一种用于电网一次调频的电池储能电站控制方法和系统与流程
本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种用于电网一次调频的电池储能电站控制方法和系统。
背景技术：
电力系统的频率是电力系统运行的重要控制参数，反映了发电有功功率和负荷之间的平衡关系，与广大用户的电力设备以及发供电设备本身的安全和效率有着紧密联系。
电力系统一次调频由原动机的调速系统实施，对系统频率变化的响应快，主要承担那些快速的、幅值较小的负荷随机波动，对于异常情况下的负荷突变，一次调频可以起到某种缓冲作用，它的存在不可被替代；
目前，主要依靠传统火电机组和水电机组来响应一次调频，但因其受技术限制而存在一次调频容量明显不足的现象，甚至远未达到理论一次调频容量值。同时，在电力一次调频的实际运行中，一些电厂为减少机组磨损而自行闭锁调频功能的状况普遍存在，这些因素影响着一次调频的品质。虽然一次调频是控制系统频率的一种重要方式，但由于它的调节作用的衰减性和调整的有差性，不能单独依靠它来调节系统频率。
现有技术中，一次调频的考核性能主要体现在两个方面：稳态性能和暂态性能。稳态性能指电网频率从一个稳定值扰动后，机组经过完整的一次调频过程后所达到另一个稳定值，主要反映在一次调频过程中机组的负荷调节能力。暂态性能指在一次调频过程中，所表现的负荷调节速度、超调量、滞后时间和调节时间等特性。
目前电池储能电站参与电网一次调频的控制策略包括虚拟惯性控制和虚拟下垂控制。虚拟惯性控制根据系统频率变化率调整储能出力，可以快速提前响应系统频率变化，并阻碍系统频率变化，改变系统频率暂态性能；虚拟下垂控制根据系统频率调整储能出力，减小系统稳态频率偏差。
对此，通过研究表明，储能技术可减少电网所需调频容量，提高电网的安全可靠性。相对于传统发电机组，电池储能技术最突出的优点是快速精确的功率响应能力，这使得其比传统发电机组的调频效果要好，因而可减少系统所需的调频容量，节省电力系统的旋转备用。调频中节省的旋转备用容量可用于电网的调峰、事故备用等，进一步提高了电网运行的安全与可靠性。
但是，电池储能成本较高，配置的能量较小，长时间运行在一次调频的工况下，储能的能量状态将会发生改变，储能能量较低或较高的情况下，参与电网一次调频的能力就会减弱，目前，电池储能并不能长时间满足一次调频的需求。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种用于电网一次调频的电池储能电站控制方法和系统，利用电池储能的快速响应特性，对电网频率进行快速响应和快速恢复以提高一次调频的稳态性能；同时优化电池储能的能量状态使电池储能电站具备长时间一次调频的能力，提高一次调频的暂态性能。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提出一种用于电网一次调频的电池储能电站控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：
根据电网频率偏差变化率确定电网调频需求；
根据电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的能量需求；
基于所述电网调频需求和所述电池储能电站的能量需求调节电池储能电站的调频功率。
优选的，所述根据电网频率偏差变化率确定电网调频需求，包括：
根据电网频率偏差变化率确定电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数；
根据所述电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数确定所述电网的调频需求。
进一步的，所述根据电网频率偏差变化率确定电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数，包括：
当δf′·δf≤0且|δf′|＞δf′low时，mb＝0，
当δf′·δf≤0且|δf′|≤δf′low时，mb＝0，kb＝kbm；
当δf′·δf＞0且|δf′|＞δf′high时，mb＝mbm，
当δf′·δf＞0且δf′low＜|δf′|≤δf′high时，
当δf′·δf＞0且|δf′|≤δf′low时，
其中，δf为电网频率偏差；δf′为电网频率偏差变化率；δf′high为电网频率偏差变化率的预设最大值；δf′low为电网频率偏差变化率的预设最小值；mb为电网一次调频的虚拟惯性系数；mbm为电网一次调频的虚拟惯性系数的预设最大值；kb为电网一次调频的虚拟下垂系数；kbm为电网一次调频的虚拟下垂系数的预设最大值。
进一步的，所述根据所述电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数确定所述电网的调频需求，包括：
按下式确定所述电网的调频需求pbf：
pbf＝-(mb*δf′+kb*δf)
上式中，mb为电网一次调频的虚拟惯性系数；kb为电网一次调频的虚拟下垂系数；δf′为电网频率偏差变化率；δf为电网频率偏差。
优选的，其特征在于，所述根据电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的能量需求，包括：
根据所述电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率；
根据所述电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率确定所述电池储能电站的能量需求。
进一步的，所述根据所述电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率，包括：
当0≤soc≤socmin时，
当socmin≤soc≤soc0时，
当soc0≤soc≤socmax时，
当socmax≤soc≤1时，
上式中，
其中，按下式确定所述储能恢复功率最大值：
pbrm＝(d+kbm+1/r)δfd
上式中，d为负载阻尼系数；r为向电网供电的发电机组下垂系数；kbm为电网一次调频的虚拟下垂系数的最大值；δfd为死区频率。
进一步的，所述根据所述电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率确定所述电池储能电站的能量需求，包括：
按下式确定所述电池储能电站的能量需求：
上式中，gd(s)为惯性环节；
其中，按下式确定所述惯性环节：
上式中，td为惯性时间常数；s为复频域算子。
优选的，基于所述电网调频需求和所述电池储能电站的能量需求调节电池储能电站的调频功率，包括：
当|δf|≥δfd时，令pbr＝0，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbf；
当δf′·δf≤0且|δf|＜δfd时，令pbf＝0，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbr·kpf；
当δf′·δf＞0且|δf|＜δfd时，令pbf＝-mbm·δf′，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbf+pbr·kpf；
上式中，kpf为电池储能电站的频率惩罚系数；pbf为电网调频需求；pbr为电池储能电站的能量需求；δf′为电网频率偏差变化率；δf为电网频率偏差；mbm为电网一次调频的虚拟惯性系数的预设最大值；δfd为死区频率；
其中，按下式确定所述电池储能电站的频率惩罚系数：
上式中，δf为电网频率偏差。
本发明提出一种用于电网一次调频的电池储能电站控制系统，其改进之处于，所述系统包括：
第一确定模块，用于根据电网频率偏差变化率确定电网调频需求；
第二确定模块，用于根据电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的能量需求；
调节模块，用于基于所述电网调频需求和所述电池储能电站的能量需求调节电池储能电站的调频功率。
优选的，所述第一确定模块包括：
第一确定单元，用于根据电网的频率偏差变化率确定电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数；
第二确定单元，用于根据所述电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数确定所述电网的调频需求。
进一步的，所述第一确定单元用于当δf′·δf≤0且|δf′|＞δf′low时，mb＝0，
当δf′·δf≤0且|δf′|≤δf′low时，mb＝0，kb＝kbm；
当δf′·δf＞0且|δf′|＞δf′high时，mb＝mbm，
当δf′·δf＞0且δf′low＜|δf′|≤δf′high时，
当δf′·δf＞0且|δf′|≤δf′low时，
其中，δf为电网频率偏差；δf′为电网频率偏差变化率；δf′high为电网频率偏差变化率的预设最大值；δf′low为电网频率偏差变化率的预设最小值；mb为电网一次调频的虚拟惯性系数；mbm为电网一次调频的虚拟惯性系数的预设最大值；kb为电网一次调频的虚拟下垂系数；kbm为电网一次调频的虚拟下垂系数的预设最大值。
进一步的，所述第二确定单元用于按下式确定所述电网的调频需求pbf：
pbf＝-(mb*δf′+kb*δf)
上式中，mb为电网一次调频的虚拟惯性系数；kb为电网一次调频的虚拟下垂系数；δf′为电网频率偏差变化率；δf为电网频率偏差。
优选的，所述第二确定模块，包括：
第三确定单元，用于根据所述电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率；
第四确定单元，用于根据所述电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率确定所述电池储能电站的能量需求。
进一步的，所述第三确定单元用于当0≤soc≤socmin时，
当socmin≤soc≤soc0时，
当soc0≤soc≤socmax时，
当socmax≤soc≤1时，
上式中，
其中，按下式确定所述储能恢复功率最大值：
pbrm＝(d+kbm+1/r)δfd
上式中，d为负载阻尼系数；r为向电网供电的发电机组下垂系数；kbm为电网一次调频的虚拟下垂系数的最大值；δfd为死区频率。
进一步的，第四确定单元用于按下式确定所述电池储能电站的能量需求：
上式中，gd(s)为惯性环节；
其中，按下式确定所述惯性环节：
上式中，td为惯性时间常数；s为复频域算子。
优选的，所述调节模块用于当|δf|≥δfd时，令pbr＝0，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbf；
当δf′·δf≤0且|δf|＜δfd时，令pbf＝0，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbr·kpf；
当δf′·δf＞0且|δf|＜δfd时，令pbf＝-mbm·δf′，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbf+pbr·kpf；
上式中，kpf为电池储能电站的频率惩罚系数；pbf为电网调频需求；pbr为电池储能电站的能量需求；δf′为电网频率偏差变化率；δf为电网频率偏差；mbm为电网一次调频的虚拟惯性系数的预设最大值；δfd为死区频率；
其中，按下式确定所述电池储能电站的频率惩罚系数：
上式中,δf为电网频率偏差。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
根据电网频率偏差变化率确定电网调频需求；根据电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的能量需求；基于所述电网调频需求和所述电池储能电站的能量需求调节电池储能电站的调频功率；本发明通过利用电池储能电站辅助传统机组对电网频率偏差进行校正，利用电池储能的快速响应特性，对电网频率进行快速响应和快速恢复以提高一次调频的稳态性能；同时优化电池储能的能量状态使电池储能电站具备长时间一次调频的能力，提高一次调频的暂态性能。
附图说明
图1是一种用于电网一次调频的电池储能电站控制方法结构示意图；
图2是基于电池储能电站的电网一次调频控制框图；
图3是一种用于电网一次调频的电池储能电站控制系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种用于电网一次调频的电池储能电站控制方法，如图1所示，所述方法包括：
101.根据电网频率偏差变化率确定电网调频需求；
本发明提供的最优实施例中，可以利用下述过程获取所述电网频率偏差变化率：
如图2所示，通过同步向量测量单元获得电网频率，与电网额定频率做差，得到电网频率偏差，对电网频率求导，得到电网频率偏差变化率；
例如：将电池储能电站安装在需要配合的传统发电机组母线侧，从同步向量测量单元中获取实时电网频率数据f，与系统额定频率50hz做差，得到频率偏差δf，对频率偏差求导得到频率偏差变化率δf’；
102.根据电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的能量需求；
本发明提供的最优实施例中，可以利用下述过程获取所述电池荷电状态：
如图2所示，可以通过电池能量管理模块获取；
103.基于所述电网调频需求和所述电池储能电站的能量需求调节电池储能电站的调频功率；
具体的，所述步骤101，包括：
根据电网频率偏差变化率确定电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数；
根据所述电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数确定所述电网的调频需求。
具体的，所述根据电网频率偏差变化率确定电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数，包括：
当δf′·δf≤0且|δf′|＞δf′low时，mb＝0，
当δf′·δf≤0且|δf′|≤δf′low时，mb＝0，kb＝kbm；
当δf′·δf＞0且|δf′|＞δf′high时，mb＝mbm，
当δf′·δf＞0且δf′low＜|δf′|≤δf′high时，
当δf′·δf＞0且|δf′|≤δf′low时，
其中，δf为电网频率偏差；δf′为电网频率偏差变化率；δf′high为电网频率偏差变化率的预设最大值；δf′low为电网频率偏差变化率的预设最小值；mb为电网一次调频的虚拟惯性系数；mbm为电网一次调频的虚拟惯性系数的最大值；kb为电网一次调频的虚拟下垂系数；kbm为电网一次调频的虚拟下垂系数的最大值；
当系统频率处于恢复稳态状态且系统频率偏差变化率大于电网频率偏差变化率预设最小值时，将虚拟惯性系数mb置零，将虚拟下垂系数kb置与频率偏差变化率成反比关系；当系统频率处于恢复稳态阶段且系统频率变化率小于电网频率偏差变化率预设最小值时，将虚拟惯性系数mb置零，将虚拟下垂系数kb置最大值，使虚拟惯性控制对频率恢复的阻碍减小，同时使虚拟下垂控制对稳态频率进行支撑；当系统频率处于偏离稳态状态且系统频率偏差变化率大于电网频率偏差变化率预设最大值时，将虚拟惯性系数mb置最大值，对功率不平衡引起的频率变化进行快速超前调节，减小频率变化的速度和最大频率偏差值；将虚拟下垂系数kb置与频率偏差变化率成反比关系；当系统频率处于偏离稳态状态且系统频率偏差变化率处于电网频率偏差变化率预设最小值与预设最大值之间时，将虚拟惯性系数mb置与频率偏差变化率成正比关系，将虚拟下垂系数kb置与频率偏差变化率成反比关系；当系统频率处于偏离稳态状态且系统频率偏差变化率小于电网频率偏差变化率预设最小值时，将虚拟惯性系数mb置与频率偏差变化率成正比关系，将虚拟下垂系数kb置最大值，即当电网收到大的有功负荷扰动时，导致系统频率发生较快和较大变化，系统频率变化较快且偏离稳态状态时，增大虚拟惯性出力阻止电网频率变化，当电网频率变化较慢或电网频率变化处于恢复稳态状态时，减小虚拟惯性出力，增加虚拟下垂出力，使电网频率恢复至稳态。如此，电池储能电站参与电网一次调频以减小频率变化率，减小最大频率偏差，提高频率恢复速度。
所述根据所述电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数确定所述电网的调频需求，包括：
按下式确定所述电网的调频需求pbf：
pbf＝-(mb*δf′+kb*δf)
上式中，mb为电网一次调频的虚拟惯性系数；kb为电网一次调频的虚拟下垂系数；δf′为电网频率偏差变化率；δf为电网频率偏差；-mb*δf‘为惯性调节功率，与系统频率偏差变化率成正比，可以快速反应系统频率的变化，提前进行频率调节，阻碍系统频率变化；-kb*δf为下垂调节功率，与系统频率偏差成正比，可以为系统频率进行稳态支撑；电网频率偏差处于死区外时，电池储能电站参与电网一次调频以提高调频响应和频率恢复的快速性。
所述步骤102，包括：
根据所述电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率；
根据所述电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率确定所述电池储能电站的能量需求。
具体的，所述根据所述电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率，包括：
当0≤soc≤socmin时，
当socmin≤soc≤soc0时，
当soc0≤soc≤socmax时，
当socmax≤soc≤1时，
上式中，
其中，按下式确定所述储能恢复功率最大值：
pbrm＝(d+kbm+1/r)δfd
上式中，d为负载阻尼系数；r为向电网供电的发电机组下垂系数，此处的发电机组采用传统发电机组，例如柴油发电机组、燃气发电机组、汽油发电机组、水力发电机组、燃煤发电机组等；kbm为电网一次调频的虚拟下垂系数的最大值；δfd为死区频率。
具体的，所述根据所述电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率确定所述电池储能电站的能量需求，包括：
为减小电池储能电站充放电恢复功率导致电池储能电站实际输出功率突变引起频率震荡，按下式确定所述电池储能电站的能量需求：
上式中，gd(s)为惯性环节，惯性环节具有滞后和延迟性；
其中，按下式确定所述惯性环节：
上式中，td为惯性时间常数，与传统机组的功率调节时间相关，可取为0.1。s为复频域算子。
进一步的，所述步骤103，包括：
当|δf|≥δfd时，令pbr＝0，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbf；
当δf′·δf≤0且|δf|＜δfd时，令pbf＝0，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbr·kpf；
当δf′·δf＞0且|δf|＜δfd时，令pbf＝-mbm·δf′，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbf+pbr·kpf；
上式中，kpf为电池储能电站的频率惩罚系数；pbf为电网调频需求；pbr为电池储能电站的能量需求；δf′为电网频率偏差变化率；δf为电网频率偏差；mbm为电网一次调频的虚拟惯性系数的最大值；δfd为死区频率；
电网系统频率超出死区时的频率状态时，电网频率状态较差，电池储能电站参与电网一次调频，此时应以调频为主，电池能量恢复为辅，又因电池储能电站充放电恢复功率较低，故将电池储能电站充放电恢复功率置零。当系统频率位于死区时的频率状态且电网频率趋势偏向额定频率时，电网频率状态较好，电池储能电站进行电池充放电恢复，此时以电池储能电站充放电恢复为主，调频为辅，又因电网频率位于死区内，电池储能电站无需进行虚拟下垂控制和虚拟惯性控制维持电网频率稳定，故将电网调频需求置零。当系统频率位于死区时的频率状态且电网频率趋势偏离额定频率时，即电网频率状态较好，但电网频率运行趋势较差，虚拟惯性系数采用最大值进行控制保持对电网频率的预警性，此时电池储能电站充放电恢复和最大虚拟惯性控制联合运行进行调节。
其中，按下式确定所述电池储能电站的频率惩罚系数：
上式中，δf为电网频率偏差；频率惩罚系数对电池储能电站的电池能量恢复进行惩罚，避免短时间内与电池储能电站参与电网一次调频行为冲突，影响电池储能电站参与一次调频的调频效果。
本发明实施例提供了一种用于电网一次调频的电池储能电站控制系统，如图3所示，所述系统包括：
第一确定模块，用于根据电网频率偏差变化率确定电网调频需求；
第二确定模块，用于根据电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的能量需求；
调节模块，用于基于所述电网调频需求和所述电池储能电站的能量需求调节电池储能电站的调频功率。
具体的，所述第一确定模块包括：
第一确定单元，用于根据电网频率偏差变化率确定电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数；
第二确定单元，用于根据所述电网一次调频的虚拟惯性系数和虚拟下垂系数确定所述电网的调频需求。
具体的，所述第一确定单元用于当δf′·δf≤0且|δf′|＞δf′low时，mb＝0，
当δf′·δf≤0且|δf′|≤δf′low时，mb＝0，kb＝kbm；
当δf′·δf＞0且|δf′|＞δf′high时，mb＝mbm，
当δf′·δf＞0且δf′low＜|δf′|≤δf′high时，
当δf′·δf＞0且|δf′|≤δf′low时，
其中，δf为电网频率偏差；δf′为电网频率偏差变化率；δf′high为电网频率偏差变化率的预设最大值；δf′low为电网频率偏差变化率的预设最小值；mb为电网一次调频的虚拟惯性系数；mbm为电网一次调频的虚拟惯性系数的最大值；kb为电网一次调频的虚拟下垂系数；kbm为电网一次调频的虚拟下垂系数的最大值。
具体的，所述第二确定单元用于按下式确定所述电网的调频需求pbf：
pbf＝-(mb*δf′+kb*δf)
上式中，mb为电网一次调频的虚拟惯性系数；kb为电网一次调频的虚拟下垂系数；δf′为电网频率偏差变化率；δf为电网频率偏差。
具体的，所述第二确定模块，包括：
第三确定单元，用于根据所述电池储能电站的电池荷电信息确定电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率；
第四确定单元，用于根据所述电池储能电站的电池充电恢复功率和放电恢复功率确定所述电池储能电站的能量需求。
具体的，所述第三确定单元用于当0≤soc≤socmin时，
当socmin≤soc≤soc0时，
当soc0≤soc≤socmax时，
当socmax≤soc≤1时，
上式中，
其中，按下式确定所述储能恢复功率最大值：
pbrm＝(d+kbm+1/r)δfd
上式中，d为负载阻尼系数；r为传统发电机组下垂系数；kbm为电网一次调频的虚拟下垂系数的最大值；δfd为死区频率。
具体的，第四确定单元用于按下式确定所述电池储能电站的能量需求：
上式中，gd(s)为惯性环节；
其中，按下式确定所述惯性环节：
上式中，td为惯性时间常数；s为复频域算子。
具体的，所述调节模块用于当|δf|≥δfd时，令pbr＝0，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbf；
当δf′·δf≤0且|δf|＜δfd时，令pbf＝0，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbr·kpf；
当δf′·δf＞0且|δf|＜δfd时，令pbf＝-mbm·δf′，并调节电池储能电站的调频功率pba＝pbf+pbr·kpf；
上式中，kpf为电池储能电站的频率惩罚系数；pbf为电网调频需求；pbr为电池储能电站的能量需求；δf′为电网频率偏差变化率；δf为电网频率偏差；mbm为电网一次调频的虚拟惯性系数的最大值；δfd为死区频率；
其中，按下式确定所述电池储能电站的频率惩罚系数：
上式中,δf为电网频率偏差。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
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