基于二次规划的功率型储能调频责任划分方法与流程

本发明涉及电网二次频率控制技术领域，尤其是一种基于二次规划的功率型储能调频责任划分方法。

背景技术：

随着全球能源短缺和气候环境的恶化，新能源的发展已成为现阶段各国关注的重点。新能源发电具有波动性和不确定性，且这类间歇式电源不具备惯性，大规模并网后会使电网惯性减小，进而给电网调频带来压力。传统电源的调频容量已经难以满足电网调频需求，且传统电源在机组控制中要考虑响应功率幅值与极性改变速度的制约。以上情况均会导致响应时滞长以及调节出现延迟、反向和偏差(超调和欠调)等现象，而对调频信号的不准确响应。

储能参与电网二次调频，具有以下特点：(1)响应速度快，可在毫秒-秒范围内满功率输出；(2)精确控制，可在额定功率内的任何功率点保持稳定输出。研究表明大规模储能电池已具备电网调频能力。

目前电力系统中针对储能参与下的系统二次调频主要都是基于固定的责任划分方法，这种划分方法无法满足可再生能源渗透下电荷状态的实时变化。另外有些方法没有充分发挥电池储能快速响应调频需求的能力，同样的，有些方法又忽略了电池储能电荷状态变化，无法保证电池储能剩余可充放电能力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于二次规划的功率型储能调频责任划分方法，能够降低电网的频率波动，提高电网抵抗负荷扰动能力。

为解决上述技术问题，本发明提供基于二次规划的功率型储能调频责任划分方法，包括如下步骤：

(1)获取参与二次调频的各个调频电源的基本信息；包括：调频电源的功率最大偏移量p^min、p^max；调频电源的爬坡速率的最大限值r^min、r^max，爬坡速率即前后两次采样时间功率偏移值的变化率r；调频电源的功率基准值p^b；储能的充放电效率η^c、η^d；储能的最佳荷电状态s^v状态及允许达到的电量限值s^min、s^max；储能的初始电量s⁰；

(2)确定配置目标为所有参与二次调频电源的劣势指标总和最小；二次调频的系统劣势指标函数di，表达式为：

其中，i表示所有参与二次调频的设备集合，g表示所有发电机组集合，b表示所有储能的集合，i＝g+b，k代表第k个采样时刻，i代表参与二次调频的第i个设备；用表示储能的充电功率偏移值，表示储能的放电功率偏移值，规定

对于发电机和储能两种调频电源，选择不同的劣势指标函数表达式；对发电机，ik表示发电机功率偏移功率基准值带来的劣势，用常系数ai衡量；对储能，ik第一项代表储能功率偏移带来的劣势，用常系数ai衡量其权重；第二项代表荷电状态偏移所带来的劣势，用常系数bi衡量其权重；

(3)获取系统的ace信号，将其转化为功率信号p^ace；

(4)确定劣势函数diik的约束条件，包括等式约束条件和不等式约束条件；其中，等式约束条件根据步骤(3)获取的功率信号p^ace确定，不等式约束条件由调频电源的基本信息和储能当前的荷电状态确定；

(5)利用二次规划优化方法，基于二次调频电源的劣势指标总和di最小的目标，得到一种责任划分方案；

(6)根据步骤(5)的计算结果，如果计算失败，则更改配置目标为二次调频跟踪误差最小，利用线性规划方法，得到一种责任划分方案；

(7)根据步骤(5)和步骤(6)的计算结果，更新调频电源的状态量和函数的各参数，如果二次调频继续进行，则返回步骤(3)。

优选的，步骤(2)中，调频电源的劣势指标函数形式为二次函数形式，用调频电源功率偏移量的平方表示功率偏移带来的劣势，用储能电荷状态偏移量的平方表示电量偏移带来的劣势，总的劣势指标用这两项的平方表示，并分别用两个跟设备有关的系数衡量其所占权重。

优选的，步骤(2)中，在进行调频电源的功率配置时，考虑下述限制条件，并在约束条件和劣势指标函数表达式中体现出来：考虑调频电源的功率偏移的最大、最小值；考虑调频电源的爬坡速率的最大、最小值；考虑储能的荷电状态的限值，当荷电状态达到上下限时不再继续充放电；考虑储能的充放电效率，在基本信息中给定各储能充、放电效率，在劣势指标计算时，考虑不同充放电效率对系统配置结果的影响。

优选的，步骤(5)中，当采样二次规划函数计算失败时，更改配置目标为跟踪误差e最小；利用线性规划函数，求跟踪误差e最小时的责任划分方案；所述跟踪误差e表达式由以下公式确定：

优选的，步骤(7)中，每次计算后，根据上一次计算的结果，实时更新二次规划函数的约束条件，不等式约束条件用以下公式进行更新：

对于发电机组：

对于储能：

本发明的有益效果为：本发明所提出的一种基于二次规划的功率型储能调频责任划分方法，利用储能装置的快速反应能力，对系统的ace信号进行实时跟踪，降低了电网的频率波动，提高了电网抵抗负荷扰动能力；实时获取系统的ace信号，实时更新储能荷电状态信息，同时根据上次计算的数据对函数计算所需的各项参数进行更新；利用二次规划函数对各调频电源的责任进行最优化配置，并在计算失败时，及时更改配置目标，利用线性规划函数进一步计算，配置目标既保证了功率偏移的最小化，又保证了储能的荷电状态偏移最小化，能够降低设备运行损耗，延长设备使用寿命，保证储能的荷电状态在最佳荷电状态附近，可以延长储能装置寿命，同时，也减少了传统电机频繁爬坡的需要，减少了其机械磨损，有利于延长装置寿命。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明实施例中电池储能与传统电机共同承担系统二次调频运行曲线、跟踪误差曲线和储能电荷状态变化曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于二次规划的功率型储能调频责任划分方法，包括如下步骤：

步骤1：获取参与二次调频的各个设备装置的基本信息，包括：

1)调频电源的功率最大偏移量p^min、p^max。

2)调频电源的爬坡速率的最大限值r^min、r^max。爬坡速率即前后两次采样时间功率偏移值的变化率r。

3)调频电源的功率基准值p^b

4)储能的充放电效率η^c、η^d。

5)储能的最佳荷电状态s^v状态及允许达到的电量限值s^min、s^max。

6)储能的初始电量s⁰。

其中，装置类型共分为两大类，传统发电机组g和储能b。

当上述所有参数添加下标i时，表示是第i个调频电源的基本信息。

步骤2：确定配置目标为所有参与二次调频电源的劣势指标总和最小。二次调频的系统劣势指标函数di，表达式为：

其中，i表示所有参与二次调频的设备集合，g表示所有发电机组集合，b表示所有储能的集合。i＝g+b。

k代表第k个采样时刻，i代表参与二次调频的第i个设备。

diik表示第i个调频电源在第k个采样时刻的劣势指标，∑i∈idiik表示所有调频电源在第k个采样时刻的劣势指标总和。

pki表示第i个调频电源在第k个采样时刻，偏离功率基准值的功率值。当pki＞0,说明此时的运行功率高于功率基准值p^b；当pki＜0,说明此时的运行功率低于功率基准值p^b。

为了区别储能的充电和放电两种状态，对储能的功率进行进一步定义。用表示储能的充电功率偏移值，表示储能的放电功率偏移值。规定

因此，任一储能设备在任意时刻，功率偏移值pki只有一种定义有效，当功率偏移值大于0，则定义为放电状态，当功率偏移值小于等于0，则定义为充电状态，

为储能的充电效率，为储能的放电效率。

表示第i个发电设备的最佳电量水平，一般取为储能最大电量的一半。

ski表示第i个发电设备在第k个采样时刻的荷电状态。

sk+1,i表示第i个发电设备，在第k个采样时刻结束后的荷电状态值，作为第k+1个采样时刻的荷电状态值。

对于发电机和储能两种调频电源，选择不同的劣势函数表达式。

发电机对应的劣势指标函数diik，表示发电机功率偏移功率基准值所带来的劣势，以二次函数形式表示功率偏移大小，用常系数ai衡量其劣势。同一台设备，ai为一常量。

储能对应的劣势指标函数diik，第一项代表储能功率偏移所带来的劣势，以二次函数形式表示功率偏移大小，用常系数ai衡量其劣势权重；第二项代表荷电状态偏移所带来的劣势，用常系数bi衡量其劣势权重。对同一台设备，ai和bi为一常量。

公式化简：

对储能设备，其劣势指标函数diik有两个变量，sk+1,i和(或)。然而变量sk+1,i也是关于(或)的函数，所以以下根据sk+1,i和(或)的关系式，对diik进一步化简。

对储能设备，有：

δt表示两次采样时刻的时间间隔。该式表示，下一个采样时刻储能的荷电状态，等于本次采样时刻的荷电状态，减去本次采样时间段内消耗(增加)的电量值。所以更新下一时刻荷电状态时，需要知道上一采样时刻各个储能所分配的功率值，以及上一采样时刻的荷电状态。

以下，我们将上式代入储能的diik表达式中，得

至此，得到以(或)为唯一自变量的劣势指标函数diik。

表示第i个储能设备处于充电状态时，劣势函数表达式二次项系数；表示第i个设备处于放电状态时，函数表达式二次项系数。对同一台设备，这两个系数为一常量。

表示第i个储能设备处于充电状态时，劣势函数表达式一次项系数；表示第i个设备处于放电状态时，劣势函数表达式一次项系数。对同一台设备，这两个系数由储能设备当前荷电状态确定。

γki为劣势函数表达式常数项系数，对同一台设备，该系数由储能设备当前荷电状态确定。

发电机设备的劣势指标函数diik无须进行化简。

步骤3：获取系统的ace信号(部分区域控制误差信号)，将其转化为功率信号p^ace。

步骤4：确定劣势函数的约束条件。

等式约束：

表示在第k个采样时刻所有调频电源增发(减发)的功率总和，应等于第k个采样时刻的ace信号对应功率值，说明此时ace信号得到了跟踪。

不等式约束为：

针对所有调频电源：

表示第i个发电设备在第k个采样时刻，偏离功率基准值的功率值pki，应在该设备功率偏移值的限值范围内。

表示第i个发电设备，在第k次采样时刻的功率偏移值的变化率，应在该设备的爬坡限值范围内。

对于储能设备，除了有1)，2)两个不等式约束外，还要考虑荷电状态的约束：

表示第i个储能设备，在第k次采样时刻时的荷电状态值，应在该设备的电量限值范围内。

以下对所有不等式约束条件进行化简，将所有不等式约束条件统一在一个不等式中：

约束2)可化为

约束3)可化为

即

综上，对于发电机设备：

对于储能设备：

步骤5：利用二次规划函数，求第k次采样时刻，所有参与二次调频电源的劣势指标总和di最小时，各个调频电源的功率偏移值pki，即得到了一种基于此目标的责任划分方案。

设总设备数为n。

1)确定二次项矩阵h

对于储能设备：把相应位置的系数由αi改成ai。

2)确定一次项向量f

对于储能设备，由于没有β系数的那一项，所以相应位置的βk1改为0。3)确定等式约束的系数矩阵

aeq＝[1...1]

4)确定等式约束的右端向量

5)确定自变量下界约束lb

其中，对于发电机：

对于储能：

6)确定自变量上界约束ub

其中，对于发电机：

对于储能：

7)代入二次规划函数，计算得到第k次采样时刻的各个发电设备功率偏移值pki。

8)判断二次规划是否计算成功。如果计算成功，则到步骤7；如果计算失败，则到步骤6。

如果计算成功，函数状态返回值exitflag返回1，说明在满足各约束条件的情况下，能够找到一种责任划分方法，使得此时的二次调频电源劣势指标总和最小。

如果计算失败，函数状态返回值exitflag返回0，说明无法找到一种可以同时满足等式约束和不等式约束的责任划分方法。

步骤6：更改配置目标。

1)将配置目标从二次调频电源劣势指标总和di最小，变为二次调频跟踪误差e最小，基于更改后的目标得到一种责任划分方案。具体如下：

该式需要满足步骤5中所得的不等式约束。即应满足：

①自变量下界约束lb

其中，对于发电机：

对于储能：

②自变量上界约束ub

其中，对于发电机：

对于储能：

可以直接使用步骤5已得的约束条件lb、ub，无须再次计算。

此式说明，配置目标变成，在满足各装置运行条件限制的情况下，尽可能精确地跟踪ace信号。当ace信号剧烈震荡或出现阶可以将电力系统损失降到最小。

2)利用线性规划函数，求第k次采样时刻，二次调频跟踪误差e最小时，各个调频电源的功率偏移值pki。其中，线性规划的不等式约束条件与步骤5中的lb、ub一致，系数向量固定为。

f＝[1...1]

步骤7：进行参数和状态量的更新

1)更新电量

利用步骤5或步骤6得到的功率偏移值pki，更新储能的荷电状态值。更新公式如下：

2)如果系统没有要求结束配置，返回步骤3，根据得到的sk+1,i和pki，更新第k+1次采样时刻函数的各个参数；获取第k+1次采样时刻的ace信号，进行k+1次采样时刻的计算。

假设有四个调频电源进行二次调频，其中，两个发电机组，两个储能。分别设置四个调频电源的爬坡限值为：1：±40，2：±30，1：±30，2：±30。储能的容量设为b1：20，b2：5，以上均为标幺值。给定区域误差信号ace，图2(a)为配置的功率偏移方案，可以看到在发电机爬坡不能精确跟踪ace信号时，储能会相应出力，并且为了保证储能的荷电状态维持在最佳状态附近，在发电机能够平稳跟踪ace信号时，储能会及时充电，回升电量。图2(b)为仿真期间ace信号的跟踪误差，可以发现近似为零，说明该过程中可以实现精确跟踪。图2(c)为两个储能的荷电状态，可见储能在出力阶段电量下降，最后充电阶段又得以回升，最后维持在最佳荷电状态(本例中设为0.5)附近，始终没有大幅度偏离最佳荷电状态。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。