CN113783237B - 一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法，通过实时获取新能源储能场站并网点的频率、频率变化率；根据并网点频率与频率变化率以采样频率和调频需求计算储能***进行辅助调频支撑控制的功率输出指令；在考虑储能输出响应延时与响应时间的基础上，对采样频率等级的功率输出指令做短期变化预测计算与平滑处理，得到储能装置能合理响应的储能输出指令。本发明能够在考虑储能响应能力的前提下，更好的改善储能装置对储能指令的跟随效果，同时进一步加强其对真实调频功率需求的跟随能力，从而最大程度的加强储能装置的辅助调频支撑控制的控制效果，更好的发挥新能源储能场站对电网频率的支撑能力。

Description

一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法

技术领域

本发明属于电力***调频领域，涉及新能源储能的调频控制方法，尤其涉及一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法。

背景技术

随着化石能源的逐渐开采，对能源的需求逐渐增加，人类与大自然的关系也日益紧张。在此背景下，国家提出要构建以新能源为主体的新型电力***，这也就意味着新能源并网及其相关技术已成为未来电力技术发展的重要方向。

我国的风机光伏总装机容量逐年增加，但由于风光资源本身的波动性以及电压型逆变器功频脱耦的特性导致区域电网在保证频率稳定安全边际的情况下存在新能源接入上限，这就导致大量弃光弃风的现象发生。虽然近年来对于风机光伏的研究已经比较成熟，风机也能利用浆距角控制等方式利用转子动能为电网提供虚拟惯量及一次调频能力，但风机转子本身所含能量较小，一般参与调频功能十秒左右就会使得风机转速降低至临界极限，甚至退出调频从***反吸功率恢复转速，从而导致***频率的二次跌落。

所以，新能源辅助调频服务的合理运行需要大规模储能的参与，国内外的辅助服务领域也已经应用了非常多的商用储能工程，这使得储能调频需求和控制策略成为了当前的研究热点。而储能参与调频的根本目的，一方面在于辅助新能源电源提供短期的功率支撑改善***调频效果，另一方面在于利用其快速的功率吞吐能力减少常规机组参与调频的损耗，提高常规电源调频功能的经济性。因此，对于新能源场站必须得配置相应容量的储能装置，进行合理的辅助调频控制，辅助新能源场站更好的实现对电网的频率支撑效果。

电网的频率支撑主要可以按采集信号分为惯量控制与一次调频控制，而惯量与一次调频控制主要是通过对电力***运行过程中的相关运行参数进行采集，通过趋势预测和频率支撑能力拟合对电力电子装置进行控制，使得新能源***也能够对外呈现出类似于传统火电***的频率支撑能力。其控制效果取决于一方面取决于新能源***本身的运行特性，一方面取决于相关的算法功能。

虽然目前风光调频控制方面的研究已经比较深入，但面对碳中和目标的确立，新一批新能源储能场站的新启，针对储能场站或新能源储能场站的调频控制策略还有待完善，如何更好地发挥储能装置相对于传统风光能源爬坡率强，响应时间快，控制精度高的优点进一步提升相关场站的调频能力还有待研究。

发明目的

本发明的目的即在于应对上述现有技术中所存在的问题，提出一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法，可实时获取新能源储能场站并网点的频率、频率变化率，并根据并网点频率与频率变化率以采样频率和调频需求计算储能***进行辅助调频支撑控制的功率输出指令，在考虑储能输出响应延时与响应时间的基础上，对采样频率等级的功率输出指令做短期变化预测计算与平滑处理，得到储能装置能合理响应的储能输出指令。

发明内容

本发明提供了一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法，包括以下步骤：

步骤1：实时获取新能源储能场站并网点的频率、频率变化率；

步骤2：判断上一控制周期储能装置是否参与虚拟惯量控制，若是则判断频率变化率是否满足虚拟惯量控制退出阈值，满足则控制位置零；若否则判断频率变化率是否满足虚拟惯量控制进入阈值，满足则控制位置一；根据控制位决定此时刻虚拟惯量是否投入；相关表征参数包括：虚拟惯量控制参数，一次调频控制参数，虚拟惯量控制进入死区，虚拟惯量控制退出死区，一次调频控制进入死区，储能输出控制指令计算窗长，储能输出变化率预测增益系数，储能输出冲量补偿系数；

步骤3：判断并网点频率偏差是否大于一次调频控制阈值，若是则此控制周期一次调频控制投入；

步骤4：根据实际的控制环节参与情况，以采样频率和调频需求计算储能功率输出指令；

步骤5：在考虑储能输出响应延时与响应时间的实际输出的基础上，对采样频率等级的功率输出指令做短期变化预测计算与平滑处理，计算得到储能装置能合理响应的储能输出指令。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法。此种方法能够采集频率及频率变化率并在考虑调频需求的基础上计算得储能装置此时需要的功率输出指令，并在此基础上考虑储能装置响应延迟时间和响应性能对实际控制效果产生的影响，合理预测储能指令的短期变化，从而对储能输出指令的幅值和频率进行修正使得储能装置实际输出能够更好的拟合***调频需求所需要的功率值，从而最大程度的加强储能装置的快速调频支撑控制效果，更好的发挥新能源储能场站对电网频率的支撑能力。

附图说明

图1为本发明所述储能快速调频控制方法的流程图。

图2为本发明实施例为验证算法正确性所搭建的Simulink仿真实验模型。

图3为本发明实施例切除同步机组故障实验频率变化数据。

图4为本发明实施例不带超前预测储能功率控制指令与储能实际响应功率。

图5为本发明实施例带超前预测储能功率控制指令与储能实际响应功率。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明的实现流程。所述方法具体步骤如下：

步骤0:控制模式选择与算法初始化

根据具体的运行要求，由人机界面获取控制参数如：一次调频控制死区设定值f₂，虚拟惯量频率变化率控制进入设定值R₁，虚拟惯量频率变化率控制退出设定值R₂，储能功率控制指令限值P_limit；根据控制目标输入具体的虚拟惯量控制参数H，一次调频控制参数K，控制标志位R置0，完成算法初始化。完毕后进入步骤1。

步骤1:实测数据获取

从数据库或数据采集装置读取算法所需数据段，提取带时标的并网点实测频率f_t、并网点实测频率变化率

完毕后进入步骤2。

步骤2:频率变化率是否满足惯量控制条件

读取控制标志位，若控制标志位为0则上一控制周期控制策略不包含虚拟惯量控制，若控制标志位为1则上一控制周期控制策略包含虚拟惯量控制。

如果控制标志位为0，则根据下式判断频率变化率是否达到惯量控制进入条件，若满足则控制标志位置1，若不满足则控制标志位置0，完毕后进入步骤3。

其中

为频率变化率，R₁为虚拟惯量控制进入死区阈值。

如果控制标志位为1，则根据下式判断频率变化率是否达到惯量控制退出条件，若满足则控制标志位置0，若不满足则控制标志位置1，完毕后进入步骤3。

其中

为频率变化率，R₂为虚拟惯量控制退出死区阈值。

步骤3:一次调频控制判断与有功功率调节量计算环节

读取控制标志位，判断频率偏差量Δf是否大于一次调频控制死区设定值f₂，如下式，即判断频率偏差是否满足进入一次调频控制的死区阈值。

Δf＞f₂

若控制标志位为1但不满足一次调频判断条件则此循环时段优化控制只有虚拟惯量控制环节参与，其有功功率调节量ΔP_st可由下式计算得出，计算完毕后进入步骤4。

若满足一次调频判断条件但控制标志位为0则此循环时段优化控制只有一次调频环节参与，其有功功率调节量ΔP_st可由下式计算得出，计算完毕后进入步骤4。

若满足一次调频判断条件且控制标志位为1则此循环时段优化控制有虚拟惯量控制环节和一次调频环节参与，其有功功率调节量ΔP_st可由下式计算得出，计算完毕后进入步骤4。

若不满足式一次调频判断条件且控制标志位为0则退出此循环时段的优化控制，加延时指令至一个控制周期后进入步骤1。

步骤4:对储能功率做出预测，对实际储能出力做平滑处理

根据储能响应延时和储能响应到达稳态值时的时间确定算法的实际储能指令输出频率；对于于实际储能输出指令输出时间尺度内的采样频率储能指令，如果非单调上升或下降则按下式计算实际储能输出，

其中ΔP_st为储能装置实际输出的有功功率调节指令；ΔP_stn代表实际储能输出指令输出时间尺度内第n个采样频率有功功率调节指令；T代表实际储能输出指令输出时间尺度内共包括T个采样频率有功功率调节指令；

对于于实际储能输出指令输出时间尺度内的采样频率储能指令，如果单调上升或下降则按下式计算实际储能输出，

其中ΔP_st为储能装置实际输出的有功功率调节指令；ΔP_stn代表实际储能输出指令输出时间尺度内第n个采样频率有功功率调节指令；T代表实际储能输出指令输出时间尺度内共包括T个采样频率有功功率调节指令；Δt代表储能装置实际输出的有功功率调节指令的周期，A代表储能输出变化率预测增益系数。

按照原储能装置实际输出的有功功率调节指令冲量与储能装置实际输出冲量的比例对储能装置实际输出的有功功率调节指令进行修正，具体如下式

ΔP_{st_real}＝C_{st_real}×ΔP_st

其中ΔP_{st_real}为修正后的储能装置实际输出的有功功率调节指令；C_{st_real}为储能输出冲量补偿系数(即实际输出给储能装置的有功功率调节指令冲量与储能装置实际输出冲量的比例)，可以经过典型故障场景进行测定，为常数值；ΔP_st为储能装置实际输出的有功功率调节指令。

步骤5:检测对外输出的储能功率控制指令是否越限

对储能功率控制指令P_st由下式进行判断。

P_st＞P_limit

若不满足则直接输出储能控制指令P_st到储能单元，完毕后加延时指令至一个控制周期后进入步骤一，进入下一次循环控制；若满足则更新储能功率控制指令P_st为储能功率控制指令限值P_limit，之后输出更新后的储能控制指令P_st到储能单元，完毕后加延时指令至一个控制周期后进入步骤1，进入下一次循环控制。

下面通过一个具体实例来对本发明所述方法进行说明。如图3所示，为江苏地区某一同步机故障BPA仿真频率波动数据，切除该机组装机容量为1000MW，该地区机组总装机容量为71238MW，负荷101504MW，该***进行考虑储能响应延时的虚拟惯量与一次调频控制的步骤如下：

1.根据BPA对同步机故障情况频率数据进行仿真。

2.将上述频率数据输入如图2所示算法模型进行计算从而得到功率输出指令。

3.将算法指令输出到如图2所示带延时的等效储能模型中得到相应的储能响应数据。

4.对算法指令数据和储能模型的储能响应数据计算均方误差从而检验储能模型响应对算法指令的跟踪能力，从而检验该算法对调频支撑能力的提升效果。

由图4可以看出，如果不使用超前预测方法，储能实际响应相对于储能指令总存在一个响应延时，而这一延时会对调频控制算法的控制效果产生影响，在特殊工况下还会引起功率振荡进一步恶化频率态势。

而加入了超前预测方法后，如图5所示，储能指令在开始的延时后基本能够完全追踪上述算法指令，从而使得调频控制算法能够更好的完成预期的控制效果，进一步提升相同规模储能场站的调频支撑能力。

表1带上述超前预测与不带上述超前预测响应对算法指令的跟随误差

根据具体的误差计算结果也可以看出，不带上述超前预测的指令跟随均方误差为1.516e^-7，而带上述超前预测的指令跟随均方误差为5.932e^-8，基本减少了一个数量级，而这一差距随着仿真时间拉长会进一步增大。

由实施例可知，本发明所提方法能对储能输出指令的幅值和频率进行修正从而使得储能装置实际输出能够更好的拟合***调频需求所需要的功率值，从而最大程度的加强储能装置的快速调频支撑控制的控制效果，更好的发挥新能源储能场站对电网频率的支撑能力。

Claims (5)

1.一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：实时获取新能源储能场站并网点的频率、频率变化率；

步骤2：判断上一控制周期储能装置是否参与虚拟惯量控制，若是则判断频率变化率是否满足虚拟惯量控制退出阈值，满足则控制位置零；若否则判断频率变化率是否满足虚拟惯量控制进入阈值，满足则控制位置一；根据控制位决定此时刻虚拟惯量是否投入；

步骤3：判断并网点频率偏差是否大于一次调频控制阈值，若是则此控制周期一次调频控制投入；

步骤4：根据具体的控制环节参与情况，以采样频率和调频需求计算储能功率输出指令；具体是根据储能响应延时和储能响应到达稳态值时的时间确定算法的实际储能指令输出频率；对于实际储能输出指令输出时间尺度内的采样频率储能指令，如果非单调上升或下降，则按下式计算实际储能输出：

其中，ΔP_st为实际输出给储能装置的有功功率调节指令；ΔP_stn代表实际输出给储能装置的有功功率调节指令的输出时间尺度内第n个采样频率有功功率调节指令；T代表实际输出给储能装置的有功功率调节指令输出时间尺度内共包括T个采样频率有功功率调节指令；

对于实际储能输出指令输出时间尺度内的采样频率储能指令，如果单调上升或下降；则按下式计算实际储能输出：

其中，ΔP_st为实际输出给储能装置的有功功率调节指令；ΔP_stn代表实际输出给储能装置的有功功率调节指令的输出时间尺度内第n个采样频率有功功率调节指令；T代表实际输出给储能装置的有功功率调节指令输出时间尺度内共包括T个采样频率有功功率调节指令；Δt代表实际输出给储能装置的有功功率调节指令的周期，A代表储能输出变化率预测增益系数；

步骤5：在考虑储能输出响应延时与响应时间的基础上，对采样频率等级的功率输出指令做短期变化预测计算与平滑处理，计算得到储能装置能合理响应的储能输出指令，具体是按照实际输出给储能装置的有功功率调节指令冲量与储能装置实际输出冲量的比例，对储能装置实际输出的有功功率调节指令进行修正，具体如下式所示：

ΔP_{st_real}＝C_{st_real}×ΔP_st，

其中，ΔP_{st_real}为修正后的实际输出给储能装置的有功功率调节指令；C_{st_real}为储能输出冲量补偿系数，即实际输出给储能装置的有功功率调节指令冲量与储能装置实际输出冲量的比例，经过故障场景进行测定为常数值；ΔP_st为实际输出给储能装置的有功功率调节指令。

2.如权利要求1所述的一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法，其特征在于，进一步包括：

将电网频率或频率变化率超出预设死区阈值的时刻作为控制算法的进入时刻，此时从信号采集装置或数据接口采集到当前时刻对应的储能装置实际功率输出，作为进入算法的有功功率初值；

根据调频需求和算法所计算得到的该时刻对应的有功功率调节量，将有功功率初值叠加有功功率调节量后对储能装置进行控制，并判断下一时刻储能装置是否参与所述储能快速调频控制。

3.如权利要求1所述的一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法，其特征在于，通过设置进入、退出虚拟惯量控制的不同死区阈值，防止虚拟惯量控制过度调节；

通过控制标志位标记上一控制周期虚拟惯量控制是否投入，在采集到频率及频率变化率的信号量时读取控制标志位，若控制标志位为0，则上一控制周期控制策略不包含虚拟惯量控制；

若控制标志位为1，则上一控制周期的控制策略包含虚拟惯量控制；

结合控制标志位与进入、退出虚拟惯量控制的不同死区阈值计算此控制周期虚拟惯量控制是否投入。

4.如权利要求3所述的一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法，其特征在于，若控制标志位为0，则根据下式判断频率变化率是否达到惯量控制进入条件：

其中

为频率变化率，R₁为虚拟惯量控制进入死区阈值，若满足，则控制标志位置0；

若控制标志位为1，则根据下式判断频率变化率是否达到惯量控制退出条件：

其中

为频率变化率，R₂为虚拟惯量控制退出死区阈值，若满足则控制标志位置0；

之后，根据控制标志位取值确定此时刻虚拟惯量控制是否投入。

5.如权利要求1所述的一种考虑响应延时的储能快速调频控制方法，其特征在于，根据预设的调频下垂曲线及对应的电网频率、频率变化率，确定对应于储能装置的有功功率调节量：

若控制标志位为1但频率偏差小于一次调频死区，则此循环时段优化控制只有虚拟惯量控制环节参与，其储能功率控制指令由下式计算得出：

其中，ΔP_st1为有功功率调节量，H为虚拟惯量控制常数，

为频率变化率，

为进入算法的有功功率初值；

若频率偏差大于一次调频死区但控制标志位为0，则此循环时段优化控制只有一次调频环节参与，其储能功率控制指令由下式计算得出：

其中，ΔP_st1为有功功率调节量，K为一次调频控制常数，f₀为频率基准值，f_t为并网点频率，

为进入算法的有功功率初值；

若频率偏差大于一次调频死区且控制标志位为1，则此循环时段优化控制有虚拟惯量控制环节和一次调频环节参与，其储能功率控制指令由下式计算得出：

其中，ΔP_st1为有功功率调节量，H为虚拟惯量控制常数，K为一次调频控制常数，f₀为频率基准值，f_t为并网点频率，

为频率变化率，

为进入算法的有功功率初值。

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