一种包含储能一次调频系统的水电站功率控制方法与流程

本发明涉及水力发电机组自动控制以及电力系统稳定控制
技术领域：
，特别涉及一种包含储能一次调频系统的水电站功率控制方法。
背景技术：
：发电站负责有功功率调节的功能模块包括：定值调节系统和一次调频系统，其中前者主要根据调度二次调频指令、计划负荷曲线变化、运行人员操作指令对电站和机组的输出功率进行调节；后者则是在电网频率偏离额定频率超过一次调频门槛后，对机组的输出功率进行调节，在二次调频发挥作用前，从一定程度上先期抑制电网频率偏离额定频率的幅度不致过大。定值调节系统包括电站层的agc模块、机组层的功率闭环调节模块，其调节原理为，1)agc模块接收调度或者电站设置的全站有功设定值，2)将全站有功设定值分解为各台机组的单机有功设定值，3)将单机有功设定值发送至机组功率闭环调节模块，4)机组功率闭环调节模块按照预设的pid等闭环反馈计算方式，根据单机有功设定值对机组的单机输出功率进行调节，使单机输出功率趋向于单机有功设定值并稳定在调节死区范围内。一次调频系统根据电网频率f对机组输出功率进行调节，其计算公式为：式(1)中：gf为一次调频目标调节量；kfp为调频系数，反映一次调频目标调节量与电网频率偏离额定频率程度间的对应关系；grate为机组额定容量；ε为一次调频门槛，大部分情况下，火电机组一次调频门槛为0.0333hz，水电机组一次调频门槛为0.05hz。与机组的调节机制有关，水电机组与火电机组相比，水电机组在定值调节中表现较好，二次调频性能较优，火电机组的一次调频性能则优于水电。因此当储能系统应用于火电站时，常用作二次调频目的，应用于水电站时，则用作一次调频目的。文献一《一种计及储能的分布式二次调频控制方法》(cn108321817a)公开了一种计及储能的分布式二次调频控制方法，属于涉及电网二次调频的发电
技术领域：
。文献二《一种储能系统参与电网一次频率控制的方法及装置》(cn105633988a)公开了储能一次调频启动的门槛条件和调频功率的计算方法。文献三《一种基于储能电池的短期电网调频控制方法及系统》(cn108321822a)提出了根据频率偏移曲线计算储能电池输出功率的方法，其目的是提高储能电池利用率并最大化储能经济效益。文献四《一种用于一次调频的压缩空气储能电站系统及其控制方法》(cn108506056a)公开了一种用于一次调频的压缩空气储能电站系统及其控制方法。文献五《一种火电联合储能响应一次调频和二次调频的装置及方法》(cn108539764a)公开了一种火电联合储能响应一次调频和二次调频的装置及方法，但存在几个问题：1)未给出储能系统与火电原功率调节系统的配合方法；2)没有给出几种调节系统各自输出功率的定量计算方式；3)存在基本定义的混淆问题，例如解释自动发电控制(agc，automaticgenerationcontrol)时，误采用了自动增益控制(agc，automaticgaincontrol)定义描述。由于以上文献均未涉及，或未能给出，水电站储能一次调频系统与水电站原有功率调节系统的配合或耦合方法。因此在水电站新增储能一次调频系统后，如何修改原有的定值调节策略和一次调频策略，使新增的储能一次调频系统与水电站原有的功率调节系统无缝兼容，避免两者在功率调节过程中发生冲突，并解决储能一次调频系统在储能输入时的功率补偿问题，从而最大化提升水电站的功率调节性能，尚是一个有待解决的问题。技术实现要素：为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种包含储能一次调频系统的水电站功率控制方法，对水电站原有的有功功率控制策略进行设计调整，使其可以兼容储能一次调频系统。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种包含储能一次调频系统的水电站功率控制方法，包括以下步骤；s1000)储能一次调频系统的调频输出与定值调节系统、机组一次调频系统的耦合；s2000)储能一次调频系统的储能输入与定值调节系统的耦合。所述的s1000包括：s1100)储能一次调频系统或机组一次调频系统单独承担一次调频任务情况下，储能一次调频系统的调频输出与定值调节系统、机组一次调频系统的耦合，即当储能一次调频系统的额定功率和储能容量完全满足水电站一次调频需求时，将储能一次调频系统完全替代水电站的原有的机组一次调频系统，机组一次调频作为储能一次调频的备用；s1200)储能一次调频系统与机组一次调频系统共同承担一次调频任务情况下，储能一次调频系统的调频输出与定值调节系统、机组一次调频系统的耦合，即当储能一次调频系统的额定功率和储能容量不能完全满足水电站一次调频需求时，将储能一次调频系统作为水电站的原有的机组一次调频系统的补充，储能一次调频和机组一次调频共同完成一次调频调节。所述的s1100包括储能一次调频系统或机组一次调频系统单独承担一次调频任务情况下，储能一次调频系统的调频输出与定值调节系统、机组一次调频系统的耦合包括以下步骤：s1110)确定处于激活状态的一次调频系统，储能一次调频系统与机组一次调频系统的切换逻辑包括：s1111)默认储能一次调频系统为主用，当投入一次调频功能时，如果储能一次调频系统和机组一次调频系统均可用，则激活储能一次调频系统；如果储能一次调频系统可用，机组一次调频系统不可用，则激活储能一次调频系统；如果储能一次调频系统不可用，机组一次调频系统可用，则激活机组一次调频系统；s1112)一次调频功能已投入时，如果处于激活状态的一次调频系统故障，则冻结故障的一次调频系统，激活备用状态的一次调频系统；如果储能一次调频系统和机组一次调频系统均故障，则退出一次调频功能；s1113)当运行人员发出一次调频系统的切换指令时，对处于备用状态的一次调频系统的可用性进行检测，若其可用则对激活状态的一次调频系统和备用状态的一次调频系统进行状态切换，否则拒绝切换指令。s1120)当储能一次调频系统处于激活状态时，由储能一次调频系统承担一次调频任务，包括以下步骤：s1121)计算水电站一次调频系统的总目标调节量，并作为储能一次调频系统的目标调节量pf，计算公式为式中i为机组序号；n为水电站机组数量；θi为机组i的发电标识，当机组发电时为1，否则为0；为机组i按照公式(1)计算得到的单机一次调频目标调节量。若计算得出的pf高于储能一次调频的额定输出功率上限，或低于储能一次调频的额定输出功率下限，则按照储能一次调频系统的额定输出功率限值进行调节；s1122)储能一次调频系统根据预设的闭环反馈调节策略对输出功率进行调节，使输出功率趋向于一次调频目标调节量，并稳定在调节死区范围内，定值调节系统与储能一次调频系统独立工作，定值调节的调节对象为机组输出功率，一次调频的调节对象为储能系统输出功率，从电站角度而言，定值调节和一次调频处于自然叠加状态。s1130)当机组一次调频系统处于激活状态时，储能一次调频系统不进行功率输出，定值调节和一次调频均延用水电站原有的功率控制策略，此处不再赘述。所述的s1200所述的储能一次调频系统与机组一次调频系统共同承担一次调频任务情况下，储能一次调频系统的调频输出与定值调节系统、机组一次调频系统的耦合包括以下步骤：s1210)计算水电站一次调频系统的总目标调节量，计算公式采用s1121中的公式(2)；s1220)定值调节系统和机组一次调频系统延用水电站原有的功率控制策略进行调节；s1230)对水电站所有一次调频系统(包括所有机组一次调频系统和储能一次调频系统)的总实际调节量f进行计算，方法为：s1231)以电网频率超过一次调频门槛，作为水电站一次调频启动的判断条件；s1232)如果水电站一次调频动作时，全站输出功率处于全站有功设定值调节死区范围内，则在接收到新的定值调节全站有功设定值前，f＝h-hs，式中h为当前时刻水电站的总输出功率，hs为一次调频开始时刻水电站的总输出功率；s1233)如果水电站一次调频动作时，全站输出功率处于全站有功设定值调节死区范围外，或在一次调频过程中接收到了新的定值调节全站有功设定值，则f＝h-hset，式中hset为水电站的全站有功设定值。s1240)计算储能一次调频系统的目标调节量pf，计算公式为式中p′f为储能一次调频系统当前调节量。若计算得出的pf高于储能一次调频的额定输出功率上限，或低于储能一次调频的额定输出功率下限，则按照储能一次调频系统的额定输出功率限值进行调节。所述的步骤s2000包括：s2100)当储能一次调频系统需要对储能设备进行充能、泄能时，储能一次调频系统根据自身特性计算得出计划储能输入功率bt；s2200)储能一次调频系统将计划储能输入功率bt以模拟或数字通信的方式上送至定值调节系统agc模块；s2300)定值调节系统agc模块根据计划储能输入功率bt，水电站的全站有功设定值hset，计算全站agc总分配功率hagc，hagc＝hset+bt；s2400)定值调节系统agc模块根据电站实际情况，在满足各项约束条件的前提下，将全站agc总分配功率hagc分配至各台机组；s2500)储能一次调频系统在将bt以模拟或数字通信的方式上送至定值调节系统agc模块后，经过延时t后，进行储能输入。此处的延时t，应为水电机组根据bt进行相应功率调节，在信号传输、agc分配运算、pid闭环计算、调节延时(水流惯性、机械惯性导致)等环节消耗的滞后时间总和，虽然具有一定的随机性，但波动范围不大，同时考虑到储能输入功率在比例上远小于水电站输出功率，因此根据运行经验对延时t进行整定即可以将储能一次调频系统储能输入造成的全站输出功率偏差控制在可接受的程度内。本发明的有益效果：1.本发明对水电站原有的有功功率控制策略进行优化，使其可以兼容储能一次调频系统，避免水电站各种功率控制调节系统在调节过程中发生冲突，从而最大化提升水电站的功率调节性能。2.除调节延时、调节速率、调节精度等一次调频必要的调节指标，以及储能容量、储能速度等其它为满足一次调频要求的必要设计指标外，本发明对储能一次调频系统的具体实现机制不进行约束，储能原理的不同(电池储能、压缩空气储能、蓄热储能)也不影响本发明的有效性，从而使本发明具有广泛的适用性。3.在对储能一次调频系统的目标调节量进行计算时，没有采用常规的根据机组输出功率进行计算的方法，而是使用了水电站的总输出功率进行计算，其意义在于，排除了储能一次调频系统储能输入功率的影响因素，简化了计算过程，且提高了控制策略的鲁棒性。4.将储能一次调频系统的储能输入功率和水电站的全站有功设定值累加后，通过agc模块分配至机组功率闭环调节模块，实际上是通过电站的整个功率定值调节系统对储能一次调频系统的储能输入进行补偿，一方面屏蔽了电站接线方式(主要是水电机组以及储能一次调频系统的接线方式)可能造成的影响，使本发明可以普遍适用于一对一、一对多、多对一、多对多的不同储能输入方式，另一方面避免了在定制调节和一次调频叠加、配合等已有问题的基础上，进一步增加机组侧功率控制策略的复杂性。附图说明图1为本发明包含储能一次调频系统的水电站功率控制方法的主流程图；图2为确定处于激活状态的一次调频系统的逻辑流程图。图3为水电站常规一次调频仿真模型。图4为包含储能一次调频系统的水电站一次调频仿真模型。图5为水电站常规一次调频的仿真波形。图6为不进行储能输入时储能一次调频与机组一次调频共同调节的一次调频仿真波形。图7为进行储能输入时储能一次调频与机组一次调频共同调节的一次调频仿真波形1。图8为进行储能输入时储能一次调频与机组一次调频共同调节的一次调频仿真波形2。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明提供的包含储能一次调频系统的水电站功率控制方法，如图1所示，包括以下内容：s1000)储能一次调频系统的调频输出与定值调节系统、机组一次调频系统的耦合：s1100)储能一次调频系统或机组一次调频系统单独承担一次调频任务情况下，储能一次调频系统的调频输出与定值调节系统、机组一次调频系统的耦合：s1110)确定处于激活状态的一次调频系统，储能一次调频系统与机组一次调频系统的逻辑如图2所示，包括：s1111)默认储能一次调频系统为主用，当投入一次调频功能时，如果储能一次调频系统和机组一次调频系统均可用，则激活储能一次调频系统；如果储能一次调频系统可用，机组一次调频系统不可用，则激活储能一次调频系统；如果储能一次调频系统不可用，机组一次调频系统可用，则激活机组一次调频系统；s1112)一次调频功能已投入时，如果处于激活状态的一次调频系统故障，则冻结故障的一次调频系统，激活备用状态的一次调频系统；如果储能一次调频系统和机组一次调频系统均故障，则退出一次调频功能；s1113)当运行人员发出一次调频系统的切换指令时，对处于备用状态的一次调频系统的可用性进行检测，若其可用则对激活状态的一次调频系统和备用状态的一次调频系统进行状态切换，否则拒绝切换指令s1120)当储能一次调频系统处于激活状态时，由储能一次调频系统承担一次调频任务，包括以下步骤：s1121)计算水电站一次调频系统的总目标调节量，并作为储能一次调频系统的目标调节量pf，计算公式为式中i为机组序号；n为水电站机组数量；θi为机组i的发电标识，当机组发电时为1，否则为0；为机组i按照公式(1)计算得到的单机一次调频目标调节量。若计算得出的pf高于储能一次调频的额定输出功率上限，或低于储能一次调频的额定输出功率下限，则按照储能一次调频系统的额定输出功率限值进行调节；s1122)储能一次调频系统根据预设的闭环反馈调节策略对输出功率进行调节，使输出功率趋向于一次调频目标调节量，并稳定在调节死区范围内。s1130)当机组一次调频系统处于激活状态时，储能一次调频系统不进行功率输出，定值调节和一次调频均延用水电站原有的功率控制策略。s1200)储能一次调频系统与机组一次调频系统共同承担一次调频任务情况下，储能一次调频系统的调频输出与定值调节系统、机组一次调频系统的耦合：s1210)计算水电站一次调频系统的总目标调节量，计算公式采用s1121中的公式(2)；s1220)定值调节系统和机组一次调频系统延用水电站原有的功率控制策略进行调节；s1230)对水电站所有一次调频系统(包括所有机组一次调频系统和储能一次调频系统)的总实际调节量f进行计算，方法为：s1231)以电网频率超过一次调频门槛，作为水电站一次调频启动的判断条件；s1232)如果水电站一次调频动作时，全站输出功率处于全站有功设定值调节死区范围内，则在接收到新的定值调节全站有功设定值前，f＝h-hs，式中h为当前时刻水电站的总输出功率，hs为一次调频开始时刻水电站的总输出功率；s1233)如果水电站一次调频动作时，全站输出功率处于全站有功设定值调节死区范围外，或在一次调频过程中接收到了新的定值调节全站有功设定值，则f＝h-hset，式中hset为水电站的全站有功设定值。s1240)计算储能一次调频系统的目标调节量pf，计算公式为式中p'f为储能一次调频系统当前调节量。若计算得出的pf高于储能一次调频的额定输出功率上限，或低于储能一次调频的额定输出功率下限，则按照储能一次调频系统的额定输出功率限值进行调节。s2000)储能一次调频系统的储能输入与定值调节系统的耦合：s2100)当储能一次调频系统需要对储能设备进行充能、泄能时，储能一次调频系统根据自身特性计算得出计划储能输入功率bt；s2200)储能一次调频系统将计划储能输入功率bt以模拟或数字通信的方式上送至定值调节系统agc模块；s2300)定值调节系统agc模块根据储能输入功率bt，水电站的全站有功设定值hset，计算全站agc总分配功率hagc，hagc＝hset+bt；s2400)定值调节系统agc模块根据电站实际情况，在满足各项约束条件的前提下，将全站agc总分配功率hagc分配至各台机组；s2500)储能一次调频系统在将bt以模拟或数字通信的方式上送至定值调节系统agc模块后，经过延时t后，进行储能输入，在储能一次调频系统允许的情况下，可以考虑将储能输入功率按照一定速率增加或减少至计划储能输入功率bt以进一步降低对水电站总输出功率的影响。由于本发明提出时，储能一次调频系统在水电站的应用暂时不具备经济上的可行性(设备成本、维护成本、占地面积、调度补偿策略不到位等)，所以没有条件对本发明提出的策略进行全面验证。不过仍然可以将部分工况下水电站常规一次调频的调节性能与本发明一次调频调节性能进行仿真比较，以对本发明的有效性进行验证。1)构建水电站常规一次调频的仿真模型(如图3)和具有储能一次调频系统(额定输出功率30mw)的水电站一次调频仿真模型(如图4)，仿真参数表如下：名称符号设值调节反馈延时tf1接力器响应时间常数ty0.1水流惯性时间常数tw2机组(负荷)惯性时间常数ta5机组(负荷)静态频率自调节(特性)系数en1.5调频系数kfp300pid调节比例参数pid_p0.8pid调节积分参数pid_i0.25pid调节微分参数pid_d0.052)水电站常规一次调频的仿真波形，如图5所示；3)不进行储能输入情况下，储能一次调频系统与机组一次调频系统共同调节的一次调频仿真波形，如图6所示；4)经过延时t后，直接以计划储能输入功率bt(10mw)进行储能输入情况下，储能一次调频系统与机组一次调频系统共同调节的一次调频仿真波形，如图7所示；5)经过延时t后，储能输入功率按照一定速率增加或减少至计划储能输入功率bt(10mw)以进行储能输入情况下，储能一次调频系统与机组一次调频系统共同调节的一次调频仿真波形，如图8所示。图6、图7、图8是本发明包含储能一次调频系统的水电站功率控制方法的一次调频仿真结果，表明本发明可以有效实现储能一次调频系统与原功率调节系统的耦合，提高水电站一次调频的调节速率，并且即使在一次调频动作过程中对储能一次调频系统进行储能输入也不会干扰水电站的一次调频调节效果。没有对s1233工况进行仿真的原因是，在s1233工况下(例如在一次调频过程中接收到二次调频指令)难以对定值调节的调节量和一次调频的调节量进行有效区分，从而必然导致一次调频的不精确性，所以目前调度对s1233工况下的水电站一次调频调节效果也往往不做考核。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。当前第1页12