一种多时间尺度储能电站调频控制方法和系统

技术领域

本发明属于电力系统储能频率控制技术领域，具体涉及一种多时间尺度储能电站调频控制方法。

背景技术

频率是衡量电能质量的重要指标之一。对电网而言，系统的频率波动反映了电能供需的平衡状况，若发电量大于负荷消耗，则系统频率升高，若发电量小于负荷消耗，系统频率降低。电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不利影响，所以必须保持频率在额定值50Hz上下，且偏移不能超过一定范围。随着新能源发电机组大量接入电网，具有冲击性的负荷随之增多，为了保证电网的安全经济运行，提高用户的用电质量，电网对机组的调频要求越来越高。目前，在中国各大区域电网中，大型水电与火电机组为主要的调频电源，通过不断地调整调频电源出力来响应系统频率变化，但是，它们各自具有一定的限制与不足，影响着电网频率的安全与品质。现有调频容量不足的问题突显，亟需新的调频手段的出现。

储能技术被国内外专家一致认为是实现光伏、风电等大规模可再生新能源并网的关键技术环节，由于目前对电化学储能的研究尚未完全成熟，尤其是其控制策略和技术需要进一步研究，才能够有效解决大规模可再生能源并入大电网面临的诸多问题。先进的储能技术可以提高可再生能源的利用率，有效改善弃光、弃风现象，同时新能源并网系统的稳定性和可控性将进一步改善。电池储能电站是将大规模的电池组通过系统集成后所形成的，能够接纳也能够输出电能，其容量越大，平抑大规模新能源波动的能力将会越强，分布结构和可再生能源属于并联，可以共同接入电网同步运行，其特点主要有稳定性、高效性、准确性。

电池储能系统具有快速响应、精确跟踪的特点，使得其比传统调频手段更为高效。近年来，将大规模储能系统取代发电厂进行调频，已受到业界的关注。与传统电源相比，储能为电网提供调频的技术优势较明显，并且经济性也将逐渐呈现，能有效改善电力系统的运行效率。

国内不少专家学者已对储能参与电网调频的控制策略和方法展开了深入的研究。对于储能参与电网调频控制策略的研究可归结于储能机组和传统调频电源机组的功率分配问题。传统的调频电源相对储能机组而言具有可发容量大的优势，但其却具有响应时滞长、爬坡率低等劣势；而储能机组出力迅速的特点可恰好弥补传统调频电源的不足。在国内目前已有的研究成果中已有采用粒子群算法来优化二次调频的AGC输出指令，调节各个储能单元功率分配的相关研究，但是少有研究将储能电站的各项成本参数如：储能变流器的效率、储能单元的运行成本、储能单元的寿命折损和储能单元的定期检修成本计及到储能电站的经济性考量之中，因此在考虑多项储能电站的运行成本的基础上，优化储能电站的二次调频，对提升储能电站运行的经济效益具有重大意义。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种多时间尺度储能电站调频控制方法和系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多时间尺度储能电站调频控制方法，包括以下步骤：

步骤1：实时监测受端电网的频率波动，采集受端电网的频率值与标准频率的频率偏差Δf；

步骤2：判断频率偏差的绝对值|Δf|是否超过阈值，若频率偏差的绝对值|Δf|超过阈值，启动一次调频，控制储能单元在一次调频稳定时间内输出稳定功率；

步骤3：若到达一次调频稳定时间结束前的缓冲时间点，频率偏差的绝对值|Δf|依然超过阈值，则启动二次调频；构建储能电站经济调度目标函数，运用微粒引力场算法求解储能电站经济调度目标函数，得到需要参加调频的储能单元及参加调频的储能单元的有功出力P

步骤4：若到达二次调频稳定时间结束前的缓冲时间点，频率偏差的绝对值|Δf|依然超过阈值，则常规机组补偿功率缺额；

步骤5：当受端电网的频率值到达稳定状态时，兼顾储能单元充电功率预测值和负荷功率预测值，调整储能单元的SOC。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤3中，所述构建储能电站经济调度目标函数具体为：

考虑储能变流器的效率、储能单元的运行成本、储能单元的寿命折损、储能单元的定期检修成本和各个储能单元的SOC对输出功率的影响，构建储能电站经济调度目标函数；所述储能电站经济调度目标函数如下：

式中，F

进一步地，步骤3中，所述运用微粒引力场算法求解储能电站经济调度目标函数，得到需要参加调频的储能单元及参加调频的储能单元的有功出力P

将每个储能单元视为单个微粒，运用微粒的位置信息X

其中：

R

式中，δ为微小常量；m

微粒i的质量由以下公式计算得到：

其中，g

计及引力场中的所有微粒，t时刻微粒i受到的来自所有微粒的引力F

根据公式(5)和公式(6)进一步求解得到微粒i在t时刻d维的加速度a

计及引力场中其他微粒对微粒i的引力作用，微粒i在t+1时刻的速度为：

式中，V

速度权重ω的计算公式为：

式中，ω

更新微粒i在d维的位置坐标：

式中，

当微粒引力场算法达到稳定时得到经济性最优情况下的需要参加调频的储能单元及该储能单元的有功出力P

本发明还提出了一种多时间尺度储能电站调频控制系统，实现多时间尺度储能电站调频控制方法，所述系统包括：调度中心、远程测控单元、储能电站EMS系统、储能协调控制器和储能单元；

所述储能协调控制器实时监测受端电网的频率波动，采集受端电网的频率值与标准频率的频率偏差Δf，判断频率偏差的绝对值|Δf|是否超过阈值，若频率偏差的绝对值|Δf|超过阈值，则所述储能协调控制器向储能单元发送控制指令，启动一次调频，控制储能单元在一次调频稳定时间内输出稳定功率；所述储能协调控制器在二次调频时接收AGC指令并下达控制指令到每个储能单元；

所述储能电站EMS系统将储能变流器的效率、储能单元的运行成本、储能单元的寿命折损和储能单元的定期检修成本传送给调度中心；储能电站EMS系统向远程测控单元提供AGC指令的投入状态和储能单元的有功出力数据；

所述调度中心在一次调频未取得理想效果时启动二次调频，根据计算结果向远程测控单元发送调频指令；

所述远程测控单元向储能协调控制器发送AGC指令，使储能协调控制器控制储能单元在二次调频稳定时间内输出稳定功率。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述储能单元包括电池管理系统、电池组和储能变流器；

所述电池管理系统监测电池组的状态，将电池信息传送至储能协调控制器；所述储能变流器接收储能协调控制器发送的控制指令后向电网输送交流功率。

进一步地，所述调度中心在一次调频未取得理想效果时启动二次调频，根据计算结果向远程测控单元发送调频指令具体为：

所述调度中心根据储能电站EMS系统提供的储能变流器的效率、储能单元的运行成本、储能单元的寿命折损和储能单元的定期检修成本构建储能电站经济调度目标函数，运用微粒引力场算法求解储能电站经济调度目标函数，得到需要参加调频的储能单元及参加调频的储能单元的有功出力P

本发明的有益效果是：本发明有效利用储能电站对电能的储存和释放，调动储能单元通过充放电来调节电力系统的频率，利用储能电站响应速度快的优势实现高效的一次调频，同时配合不同时间尺度的二次调频，使得调频更加灵活精准，提高了电力系统的频率稳定性。

附图说明

图1为本发明的频率控制原理图；

图2为多时间尺度调频示意图；

图3为储能电站架构图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

在一实施例中，本发明提出了一种多时间尺度储能电站调频控制方法，所述方法的原理图如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：实时监测受端电网的频率波动，采集受端电网的频率值与标准频率的频率偏差Δf；

步骤2：判断频率偏差的绝对值|Δf|是否超过阈值，若频率偏差的绝对值|Δf|超过阈值，启动一次调频，控制储能单元在一次调频稳定时间内输出稳定功率；

步骤3：若到达一次调频稳定时间结束前的缓冲时间点，频率偏差的绝对值|Δf|依然超过阈值，则启动二次调频；

考虑储能变流器的效率、储能单元的运行成本、储能单元的寿命折损、储能单元的定期检修成本和各个储能单元的SOC(State of Charge)对输出功率的影响，构建储能电站经济调度目标函数；所述储能电站经济调度目标函数如下：

式中，F

运用微粒引力场算法求解储能电站经济调度目标函数，得到需要参加调频的储能单元及参加调频的储能单元的有功出力P

运用微粒引力场算法求解储能电站经济调度目标函数具体为：

将每个储能单元视为单个微粒，运用微粒的位置信息X

其中：

R

式中，δ为微小常量；m

微粒i的质量由以下公式计算得到：

其中，g

计及引力场中的所有微粒，t时刻微粒i受到的来自所有微粒的引力F

根据公式(5)和公式(6)进一步求解得到微粒i在t时刻d维的加速度a

计及引力场中其他微粒对微粒i的引力作用，微粒i在t+1时刻的速度为：

式中，V

速度权重ω的计算公式为：

式中，ω

更新微粒i在d维的位置坐标：

式中，

当微粒引力场算法达到稳定时得到经济性最优情况下的需要参加调频的储能单元及该储能单元的有功出力P

步骤4：若到达二次调频稳定时间结束前的缓冲时间点，频率偏差的绝对值|Δf|依然超过阈值，则常规机组补偿功率缺额；

多时间尺度调频的时序如图2所示，储能电站具有一次调频响应迅速的特性，可以提供40s的稳定功率输出，若在一次调频启动35s后，频率偏差的绝对值|Δf|>0.033Hz，即频率偏差Δf依然超出死区，则视为一次调频没有达到预定要求，需要二次调频参与，储能电站二次调频稳定时间为3min。大多数情况下的负荷扰动可以通过储能电站将频率拉回正常范围内，若电力系统出现严重的事故，储能电站的稳定时间没有办法满足调频的需求时，常规机组介入调频。在2min40s时若频率偏差Δf仍未降至死区以内，则储能协调控制器发出指令，储能电站在一次调频启动3min之后退出调频，同时常规火电或水电机组增发功率，补偿功率缺额。

步骤5：当受端电网的频率值到达稳定状态时，在不影响电网频率越过死区的情况下，兼顾储能单元充电功率预测值和负荷功率预测值，调整储能单元的SOC；保持储能单元容量位于一定范围内，为下一次调频做好准备。储能电站的架构图如图3所示。

在另一实施例中，本发明提出了一种多时间尺度储能电站调频控制系统，该系统实现多时间尺度储能电站调频控制方法，该系统包括：调度中心、远程测控单元(RemoteTerminal Unit，RTU)、储能电站EMS(Energy Management System)系统、储能协调控制器和储能单元；

储能协调控制器实时监测受端电网的频率波动，采集受端电网的频率值与标准频率的频率偏差Δf，判断频率偏差的绝对值|Δf|是否超过阈值，若频率偏差的绝对值|Δf|超过阈值，则储能协调控制器向储能单元发送控制指令，启动一次调频，控制储能单元在一次调频稳定时间内输出稳定功率；所述储能协调控制器在二次调频时接收AGC指令并下达控制指令到每个储能单元，控制储能单元通过储能变流器(PCS)，向电网输送合适的交流功率；储能协调控制器控制储能单元的切投，避免过度充放影响储能电站的整体寿命。

储能电站EMS系统将储能变流器的效率、储能单元的运行成本、储能单元的寿命折损和储能单元的定期检修成本传送给调度中心；储能电站EMS系统向远程测控单元提供AGC指令的投入状态和储能单元的有功出力数据；

调度中心在一次调频未取得理想效果时启动二次调频，根据计算结果向远程测控单元发送调频指令；具体为：调度中心根据储能电站EMS系统提供的储能变流器的效率、储能单元的运行成本、储能单元的寿命折损和储能单元的定期检修成本构建储能电站经济调度目标函数，运用微粒引力场算法求解储能电站经济调度目标函数，得到需要参加调频的储能单元及参加调频的储能单元的有功出力P

远程测控单元向储能协调控制器发送AGC指令，使储能协调控制器控制储能单元在二次调频稳定时间内输出稳定功率。

储能单元包括电池管理系统(BMS)、电池组和储能变流器(PCS)；电池管理系统监测电池组的状态，将电池信息传送至储能协调控制器；储能变流器接收储能协调控制器发送的控制指令后向电网输送交流功率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。