CN117748544A - 压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法，属于电力系统频率稳定控制领域，压缩空气储能系统控制系统包括依次串联的电网频率获取模块、工作模式判别模块以及压缩空气储能系统功率调节模块。以及公开了基于上述系统的电力系统频率调节方法，根据工作状态构建频率调节模型，并根据工作状态参数运行相应的频率调节子模型。采用上述一种压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法，充分发挥出压缩空气储能系统在双向工作状态下的调节潜力，并通过差分离散法将频域转化为时域，有利于压缩空气储能参与电网频率调节时数学模型的解析，为其他类型储能或新能源场站的协同控制提供了基础。
Description
技术领域
本申请涉及电力系统频率稳定控制领域，尤其是涉及一种压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法。
背景技术
随着推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电和光伏发电基地成为大势所趋，新能源的高比例并网降低了电力系统的惯量水平和频率支撑能力，且具有较强的发电间歇性和波动性，频率稳定问题成为当前电网安全稳定和新能源高效消纳的核心问题之一。大规模的配置储能成为了解决这一问题的有效途径。而压缩空气储能（Compressed AirEnergy Storage，CAES）被认为是最具有发展前景的大规模储能技术之一，具有储能规模大，存储周期长，环境污染小等特点。
但是现有技术中不同容量规模的压缩空气储能示范工程先后投建后，大部分对于压缩空气储能的研究仍停留在使其参与电网调峰等中时间尺度的研究中，并未开展其参与调频功能的研究，与此同时压缩空气储能在储能和释能的工作状态时，物理过程不同，所以需要一种适用于电力系统频率稳定分析的压缩空气储能建模方法，为后续的储能与新能源场站的协同控制研究提供基础。
发明内容
本申请的目的是提供一种压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法，能够更好地刻画压缩空气储能系统在参与电力系统调频时地表现，更加接近工程实际，能够为后续将压缩空气储能系统与其他类型储能和新能源地协同控制提供基础。
为实现上述目的，本申请提供了一种压缩空气储能系统控制系统，包括，
电网频率获取模块，用于获取实时电网频率，并计算频率偏差值；
工作模式判别模块，用于获取当前压缩空气储能系统的工作状态，工作状态包括储能状态和释能状态；
压缩空气储能系统功率调节模块，根据频率偏差值和当前压缩空气储能系统的工作状态调节压缩空气储能系统的工作功率；
电网频率获取模块、工作模式判别模块以及压缩空气储能系统功率调节模块依次串联。
优选的，压缩空气储能系统功率调节模块包括储能功率调节子模块和释能功率调节子模块，储能功率调节子模块与释能功率调节子模块并联设置。
一种基于上述一种压缩空气储能系统控制系统的电力系统频率调节方法，具体步骤如下：
步骤S1：通过电网频率获取模块获取实时电网频率，得到频率偏差值；
步骤S2：通过工作模式判别模块获取当前压缩空气储能系统的工作状态并输出工作状态参数；
步骤S3：根据工作状态构建频率调节模型，频率调节模型包括两个频率调节子模型，两个频率调节子模型分别为储能状态频率调节子模型和释能状态频率调节子模型，并根据工作状态参数运行相应的频率调节子模型。
优选的，工作模式判别模块输出工作状态参数，当前压缩空气储能处于储能状态时，工作状态参数为0；当前压缩空气储能处于释能状态时，工作状态参数/>为1。
优选的，频率调节模型如下：
;
其中，为压缩空气储能系统参与电网一次调频过程中的有功功率，/>为压缩空气储能系统在释能阶段的有功功率，/>为压缩空气储能系统在储能阶段的有功功率。
优选的，在储能阶段，将压缩空气储系能统作为可控负荷，考虑压缩空气储系统的压缩机的喘振和堵塞的安全边界，计算确定压缩机的当前可调容量，在储能阶段的有功功率如下：
;
;
压缩空气储能系统在释能状态下，考虑压缩空气储能系统的惯性响应和参与功率调节的特性响应特点，在释能阶段的有功功率如下：
;
;
其中，、/>分别为压缩空气储能系统在储能和释能状态下参与一次调频的调差系数，/>为压缩机的功率调节时间常数，/>和/>分别为涡轮机的排放延迟和阀门开度的调节延迟；HCAES为压缩空气储能系统在释能阶段所连同步机的惯性时间常数，/>、、/>以及/>分别为CAES在参与电网调频时储能和释能状态下的调节限值，f表示当前电网频率，s代表复频域变量，t表示当前时刻。
优选的，压缩空气储能系统在储能状态下，当压缩机在非工况下运行压缩机的压比和等熵效率会偏离设计值，压比和等熵效率将由压缩机拟合特性线公式表示，压缩机拟合特性线公式如下：
;
其中，为压缩机代数总功率，/>为经压缩机空气质量流量；/>为经压缩机空气质量流量设计值，/>为压缩机级数；/>为定压空气比热容；/>为压缩机机械效率；代表压缩空气的出口温度；/>代表压缩空气储能的进口温度。
;
;
;
;
;
;
;
由于压缩机工作在非工况状态时，其压比与等熵效率会偏离设计值，因此，根据压缩机拟合特性曲线来得到该工况下的压比和等熵效率，其中下标d表示设计值，其中，为相对折合流量，/>为相对折合转速；/>为相对折合压缩机压比，/>为压缩机转速；/>为第i级压缩机入口压力，/>为相对压比,/>为相对效率，/>、/>、/>和/>为公式参数，m和q为压缩机种类参数系数。
通过控制进出口阀门或转速或进口导向叶片或可变扩压器叶片实现经压缩机空气质量流量和运行特性的调节。
优选的，当压缩空气储能系统在释能阶段参与调频时，需要考虑压缩空气储能系统的并网方式确定释能状态频率调节子模型，并网方式包括同步并网、异步并网以及通过电力电子变换器并网。
优选的，采用前向差分法将频率调节模型离散化为 1组差分方程，用于获取扰动后电力系统频率和表征扰动后压缩空气储能系统的有功功率调整量；
建立压缩空气储能系统受到电网扰动时的离散化模型如下：
;
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;
;
;
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;
;
其中，H为惯性时间常数，为系统的额定频率，/>为系统的机械功率变化量，为系统的电磁功率变化量，D为阻尼系数；
为t时刻发生大小为/>的频率扰动时，系统第n个步长的频率偏差，/>为差分步长，/>为上级电网总负荷，/>为压缩空气储能的等效调速器的有功调整量，为压缩空气储能系统总容量，/>为压缩空气储能系统的额定容量；
为压缩空气储能系统在释能阶段压缩空气储能的同步机与电力系统惯量归算后的惯性时间常数，/>为压缩空气储能系统并网的电力系统的惯性时间常数，/>为压缩空气储能系统所连同步机的惯性时间常数；
和/>分别为压缩空气储能在释能和储能状态下第n个步长的调速器的理论有功出力增量；/>、/>分别为压缩空气储能在释能和储能状态下第n个步长的实际有功出力增量；/>为压缩空气储能在释能状态下离散模型的中间变量，R代表压缩空气在参与电网一次调频时的调差率，/>是压缩空气储能在储能阶段调节充电功率的时间常数。
因此，本申请明采用上述结构的一种压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法，具有以下有益效果：
（1）根据压缩空气储能系统的储能状态和释能状态分别建模，并考虑其元件的安全性与经济性边界，充分发挥出压缩空气储能系统在双向工作状态下的调节潜力，更加接近工程实际。
（2）通过差分离散法将频域转化为时域，有利于压缩空气储能系统参与电网频率调节时数学模型的解析，并为之后研究压缩空气储能与其他类型储能或新能源场站的协同控制提供了基础。
下面通过附图和实施例，对本申请的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本申请一种压缩空气储能系统控制系统结构示意图；
图2为本申请根据工作状态构建频率调节模型原理图；
图3为本申请中压缩空气储能系统在释能阶段的阶跃响应曲线图；
图4为本申请中压缩空气储能系统在储能阶段的阶跃响应曲线图。
具体实施方式
实施例
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的实施方式作详细说明。
如图1所示，一种压缩空气储能系统控制系统，包括依次串联的电网频率获取模块、工作模式判别模块以及压缩空气储能系统功率调节模块。
电网频率获取模块，用于获取实时电网频率，并计算频率偏差值。
工作模式判别模块，用于获取当前压缩空气储能系统的工作状态，工作状态包括储能状态和释能状态。
压缩空气储能系统功率调节模块，根据频率偏差值和当前压缩空气储能系统的工作状态调节压缩空气储能系统的工作功率，压缩空气储能系统功率调节模块包括储能功率调节子模块和释能功率调节子模块，储能功率调节子模块与释能功率调节子模块并联设置。
一种基于上述一种压缩空气储能系统控制系统的电力系统频率调节方法，具体步骤如下：
步骤S1：通过电网频率获取模块获取实时电网频率，得到频率偏差值。
步骤S2：在监测到电网频率变化后，通过工作模式判别模块获取当前压缩空气储能系统的工作状态并输出工作状态参数。工作模式判别模块输出工作状态参数，当前压缩空气储能处于储能状态时，工作状态参数为0；当前压缩空气储能处于释能状态时，工作状态参数/>为1。
步骤S3：根据工作状态构建频率调节模型，频率调节模型包括两个频率调节子模型，两个频率调节子模型分别为储能状态频率调节子模型和释能状态频率调节子模型，并根据工作状态参数运行相应的频率调节子模型。根据不同的工作状态，压缩空气储能系统将选择相应的功率调节模块进行功率改变，实现调频过程。
频率调节模型如下：
;
其中，为压缩空气储能系统参与电网一次调频过程中的有功功率，/>为压缩空气储能系统在释能阶段的有功功率，/>为压缩空气储能系统在储能阶段的有功功率。
优选的，在储能阶段，将压缩空气储系能统作为可控负荷，考虑压缩空气储系统的压缩机的喘振和堵塞的安全边界，计算确定压缩机的当前可调容量，在储能阶段的有功功率如下：
;
;
压缩空气储能系统在释能状态下，考虑压缩空气储能系统的惯性响应和参与功率调节的特性响应特点，在释能阶段的有功功率如下：
;
;
其中，、/>分别为压缩空气储能系统在储能和释能状态下参与一次调频的调差系数，/>为压缩机的功率调节时间常数，/>和/>分别为涡轮机的排放延迟和阀门开度的调节延迟；HCAES为压缩空气储能系统在释能阶段所连同步机的惯性时间常数，/>、、/>以及/>分别为CAES在参与电网调频时储能和释能状态下的调节限值，f表示当前电网频率，s代表复频域变量，t表示当前时刻。
如图2所示，在压缩空气储能系统在充电的工作状态下，同步机不与电网进行并网。压缩机相当于一个可控的电负荷，在一定的安全边界内，可在电力系统频率升高时，增加充电负荷，即提升压缩机的功率；在电力系统频率降低时，减少充电负荷，即降低充电功率。从而实现压缩空气储能系统在储能状态下参与电网调频。
压缩空气储能系统在储能状态下，当压缩空气储能在储能状态下对压缩机实现快速调节时，确定一个安全经济的调节范围对于压缩空气来说至关重要。当压缩机在非工况下运行压缩机的压比和等熵效率会偏离设计值，压比和等熵效率将由压缩机拟合特性线公式表示，压缩机拟合特性线公式如下：
;
其中，为压缩机代数总功率，/>为经压缩机空气质量流量；/>为经压缩机空气质量流量设计值，/>为压缩机级数；/>为定压空气比热容；/>为压缩机机械效率，代表压缩空气的出口温度；/>代表压缩空气储能的进口温度；
;
;
;
;
;
;
;
由于压缩机工作在非工况状态时，其压比与等熵效率会偏离设计值，因此，根据压缩机拟合特性曲线来得到该工况下的压比和等熵效率，其中下标d表示设计值，其中，为相对折合流量，/>为相对折合转速；/>为相对折合压缩机压比，/>为压缩机转速；/>为第i级压缩机入口压力，/>为相对压比,/>为相对效率，/>、/>、/>和/>为公式参数，m和q为压缩机种类参数系数，m和q为压缩机种类参数系数,本实施例为离心压缩机，则m=1.8，q=1.8。
为了使压缩机有效地在宽负荷范围内工作，通过控制进出口阀门或转速或进口导向叶片或可变扩压器叶片实现经压缩机空气质量流量和运行特性的调节。本实施例通过改变IGV来实现改变压缩机功率的输出，从而实现流量和运行特性的调节。
IGV调节特性公式如下：
;
;
;
其中，参数b1、b2、b3分别取1、1、0.01，为IGV旋转角度差，记初始θ为0°，下标θ代表调节IGV角度后参数。
;
为压缩空气储能系统在储能阶段时不同IGV角度和温度下所对应的充电功率。
由于IGV角度在规定范围内变化时，温度变化影响较小，此时将温度设为定值，取当前状态下的最佳温度，并通过比对旋转角度差对于堵塞和喘振的边界影响，确定在0~25°的范围内可以满足压缩空气储能的安全性和经济性。根据此角度可以带入并求得压缩空气储能在压缩时所能调节得最大范围，而确定了上下限。
扰动来临时，压缩空气储能系统能够快速地调节在此范围内调节充电功率，来达到一次调频的效果。需要特别说明的是，由于压缩空气储能系统在充电状态下，可类比为一个负荷，只要能够保证所调节范围在其安全的边界条件下，它可以实现一个快速的充电功率改变，此时在外特性上，本实施例将其等效为一个一阶惯性环节，来表征压缩空气储能系统在储能状态下的响应情况。而对于调节压缩机功率之后的后续稳定所需要的时间，本专利认为在当前调频的时间尺度下可忽略考虑。
当压缩空气储能系统在释能阶段参与调频时，需要考虑压缩空气储能系统的并网方式确定释能状态频率调节子模型，并网方式包括同步并网、异步并网以及通过电力电子变换器并网。本实施例压缩空气储能系统通过同步并网的方式，在扰动来临时，通过增高或降低同步机转速，来释放或吸收转子动能来实现惯性响应，以及通过改变质量流量的方式来跟踪参考功率，实现压缩空气储能一次调频的下垂控制。当压缩空气储能系统在改变输出功率时，在响应的外特性上主要影响因素是空气流动系统中涡轮的响应延迟和阀门开度调节延迟。因此，本实施例通过使用两个一阶惯性环节并连接一个同步机来表征这一物理过程的外特性相应情况。如图2所示，通过等效系统惯性时间常数来刻画压缩空气储能系统在释能环节时参与惯性响应的特性；通过调速器根据转速的偏差信号以及比例增益1/R来修改参考功率Pref，刻画出调速器的输出功率在空气流动系统中的物理响应情况，由这两部分来共同构成压缩空气储能系统在释能状态下参与电力系统频率稳定的建模。
建立的压缩空气储能参与电力系统频率调节模型包含限幅等非线性环节，增加了系统频率动态解析计算的难度，为此采用前向差分法将频率调节模型离散化为 1组差分方程，用于获取扰动后电力系统频率和表征扰动后压缩空气储能系统的有功功率调整量。
建立压缩空气储能系统受到电网扰动时的离散化模型如下：
;
;
;
;
;
;
;
;
;
其中，H为惯性时间常数，为系统的额定频率，/>为系统的机械功率变化量，为系统的电磁功率变化量，D为阻尼系数；
为t时刻发生大小为/>的频率扰动时，系统第n个步长的频率偏差，/>为差分步长，/>为上级电网总负荷，/>为压缩空气储能的等效调速器的有功调整量，/>为压缩空气储能系统总容量，/>为压缩空气储能系统的额定容量；
为压缩空气储能系统在释能阶段压缩空气储能的同步机与电力系统惯量归算后的惯性时间常数，/>为压缩空气储能系统并网的电力系统的惯性时间常数，/>为压缩空气储能系统所连同步机的惯性时间常数；
和/>分别为压缩空气储能在释能和储能状态下第n个步长的调速器的理论有功出力增量；/>、/>分别为压缩空气储能在释能和储能状态下第n个步长的实际有功出力增量；/>为压缩空气储能在释能状态下离散模型的中间变量，R代表压缩空气在参与电网一次调频时的调差率，/>是压缩空气储能在储能阶段调节充电功率的时间常数。
图3和图4分别根据本实施例所给出的功率调节模块的模型，通过仿真得到压缩空气储能系统在阶跃响应时的实际外特性响应曲线，可以看到压缩空气储能在不同的状态下都可以实现较快的响应，并刻画其本身的物理特性，对之后压缩空气储能与其他储能类型或电源的协同配合的研究奠定了基础。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本申请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申请技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种压缩空气储能系统控制系统，其特征在于：包括，
电网频率获取模块，用于获取实时电网频率，并计算频率偏差值；
工作模式判别模块，用于获取当前压缩空气储能系统的工作状态，工作状态包括储能状态和释能状态；
压缩空气储能系统功率调节模块，根据频率偏差值和当前压缩空气储能系统的工作状态调节压缩空气储能系统的工作功率；
电网频率获取模块、工作模式判别模块以及压缩空气储能系统功率调节模块依次串联。
2.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能系统控制系统，其特征在于：压缩空气储能系统功率调节模块包括储能功率调节子模块和释能功率调节子模块，储能功率调节子模块与释能功率调节子模块并联设置。
3.一种基于权利要求1-2任意一项所述的一种压缩空气储能系统控制系统的电力系统频率调节方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：通过电网频率获取模块获取实时电网频率，得到频率偏差值 ；
步骤S2：通过工作模式判别模块获取当前压缩空气储能系统的工作状态并输出工作状态参数；
步骤S3：根据工作状态构建频率调节模型，频率调节模型包括两个频率调节子模型，两个频率调节子模型分别为储能状态频率调节子模型和释能状态频率调节子模型，并根据工作状态参数运行相应的频率调节子模型。
4.根据权利要求3所述的电力系统频率调节方法，其特征在于：工作模式判别模块输出工作状态参数，当前压缩空气储能处于储能状态时，工作状态参数为0；当前压缩空气储能处于释能状态时，工作状态参数/>为1。
5.根据权利要求4所述的电力系统频率调节方法，其特征在于：频率调节模型如下：
；
其中，为压缩空气储能系统参与电网一次调频过程中的有功功率，/>为压缩空气储能系统在释能阶段的有功功率，/>为压缩空气储能系统在储能阶段的有功功率。
6.根据权利要求5所述的电力系统频率调节方法，其特征在于：
在储能阶段，将压缩空气储系能统作为可控负荷，考虑压缩空气储系统的压缩机的喘振和堵塞的安全边界，计算确定压缩机的当前可调容量，在储能阶段的有功功率如下：
；
；
压缩空气储能系统在释能状态下，考虑压缩空气储能系统的惯性响应和参与功率调节的特性响应特点，在释能阶段的有功功率如下：
；
；
其中，、/>分别为压缩空气储能系统在储能和释能状态下参与一次调频的调差系数，/>为压缩机的功率调节时间常数，/>和/>分别为涡轮机的排放延迟和阀门开度的调节延迟；HCAES为压缩空气储能系统在释能阶段所连同步机的惯性时间常数，/>、、/>以及/>分别为CAES在参与电网调频时储能和释能状态下的调节限值，f表示当前电网频率，s代表复频域变量，t表示当前时刻。
7.根据权利要求6所述的电力系统频率调节方法，其特征在于：压缩空气储能系统在储能状态下，当压缩机在非工况下运行压缩机的压比和等熵效率会偏离设计值，压比和等熵效率将由压缩机拟合特性线公式表示，压缩机拟合特性线公式如下：
；
其中，为压缩机代数总功率，/>为经压缩机空气质量流量；/>为经压缩机空气质量流量设计值，/>为压缩机级数；/>为定压空气比热容；/>为压缩机机械效率；/>代表压缩空气的出口温度；/>代表压缩空气储能的进口温度；
；
；
；
；
；
；
；
由于压缩机工作在非工况状态时，其压比与等熵效率会偏离设计值，因此，根据压缩机拟合特性曲线来得到该工况下的压比和等熵效率，其中下标d表示设计值，其中，为相对折合流量，/>为相对折合转速；/>为相对折合压缩机压比，/>为压缩机转速；/>为第i级压缩机入口压力，/>为相对压比,/>为相对效率，/>、/>、/>和/>为公式参数，m和q为压缩机种类参数系数；
通过控制进出口阀门或转速或进口导向叶片或可变扩压器叶片实现经压缩机空气质量流量和运行特性的调节。
8.根据权利要求7所述的电力系统频率调节方法，其特征在于：当压缩空气储能系统在释能阶段参与调频时，需要考虑压缩空气储能系统的并网方式确定释能状态频率调节子模型，并网方式包括同步并网、异步并网以及通过电力电子变换器并网。
9.根据权利要求8所述的电力系统频率调节方法，其特征在于：采用前向差分法将频率调节模型离散化为 1组差分方程，用于获取扰动后电力系统频率和表征扰动后压缩空气储能系统的有功功率调整量；
建立压缩空气储能系统受到电网扰动时的离散化模型如下：
；
其中，H为惯性时间常数， 为系统的额定频率，/>为系统的机械功率变化量，/>为系统的电磁功率变化量，D为阻尼系数；
为t时刻发生大小为/>的频率扰动时，系统第n个步长的频率偏差，/>为差分步长，/>为上级电网总负荷，/>为压缩空气储能的等效调速器的有功调整量，/>为压缩空气储能系统总容量，/>为压缩空气储能系统的额定容量；
为压缩空气储能系统在释能阶段压缩空气储能的同步机与电力系统惯量归算后的惯性时间常数，/>为压缩空气储能系统并网的电力系统的惯性时间常数，/>为压缩空气储能系统所连同步机的惯性时间常数；
和/>分别为压缩空气储能在释能和储能状态下第n个步长的调速器的理论有功出力增量；/>、/>分别为压缩空气储能在释能和储能状态下第n个步长的实际有功出力增量；/>为压缩空气储能在释能状态下离散模型的中间变量，R代表压缩空气在参与电网一次调频时的调差率，/>是压缩空气储能在储能阶段调节充电功率的时间常数。/>
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