一次调频特性方程可以得到储能的调频特性方程为：

事件扰动场景下火储系统中储能需要响应的是火电机组与一次调频需求之间的偏差量，偏差量在扰动初期达到最大值，并随着火电机组一次调频的相应而逐渐减小，从而实现储能在初期快速提供功率支撑后逐渐减少出力直至退出调频。

在负荷波动场景下，火储系统的控制目标是避免负荷波动的幅值增大使得频率偏差信号频繁超出调频死区，导致火电机组一次调频功能频繁启停。为此，本专利提出利用滤波器对频率偏差信号进行分频处理，如图2所示，将信号分为高频信号和低频信号，然后分别利用储能和火电机组来应对。

火储系统对一次调频需求响应的控制可以看作火电机组与储能之间功率需求的分配，而从能量角度上看，储能是作为火电机组的能量缓冲，而火电机组作为储能的能量后备。为了实时保证储能的调频能力，发挥能量缓冲的作用，利用火电机组周期性地为储能提供(吸收)能量，使储能SOC水平维持在正常范围内，以具备将火电机组的能量按需求释放，而不受自身SOC影响的能力。储能的SOC控制策略的控制框图如图3所示：

图中△SOC为系统监测的储能SOC偏差信号，Pcharge为火电机组恢复储能SOC时的出力，T为储能SOC控制周期，设置恢复死区的目的是对于负荷波动，储能的SOC会在一定范围内小幅波动，但不影响其响应功率需求的能力，所以不需要恢复能量。

综合以上分析，本专利提出能在两种场景下同时改善火电机组一次调频性能且兼顾储能SOC控制的火电-储能一体化系统，其控制框图如图4所示。

为验证上述控制策略的效果，以图5所示的区域电网为例，在Matlab/Simulink环境下搭建相应的频率响应模型。

在事件扰动场景下的仿真结果如图6所示，可以看出，在扰动发生的初期，火储系统中的储能由于响应速度快，率先承担主要的调频任务，输出功率迅速增加，而当火电机组的出力响应到位后，储能出力开始缓慢下降，逐渐退出调频。与火电机组G2出力曲线相比，火储系统在调频初期，即在系统频率到达最低点前，输出的功率速度快、幅度大，能够提供更好的功率支撑。

在负荷波动场景下的仿真结果如图7所示，可以看出与火电机组G2相比，火储系统对负荷波动响应的能力更好，且对于高频率的负荷波动主要是储能在响应，火电机组的响应出力很少。

通过仿真分析可以得出，本实施例提出的火电-储能一体化系统能够有效地加快火电机组的一次调频响应速度，从而提升一次调频性能，同时能够改善高频负荷波动引起的火电机组一次调频功能频繁动作问题，从而有效降低火电机组的运行与维护成本。

实施例二：

上述系统的工作方法，包括以下步骤：

获取电网发出的一次调频需求，利用滤波器将调频信号分频为高频分量和低频分量；

火电机组根据低频分量响应一次调频需求，同时根据储能装置的容量状态向其提供能量支撑；

储能装置获取火电机组的出力状态，并根据高频分量响应火电机组未满足的调频需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.火电-储能一体化系统，其特征在于，包括：

储能装置，获取火电机组的出力状态，响应火电机组未满足的调频需求；

火电机组，响应一次调频需求，同时根据储能装置的容量状态向其提供能量支撑。

2.如权利要求1所述的火电-储能一体化系统，其特征在于，火电机组未满足的调频需求，具体为：火电机组与一次调频需求之间的偏差量。

3.如权利要求1所述的火电-储能一体化系统，其特征在于，储能装置的调频特性方程为：

式中，K为机组一次调频的下垂系数，Δf为频率偏差，P_m1为火电机组输出的机械功率，P_m＝P_m1+P_m2是加入火电-储能一体化系统总的输出功率，P_m2是储能装置的输出功率，T₁为简化的火电机组一次调频响应时间常数，T₂是一次调频等效时间常数。

4.如权利要求1所述的火电-储能一体化系统，其特征在于，火电机组的一次调频响应方程为：

式中，K为机组一次调频的下垂系数，Δf为频率偏差，P_m1为火电机组输出的机械功率，P_m＝P_m1+P_m2是加入火电-储能一体化系统总的输出功率，P_m2是储能装置的输出功率，T₁为简化的火电机组一次调频响应时间常数，T₂是一次调频等效时间常数。

5.如权利要求1所述的火电-储能一体化系统，其特征在于，火电-储能一体化系统的一次调频响应方程为：

式中，K为机组一次调频的下垂系数，Δf为频率偏差，P_m1为火电机组输出的机械功率，P_m＝_m1+_m2是加入火电-储能一体化系统总的输出功率，P_m2是储能装置的输出功率，T₁为简化的火电机组一次调频响应时间常数，T₂是一次调频等效时间常数。

6.如权利要求1所述的火电-储能一体化系统，其特征在于，还具有滤波器，电网一次调频需求产生的调频信号经过滤波器分频为高频分量和低频分量，高频分量通过储能装置应对，低频分量通过火电机组应对。

7.如权利要求1所述的火电-储能一体化系统，其特征在于，在事件扰动场景下，储能装置在事件扰动的初期承担主要调频任务；当火电机组出力响应到位时，储能装置的出力降低并逐渐退出一次调频，由火电机组承担主要调频任务。

8.如权利要求1所述的火电-储能一体化系统，其特征在于，事件扰动场景下，储能装置响应火电机组与一次调频需求之间的偏差量。

9.如权利要求1所述的火电-储能一体化系统，其特征在于，火电机组周期性地为储能装置提供能量，使储能SOC水平维持在设定范围内。

10.基于权利要求1-9任一项所述系统实现一次调频的方法，包括以下步骤：

获取电网发出的一次调频需求，利用滤波器将调频信号分频为高频分量和低频分量；

火电机组根据低频分量响应一次调频需求，同时根据储能装置的容量状态向其提供能量支撑；

储能装置获取火电机组的出力状态，并根据高频分量响应火电机组未满足的调频需求。

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