CN116667391B - 一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法，属于储能调频技术领域，包括以下步骤：首先构建含储能参与调频的系统频率响应模型，设定期望实现的系统目标传递函数；然后将系统频率响应指标及频率调节时间作为约束条件，对系统目标传递函数进行求解；最后根据系统目标传递函数和同步机传递函数，推导得出储能调频传递函数，得到期望实现的满足系统频率稳定性的储能调频控制策略。该方法以系统频率响应指标及频率调节时间为约束，通过求解系统目标传递函数，得到储能调频控制策略，在满足系统频率稳定性的同时，减少了对储能功率和能量的需求，对充分发挥储能的频率支撑能力具有重要意义。

Description

一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法
技术领域
本发明属于储能调频技术领域，尤其是涉及一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法。
背景技术
随着风电、光伏等可再生能源渗透率的不断提高，特高压直流输电技术的迅速发展，电力系统的频率安全问题日益显著。一方面，风电、光伏等新能源机组常运行于MPPT模式，不具备功率调节裕度，即使改造变流器的控制方式，受制于风速、光照等自然条件的不确定性，新能源机组的调频能力仍然有限；另一方面，大容量直流一旦发生双极闭锁等事故，将会在电网中产生极大的不平衡功率。上述两方面因素的叠加，使得当前电力系统的频率安全面临越来越严峻的挑战。
而储能作为一种响应快速、调节精准、运行可靠、布置灵活的优质调频资源，可以适应不同的应用场景，安装于电源侧、电网侧和负荷侧，单独或是与其他调频资源联合参与系统的频率调节，是当下确保电力系统频率安全的有效措施。
目前，国内外对储能调频的控制策略展开了一些研究，主要集中在模拟同步机频率响应特性的综合惯性控制。其中，下垂控制模拟的是同步机的一次调频特性，虚拟惯量控制模拟的是同步机的惯量响应特性。研究焦点多集中在控制参数的最优取值，或是控制参数的自适应调节等方面。然而，综合惯性控制是否为储能调频的最优选择，尚未得到充分论证。事实上，相较于同步机，采用电力电子设备并网的储能，其输出功率具有更强的可塑性，相应的控制策略应当采用更加灵活的结构和形式。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法，该方法以系统频率响应指标及频率调节时间为约束，通过求解系统目标传递函数，得到储能调频传递函数，进而得到储能调频控制策略，在满足系统频率稳定性的同时，减少了对储能功率和能量的需求，对充分发挥储能的频率支撑能力具有重要意义。
为实现上述目的，本发明提供一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法，包括以下步骤：
步骤1、构建含储能参与调频的系统频率响应模型，设定期望实现的系统目标传递函数；
步骤2、将系统频率响应指标及频率调节时间作为约束条件，对系统目标传递函数进行求解；
步骤3、根据系统目标传递函数和同步机传递函数，推导得出储能调频传递函数，得到储能调频控制策略。
优选的，所述步骤1中构建含储能参与调频的系统频率响应模型，相应的系统频率动态方程为：
（1）
式中，为系统频率偏差；/>为系统惯性时间常数；/>为系统阻尼系数；/>为同步机调频机械功率增量；/>为储能调频输出功率增量；/>为负荷功率增量。
优选的，所述步骤1中设期望实现的系统目标传递函数为：
（2）
式中，为待求解的系数；/>为拉普拉斯算子。
优选的，所述系统频率响应指标包括系统最大频率变化率、最大频率偏差、稳态频率偏差/>；所述频率调节时间为系统频率偏差与稳态频率偏差的相对误差不超过5%的最短时间。
优选的，所述系统目标传递函数的求解过程如下：
由拉普拉斯变换终值定理得
（3）
由式（3）可知，；
由拉普拉斯变换初值定理得
（4）
由式（4）可知，；
系统频率响应频域表达式为
（5）
对式（5）进行拉普拉斯反变换，可得系统频率响应时域表达式
（6）
式中， ；/>；/>；
令系统频率响应微分等于零，可得到达频率最低点的时间为
（7）
代入式（6），可得系统最大频率偏差为
（8）
其中，为稳态频率偏差，/>为系统频率偏差，/>为负荷功率增量，/>为拉普拉斯算子，频率调节时间为/>,/>，/>，/>、/>均可由/>表示。
优选的，所述步骤3中系统目标传递函数及同步机传递函数已知，储能调频传递函数为：
（9）
储能调频输出功率增量为
（10）
其中，为同步机传递函数，/>为储能调频传递函数，/>为系统目标传递函数，/>为负荷功率增量，/>为拉普拉斯算子。
因此，本发明采用上述一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法，具有以下有益效果：
（1）能够基于系统频率响应模型，以系统频率响应指标及频率调节时间为约束条件，通过求解满足约束条件的系统目标传递函数，得到储能调频传递函数，进而得到相应的储能调频控制策略；
（2）基于目标传递函数实现的储能控制策略，能够在满足系统频率稳定性的同时，有效减少对储能功率和能量的需求，对充分发挥储能的频率支撑能力具有重要意义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例的实现流程图；
图2为本发明实施例的含储能参与调频的系统频率响应模型；
图3为本发明实施例的与频率调节时间关系示意图；
图4为本发明实施例的仅同步机调频与含储能调频的系统频率响应曲线；
图5为本发明实施例的储能调频输出功率曲线示意图。
具体实施方式
实施例
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。
请参阅图1-2，一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法，包括以下步骤：
步骤1、构建含储能参与调频的系统频率响应模型，设定期望实现的系统目标传递函数；
其中，构建含储能参与调频的系统频率响应模型，相应的系统频率动态方程为：
（1）
式中，为系统频率偏差；/>为系统惯性时间常数；/>为系统阻尼系数；/>为同步机调频机械功率增量；/>为储能调频输出功率增量；/>为负荷功率增量；
设期望实现的系统目标传递函数为：
（2）
式中：为待求解的系数；/>为拉普拉斯算子；
步骤2、将系统频率响应指标及频率调节时间作为约束条件，对系统目标传递函数进行求解；
其中，系统频率响应指标包括系统最大频率变化率、最大频率偏差/>、稳态频率偏差/>；频率调节时间为系统频率偏差与稳态频率偏差的相对误差不超过5%的最短时间；
系统目标传递函数的求解过程如下：
由拉普拉斯变换终值定理得
（3）
由式（3）可知，；
由拉普拉斯变换初值定理得
（4）
由式（4）可知，；
系统频率响应频域表达式为
（5）
对式（5）进行拉普拉斯反变换，可得系统频率响应时域表达式
（6）
式中， ；/>；/>；
令系统频率响应微分等于零，可得到达频率最低点的时间为
（7）
代入式（6），可得系统最大频率偏差为
（8）
其中，为稳态频率偏差，/>为系统频率偏差，/>为负荷功率增量，/>为拉普拉斯算子，/>与频率调节时间的关系如图3所示，频率调节时间为/>,/>，/>，/>、均可由/>表示；
步骤3、根据系统目标传递函数和同步机传递函数，推导得出储能调频传递函数，得到储能调频控制策略；
其中，系统目标传递函数及同步机传递函数已知，储能调频传递函数为：
（9）
储能调频输出功率增量为
（10）
其中，为同步机传递函数，/>为储能调频传递函数，/>为系统目标传递函数，/>为负荷功率增量，/>为拉普拉斯算子。
实施例1
其中，采用的系统典型参数如表1所示，功率扰动。
表1 系统典型系数表
将满足系统频率稳定性的约束条件设置为：最大频率变化率0.5Hz/s，最大频率偏差0.5Hz，稳态频率偏差0.2Hz，频率调节时间7.5s。
则；
；
；
。
将上式代入式（8），整理可得：
(11)
式中，。
对式（11）进行求解，可得，进而可得/>。/>。
综上所述，满足系统频率稳定的系统目标传递函数为：
(12)
同步机传递函数为：
(13)
将式（12）、式（13），代入式（9），可得储能调频传递函数；代入式（10），可得储能调频输出功率增量。
仅同步机调频与含储能调频的系统频率响应曲线，如图4所示，在基于目标传递函数实现的调频控制策略下，储能能够将系统各频率响应指标控制在约束范围内，很好地满足了系统频率稳定性的需求。储能调频输出功率曲线如图5所示。
因此，本发明采用上述一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法，能够基于系统频率响应模型，以系统频率响应指标及频率调节时间为约束条件，通过求解满足约束条件的系统目标传递函数，得到储能调频传递函数，进而得到相应的储能调频控制策略。基于目标传递函数实现的储能控制策略，能够在满足系统频率稳定性的同时，有效减少对储能功率和能量的需求，对充分发挥储能的频率支撑能力具有重要意义。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构建含储能参与调频的系统频率响应模型，设定期望实现的系统目标传递函数；
步骤2、将系统频率响应指标及频率调节时间作为约束条件，对系统目标传递函数进行求解；
步骤3、根据系统目标传递函数和同步机传递函数，推导得出储能调频传递函数，得到储能调频控制策略；
所述步骤1中构建含储能参与调频的系统频率响应模型，相应的系统频率动态方程为：
（1）
式中， 为系统频率偏差；/>为系统惯性时间常数；/>为系统阻尼系数；/>为同步机调频机械功率增量；/>为储能调频输出功率增量；/>为负荷功率增量；
所述步骤1中设期望实现的系统目标传递函数为：
（2）
式中，为待求解的系数；/>为拉普拉斯算子；
所述系统目标传递函数的求解过程如下：
由拉普拉斯变换终值定理得
（3）
由式（3）可知，；
由拉普拉斯变换初值定理得
（4）
由式（4）可知，；
系统频率响应频域表达式为
（5）
对式（5）进行拉普拉斯反变换，可得系统频率响应时域表达式
（6）
式中， ；/>；/>；
令系统频率响应微分等于零，可得到达频率最低点的时间为
（7）
代入式（6），可得系统最大频率偏差为
（8）
其中，为稳态频率偏差，/>为系统频率偏差，/>为负荷功率增量，/>为拉普拉斯算子，频率调节时间为/>,/>，/>，/>、/>均可由/>表示。
2.根据权利要求1所述的一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法，其特征在于：所述系统频率响应指标包括系统最大频率变化率、最大频率偏差/>、稳态频率偏差/>；所述频率调节时间为系统频率偏差与稳态频率偏差的相对误差不超过5%的最短时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于目标传递函数实现的储能调频控制方法，其特征在于，所述步骤3中系统目标传递函数及同步机传递函数已知，储能调频传递函数为：
（9）
储能调频输出功率增量为
（10）
其中，为同步机传递函数，/>为储能调频传递函数，/>为系统目标传递函数，/>为负荷功率增量，/>为拉普拉斯算子。
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