CN109524974A - 一种基于电池储能电源的电网一次调频控制方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电池储能电源的电网一次调频控制方法及其***，该方法首先实时监测电网频率，并基于电网频率的额定值实时计算电网频率偏差绝对值，若电网频率偏差绝对值大于或等于预设的电网频率稳定阈值，则基于电网频率偏差变化率来确定储能电源的出力模型；最后当电网频率偏差绝对值稳定在稳态频率偏差值时调频结束。本发明将依据扰动类型设计对应的储能电源的出力模型，改进了一次调频的效果，减小储能电源的容量配置，延长储能电源的使用寿命。

Description

一种基于电池储能电源的电网一次调频控制方法及其***

技术领域

本发明属于电网控制领域，尤其涉及一种基于电池储能电源的电网一次调频控制方法及其***。

背景技术

在电网一次调频中，各机组通过根据自身的频率静态特性改变其出力，实现频率有差调节，一般用于调整秒级的负荷波动。当电网频率发生变化时，存储在***负荷的旋转能量会发生变化来阻止***频率的变化，此外，***中所有的发电机组的转速也会发生变化，发电机组的调速器动作，调整原动机的功率，为改善原动机功率和负荷功率不平衡的状况。但是，发电机只有具有足够的旋转备用容量时，才具有参与一次调频的能力，当频率偏差超过机组预先设定的死区时，具有一次调频能力的机组才可以参与电网一次调频并投入到一次调频的状态，实现电网频率有差调节。

其中，由于电池储能电源能够不受限制实现上调和下调的交替，具有高效性以及电池储能电源的输出变化可以快速精确地跟踪负荷的变化，响应功率储备裕度小，因此电池储能电源作为一种新颖而优质的可移动储能设备，以其秒级的充放电能力、上万次的循环寿命、宽泛的温度适应能力以及环境友好特性，受到了广泛的关注。但是储能电源参与调频，控制策略是难点。储能电源参与电网一次调频时现有控制模式包括虚拟惯性和虚拟下垂两种，现有的一次调频过程中控制策略一般为单一的调频模式，少有考虑这两种调频模型的特点及其在不同调频阶段的优势不同，因此单一的调频模式难以满足实际需求，调频效果有待进一步提高；CN201711074813.5中揭示了“一种电池储能电源参与电网一次调频的控制方法”一种同一时刻综合该两种调频模式的方法，但此方法主要存在二个问题，由于惯性响应阶段频率偏差是持续增大的，所以实质上在惯性响应阶段是无法准确获取到最大频率偏差值，该方案中设计的电网所能承受的最大频率偏差的经验值，但其与实际的最大频率偏差值是存在误差的，而这误差将导致无法实现最佳的调频效果；二是由于电网的扰动类型不同所引起的频率偏差的特点也不同，譬如，若扰动均是波动不大的连续扰动时，此扰动的调频过程中的惯性响应阶段和下垂响应阶段的持续时间很短，其两个阶段并没有太过明显的界限或者两阶段变化很快，实际上难以按照此方法的调频方式来精确控制，同时也未考虑到储能电源的使用寿命问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电池储能电源的电网一次调频控制方法及其***，通过针对不同类型的负荷扰动提出了两种储能电源的出力模型，改进了一次调频的效果，减小储能电源的容量配置，延长储能电源的使用寿命。其中，本文将电池储能电源简称为储能电源。

一种基于电池储能电源的电网一次调频控制方法，包括如下步骤：

S1：实时监测电网频率，并实时计算相较于电网频率额定值的电网频率偏差绝对值，并判断电网频率偏差绝对值是否大于或等于预设的电网频率稳定阈值；

其中，若大于或等于预设的电网频率稳定阈值，则进行调频处理，执行步骤S2；否则，重复步骤S1；

从第一次监测到电网频率偏差绝对值大于或等于电网频率稳定阈值直至监测到电网频率偏差等于稳态频率偏差值的时间为一次调频周期；

S2：计算当前时刻电网频率偏差变化率，并基于电网频率偏差以及所述电网频率偏差变化率与预设扰动阈值计算储能电源出力；

在所述一次调频周期内基于实时计算的电网频率偏差以及频率偏差变化率实时调节储能电源出力，当前时刻电网频率偏差值大于0时，所述储能电源充电，小于0时，所述储能电源放电；

所述电网频率偏差变化率绝对值大于或等于预设扰动阈值时，储能电源出力定义为△P_step，计算公式如下：

式中，M_E、K_E分别表示储能电池的虚拟惯性系数和虚拟单位调节系数；a₁、a₂分别表示虚拟惯性模式和虚拟下垂模式的分配比例系数，f_i、f_i-1、f₀分别表示当前时刻的电网频率、前一采样时刻的电网频率和电网频率的额定值，Δt表示相邻电网频率采样时刻的时间差；

所述电网频率偏差变化率绝对值小于预设扰动阈值时，储能电源出力定义为△P_continue，计算公式如下：

ΔP_continue＝K_E·(f_i-f₀)。

本发明针对扰动的类型进行分类，并针对不同类型的扰动设置了不同的出力模型，更好的适应各类扰动的需求，譬如阶跃型负荷扰动以调频为主，连续性扰动在调频的基础上还考虑了储能电源的持续性，一方面可以延长储能电源的使用寿命，另一方面，可以降低储能电源的容量配置，减少储能电源的成本，平滑储能电源的出力。

进一步优选，步骤S2中虚拟惯性模式和虚拟下垂模式的分配比例系a₁、a₂的获取方式如下两种：

当前时刻电网频率低于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率小于0，分配比例系a₁、a₂的计算公式如下：

当前时刻电网频率高于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率大于0，分配比例系a₁、a₂为：

当前时刻电网频率低于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率大于0或者当前时刻电网频率高于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率小于0，分配比例系a₁、a₂的计算公式如下：

式中，△f_max表示当前一次调频周期内最大频率偏差值，△f_low为预设的电网频率稳定阈值。

进一步优选，步骤S2中系数K_E的计算公式如下：

式中，表示储能电源放电时的虚拟单位调节系数K_E，表示储能电源充电时的虚拟单位调节系数K_E，K_max表示储能电源的虚拟单位调节系数的最大值；SOC(i)表示i时刻储能电源的荷电状态；SOC_initial表示储能电源的初始荷电状态；SOC_max和SOC_min分别表示储能电源的最大荷电状态和最小荷电状态，n为灵敏度系数。

进一步优选，所述灵敏度系数是当储能电源达到最大荷电状态和最小荷电状态时，虚拟单位调节系数对SOC的灵敏度为零计算出的，计算公式如下：

和对其中，K_ndis、K_nch分别表示储能电源放电时、充电时的虚拟单元调节系数对SOC的灵敏度。

SOC_max和SOC_min的值由储能电池的自身特性所决定的且基本为定值。在SOC_max和SOC_min的值已知的条件下，令K_ndis和K_nch的值为0，求解出n的值且n值不为零，即可确定n值。

进一步优选，储能电源的初始荷电状态SOC_initial的取值为0.5。,最大荷电状态SOC_max和最小荷电状态SOC_min的取值由储能电池本身的特性决定且为恒定不变值。

进一步优选，步骤S2中电网频率偏差变化率的计算如下：

式中，△O(i)表示电网频率偏差变化速度即频率偏差变化率，f_i-1表示前一采样时刻采集的电网频率。

进一步优选，所述电网频率偏差变化率绝对值大于或等于预设扰动阈值时，当前时刻的负荷扰动为阶跃扰动；所述电网频率偏差变化率绝对值小于预设扰动阈值时，当前时刻的负荷扰动为连续扰动。

另一方面，本发明还提供一种基于上述方法的储能电源的一次调频***，包括依次通信连接的监测模块、数据处理模块和功率输出模块；

其中，监测模块用于实时监测电网频率；

数据处理模块用于基于监测的电网频率实时计算电网频率偏差绝对值，并判断电网频率偏差绝对值是否大于或等于预设的电网频率稳定阈值；

数据处理模块用于计算当前时刻电网频率偏差变化率，并判断电网频率偏差变化率绝对值与预设扰动阈值的大小；

功率输出模块用于计算储能电源出力。

有益效果

1、本发明针对扰动的类型进行分类，并针对不同类型的扰动设置了不同的出力模型，更好的适应各类扰动的需求，譬如阶跃型负荷扰动以调频为主，连续性扰动在调频的基础上还考虑了储能电源的持续性。

2、本发明的阶跃型负荷扰动是电网频率偏差变化率绝对值大于或等于预设扰动阈值，因此阶段性负荷扰动是会引起较大的频率偏差，此时由于存在较大的频率偏差，因此需要对其进行快速调频为主要目的。而一次调频的过程主要是分为惯性响应阶段和一次调节阶段，惯性响应阶段表现出的频率特性为惯性响应特性，一次调频阶段表现出的频率特性为下垂响应特性，因此本发明针对阶跃型负荷扰动则综合虚拟惯性和虚拟下垂两种模式同时进行调频。且在惯性响应阶段主要是利用惯性响应进行调频，下垂响应为辅；在下垂响应阶段主要是利用下垂响应进行调频，惯性响应为辅，其实际是通过虚拟惯性模式和虚拟下垂模式的分配比例系a₁、a₂的取值来控制，a₁和a₂的取值变化速度与频率偏差率的变化速度和频率偏差值的变化速度相适应。在惯性响应阶段，频率偏差变化率绝对值减小时，a₁的值会随之减小，a₂的值会随之增大；在下垂阶段，随着频率偏差绝对值的变小，a₂的值会随之增大，a₁的值会随之减小。与专利CN201711074813.5相比，本专利提出的模型具有可计算性和可操作性，并且a₁和a₂取值的适应性更好，本发明中可以解决现有方案中无法准确获取最大频率偏差而带来的误差问题，因此会带来更好的调频效果，并会降低储能电源的容量配置，带来更好的经济效益。

3、本发明的连续负荷扰动是电网频率为连续的小扰动，频率偏差较小。针对此情况，本发明将储能电源的经济出力作为首要目标，调频效果作为次要目标，因此目的是储能电源的SOC保持在合适范围，当储能电源的SOC值较大时，储能电源以放电为主，如果SOC值已小于等于SOC_min，储能电源禁止放电；当储能电源的SOC值较小时，储能电源以充电为主，如果SOC值已大于等于SOC_max，储能电源禁止充电。本发明基于上述原则来确定K_E的数学模型，进而确定储能电源针对连续扰动的出力模型，使其满足调频的要求下同时还考虑到储能电源的经济性，使储能电源的荷电状态维持在基准值附近，从而延长储能电源的使用寿命。本发明仿真结果也显示储能电源SOC基本维持才0.4～0.6之间。

4、本发明通过仿真验证了采用本方法针对阶跃扰动类型可以明显降低最大频率偏差值，从而降低储能电源的容量配置，减少储能电源的成本，同时通过仿真也验证了采用本方法可以平缓储能电源出力。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于电池储能电源的电网一次调频控制方法的流程图；

图2是本发明提供的电网频率偏差变化率小于0时，虚拟惯性模式和虚拟下垂模式的分配比例系数a₁、a₂随频率偏差的变化示意图；

图3是本发明提供的电网频率偏差变化率大于0时，虚拟惯性模式和虚拟下垂模式的分配比例系数a₁、a₂随频率偏差的变化示意图；

图4是调频过程中虚拟单位调节系数K_E的变化曲线，其中，(a)图为放电中虚拟调节单位系数随SOC的变化曲线，(a)图为充电中虚拟调节单位系数随SOC的变化曲线；

图5是本发明提供的储能电源的SOC曲线；

图6是本发明提供的本发明与其他现有方法或无储能情况下针对阶跃扰动下频率偏差的变化趋势对比图；

图7是本发明提供的储能电源出力示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

本发明旨在提供一种基于电池储能电源的电网一次调频控制方法，其主要由两部分构成，分别为负荷扰动类型识别模型和储能电源出力模型，即首先利用负荷扰动类型识别模型来确定负荷扰动类型；其次根据负荷扰动类型识别结果确定储能电源的出力模型；最后当电网频率偏差值稳定在稳态频率偏差值附近时调频结束。具体流程如下：

S1：实时监测电网频率f_i，并基于电网频率的额定值f₀实时计算电网频率偏差绝对值|△f_i|，并判断电网频率偏差绝对值|△f_i|是否大于或等于预设的电网频率稳定阈值△f_low；

其中，若大于或等于预设的电网频率稳定阈值△f_low，则进行调频处理，执行步骤S2；否则，重复步骤S1。

从第一次监测到电网频率偏差绝对值|△f_i|大于或等于电网频率稳定阈值△f_low直至监测到另一时刻的电网频率偏差等于稳态频率偏差值的时间为一次调频周期。其中，稳态频率偏差值是小于或等于电网频率稳定阈值△f_low。即第一次监测到电网频率偏差绝对值|△f_i|大于或等于电网频率稳定阈值△f_low则意味着进入一次调频处理阶段，在该一次调频处理阶段依旧实时监测电网频率f_i，并识别电网频率偏差绝对值|△f_i|小于电网频率稳定阈值△f_low，若不小于，则执行S2来调节控制储能电源出力。本发明监测过程是按照预设频率采样来实现实时监测与调节。应当理解，本发明不考虑阶跃扰动出现后，调节处于下垂阶段时又出现新一个阶段扰动使得频率反向变化的情况。

S2：计算当前时刻电网频率偏差以及频率偏差变化率，并基于所述电网频率偏差以及频率偏差变化率与预设扰动阈值计算储能电源出力；

电网频率偏差变化率的计算如下：

式中，△O(i)表示电网频率偏差变化速度即频率偏差变化率，f_i-1表示前一时刻采集的电网频率。

所述电网频率偏差变化率的绝对值|△O(i)|大于或等于预设扰动阈值△O_th时，储能电源出力定义为△P_step，计算公式如下：

式中，M_E、K_E分别表示储能电池的虚拟惯性系数和虚拟单位调节系数，其值均是根据仿真条件来取值，为经验值，譬如本实施例中虚拟单位调节系数为3.45或3.8；a₁、a₂分别表示虚拟惯性模式和虚拟下垂模式的分配比例系数，f_i、f_i-1、f₀分别表示当前时刻的电网频率、前一采样时刻的电网频率和电网频率的额定值，Δt表示相邻电网频率采样时刻的时间差。

应当理解，电网频率发生扰动时常见的当前电网频率低于电网频率额定值，少见的是当前电网频率高于电网频率额定值，本发明同时考虑这两种情况，但是不论是高于或低于电网频率额定值，一次调频过程均主要包括了虚拟惯性阶段和虚拟下垂阶段。譬如，当前电网频率低于电网频率额定值时，惯性响应阶段表现出的频率特性为惯性响应特性，此频率特性的特点是频率偏差率的绝对值由最大值逐渐减小至0，频率偏差绝对值逐渐增加至最大频率偏差值(最大频率偏差值表示最大频率偏差绝对值最大)。一次调频阶段表现出的频率特性为下垂响应特性，此频率特性的特点是频率偏差变化率大于0且绝对值较小，频率偏差绝对值由最大频率偏差逐渐减小至稳态频率偏差值。因此，关于虚拟惯性模式和虚拟下垂模式的分配比例系数a₁、a₂的计算公式如下：

当前时刻电网频率低于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率小于0分配比例系a₁、a₂为：

当前时刻电网频率高于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率大于0，分配比例系a₁、a₂为：

上述均表示此时处于虚拟惯性阶段，此时虚拟惯性模式的分配比例系数a₁大于虚拟下垂模式的分配比例系数a₂，且随着频率偏差变化率绝对值变小时，虚拟惯性模式的分配比例系数a₁随之减小，虚拟下垂模式的分配比例系数a₂随之减大。如图2所示为，当前时刻电网频率低于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率小于0。

同理，当前时刻电网频率低于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率大于0或者当前时刻电网频率高于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率小于0，分配比例系a₁、a₂为：

式中，△f_max表示当前一次调频周期内最大频率偏差值。此时，表示此时处于虚拟下垂阶段，此时虚拟惯性模式的分配比例系数a₁小于虚拟下垂模式的分配比例系数a₂。如图3所示为，当前时刻电网频率低于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率大于0。

所述电网频率偏差变化率的绝对值|△O(i)|小于预设扰动阈值△O_th时，储能电源出力定义为△P_continue，计算公式如下：

ΔP_continue＝K_E·(f_i-f₀)

式中，K_E表示虚拟单位调节系数，其计算公式如下：

式中，表示储能电源放电时的虚拟单位调节系数K_E，表示储能电源充电时的虚拟单位调节系数K_E。其中，灵敏度系数n是依据虚拟单元调节系数对SOC的灵敏度为零时计算出的。需要说明的是，连续扰动中虚拟单位调节系数K_E与阶跃扰动中虚拟单位调节系数K_E取值不同，阶跃扰动时，取为经验值；连续扰动时，本发明基于使储能电源的SOC保持在合适范围，当储能电源的SOC值较大时，储能电源以放电为主，如果SOC值已小于等于SOC_min，储能电源禁止放电；当初能电源的SOC值较小时，储能电源以充电为主，如果SOC值已大于等于SOC_max，储能电源禁止充电。这个准则设计了上述虚拟单位调节系数K_E的计算公式，如图4中的(a)和(b)所示，通过仿真也验证了如此设置虚拟调节单位系数K_E达到了上述目的，且从图中可以看出n取不同值时，曲线变化略有差异，为了SOC值已大于等于SOC_max，储能电源禁止充电，SOC值已小于等于SOC_min，储能电源禁止放电，因此本发明灵敏度系数n是当SOC_max和SOC_min时，充放电对应的灵敏度为零计算出来的。目的是使储能电源的SOC保持在合适范围。本实施例中，将SOC_max和SOC_min别取值为0.8和0.2，通过仿真得到如图5所示的SOC曲线图，从图中可知，储能电源SOC基本维持才0.4～0.6之间。此外，如图6和图7所示，本发明通过仿真验证了采用本方法针对阶跃扰动类型可以明显降低最大频率偏差值，从而降低储能电源的容量配置，减少储能电源的成本，同时通过仿真也验证了采用本方法可以平缓储能电源出力。

K_max表示储能电源的虚拟单位调节系数的最大值；SOC(i)表示i时刻储能电源的荷电状态；SOC_initial表示储能电源的初始荷电状态，本实施例中SOC_initial取值为0.5；SOC_max和SOC_min分别表示储能电源的最大荷电状态和最小荷电状态，本实施例中，分别取值为0.8和0.2。

基于上述方法，提供的储能电源的一次调频***，包括依次通信连接的监测模块、数据处理模块和功率输出模块；

其中，监测模块用于实时监测电网频率；数据处理模块用于基于监测的电网频率实时计算电网频率偏差绝对值，并判断电网频率偏差绝对值是否大于或等于预设的电网频率稳定阈值；数据处理模块用于计算当前时刻电网频率偏差变化率，并判断电网频率偏差变化率与预设扰动阈值的大小；功率输出模块用于计算储能电源出力。

其中，应当理解，储能电源并入电网中，通过储能电源来调节电网频率。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于电池储能电源的电网一次调频控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：实时监测电网频率，并实时计算相较于电网频率额定值的电网频率偏差绝对值，并判断电网频率偏差绝对值是否大于或等于预设的电网频率稳定阈值；

其中，若大于或等于预设的电网频率稳定阈值，则进行调频处理，执行步骤S2；否则，重复步骤S1；

从第一次监测到电网频率偏差绝对值大于或等于电网频率稳定阈值直至监测到电网频率偏差绝对值等于稳态频率偏差值的时间为一次调频周期；

S2：计算当前时刻电网频率偏差变化率，并基于电网频率偏差以及所述电网频率偏差变化率与预设扰动阈值计算储能电源出力；

在所述一次调频周期内基于实时计算的电网频率偏差以及频率偏差变化率实时调节储能电源出力，当前时刻电网频率偏差值大于0时，所述储能电源充电，小于0时，所述储能电源放电；

所述电网频率偏差变化率绝对值大于或等于预设扰动阈值时，储能电源出力定义为△P_step，计算公式如下：

式中，M_E、K_E分别表示储能电池的虚拟惯性系数和虚拟单位调节系数；a₁、a₂分别表示虚拟惯性模式和虚拟下垂模式的分配比例系数，f_i、f_i-1、f₀分别表示当前时刻的电网频率、前一采样时刻的电网频率和电网频率的额定值，Δt表示相邻电网频率采样时刻的时间差；

所述电网频率偏差变化率绝对值小于预设扰动阈值时，储能电源出力定义为△P_continue，计算公式如下：

ΔP_continue＝K_E·(f_i-f₀)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中虚拟惯性模式和虚拟下垂模式的分配比例系a₁、a₂的获取方式如下：

当前时刻电网频率低于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率小于0，分配比例系a₁、a₂的计算公式如下：

当前时刻电网频率高于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率大于0，分配比例系a₁、a₂为：

当前时刻电网频率低于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率小于0或者当前时刻电网频率高于电网频率额定值且当前时刻电网频率偏差变化率大于于0，分配比例系a₁、a₂的计算公式如下：

式中，△f_max表示当前一次调频周期内最大频率偏差值，△f_low为预设的电网频率稳定阈值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中系数K_E的计算公式如下：

式中，表示储能电源放电时的虚拟单位调节系数K_E，表示储能电源充电时的虚拟单位调节系数K_E，K_max表示储能电源的虚拟单位调节系数的最大值；SOC(i)表示i时刻储能电源的荷电状态；SOC_initial表示储能电源的初始荷电状态；SOC_max和SOC_min分别表示储能电源的最大荷电状态和最小荷电状态，n为灵敏度系数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述灵敏度系数是当储能电源达到最大荷电状态和最小荷电状态时，虚拟单位调节系数对SOC的灵敏度为零计算出的，计算公式如下：

其中，K_ndis、K_nch分别表示储能电源放电时、充电时的虚拟单元调节系数对SOC的灵敏度。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：储能电源的初始荷电状态SOC_initial的取值为0.5。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中电网频率偏差变化率的计算如下：

式中，△O(i)表示电网频率偏差变化速度即频率偏差变化率，f_i-1表示前一采样时刻采集的电网频率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电网频率偏差变化率的绝对值大于或等于预设扰动阈值时，当前时刻的负荷扰动为阶跃扰动；所述电网频率偏差变化率的绝对值小于预设扰动阈值时，当前时刻的负荷扰动为连续扰动。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述方法的储能电源的一次调频***，其特征在于：包括依次通信连接的监测模块、数据处理模块和功率输出模块；

其中，监测模块用于实时监测电网频率；

数据处理模块用于基于监测的电网频率实时计算电网频率偏差绝对值，并判断电网频率偏差绝对值是否大于或等于预设的电网频率稳定阈值；

数据处理模块用于计算当前时刻电网频率偏差变化率，并判断电网频率偏差变化率绝对值与预设扰动阈值的大小；

功率输出模块用于计算储能电源出力。