考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法

1.本发明涉及评估领域，特别是涉及一种考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法。


背景技术：

2.为了响应国家“双碳行动”的指令号召，实现国家能源战略转型，大力发展风电、光伏等新能源是电力系统发展的重要方向。目前，风电的占比越来越高，而风机的变流器控制环节使得风机几乎不响应系统频率的变化，从而削弱了系统的惯量和阻尼，大大降低了系统的频率稳定性。因此，在高比例新能源的电力系统中，储能技术应运而生，利用电池储能系统与风力发电之间的互补特性，在满足频率响应要求的基础上可改善系统运行特性。
3.为使得储能变流器能够为电网提供惯量响应支撑和一次调频支撑，学者们提出了多种储能变流器控制策略。其中，已有学者利用锁频环和扩张观测器提出了基于频率微分原理的储能变流器虚拟惯量控制策略，以改善储能变流器的惯量响应能力；有学者通过在储能变流器中引入虚拟惯量控制和下垂控制，从而模拟同步机的惯量响应和一次调频；有学者引入虚拟同步机(vsg)控制，并提出了一种计及储能容量和soc约束的模糊自适应vsg控制。因此，确定储能系统的容量大小是利用储能提高风机频率响应能力的基础。
4.为了对储能容量进行量化评估，已有学者利用储能控制中的惯性时间常数和一次调频系数量化分析储能对电力系统的影响，并结合频率响应指标确定储能规模。另有学者为了使得储能具有与同步机相似的频率响应能力，通过类比频率变化时同步发电机转子能量变化特性，确定储能的额定功率及容量。有学者考虑风电功率波动情况，基于系统频率偏差指标从而确定储能最小容量。然而现有的储能容量评估研究大多针对风速波动和负荷突变等扰动展开研究，基于短路故障展开储能容量评估的研究较少。且短路故障后引发的储能系统的低电压穿越控制问题，可能会对储能容量需求造成影响，因此如何提出一种综合考虑频率支撑需求和低压穿越控制的储能容量量化方法有待进一步研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法，该方法基于短路故障开展储能容量量化评估研究，通过该方法能够更准确更全面的评估储能容量的大小。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法，其特征为，包括如下步骤：
8.步骤100：构建含虚拟惯量阻尼控制和低压穿越控制的风机并网系统；
9.步骤200：分析风机并网电压跌落到不同程度下的有功功率变化特性及系统频率动态特性；
10.步骤300：对加入虚拟惯量阻尼控制后的系统频率动态特性进行量化分析；
11.步骤400：根据频率响应指标对控制参数进行配置；
12.步骤500：考虑低压穿越及系统频率限制，量化分析风电送出系统所需储能容量。
13.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：
14.本发明提出了一种考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法，全面考虑了在短路故障情况下的储能容量量化评估问题。在量化分析了短路故障下加入储能前后的频率变化特性的基础上，计及储能系统的低压穿越控制对储能输出有功功率的影响，从而综合考虑了频率支撑需求和低压穿越，全面准确地评估储能容量的大小，并通过时域仿真验证了理论分析的正确性。
附图说明
15.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例提供的考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法的流程图；
17.图2为本发明实施例中利用储能的虚拟惯性阻尼控制框图；
18.图3为本发明实施例中计及低压穿越控制的风机有功功率的变化曲线图；
19.图4为本发明实施例的仿真系统等效示意图；
20.图5为本发明实施例中系统频率仿真曲线和理论曲线对比图；
21.图6为本发明实施例中的加入储能前后系统频率曲线对比图；
22.图7(a)为本发明实施例中风机并网电压跌落到0.9pu时，风机并网点角频率变化曲线；
23.图7(b)为本发明实施例中风机并网电压跌落到0.8pu时，风机并网点角频率变化曲线；
24.图8(a)为本发明实施例中风机并网电压跌落到0.7pu时，加入储能前后风机并网点角频率变化曲线对比图；
25.图8(b)为本发明实施例中风机并网电压跌落到0.7pu时，所需的储能输出有功功率变化曲线；
26.图9(a)为本发明实施例中风机并网电压跌落到0.5pu时，加入储能前后风机并网点角频率变化曲线对比图；
27.图9(b)为本发明实施例中风机并网电压跌落到0.5pu时，所需的储能输出有功功率变化曲线。
具体实施方式
28.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。
29.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。
30.图1为本发明实施例中考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法的流程图。如图1所示，包括以下步骤：
31.步骤100：构建含虚拟惯量阻尼控制和低压穿越控制的风机并网系统，具体包括：
32.直驱风电机组模型主要包括直驱永磁发电机、机侧变流器和网侧变流器及其控制系统。储能系统模型包括储能电池、变流器及其控制设备。
33.所述的虚拟惯量阻尼控制框图如图2所示，为了使得风机能够具备同样的惯量阻尼特性，利用储能系统为风机提供有功功率支撑。通过引入系统频率的微分环节为风机提供惯性支撑，引入频率的比例环节为风机提供阻尼支撑。其中的系统频率采用风机的并网点的角频率。虚拟惯性阻尼控制策略方程如下所示：
[0034][0035]
其中，p
ess1
、p
ess2
分别为利用储能装置提供的惯量响应支撑功率和一次调频支撑功率；h
vir
、d
vir
分别为虚拟惯量控制系数和虚拟阻尼控制系数；δf为系统频率的变化量；p
essref
为储能逆变器的有功功率基准值。
[0036]
步骤200：分析风机并网电压跌落到不同程度下的有功功率变化特性及系统频率动态特性，具体包括：
[0037]
当风机并网点电压跌落到0.9pu以下时，风电机组的低电压穿越控制发挥作用。此时风机通过输出无功功率以提升并网电压稳定性，与此同时风机并网有功功率下跌，会导致系统频率的动态变化。短路故障期间，风机有功功率与风机并网电压满足关系式：
[0038][0039]
其中，pw为风机输出有功功率，k
iq
为风机无功电流调节系数，ki为一常数，通常取为1.05，u
gpu
为短路故障期间风机并网电压。
[0040]
所述计及低压穿越控制的风机有功功率的变化曲线如图3所示，稳态时风机的有功功率为p
sw
，t0时刻发生短路故障后风机进入低穿区，此时风机有功功率下降为pw。t
p
时刻短路故障清除，风机的有功功率以一定变化速率恢复到稳态值，即为恢复区。
[0041]
所述短路故障期间系统有功功率的变化量δps为：
[0042][0043]
其中，δpg为短路故障期间同步机的有功功率变化量，p
sw
为风机的额定有功功率，p
wi
为第i台风机在短路故障期间输出的有功功率，m为风机的台数。
[0044]
所述短路故障期间系统惯量阻尼发挥作用时系统频率变化曲线的时域表达式为：
[0045][0046]
其中，f0为系统频率额定值，hs、ds分别为系统惯性时间常数、系统阻尼参数，t0为
故障开始时间。
[0047]
在惯量响应阶段系统频率不断升高直至故障切除。故障切除后同步机的电磁功率迅速恢复，同时风机的有功功率也以一定速率恢复，当系统的有功功率差额为零时，根据式(4)可分析得到此时频率的变化率为零，频率达到峰值。因此，若忽略风机的有功功率恢复时间，则故障切除时刻对应的频率即为系统频率的最大值。
[0048]
步骤300：对加入虚拟惯量阻尼控制后的系统频率动态特性进行量化分析，具体包括：
[0049]
在短路故障期间虚拟惯量和虚拟阻尼控制发挥作用时，储能输出有功功率p
ess
满足下式。
[0050][0051]
其中，f
pll
为锁相环测得频率。
[0052]
所述锁相环测得频率与系统频率相等，即假设锁相环能够准确测得实时系统频率变化情况。
[0053]
所述加入虚拟惯量阻尼控制后的系统频率动态特性通过未加设储能的系统频率变化特性曲线及储能输出有功与虚拟惯量、虚拟阻尼参数的关系式获得。加入储能后，故障期间系统的频率变化曲线满足下式。
[0054][0055]
对上式进行求导，得到加入储能后的初始频率变化率：
[0056][0057]
通过以上分析可以发现，在加入储能后，系统的等效惯性时间常数h
s1
和等效阻尼参数h
d1
增加，即：
[0058][0059]
在加入储能后，系统的等效惯性时间常数和等效阻尼参数增加，因此加入储能系统能够使得风机参与系统频率的惯量响应调节。
[0060]
步骤400：根据频率响应指标对控制参数进行配置，具体包括：
[0061]
确定系统频率响应指标，所述系统频率响应指标包括系统频率最值及频率初始变化率。由于风机的低惯量低阻尼特性，高风电渗透率电网会恶化系统频率稳定性，甚至会由于频率偏差过大，而使风机脱网。因此根据风机并网导则，最大频率偏差δf
max0
设置为1.5hz，系统频率初始变化率rocof设置为0.5hz/s。
[0062]
所述控制参数包括虚拟惯量参数和虚拟阻尼参数。
[0063]
根据频率响应指标，调整虚拟惯量参数和虚拟阻尼参数，使得频率最大值和初始频率变化率满足频率指标要求，从而确定虚拟惯量参数和虚拟阻尼参数的最小值。
[0064][0065]
步骤500：考虑低压穿越及系统频率限制，量化分析风电送出系统所需储能容量，具体包括：
[0066]
根据储能输出有功功率与虚拟惯量阻尼参数和系统频率之间的关系式，确定储能输出的有功功率。在系统频率变化曲线和虚拟惯量、虚拟阻尼参数已知的情况下，且忽略风速波动等影响，可求得储能需求容量(标幺值)：
[0067][0068]
考虑储能系统的低电压穿越控制，计算储能并网电压跌落到不同程度时储能输出的有功功率，更新储能容量评估值。储能的低电压穿越控制会使得储能无法输出其额定功率，因此系统发生短路故障时，系统所需的储能容量评估不仅需要计及系统频率限制，还需计及储能的低电压穿越控制。计及储能系统的低压穿越控制，可求得短路故障期间储能输出有功功率(标幺值)为：
[0069][0070]
其中，u
epu
为储能并网电压的标幺值，k
ie
为储能的无功电流调节系数，k为一常数，通常取为1.0，p
en
为储能输出有功功率的额定值(标幺值)，此处取为1。
[0071]
因此计及储能系统的低压穿越，考虑频率支撑需求和低压穿越控制的储能容量p
ess
：
[0072][0073]
因此当考虑低压穿越控制时，系统所需的储能容量会逐渐增大，甚至可能会高于目前的储能配备指标大小。
[0074]
本发明采用实施例1，验证本方法的效果：
[0075]
图4为本发明实施例1的含风储的单机系统结构图，其中风机功率为2pu；同步机功
率为1pu；负荷功率为3pu；同步机的惯量时间常数为1，阻尼参数为1，锁相环微分参数为20,锁相环比例参数为50。
[0076]
为验证故障期间系统频率理论推导的合理性，图5为系统频率仿真曲线和理论曲线对比图。由图5可以看出，故障期间系统频率的理论值与仿真值大致相同，且由于同步机和风机有功功率恢复需要一定的时间，频率未在故障切除时间达到最大值，而是在故障切除后的0.04s左右达到最大值，但由于故障恢复时间较短，且频率的最大值相差0.06hz，因此可以认为故障切除时系统频率达到最大值。
[0077]
图6为加入储能前后的系统频率曲线对比图，通过初始频率变化率和频率最大值的对比，可验证加入储能前后系统频率动态特性理论分析的正确性。
[0078]
在不加储能型虚拟惯量和虚拟阻尼控制时，分析风机电压跌落到不同深度时风机并网点的频率变化曲线，通过加设储能型虚拟惯量和虚拟阻尼控制，调节虚拟惯量和虚拟阻尼参数，使得风机并网点频率保持在安全范围内，计算出储能系统的功率容量，并通过时域仿真验证储能容量方法的正确性。
[0079]
图7(a)、图7(b)分别为风机并网点跌落到0.9pu、0.8pu时系统频率的变化曲线，与理论分析一致。
[0080]
图8(a)、图8(b)分别为风机并网点跌落到0.7pu时加入储能前后的系统频率的变化曲线及所需的储能输出有功功率的变化曲线，此时最高频率51.7hz，需要附加储能控制。此时虚拟惯量参数和虚拟阻尼参数均为0.25，储能出力0.1346，占比为6.73％，与理论分析基本一致。
[0081]
图9(a)、图9(b)分别为风机并网点跌落到0.5pu时加入储能前后的系统频率的变化曲线及所需的储能输出有功功率的变化曲线，此时最高频率为52.6hz，需要附加储能控制。由于储能容量最大值的限制，如果利用20％的储能，将虚拟惯量参数和虚拟阻尼参数分别调至1，可将最高频率降低至51.95hz，与理论分析基本一致。
[0082]
通过时域仿真分析可以发现，对于含直驱风机的单机系统，其在短路故障下所需配备的储能功率容量与理论计算值大致相同，验证了考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法的正确性。
[0083]
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。
[0084]
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。