一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电网调频领域，特别是涉及一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法及系统。

背景技术

随着中国能源结构转型步伐的加快，可再生能源比例将进一步增加，电力系统逐步向新型电力系统转化，而新型电力系统的最主要的特征之一是风、光等可再生能源发电大量接入以后，导致原来完全可控或者绝大部分可控变成了不可控，从而使得电力系统的属性和特征都发生了巨大的变化。电源端发电侧的不可控给电网频率安全带来了巨大挑战，因此需要引入新的调频手段缓解火电机组调频压力。

飞轮储能作为储能系统的一种，具备爬坡速率快、响应时间短、可频繁充放电等优势。飞轮辅助火电机组进行电网调频不仅可以提高响应速度和调节精度，同时还能保障火电机组在短时间内输出功率不会发生太大变化，节省煤耗，延长机组使用寿命。因此在如今突出火电机组灵活性的背景下，研究飞轮储能系统辅助火电机组调频具有十分重要的现实和指导意义。

国内外学者们对储能参与电网一次调频控制策略开展了大量的研究。现有研究储能控制策略主要是下垂控制或虚拟惯性控制，储能的调频指令直接来自电网频率，即火电机组调频指令与储能调频指令不存在耦合，储能系统无法承担机组调频指令中的高频分量。新能源比例逐年增加以及其出力的不确定性，使得电网频率频繁波动，火电调频指令中的高频分量也随之增多。火电机组的大惯性、大迟延特性使得火电机组对负荷的响应速度慢，很难跟踪调频指令中的高频分量，造成机组出力出现偏差。此外火电机组响应高频分量会导致机组动作频繁，加速机组设备老化。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法及系统，可提升电网频率稳定，平滑火电机组出力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法，包括：

建立等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型；所述等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型用于定量分析储能与火电的动态互补耦合关系，并且在模型中设置了用于表征储能替代火电机组调频容量的变量；

获取电网频率值和火电机组调差系数；

根据电网频率值和火电机组调差系数确定电网频率偏差、频率变化率以及一次调频指令；

根据电网频率变化率以及飞轮储能系统的飞轮SOC，并利用模糊控制器，确定滤波时间常数；

根据滤波时间常数和一次调频指令以及低通滤波器确定低频分量和高频分量；所述低频分量作为火电机组一次调频参考指令；所述高频分量作为飞轮储能系统的一个输入量；

根据高频分量、虚拟下垂功率信号和以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数对飞轮出力限制的第一控制器和第二控制器，确定飞轮储能系统实际输出功率和火电机组补充功率；

根据火电机组补充功率以及低频分量确定火电机组实际调频指令；

根据火电机组实际调频指令、飞轮储能系统实际输出功率以及等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型进行调频。

可选地，所述以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数，具体包括以下公式：

其中，P

可选地，所述根据高频分量、虚拟下垂功率信号和以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数对飞轮出力限制的第一控制器和第二控制器，确定飞轮储能系统实际输出功率和火电机组补充功率，具体包括：

第一控制器利用以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数对高频分量进行限制，并根据第一控制器的输出、高频分量确定火电机组补充功率；

第二控制器利用第一控制器的输出和虚拟下垂功率信号确定的飞轮的理论应发功率以及飞轮SOC确定飞轮储能系统实际输出功率。

可选地，所述第一控制器的输出，具体包括以下公式：

其中，P

可选地，所述当高频分量大于飞轮出力裕量时，第一控制器利用以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数对高频分量进行限制，并根据第一控制器的输出、高频分量确定火电机组补充功率，具体包括：

利用公式P

其中，P

可选地，所述根据火电机组补充功率以及一次调频指令确定火电机组实际调频指令，具体包括：

利用公式P

其中，P

一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制系统，包括：

模型建立模块，用于建立等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型；所述等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型用于定量分析储能与火电的动态互补耦合关系，并且在模型中设置了用于表征储能替代火电机组调频容量的变量；

参数获取模块，用于获取电网频率值和火电机组调差系数；

参数计算模块，用于根据电网频率值和火电机组调差系数确定电网频率偏差、频率变化率以及一次调频指令；

滤波时间常数确定模块，用于根据电网频率变化率以及飞轮储能系统的飞轮SOC，并利用模糊控制器，确定滤波时间常数；

低频分量和高频分量确定模块，用于根据滤波时间常数和一次调频指令以及低通滤波器确定低频分量和高频分量；所述低频分量作为火电机组一次调频参考指令；所述高频分量作为飞轮储能系统的一个输入量；

飞轮储能系统实际输出功率和火电机组补充功率确定模块，用于根据高频分量、虚拟下垂功率信号和以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数对飞轮出力限制的第一控制器和第二控制器，确定飞轮储能系统实际输出功率和火电机组补充功率；

火电机组实际调频指令确定模块，用于根据火电机组补充功率以及低频分量确定火电机组实际调频指令；

调频模块，用于根据火电机组实际调频指令、飞轮储能系统实际输出功率以及等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型进行调频。

一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制系统，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现所述的方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法及系统，建立等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型，为定量分析飞轮储能对火电机组调频的互补潜力；根据电网频率变化率以及飞轮储能系统的飞轮SOC，并利用模糊控制器，确定滤波时间常数；根据滤波时间常数和一次调频指令以及低通滤波器确定低频分量和高频分量；通过变时间常数的低通滤波器分解了火电机组一次调频指令，高频指令信号传递给飞轮；低频信号传递给火电；低通滤波器的时间常数由模糊控制根据系统频率变化率和飞轮SOC按照设定的模糊规则动态调整；通过飞轮SOC和系统频率变化率实时调节滤波常数，有效地平滑了火电机组出力并且兼顾了一次调频效果和飞轮SOC自恢复。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法流程示意图；

图2为等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型结构示意图；

图3为本发明所提供的一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法原理示意图；

图4为输入输出量的隶属度函数示意图；

图5为火电指令分解示意图；

图6为飞轮储能系统结构示意图。

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。

本发明的目的是提供一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法及系统，可提升电网频率稳定，平滑火电机组出力。

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。

图1为本发明所提供的一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法流程示意图，图3为本发明所提供的一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法原理示意图，如图1和图3所示，本发明所提供的一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制方法，包括：

S101，建立等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型；所述等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型用于定量分析储能与火电的动态互补耦合关系，并且在模型中设置了用于表征储能替代火电机组调频容量的变量；

如图2所示，将储能等效火电机组发电系数K作为表征储能替代火电机组调频容量的变量。

S102，获取电网频率值和火电机组调差系数；

S103，根据电网频率值和火电机组调差系数确定电网频率偏差Δf、频率变化率d(Δf)/dt以及一次调频指令P

S104，根据电网频率变化率d(Δf)/dt以及飞轮储能系统的飞轮SOC，并利用模糊控制器，确定滤波时间常数T；

模糊控制器具体工作的过程为：

输入输出量模糊化。将频率变化率的论域设为[-2×10

确定隶属度函数。频率变化率采用三角形隶属度函数，飞轮SOC和滤波时间常数采用三角形和梯形隶属度函数。输入和输出的隶属度函数如图4示。

模糊推理。从频率变化的角度看，当|d(Δf)/dt|增大时，说明调频需求波动增加，此时应增大滤波时间常数，以达到平滑火电机组出力的目的。当|d(Δf)/dt|较小时，适当减小滤波时间常数，减小飞轮出力，节约资源。从飞轮的荷电状态角度看，当飞轮的荷电状态较高时，若此时d(Δf)/dt大于0且绝对值较大，虽然调频指令具有快速下降的趋势，需要飞轮大量充电，但是为避免飞轮出现过充现象，应减小滤波时间常数；若d(Δf)/dt小于0且绝对值较大，此时需要飞轮大量放电，则增大滤波时间常数。飞轮荷电状态较低时，则与之相反。按照上述原则设计的模糊控制规则见表1：

表1模糊控制规则表

解模糊化。本发明采用重心法取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理的最终输出值。

S105，根据滤波时间常数和一次调频指令以及低通滤波器确定低频分量和高频分量；所述低频分量作为火电机组一次调频参考指令；所述高频分量作为飞轮储能系统的一个输入量；

如图5所示，火电一次调频指令P

S106，根据高频分量、虚拟下垂功率信号和以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数对飞轮出力限制的第一控制器1和第二控制器2，确定飞轮储能系统实际输出功率和火电机组补充功率；

飞轮储能系统如图6所示，第一控制器1和第二控制器2有效配合使得系统优先响应火电调频指令的高频分量。当高频分量大于飞轮出力裕量时，飞轮由于输出功率限制无法提供额外的有功出力，此时第一控制器1对高频分量进行限制，飞轮无法承担的由火电机组进行出力补偿。

S106所述以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数，具体包括以下公式：

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其中，P

S106具体包括：

第一控制器利用以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数对高频分量进行限制，并根据第一控制器的输出、高频分量确定火电机组补充功率；

第二控制器利用第一控制器的输出和虚拟下垂功率信号确定的飞轮的理论应发功率以及飞轮SOC确定飞轮储能系统实际输出功率。

所述第一控制器的输出，具体包括以下公式：

其中，P

利用公式P

其中，P

S107，根据火电机组补充功率以及低频分量确定火电机组实际调频指令；

S107具体包括：

利用公式P

其中，P

S108，根据火电机组实际调频指令、飞轮储能系统实际输出功率以及等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型进行调频。

本发明在传统火电机组一次调频模型基础上，建立了等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型，并提出了基于模糊控制的协调控制策略和优先响应火电高频指令的飞轮储能系统控制策略，提升了电网频率定性和火电机组出力平滑性。

通过对比等调频容量的火电机组调频，本专利提出的火-储协同策略具有以下优势：

相比于火电机组调频，协调控制策略下系统最大频率偏差下降了35.92％，稳态频率偏差下降了12.67％，极大地提升了调频质量。

相比于火电机组调频，协调控制策略下机组爬坡率提升了74％，系统输出滞后时间、上升时间、调节时间分别降低了42％、43％、28％，显著地提高了机组爬坡率，加快了系统的响应速度。

协调控制策略下飞轮储能系统短时贡献电量是等调频容量火电的7.8倍，长时贡献电量是火电的3倍，飞轮短时贡献电量越多，火电机组的出力越平缓，越能发挥飞轮短时间尺度出力特性和火电长时间尺度出力特性。

连续扰动工况下，本文控制策略下系统最大频率偏差降低了28％，火电机组输出功率变化量峰值降低了35.8％，波动次数降低了46.4％，有效减少火电机组出力波动，保障火电机组安全运行，提高机组寿命。

作为另一个具体的实施例，本发明还提供一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制系统，包括：

模型建立模块，用于建立等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型；所述等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型用于定量分析储能与火电的动态互补耦合关系，并且在模型中设置了用于表征储能替代火电机组调频容量的变量；

参数获取模块，用于获取电网频率值和火电机组调差系数；

参数计算模块，用于根据电网频率值和火电机组调差系数确定电网频率偏差、频率变化率以及一次调频指令；

滤波时间常数确定模块，用于根据电网频率变化率以及飞轮储能系统的飞轮SOC，并利用模糊控制器，确定滤波时间常数；

低频分量和高频分量确定模块，用于根据滤波时间常数和一次调频指令以及低通滤波器确定低频分量和高频分量；所述低频分量作为火电机组一次调频参考指令；所述高频分量作为飞轮储能系统的一个输入量；

飞轮储能系统实际输出功率和火电机组补充功率确定模块，用于根据高频分量、虚拟下垂功率信号和以飞轮SOC为自变量的Logistic回归函数对飞轮出力限制的第一控制器和第二控制器，确定飞轮储能系统实际输出功率和火电机组补充功率；

火电机组实际调频指令确定模块，用于根据火电机组补充功率以及低频分量确定火电机组实际调频指令；

调频模块，用于根据火电机组实际调频指令、飞轮储能系统实际输出功率以及等调频容量的飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频模型进行调频。

为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，本发明提供了一种飞轮储能参与电网一次调频协调控制系统，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现所述的方法。

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。对于实施例公开的系统而言，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。