CN114204579B - 应用于电力***调频的储能输出功率塑形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力***储能输出功率控制领域，尤其是一种应用于电力***调频的储能输出功率塑形控制方法，针对传统的储能参与电网调频不对储能输出形式进行限制的问题，现提出以下方案，包括如下步骤：步骤1：储能输出设备的数学模型记为，即得到的储能输出模型的二阶传递函数，当单区域简易***对频率不平衡做出响应时，有一阶***；步骤2：代入步骤1中所述简易***计算，用两个不同参数和的取值来表示，和的取值，这样就将***频率响应转化为依赖于两个控制参数的一阶动态模型，调整两个参数的提供能力，以分别调整稳态频率偏差和频率变化率。本发明对储能进行输出塑形的控制模式相比于传统储能参与自动发电控制具备更好的控制效果。

Description

应用于电力***调频的储能输出功率塑形控制方法

技术领域

本发明属于电力***储能输出功率控制领域，是一种对储能***的输出进行约束和限制并参与电力***自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)的方法。

背景技术

随着社会的发展，当今全球所面临的能源安全问题，生态环境问题以及气候变化问题一天比一天严重。针对于能源问题，社会要发展，能源的消耗量就会随之不断上升，然而地球上的一次能源的储备终归是有限度的，会有消耗殆尽的一天，所以现如今以消耗化石能源为主体的能源消耗体系正在向大力开发新能源，提高新能源消耗比例转变。

随着新能源发电的渗透率不断上升，然而又由于新能源具有无法人为控制的波动性及不确定性，受环境影响因素较大。与此同时，现如今电力市场的经营模式发生转变，电力市场越来越开放了，给工业用电和居民用电提供了更大的便利，但是开放的电力市场就给电力***的稳定运行以及控制方面带来了困难，维持频率稳定成为了一大难题。

基于此，储能***因为其优秀的缓冲能力和输入输出的可控性，被认为是在发生故障时提高频率响应的一个重要举措。研究储能***参加电力***频率控制有着重大意义，有利于提高新能源的利用率，提高负荷频率控制的经济性，同时也让电网的调频控制效果更好。

目前储能参与电网调频一共有四种场合与方式：(1)火电机组调频***中加入储能辅助控制(2)在新能源发电机组调频***中加入储能辅助调频(3)储能***输入在输配电网中单独并网(4)储能***从电力用户端接入电力***。这四种储能参与调频的场合与方式均有人进行研究，但是现在已有的研究成果大都是考虑到储能设备的荷电状态(Stateof Charge，SOC)，研究如何维持SOC，以减小储能出力为出发点，尽可能延长储能设备的使用寿命，或者就是在传统的储能参与调频中加入一些积分微分环节从而提高调频效果，就没有对储能设备不同情况下的输出形式进行研究。

传统的储能参与电网调频不对储能输出形式进行限制，在一些情况下会造成能量的浪费甚至有时候会导致调频效果达不到预期效果，所以根据电网频率波动的不同情况，对储能设备的输出形式进行限制，这样使其输出对于维持电网频率的稳定所起的作用更大，更加符合如今的电力市场形势。

发明内容

针对上述问题，在储能参与电网一次调频的时候，为了让其输出可以更加与***所需相匹配，以达到更理想的频率控制效果，本发明提出针对***频率波动的不同情况，对储能设备的功率输出进行塑形，改变储能输出的形式，参与电网调频的辅助控制。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

储能功率输出塑形控制方法，其特征在于，对储能的输出形式进行限制，包括如下步骤：

步骤1：储能输出设备的数学模型记为B(s)，即得到的储能输出模型记为如下形式的二阶传递函数：

B₁，B₂和B₃为***参数，当单区域简易***对频率不平衡做出响应的时候，有如下形式的一阶***：

步骤2：代入步骤1中所述简易***计算得出：

用两个不同参数a和b的取值来表示B₁，B₂和B₃的取值，这样就将***频率响应转化为依赖于两个控制参数的一阶动态模型，调整两个参数的提供能力，以分别调整稳态频率偏差和频率变化率。

步骤3：根据***频率偏差和频率偏差率的不同情况把***频率波动的情况分成四种：情况一，***本身调节后稳态频率偏差和频率偏差率均满足要求；情况二，***本身调节后频率变化率合适但是稳态频率偏差过大；情况三，***本身调节后稳态频率偏差满足要求但频率偏差率过大；情况四，***本身调节后频率变化率和稳态频率偏差均不满足要求。

步骤4：步骤3中的的四种情况已经涵盖了电力***自身调节后频率情况的所有情形，按照实际情形对应其中的情况，每种情况对应会有有不同a和b的取值，由此可以得出B₁，B₂和B₃的对应取值，并且在这里设定频率偏差Δω以及最大频率变化率|ω|_∞的期望值，之后就可以得到进行输出塑形后的储能***模型。

步骤5：将得到的储能***模型接入火电机组***中，电网频率偏差Δω作为储能***的输入，调频效果得到提升。

进一步的，步骤1中就是相当于在一个基本的AGC模型中加入一个储能模型该数学模型中的B₁，B₂和B₃的取值是待定的，随后步骤2将单区域***进行频率响应的模型简化一个形式为/>的一阶***，通过简单***模型推导可以得到B₁，B₂和B₃与a和b之间的关系。

进一步的，步骤3根据电力***自身频率波动的情况分了四种情况，这四种情况会对应不同的a和b的取值，a和b的取值不同得到会不一样的储能塑形模型。

情况一，***本身调节后稳态频率偏差和频率偏差率均满足要求，此时a和b的取值如下：

情况二，***本身调节后频率变化率合适但是稳态频率偏差过大，此时a和b的取值如下：

情况三，***本身调节后稳态频率偏差满足要求但频率偏差率过大，此时a和b的取值如下：

情况四，***本身调节后频率变化率和稳态频率偏差均不满足要求，此时a和b的取值如下：

这四种情况可以涵盖电力***频率波动的所有情形，根据不同的情况有不同a和b的取值，随后可以分别得到B₁，B₂和B₃的取值，并且设定频率偏差Δω以及最大频率变化率|ω|_∞的期望值，就可以得到不同的储能模型。

进一步的，根据所述储能功率输出塑形控制方法，选用单区域电网AGC***为实验平台，利用MATLAB中Simulink中的模块，构建出含有火电机组的单区域电网AGC***的模型，将电网频率偏差Δω作为储能***的输入。

本发明中的有益效果为：

本发明提出了一种储能功率输出塑形参与自动发电控制(AGC)的方法。传统的储能参与电网调频就是将一个储能***从频率偏差端用反馈加入到汽轮机输出端，储能***利用虚拟惯性和下垂控制参与到频率控制当中，以减小频率偏差。传统方式有一定的效果，但是对于储能***的输出量并没有做控制和约束，所以传统储能参与调频方式下，储能***的优点并没有得到充分的发挥，有时候还会有较多能量的浪费。基于此，对储能的输出功率进行塑形，用单区域***进行验证。MATLAB仿真表明，对储能进行输出塑形的控制模式相比于传统储能参与自动发电控制具备更好的控制效果。

本发明采用的对储能进行输出塑形后在参与电网调频的控制方式，能明显降低频率偏差和频率偏差率并且能很快进入稳态，具有更好的控制效果，更适用于当前的储能参与调频的AGC***。

附图说明

图1模型推导所用简易***框图；

图2单区域电网AGC***；

图3加入传统储能模块的单区域电网AGC***；

图4含储能输出塑形模块的单区域电网AGC***；

图5未加储能模块的频率响应曲线图；

图6传统储能参与AGC的频率响应曲线图；

图7情况一的频率响应曲线图；

图8情况二的频率响应曲线图；

图9情况三的频率响应曲线图；

图10情况四的频率响应曲线图；

图11情况一、三与未加储能模块对比的频率响应曲线图；

图12情况二、四与未加储能模块对比的频率响应曲线图；

图13情况一、三与传统储能参与AGC对比的频率响应曲线图；

图14情况二、四与传统储能参与AGC对比的频率响应曲线图；

图15情况一、二、三、四与传统储能参与AGC对比的频率响应曲线图。

具体实施方式

下面将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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提出一种储能输出功率塑形参与电网一次调频方法，能明显降低频率偏差和频率偏差率并且能很快进入稳态，具有更好的控制效果。该方法主要包括：将原本参与调频的储能***设为动态模型；根据电力***频率偏差的不同情况进行参数计算，得到对应情况下的储能输出模型；将电网频率偏差Δf作为储能***的输入，将推导出的储能模型接入AGC***参与调频。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

步骤1：储能输出设备的数学模型记为B(s)，即得到的储能输出模型记为如下形式的二阶传递函数：

B₁，B₂和B₃为***参数，当单区域简易***如图1对频率不平衡做出响应的时候，有如下形式的一阶***：

代入如图1***计算得出：

用两个不同参数a和b的取值来表示B₁，B₂和B₃的取值，这样就将***频率响应转化为依赖于两个控制参数的一阶动态模型，调整两个参数的提供能力，以分别调整稳态频率偏差和频率变化率。

步骤3：根据***频率偏差和频率偏差率的不同情况把***频率波动的情况分成四种：情况一，***本身调节后稳态频率偏差和频率偏差率均满足要求；情况二，***本身调节后频率变化率合适但是稳态频率偏差过大；情况三，***本身调节后稳态频率偏差满足要求但频率偏差率过大；情况四，***本身调节后频率变化率和稳态频率偏差均不满足要求。

步骤4：以上的四种情况已经涵盖了电力***自身调节后频率情况的所有情形，按照实际情形对应其中的情况，每种情况对应会有有不同a和b的取值，由此可以得出B₁，B₂和B₃的对应取值，并且在这里设定频率偏差Δω以及最大频率变化率|ω|_∞的期望值，之后就可以得到进行输出塑形后的储能***模型。

步骤5：将得到的模型接入火电机组***中，电网频率偏差Δω和储能设备的功率输出ΔP作为储能***的输入，调频效果得到提升。

具体实施过程如下：

1、单区域AGC***模型

先利用MATLAB中的simulink平台按照AGC***各个部分的数学模型搭建出一个基础的单区域***。***由调速器，再热式汽轮机以及发电机构成。

各个组成部分的动态过程方程可以用如下表达式表示：

汽轮机：

调速器：

再热单元：

推导出火电中调速器和再热式汽轮机模型相结合的传递函数为：

发电机的传递函数为：

如图1所示，图1即为基础的单区域AGC***。

表1本发明中出现的参数Table 1The parameters in this article

表2单区域AGC模型参数Tabel Single-region AGC model parameters

2、储能输出塑性模型推导

储能输出设备的数学模型记为B(s)，即得到的储能输出模型记为如下形式的二阶传递函数：

当单区域简易***如图1对频率不平衡做出响应的时候，有如下形式的一阶***：

代入图1***计算得出：

然后根据***频率偏差和频率偏差率的不同情况把***频率波动的情况分成如下四种：

情况一，***本身调节后稳态频率偏差和频率偏差率均满足要求，此时a和b的取值如下：

该情况下推到得出的塑形后的储能输出模块如下：

情况二，***本身调节后频率变化率合适但是稳态频率偏差过大，此时a和b的取值如下：

该情况下推到得出的塑形后的储能输出模块如下：

该情况下的模型中电池的数学模型是一个动态变化的，因为在表达式中的ΔP是会随着***的运行进行变化，而稳态频率偏差的期望值我们根据情况一取得Δω＝-0.0053，所以在仿真模型的搭建中采用了两个MATLAB Function模块来进行模型参数中变量的计算，随后进行叠加处理建成该情况下的电池储能模型。

情况三，***本身调节后稳态频率偏差满足要求但频率偏差率过大，此时a和b的取值如下：

该情况下推到得出的塑形后的储能输出模块如下：

该情况下的模型中电池的数学模型也是一个动态变化的，与情形二同理也是因为在表达式中的ΔP是会随着***的运行进行变化，而***的最大频率变化率|ω|_∞根据前面的仿真结果计算得到有|ω|_∞＝-0.002，所以在仿真模型的搭建中采用了两个MATLABFunction模块来进行模型参数中变量的计算，随后在进行叠加处理得到模型。

情况四，***本身调节后频率变化率和稳态频率偏差均不满足要求，此时a和b的取值如下：

该情况下推到得出的塑形后的储能输出模块如下：

情况四是四种情况中最复杂的一种情况，因为随着***运行不断发生变化的ΔP在两个参数之中都存在，所以涉及到函数值以及函数调用。情况四的仿真将频率偏差变化率的期望值设定为|ω|_∞＝-0.02，频率偏差的期望值依旧是情况二的Δω＝-0.0053。

随后，将推导出的输出塑性模型并入火电机组的AGC***参与调频即可。从图5到图15中可以看出，未加储能模块的频率波动与情况一的频率波动波形很相似，没有什么效果，情况一本身对应的就是***自身对于频率偏差与频率变化率的控制已经可以达到要求，所以接入储能模块后没有什么明显作用，再看其他情况下以及各种情况的调频效果对比波形图，发现本发明提出的储能输出塑形后参与电网调频的策略与传统的储能参与电网调频相比，调频效果有明显提高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种应用于电力***调频的储能输出功率塑形控制方法，其特征在于对储能的输出形式进行限制，所述方法包括如下步骤：

步骤1：储能输出设备的数学模型记为B(s)，即得到的储能输出模型记为如下形式的二阶传递函数：

B₁，B₂和B₃为储能设备参数，当单区域简易***对频率不平衡做出响应的时候，等效为如下形式的一阶***：

ω(s)＝-C(s)P_L(s) (2)

D＝0

上述表达式中：T_g1为调速器时间常数；C(s)为单区域***的一阶等效传递函数；D为区域负载阻尼系数；所述单区域简易***的频率响应方程为：

步骤2：带入步骤1中所述单区域简易***的***频率响应方程，计算得出：

B₁＝T_g1(a-2H)

B₂＝bT_g1+a-2H (4)

式(4)中除开a和b，其余参数均为***参数，用a和b的取值来表示B₁，B₂和B₃的取值，这样将***频率响应转化为依赖于两个控制参数的一阶动态模型，调整两个参数的提供能力，以分别调整稳态频率偏差和频率变化率；

步骤3：根据***频率偏差和频率偏差率的不同情况把***频率波动的情况分成四种：情况一，***本身调节后稳态频率偏差和频率偏差率均满足要求；情况二，***本身调节后频率变化率合适但是稳态频率偏差过大；情况三，***本身调节后稳态频率偏差满足要求但频率偏差率过大；情况四，***本身调节后频率变化率和稳态频率偏差均不满足要求；

步骤4：以上的四种情况已经涵盖了电力***自身调节后频率情况的所有情形，按照实际情形对应其中的情况，每种情况对应会有不同a和b的取值，由此可以得出B₁，B₂和B₃的对应取值，并且在这里设定频率偏差Δω以及最大频率变化率|ω|_∞的期望值，之后就可以得到进行输出功率塑形后的储能***模型；

步骤5：将得到的储能***模型接入火电机组***中，电网频率偏差Δω作为储能***的输入，调频效果得到提升。

2.根据权利要求1所述的一种应用于电力***调频的储能输出功率塑形控制方法，其方法特征在于步骤1就是相当于在一个基本的AGC模型中加入一个储能模型，其数学模型为其中的B₁，B₂和B₃的取值是待定的，且提出进行频率响应的单区域简易***等效为一阶***，随后步骤2以式(2)为前提，通过单区域简易***的频率响应方程，可以得到B₁，B₂和B₃与a和b之间的关系。

3.根据权利要求1所述的一种应用于电力***调频的储能输出功率塑形控制方法，该方法特征就在于步骤3根据电力***自身频率波动的情况分了四种情况，这四种情况会对应不同的a和b的取值，a和b的取值不同得到会不一样的储能塑形模型；

情况一，***本身调节后稳态频率偏差和频率偏差率均满足要求，此时a和b的取值如下：

a＝2H

情况二，***本身调节后频率变化率合适但是稳态频率偏差过大，此时a和b的取值如下：

a＝2H

情况三，***本身调节后稳态频率偏差满足要求但频率偏差率过大，此时a和b的取值如下：

情况四，***本身调节后频率变化率和稳态频率偏差均不满足要求，此时a和b的取值如下：

这四种情况可以涵盖电力***频率波动的所有情形，根据不同的情况有不同a和b的取值，随后可以分别得到B₁，B₂和B₃的取值，并且设定频率偏差Δω以及最大频率变化率|ω|_∞的期望值，就可以得到适用于不同情况的储能模型。

4.根据权利要求1所述的储能输出功率塑形控制方法，该方法特征就在于选用单区域电网AGC***为实验平台，利用MATLAB中Simulink中的模块，构建出单区域电网AGC***的模型，将电网频率偏差Δω作为储能设备的输入。