CN117154786A - 一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法及系统 - Google Patents

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谭庄熙
陈超洋
吴晓文
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Abstract

本发明公开了一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法及系统，本发明方法包括判断电网频率变化量Δf是否超过频率响应死区，若未超过频率响应死区，则按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频；否则，在按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频的基础上，控制分布式储能单元参与一次调频，且一次调频的出力参考功率为由下垂系数及基于均值一致性的调节参数与电网频率变化量Δf相乘得到。本发明旨在针对分布式储能同时参与多种调频控制的需求，实现了各个储能单元间的合理功率分配，提升了储能调频的效果。

Description

一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电网调频技术领域，具体涉及一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法及系统。
背景技术
随着可再生能源的不断普及，电力系统呈现出低惯性特性。由于新能源发电的不确定性和间歇性，电力系统更容易出现功率波动，从而导致频率不稳定。因此，频率调节成为未来低碳电网建设中亟待解决的问题。与传统的同步发电机相比，储能装置对电力需求的响应速度更快，适用于主动频率及有功支撑场景，是参与电网频率控制与调节的优质资源。近年来，随着电网辅助服务市场政策和储能系统并网的要求的不断完善，分布式储能系统的总装机容量不断增加，获得了与集中式大容量储能一样的功率调节能力。分布式储能的特点是地理位置分散，单个机组容量相对较小，但我们可以将它们的功率聚合为一个整体参与电网频率调节。电网调频按时间尺度及功率需求不同分为一次调频、二次调频和三次调频。分布式储能由于其运营商的不同，可供调用的调频容量不断变化。如何协同控制分布式储能电源参与调频，满足不同调频需求及储能自身安全运行需求，对于充分利用储能资源，保障电网安全稳定运行具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法及系统，本发明旨在针对分布式储能同时参与多种调频控制的需求，实现了各个储能单元间的合理功率分配，提升了储能调频的效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法，包括：
S101，获取电网频率变化量Δf；
S102，判断电网频率变化量Δf是否超过频率响应死区，若电网频率变化量Δf未超过频率响应死区，则按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频；若电网频率变化量Δf超过频率响应死区，则在按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频的基础上，控制分布式储能单元参与一次调频，且一次调频的出力参考功率为由下垂系数及基于均值一致性的调节参数与电网频率变化量Δf相乘得到。
可选地，步骤S102中一次调频的出力参考功率的计算函数表达式为：
上式中，为第i台分布式储能单元参与一次调频的出力参考功率，KBi为第i台分布式储能单元的下垂系数，ubi为第i台分布式储能单元的基于均值一致性的调节参数，Δf为电网频率变化量。
可选地，所述第i台分布式储能单元的基于均值一致性的调节参数的计算函数表达式为：
上式中，为一次调频备用容量比例，Ci为第i台分布式储能单元的容量，N为分布式储能单元的数量，KB,mean为分布式储能单元的下垂系数的均值，/>为第i台分布式储能单元在充电状态下的一次调频备用功率利用率，/>为分布式储能单元的一次调频备用功率利用率的均值。
可选地，步骤S102中按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频时，记第i台分布式储能单元参与二次调频和三次调频的功率之和为且所有分布式储能单元参与二次调频和三次调频的功率之和/>的总和等于给定的参考功率。
可选地，步骤S102之前还包括：
S201，根据下式计算分布式储能单元的一次调频备用功率利用率：
上式中，ηi为第i台分布式储能单元的一次调频备用功率利用率，为第i台分布式储能单元在充电状态下的一次调频备用功率利用率，Si(0)为第i台分布式储能单元参与一次调频前的荷电状态，/>为第i台分布式储能单元参与二次调频和三次调频的功率之和，t为时间，Si(t)为第i台分布式储能单元在t时刻的荷电状态；
S202，根据下式计算分布式储能单元的一次调频备用功率利用率的均值：
上式中，为分布式储能单元的一次调频备用功率利用率的均值，N为分布式储能单元的数量，ηi为第i台分布式储能单元的一次调频备用功率利用率。
可选地，所述分布式储能单元的下垂系数的均值计算函数表达式为：
上式中，KB,mean为分布式储能单元的下垂系数的均值，N为分布式储能单元的数量，KBi为第i台分布式储能单元的下垂系数。
可选地，步骤S101中获取电网频率变化量Δf包括获取电网的实时频率f，并根据Δf＝f-fref计算电网频率变化量Δf，其中fref为电网的参考频率。
可选地，步骤S102中在按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频的基础上，控制分布式储能单元参与一次调频时，记任意第i台分布式储能单元的总输出功率为ΔPBi，所有分布式储能单元的总输出功率ΔPBi一起并联到同步发电机的输出端以参与电网调频。
此外，本发明还提供一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
1、本发明包括通过电网频率变化量Δf是否超过频率响应死区来控制分布式储能单元是否参与一次调频，且在一次调频的出力参考功率为由下垂系数及基于均值一致性的调节参数与电网频率变化量Δf相乘得到，从而针对分布式储能同时参与多种调频控制的需求，能够实现各个分布式储能单元间的合理功率分配，提升了储能调频的效果。
2、本发明可适用于各类分布式储能单元，包括储能电池、超级电容、电池以外的电化学储能、物理储能等类型，具有适用范围广的优点。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例方法的区域电网调频动态模型。
图3为本发明实施例中某典型区域电网的频率偏差示意图。
图4为本发明实施例方法及传统方法下储能电站一次调频备用容量利用率线对比图。
图5为本发明实施例方法及传统方法下储能电站一次调频功率对比图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法包括：
S101，获取电网频率变化量Δf；
S102，判断电网频率变化量Δf是否超过频率响应死区，若电网频率变化量Δf未超过频率响应死区，则按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频；若电网频率变化量Δf超过频率响应死区，则在按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频的基础上，控制分布式储能单元参与一次调频，且一次调频的出力参考功率为由下垂系数及基于均值一致性的调节参数与电网频率变化量Δf相乘得到。
本实施例中，按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频之前，包括从电网调度部门获得下一调频周期内二次调频与三次调频的出力参考功率ΔPCFC，并根据出力参考功率ΔPCFC控制分布式储能单元参与二次调频及三次调频的输出功率。作为一种可选的实施方式，本实施例中还包括更新一次调频下垂系数。
为研究多储能单元参与电网调频的控制问题，需构建典型电力系统频率响应模型，利用等效方法构建的区域电力系统调频响应模型如图2所示。如图2所示，本实施例步骤S102中一次调频的出力参考功率的计算函数表达式为：
上式中，为第i台分布式储能单元参与一次调频的出力参考功率，KBi为第i台分布式储能单元的下垂系数，uBi为第i台分布式储能单元的基于均值一致性的调节参数，Δf为电网频率变化量。/>和二次调频与三次调频的出力参考功率ΔPCFC一起求和后作为第i台分布式储能单元的总的出力参考功率。图2中DDES1～DDEN N表示N台分布式储能单元，其各自一次调频的出力参考功率不同。图2中字母变量的含义分别为：KBi是第i台分布式储能单元的一次调频下垂系数；uBi是第i台分布式储能单元的一致性调节因子；Δf是频率偏差；KP和KI分别为比例和积分系数；α为二次调频的参与因子，β为频率偏差因子，ΔPtie为联络线交换功率。ΔPBi是第i台分布式储能单元的参与各类型调频总功率，ΔPG为发电机组调频功率，ΔPL为负荷变化功率，H和D分别为系统惯性系数及阻尼系数，s为拉普拉斯算子。如图2所示，本实施例步骤S102中在按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频的基础上，控制分布式储能单元参与一次调频时，记任意第i台分布式储能单元的总输出功率为ΔPBi，所有分布式储能单元的总输出功率ΔPBi一起并联到同步发电机的输出端以参与电网调频。
本实施例中，第i台分布式储能单元的基于均值一致性的调节参数的计算函数表达式为：
上式中，为一次调频备用容量比例，Ci为第i台分布式储能单元的容量，N为分布式储能单元的数量，KB,mean为分布式储能单元的下垂系数的均值，/>为第i台分布式储能单元在充电状态下的一次调频备用功率利用率，/>为分布式储能单元的一次调频备用功率利用率的均值。
本实施例中，步骤S102中按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频时，记第i台分布式储能单元参与二次调频和三次调频的功率之和为且所有分布式储能单元参与二次调频和三次调频的功率之和/>的总和等于给定的参考功率。
本实施例中，步骤S102之前还包括：
S201，根据下式计算分布式储能单元的一次调频备用功率利用率：
上式中，ηi为第i台分布式储能单元的一次调频备用功率利用率，为第i台分布式储能单元在充电状态下的一次调频备用功率利用率，Si(0)为第i台分布式储能单元参与一次调频前的荷电状态，/>为第i台分布式储能单元参与二次调频和三次调频的功率之和，t为时间，Si(t)为第i台分布式储能单元在t时刻的荷电状态；
S202，根据下式计算分布式储能单元的一次调频备用功率利用率的均值：
上式中，为分布式储能单元的一次调频备用功率利用率的均值，N为分布式储能单元的数量，ηi为第i台分布式储能单元的一次调频备用功率利用率。
本实施例中，分布式储能单元的下垂系数的均值计算函数表达式为：
上式中，KB,mean为分布式储能单元的下垂系数的均值，N为分布式储能单元的数量，KBi为第i台分布式储能单元的下垂系数。
本实施例中，步骤S101中获取电网频率变化量Δf包括获取电网的实时频率f，并根据Δf＝f-fref计算电网频率变化量Δf，其中fref为电网的参考频率。
下面通过实例仿真对本实施例考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法做进一步说明。本实例是基于MATLAB仿真平台搭建某区域网络模型展开仿真验证。仿真中将该控制策略与传统调频策略的性能进行了比较。两种策略下分布式储能单元均同时参与三种调频响应。其中二次和三次调频功率由电网调度部门预设的功率分配信号来确定。采用传统方法时，一次调频通过经典的下垂控制来实现。各分布式储能单元的主要参数如表1所示，仿真系统的主要参数如表2所示。
表1各分布式储能单元的参数。
表2仿真系统的主要参数。
2H/f0(s) D(pu MW/Hz) KD(pu MW/Hz) β(pu MW/Hz)
0.2 1.0 -10.5 0.35
在仿真模型运行阶跃负荷波动，得到频率偏差结果如下图3所示，各个分布式储能单元的容量利用率图4所示，各分布式储能单元出力功率如图5所示，其中1～8为分布式储能单元的编号(参见表1)。可以看出：相比传统方法，本发明实施例方法(本文方法)不仅使系统频率偏差的最大变化量减小，且分布式储能单元的一次调频容量利用率呈现一致性变化趋势，避免了某些分布式储能单元过度放电从而退出调频的情况。传统方法则因为某些分布式储能单元过度方法从而逐一退出调频，造成频率的多次跌落。
综上所述，本实施例考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法包括以下几个步骤：各储能单元采集电网频率变化量Δf。从电网调度部门获得下一调频周期内二次调频与三次调频的出力参考功率更新一次调频下垂系数KB；定义储能一次调频备用功率利用率及一致性控制因子；若Δf未超过频率响应死区，按照调度部门参考功率，储能只参与二次调频及三次调频；若Δf超过频率响应死区，则在二次及三次调频的基础上启动一次调频功能，一次调频参考功率由下垂系数及基于均值一致性的调节参数与频差相乘得到。本实施例考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法先通过检测电网频率，得到当前频率较参考频率的偏差值。定义储能单元参与一次调频容量利用率，设计一致性调节因子，使得储能在参与多种调频的工作过程中，既能实现对频率调节需求的响应，提升调频效果，又能在多个分布式储能单元间实现功率的合理分配，避免出现分布式储能单元的过度使用。
此外，本实施例还提供一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法。此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法，其特征在于，包括：
S101，获取电网频率变化量Δf；
S102，判断电网频率变化量Δf是否超过频率响应死区，若电网频率变化量Δf未超过频率响应死区，则按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频；若电网频率变化量Δf超过频率响应死区，则在按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频的基础上，控制分布式储能单元参与一次调频，且一次调频的出力参考功率为由下垂系数及基于均值一致性的调节参数与电网频率变化量Δf相乘得到。
2.根据权利要求1所述的考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法，其特征在于，步骤S102中一次调频的出力参考功率的计算函数表达式为：
上式中，为第i台分布式储能单元参与一次调频的出力参考功率，KBi为第i台分布式储能单元的下垂系数，uBi为第i台分布式储能单元的基于均值一致性的调节参数，Δf为电网频率变化量。
3.根据权利要求2所述的考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法，其特征在于，所述第i台分布式储能单元的基于均值一致性的调节参数的计算函数表达式为：
上式中，为一次调频备用容量比例，Ci为第i台分布式储能单元的容量，N为分布式储能单元的数量，KB,mean为分布式储能单元的下垂系数的均值，/>为第i台分布式储能单元在充电状态下的一次调频备用功率利用率，/>为分布式储能单元的一次调频备用功率利用率的均值。
4.根据权利要求3所述的考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法，其特征在于，步骤S102中按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频时，记第i台分布式储能单元参与二次调频和三次调频的功率之和为且所有分布式储能单元参与二次调频和三次调频的功率之和/>的总和等于给定的参考功率。
5.根据权利要求3所述的考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法，其特征在于，步骤S102之前还包括：
S201，根据下式计算分布式储能单元的一次调频备用功率利用率：
上式中，ηi为第i台分布式储能单元的一次调频备用功率利用率，为第i台分布式储能单元在充电状态下的一次调频备用功率利用率，Si(0)为第i台分布式储能单元参与一次调频前的荷电状态，/>为第i台分布式储能单元参与二次调频和三次调频的功率之和，t为时间，Si(t)为第i台分布式储能单元在t时刻的荷电状态；
S202，根据下式计算分布式储能单元的一次调频备用功率利用率的均值：
上式中，为分布式储能单元的一次调频备用功率利用率的均值，N为分布式储能单元的数量，ηi为第i台分布式储能单元的一次调频备用功率利用率。
6.根据权利要求3所述的考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法，其特征在于，所述分布式储能单元的下垂系数的均值计算函数表达式为：
上式中，KB,mean为分布式储能单元的下垂系数的均值，N为分布式储能单元的数量，KBi为第i台分布式储能单元的下垂系数。
7.根据权利要求1所述的考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法，其特征在于，步骤S101中获取电网频率变化量Δf包括获取电网的实时频率f，并根据Δf＝f-fref计算电网频率变化量Δf，其中fref为电网的参考频率。
8.根据权利要求1所述的考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法，其特征在于，步骤S102中在按照给定的参考功率控制分布式储能单元只参与二次调频及三次调频的基础上，控制分布式储能单元参与一次调频时，记任意第i台分布式储能单元的总输出功率为ΔPBi，所有分布式储能单元的总输出功率ΔPBi一起并联到同步发电机的输出端以参与电网调频。
9.一种考虑多种调频需求的分布式储能协同控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述考虑多种调频需求的分布式储能协同控制方法。
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