CN115995825A - 一种计及调频死区的风储联合频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种及计调频死区的风储联合调频方法，包括：设定风机与储能***的调频死区、电网频率发生波动、风机检测频率偏差是否超过风机的调频死区、***进入风机调频响应区、储能检测频率偏差是否超过其调频死区、***进入风储过渡区、***进入储能调频响应区、储能检测频率偏差是否恢复到风机调频区、电网频率恢复稳定；能够确定风机与储能的输出调频功率，并在风储联合调频启动后，将风机与储能的调频功率计算结果作用于风机、储能有功功率指令值当中。本方法通过综合考虑风机与储能的自身特性及两者之间的关联性，简化控制过程及控制参数，从调频死区的角度出发，既能有效抑制***频率波动，又能解决风机失速问题，进而提升储能装置使用寿命。

Description

一种计及调频死区的风储联合频率控制方法

技术领域

本发明涉及电力***频率控制领域，是一种风机与储能***联合参与***调频的控制方法，具体地说，是一种计及调频死区的风储联合频率控制方法。

背景技术

随着大规模新能源的发电并网，其问题也随之显现。不仅新能源的随机波动性与间歇性，给电网的运行调度带来困扰，同时大惯量、强阻尼的同步发电机被逐步代替，风电及光电等新能源采用电力电子并网，***固有的惯量阻尼效应逐步削弱，***的频率指标逐渐恶化，极易导致短期频率稳定问题。故风电及光电需逐步承担起维护电网安全稳定运行的主体责任，发挥变流器***灵活可控的优势，等效地补偿***中不足的惯量阻尼作用，以确保***频率稳定。

双馈风力发电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)转子蕴含的动能可作为频率支撑的能量来源。风机参与***调频方法多体现在利用其转子动能通过虚拟惯量控制、下垂控制及虚拟惯量和下垂控制相结合的控制方法，增加或减小风机输出功率，实现风机调频的目的。虚拟惯量控制(D控制)以频率变化率作为输入，旨在快速抑制电网跌落/突增速率，缩短***频率波动时间；下垂控制(P控制)以频率偏差作为输入，使***频率响应的最值和恢复速度得到相应改善；虚拟惯性控制将虚拟惯量和下垂控制相结合，通过设置合理的比例系数和微分系数，使风电机组快速响应***频率变化，降低***频率的下降/上升速度，减小***频率的最大偏差，改善***的频率响应特性。

储能***(Energy Storage System，ESS)作为优质的调频电源，面对不同扰动时可充分发挥其动作迅速、调频方式灵活的优势，通过快速吞吐功率来平衡源荷两侧有功功率，维持电网频率稳定，在调频方面拥有比传统机组更快的响应速度和精度。目前，储能***通过功率转换***与外部电网连接，由逆变器控制其输出功率，其中逆变器的主要控制方式包括PQ控制、VF控制、下垂控制和虚拟同步发电机控制，四种控制方式各有优劣，需具体情况具体分析。

风机利用自身转子动能采用***频率调整，通过改变并网功率来减缓负荷扰动时同步发电机的调频压力，而风力机的机械出力并没有增加，反而因为机组转速偏离了最优值而有所减小，导致风能利用率降低。而受风机安全运行约束的影响，风机转子中可吞吐的动能是有限，其过于深入释放转子动能/吸收能量，转速过小/过大，甚至造成转速失稳的现象。并且，风机突然增发/吸收功率，使风机传动***机械应力增加，风机机械疲劳加剧。

储能***虽然凭借精确跟踪、快速响应和双向调节等优点，在调频方面拥有较好的响应速度和精度，但其频繁地充放电将加速电气老化，降低电池寿命，甚至会造成母线电压剧烈波动、电容值快速下降、电容鼓包或者爆浆、电气绝缘破坏等危险，同时考虑到储能***造价较高，其参与调频需考虑自身电池容量及荷电状态等问题，避免对其使用寿命造成不可逆的影响，以提高其调频经济性。

目前，风机、储能单独参与电力***一次调频具有一定局限性，而现存的风储调频方法只从风储自身控制方法的角度出发，不仅参数整定较为困难，且控制过程较为复杂，大多忽略了风储自身特性及控制方法之间的协调配合。因此，在***发生扰动时，如何使风机与储能***自身状态相互配合，来抑制电网频率波动已经成为本领域亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服风机、储能及风储联合参与电力***一次调频的局限性，综合考虑风机与储能的自身特性，联合考虑两者之间的控制方法，简化控制过程及控制参数，从调频死区的角度出发，提出既能有效抑制***频率波动，又能解决风机失速问题，进而提升储能装置使用寿命，科学合理，适用性强，效果佳的计及调频死区的风储联合频率控制方法。

解决其技术问题采用的技术方案是，一种及计调频死区的风储联合调频方法，其特征是，所述方法包括以下内容：

1)设定风机与储能***的调频死区

参考同步发电机组死区设置思想——同步发电机组采用小的调频死区参与一次调频，使用大的调频死区的，仅响应大扰动的电网频率变化，设置风机调频死区小于储能调频死区，分别为[0,0.01]、[0,0.2]；

2)电网频率发生波动

***检测到电网频率发生波动；

3)风机检测频率偏差是否超过风机的调频死区

若风机检测频率偏差超过风机调频死区，则执行步骤4)；否则，执行步骤9)；

4)***进入风机调频响应区

***频率偏差超过风机调频死区，而未超储能调频死区。根据检测到的电网频率，计算***频率偏差Δf，并取其绝对值。所述风机输出的调频功率计算方式具体如下：

(1)采集当前风机的转子转速，根据风机当前的运行状态，分析风机转子中储存的旋转动能容量；

(2)计算风机调频系数：

为保证风机能在确保自身稳定的前提下，充分发挥其调频潜力，将DFIG调频系数与其转子有效旋转动能建立耦合关系，其表达式如下：

式中：K_WC、K_WD分别为风机在高频和低频阶段调频系数；ω_r为DFIG转速；ω_min、ω_max分别为DFIG的最小、最大转速；α为电网频率性能调节因子。

(3)计算风机输出的调频增发功率：

本发明为避免频率微分带来的噪声，使用下垂控制，电网频率偏差与输出的调频功率成正比，其表达式如下：

式中：ΔP_WC(t)、ΔP_WD(t)分别为风机分别在高频和低频阶段的增发功率；Δf为***频率偏差；

5)储能检测频率偏差是否超过其调频死区

若储能检测到频率偏差超过自身调频死区则执行步骤6)；否则，执行步骤3)；

6)***进入风储过渡区

***频率偏差到达储能调频死区边界，考虑到风机与储能调频切换阶段，风机退出调频，造成的调频有功突变，在风机层面造成风机机械疲劳问题；在***层面，会加大***的功率缺额，致使机械疲劳及频率跌落，为此，设风机平滑减小调频功率，其计算按下述进行：

i.记录***频率到达储能死区边界时刻t₀；

ii.确定并输入风机退出调频时长Δt；

iii.计算风机退出调频时输出的调频增发功率ΔP_W(t)为式(3)：

式中：ΔP_W0为风机在t₀时刻输出调频增发功率；

7)***进入储能调频响应区

***频率偏差超过储能调频死区，启动储能调频控制***，储能根据当前自身荷电状态(State of Charge，SOC)，增加调频输出，所述的储能输出的调频功率计算按下述进行：

a.确定当前储能运行状态及SOC，分析储能在调频期间释放/吸收能量的潜力；

b.计算储能输出的调频功率

考虑到ESS循环使用寿命与充放电深度、循环次数、运行温度因素密切相关，在调频阶段，当储能SOC值小时，若仍强制储能装置输出功率，会对储能***寿命造成不可逆的危害，因此建立储能调频输出功率与储能SOC耦合关系，其计算表达式为：

式中：ΔP_BC(t)与ΔP_BD(t)分别为储能***在高频和低频阶段的增发功率；k_B为比例系数，用于调节储能的调频性能；SOC₀为储能装置SOC初值；SOC_min、SOC_max分别为储能装置SOC的最小、最大值；

8)储能检测频率偏差是否恢复到风机调频区

若检测到频率偏差恢复到风机调频区，执行步骤4)：否则，继续执行步骤7)；

9)电网频率恢复稳定

通过步骤1)-步骤8)，确定风机与储能的输出调频功率，并在风储联合调频启动后将风机与储能的调频功率计算结果作用于风机、储能有功功率指令值当中，使***频率恢复稳定。

本发明提出的一种计及调频死区的风储联合调频方法与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明方法与现有的风储联合调频不同，提出先风机后储能的时序调频控制技术方案，通过对风机与储能***调频死区的合理设置，能够有效避免风机过度调频造成的失速现象，又减小了储能***的充放电次数，提高了储能***的循环效率，降低了维修成本；

(2)本发明方法根据频率变化次数，将受扰后电网频率响应分为四个阶段：即无响应区、风机响应区、风储过渡区、储能响应区，并根据每段调频过程进行设计，对于风机响应区：将DFIG调频系数与其转子有效旋转动能建立耦合关系，使风机在确保自身稳定的前提下，更加充分自身旋转动能，抑制***频率波动；对于风储过渡区：通过使风机平滑退出调频，缓解了风机转子的机械疲劳，有效减小了***的功率缺额，避免了***频率二次跌落的可能；对于储能响应区：通过将储能***的SOC与调频输出功率建立耦合关系，有效避免储能***过充或过放现象，延长储能***的使用寿命。

(3)本发明方法利用一次函数构建风储储能***的调频参数，一是其构建简单，容易再硬件上实现，二是在面对不同的工程需求，通过调节控制参数能够实现不同变化程度的调频增量，对后期储能***的工程应用提供技术支撑。

(4)本发明方法科学合理、适用性强、效果佳。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的风储模型的原理框图；

图2是本发明实施例中风储***响应的步骤流程图；

图3是图1的仿真***模型；

图4是图1所处的随机风速图像曲线图；

图5(a)是本发明实施例1在风电渗透率24％，有功损失50MW时电网频率曲线图；

图5(b)是本发明实施例1在风电渗透率24％，有功损失50MW时风储调频出力曲线图；

图5(c)是本发明实施例1在风电渗透率24％，有功损失50MW时风机转速曲线图；

图5(d)是本发明实施例1在风电渗透率24％，有功损失50MW时风机扭矩角曲线图；

图5(e)是本发明实施例1在风电渗透率24％，有功损失50MW时储能SOC变化图；

图6(a)是本发明实施例2在风电渗透率24％，有功损失80MW时电网频率曲线图；

图6(b)是本发明实施例2在风电渗透率24％，有功损失80MW时风储调频出力曲线图；

图6(c)是本发明实施例2在风电渗透率24％，有功损失80MW时风机转速曲线图；

图6(d)是本发明实施例2在风电渗透率24％，有功损失80MW时风机扭矩角曲线图；

图6(e)是本发明实施例2在风电渗透率24％，有功损失80MW时储能SOC变化图；

图7(a)是本发明实施例3在风电渗透率40％，有功损失80MW时电网频率曲线图；

图7(b)是本发明实施例3在风电渗透率40％，有功损失80MW时风储调频出力曲线图；

图7(c)是本发明实施例3在风电渗透率40％，有功损失80MW时风机转速曲线图；

图7(d)是本发明实施例3在风电渗透率40％，有功损失80MW时风机扭矩角曲线图；

图7(e)是本发明实施例3在风电渗透率40％，有功损失80MW时储能SOC变化图。

具体实施方式

下面结合图1和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种风储模型，在一具体实施例中，该风电机组模型为双馈风力发电机组的简化模型。本发明整体的原理框图如图1所示，图1中，U_ra、U_rb、U_rc及U_ga、U_gb、U_gc分别为双馈风力发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)转子侧与定子侧的ABC三相电压；具体流程图如图2所示，具体包括：

1)设定风机与储能***的调频死区

参考同步发电机组死区设置思想——同步发电机组采用小的调频死区参与一次调频，使用大的调频死区的，仅响应大扰动的电网频率变化，设置风机调频死区小于储能调频死区，分别为[0,0.01]、[0,0.2]；

2)电网频率发生波动

***检测到电网频率发生波动；

3)风机检测频率偏差是否超过风机的调频死区

若风机检测频率偏差超过风机调频死区，则执行步骤4)；否则，执行步骤9)；

4)***进入风机调频响应区

***频率偏差超过风机调频死区，而未超储能调频死区。根据检测到的电网频率，计算***频率偏差Δf，并取其绝对值。所述风机输出的调频功率计算方式具体如下：

(1)采集当前风机的转子转速，根据风机当前的运行状态，分析风机转子中储存的旋转动能容量；

(2)计算风机调频系数：

为保证风机能在确保自身稳定的前提下，充分发挥其调频潜力，将DFIG调频系数与其转子有效旋转动能建立耦合关系，其表达式如下：

式中：K_WC、K_WD分别为风机在高频和低频阶段调频系数；ω_r为DFIG转速；ω_min、ω_max分别为DFIG的最小、最大转速；α为电网频率性能调节因子。

(3)计算风机输出的调频增发功率：

本发明为避免频率微分带来的噪声，使用下垂控制，电网频率偏差与输出的调频功率成正比，其表达式如下：

式中：ΔP_WC(t)、ΔP_WD(t)分别为风机分别在高频和低频阶段的增发功率；Δf为***频率偏差；

5)储能检测频率偏差是否超过其调频死区

若储能检测到频率偏差超过自身调频死区则执行步骤6)；否则，执行步骤3)；

6)***进入风储过渡区

***频率偏差到达储能调频死区边界，考虑到风机与储能调频切换阶段，风机退出调频，造成的调频有功突变，在风机层面造成风机机械疲劳问题；在***层面，会加大***的功率缺额，致使机械疲劳及频率跌落，为此，设风机平滑减小调频功率，其计算按下述进行：

i.记录***频率到达储能死区边界时刻t₀；

ii.确定并输入风机退出调频时长Δt；

iii.计算风机退出调频时输出的调频增发功率ΔP_W(t)为式(3)：

式中：ΔP_W0为风机在t₀时刻输出调频增发功率；

7)***进入储能调频响应区

***频率偏差超过储能调频死区，启动储能调频控制***，储能根据当前自身荷电状态(State of Charge，SOC)，增加调频输出，所述的储能输出的调频功率计算按下述进行：

a.确定当前储能运行状态及SOC，分析储能在调频期间释放/吸收能量的潜力；

b.计算储能输出的调频功率

考虑到ESS循环使用寿命与充放电深度、循环次数、运行温度因素密切相关，在调频阶段，当储能SOC值小时，若仍强制储能装置输出功率，会对储能***寿命造成不可逆的危害，因此建立储能调频输出功率与储能SOC耦合关系，其计算表达式为：

式中：ΔP_BC(t)与ΔP_BD(t)分别为储能***在高频和低频阶段的增发功率；k_B为比例系数，用于调节储能的调频性能；SOC₀为储能装置SOC初值；SOC_min、SOC_max分别为储能装置SOC的最小、最大值；

8)储能检测频率偏差是否恢复到风机调频区

若检测到频率偏差恢复到风机调频区，执行步骤4)：否则，继续执行步骤7)；

9)电网频率恢复稳定

通过步骤1)-步骤8)，确定风机与储能的输出调频功率，并在风储联合调频启动后将风机与储能的调频功率计算结果作用于风机、储能有功功率指令值当中，使***频率恢复稳定。

下面将结合仿真实例对本发明的技术效果进行详细的阐述。

本发明基于EMTP-RV仿真平台搭建了一个含不同风电渗透率的IEEE14节点仿真***进行验证，仿真***包含一台DFIG聚合风电场配置储能功率/容量40MW/6MW·h、5台同步发电机组及容量为600MW的静负荷，如图3所示。

为缓解风储***频繁调频造成寿命降低及机械疲劳问题，参考同步机调频死区设置，风机和ESS调频死区分别设置为0.01Hz<Δf<0.2Hz和Δf>0.2Hz。α设定为46.6，Δt设为5秒，k_B设为300。

考虑实际运行时，风速波动是造成频率波动的主要扰动因素，在整个仿真中将变动风速贯穿其中，风速图像如图4所示，在仿真过程130s切除同步机SG2作为大功率扰动激励。分别在仅风机、仅储能与风储调频方法下验证提出方法的有效性，具体实例设置分别如表1和表2所示。

表1实例设置

表2调频方法设置

实施例1：风电渗透率24％，有功损失50MW

图5显示，在60s到130s期间，受到风速变化影响，无调频控制方法的最大正向和负向频率偏差分别为0.21Hz和0.19Hz；130s受同步机脱机影响，电网频率最低点跌落到59.40Hz。

在仅风速变动期间，方法2能有效抑制频率波动，其中正向、负向最大频率偏差分别降低到0.15Hz、0.15Hz，主要因为风机通过转子吞吐动能参与调频；在同步机脱机后，频率最低点提升到59.54Hz，其原因是风机增加了调用转子动能的深度，调频增发功率最大达到24.62MW，导致传动***扭距角增至0.44deg.，机械应力增加，同时转速最低到达0.79p.u.，存在风机失速的风险。

在仅风速变动阶段与同步机组脱机场景下，方法3通过储能的充放电实现与方法2的几乎一样调频性能。但在风速变动引起的频率小波动时，ESS浅充浅放6次参与调频，频繁充放电现象的长时间累积势必会降低储能装置的使用寿命。

风储***采用方法4时，面对仅风速变动时，在风机调频下，频率未超过储能调频死区，能够避免储能频繁参与调频，有利于其循环使用寿命；同步机脱机后，频率跌落出储能调频死区，通过设立风储过渡区，风机平滑退出调频，恢复到MPPT运行模式，此外，电网频率最低点比方法3高0.02Hz，这是因为风储短暂同时参与调频，最大调频功率比方法3多6.41MW；随后ESS单独承担调频任务，保持方法3调频的优良特性，同时避免风机因转速过低造成失速的风险。尽管方法4储能SOC比方法3的SOC低0.12％，对ESS的影响不大。

若风速变动时风储***同时参与调频，虽然可以有效地平抑频率波动，然而，储能的频繁充放电严重影响运行寿命。

实施例2：风电渗透率24％，有功损失80MW

风速变动区间，风储调频***采用方法2、方法3和方法4具有类似的调频效果，然而方法3中储能***的频繁充放电现象不利于自身使用寿命。

同步机组脱机区间，方法2、方法3与方法4频率最低点分别为：59.30、59.35、59.36Hz，相比实例1，方法2、方法3、方法4最大增发调频出力分别增加9.4、9.97、12.36MW，使调频效果得到不同程度的提高，如图6所示。方法2受扰动增大，释放更多转子动能参与调频，使转速最低点到达0.77p.u.，加大风机失速的风险；方法4保持了在实例1下优质的调频能力。

实施例3：风电渗透率40％，有功损失80MW

随风电渗透率增加***惯量及调频降低，尽管各方法保持了低渗透率下的调频能力，但方法2风机失速风险及方法3储能寿命降低的问题并没有改善，而方法4仍能通过风储***时序控制实现优势互补，保持优质的调频能力，如图7所示。

从上述仿真结果可以看出，通过本发明方法，能够有效利用风机与储能的调频特性，从风机与储能自身的角度来看，避免了风机过度释放自身转子动能造成的失速现象，同时减少了储能***的充放电次数，提高了其循环效率；从电力***层面来看，改善了高风电并网背景下***频率的稳定性。证明了本发明所述的一种计及调频死区的风储联合调频方法的可行性与有效性。

本发明的具体实施例并非穷举，本领域技术人员根据本发明所获得的启示，不经过创造性劳动的复制和改进均属于本发明权利保护的范围。

Claims (1)

1.一种及计调频死区的风储联合调频控制方法，其特征是，所述方法包括以下内容：

1)设定风机与储能***的调频死区

参考同步发电机组死区设置思想——同步发电机组采用小的调频死区参与一次调频，使用大的调频死区的，仅响应大扰动的电网频率变化，设置风机调频死区小于储能调频死区，分别为[0,0.01]、[0,0.2]；

2)电网频率发生波动

***检测到电网频率发生波动；

3)风机检测频率偏差是否超过风机的调频死区

若风机检测频率偏差超过风机调频死区，则执行步骤4)；否则，执行步骤9)；

4)***进入风机调频响应区

***频率偏差超过风机调频死区，而未超储能调频死区，根据检测到的电网频率，计算***频率偏差Δf，并取其绝对值，所述风机输出的调频功率计算方式具体如下：

(1)采集当前风机的转子转速，根据风机当前的运行状态，分析风机转子中储存的旋转动能容量；

(2)计算风机调频系数：

为保证风机能在确保自身稳定的前提下，充分发挥其调频潜力，将DFIG调频系数与其转子有效旋转动能建立耦合关系，其表达式如下：

式中：K_WC、K_WD分别为风机在高频和低频阶段调频系数；ω_r为DFIG转速；ω_min、ω_max分别为DFIG的最小、最大转速；α为电网频率性能调节因子；

(3)计算风机输出的调频增发功率：

为避免频率微分带来的噪声，使用下垂控制，电网频率偏差与输出的调频功率成正比，其表达式如下：

式中：ΔP_WC(t)、ΔP_WD(t)分别为风机分别在高频和低频阶段的增发功率；Δf为***频率偏差；

5)储能检测频率偏差是否超过其调频死区

若储能检测到频率偏差超过自身调频死区则执行步骤6)；否则，执行步骤3)；

6)***进入风储过渡区

***频率偏差到达储能调频死区边界，考虑到风机与储能调频切换阶段，风机退出调频，造成的调频有功突变，在风机层面造成风机机械疲劳问题；在***层面，会加大***的功率缺额，致使机械疲劳及频率跌落，为此，设风机平滑减小调频功率，其计算按下述进行：

i.记录***频率到达储能死区边界时刻t₀；

ii.确定并输入风机退出调频时长Δt；

iii.计算风机退出调频时输出的调频增发功率ΔP_W(t)为式(3)：

式中：ΔP_W0为风机在t₀时刻输出调频增发功率；

7)***进入储能调频响应区

***频率偏差超过储能调频死区，启动储能调频控制***，储能根据当前自身荷电状态(State of Charge，SOC)，增加调频输出，所述的储能输出的调频功率计算按下述进行：

a.确定当前储能运行状态及SOC，分析储能在调频期间释放/吸收能量的潜力；

b.计算储能输出的调频功率

考虑到ESS循环使用寿命与充放电深度、循环次数、运行温度因素密切相关，在调频阶段，当储能SOC值小时，若仍强制储能装置输出功率，会对储能***寿命造成不可逆的危害，因此建立储能调频输出功率与储能SOC耦合关系，其计算表达式为：

式中：ΔP_BC(t)与ΔP_BD(t)分别为储能***在高频和低频阶段的增发功率；k_B为比例系数，用于调节储能的调频性能；SOC₀为储能装置SOC初值；SOC_min、SOC_max分别为储能装置SOC的最小、最大值；

8)储能检测频率偏差是否恢复到风机调频区

若检测到频率偏差恢复到风机调频区，执行步骤4)：否则，继续执行步骤7)；

9)电网频率恢复稳定

通过步骤1)-步骤8)，确定风机与储能的输出调频功率，并在风储联合调频启动后将风机与储能的调频功率计算结果作用于风机、储能有功功率指令值当中，使***频率恢复稳定。

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