一种面向二次调频的储能电站辅助电网调频方法

本发明属于电力系统储能频率控制方法，具体涉及一种面向二次调频的储能电站辅助电网调频方法。

背景技术：

1、频率是衡量电能质量的重要指标之一。对电网而言，系统的频率波动反应了电能供需的平衡状况，发电量大于负荷消耗，系统频率升高，负荷消耗大于发电量，系统频率降低。电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不利影响，所以必须保持频率在额定值50hz上下，且偏移不能超过一定范围。随着新能源发电机组大量的接入电网和具有冲击性负荷的增多，为了保证电网的安全经济运行，提高用户的用电质量，电网对机组的调频要求越来越高。目前，在中国各大区域电网中，大型水电与火电机组为主要的调频电源，通过不断地调整调频电源出力来响应系统频率变化，但是，它们各自具有一定的限制与不足，影响着电网频率的安全与品质。现有调频容量不足的问题突显，亟需新的调频手段的出现。

2、储能技术被国内外专家一致认为是实现光伏、风电等大规模可再生新能源并网的关键技术环节，由于目前对电化学储能的研究尚未完全成熟，尤其是其控制策略和技术需要进一步研究，才能够有效解决大规模可再生能源并入大电网面临的诸多问题。先进的储能技术可以提高可再生能源的利用率，有效改善弃光、弃风现象，同时新能源并网系统的稳定性和可控性将进一步改善。电池储能电站是将大规模的电池组通过系统集成后所形成的，能够接纳也能够输出电能，其容量越大，平抑大规模新能源波动的能力将会越强，分布结构和可再生能源属于并联，可以共同接入电网同步运行，其特点主要有稳定性、高效性、准确性。

3、相较于传统火电机组，电池储能系统具有快速响应、精确跟踪的特点，但其出力受soc影响。电池储能二次调频对储能电池在容量、功率和出力控制上都有着更高的要求。虽然大规模储能电池发展十分迅速，但由于技术和成本等因素的限制，目前储能电池还不能完全替代常规调频电源，在现有研究以及示范工程中储能电池是以一种辅助调频的手段参与二次调频，改善电力系统某方面的调频效果。

4、国内目前已有研究多数是关注arr信号的分配问题，将电池储能系统和常规机组同等对待，这种分配方式缺乏对电池储能特性更深入的探讨。国内已见基于ace控制信号研究各个储能单元的功率分配的问题，其考量方式多数为将各个储能单元的soc调整至趋于一致。对于arr控制信号和ace控制信号相结合的控制方式相结合，在控制环节根据系统的状态切换的研究相对较少，因此考虑双重控制信号，优化储能电站的二次调频控制环节，对完善储能电站和常规机组的协调配合，提升调频效果具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种面向二次调频的储能电站辅助电网调频方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种面向二次调频的储能电站辅助电网调频方法，包括以下步骤：

4、步骤1：实时获取并更新ace信号和arr信号，设定ace死区限制；

5、步骤2：判断ace信号是否在死区内，若是，则电池储能系统进行soc自适应调整，反之电池储能参与二次调频，获取电池储能系统的soc和系统频率偏移δf并划分soc和系统频率偏移δf的区域，建立模式切换判据表，根据模式切换判据表确定采用ace控制方式还是采用arr控制方式调整电网频率，并分别求得ace控制方式和arr控制方式下电池储能系统的出力；

6、步骤3：根据所述ace控制方式和arr控制方式下电池储能系统的出力，建立电池储能单元群最大效率充放电模型，构建以功率损耗最小为目标的目标函数；

7、步骤4：利用混沌生物免疫算法求解目标函数得到电池储能系统中各个储能单元的出力，以调整电网频率。

8、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

9、进一步地，步骤2中，所述建立模式切换判据表具体为：

10、将soc分为过充区、放电优先劣化区、良好区、充电优先劣化区和过放区；将系统频率偏移δf分为频率过减区fa、频率减少区fb、调频死区fc、频率增长区fd和频率过增区fe，根据ace控制方式和arr控制方式的特点，同时考虑到在电网频率频移较大和储能电站调频容量不足的情况下储能电站无法承担调频任务，确定不同的soc和系统频率偏移δf对应的控制方式，建立模式切换判据表。

11、进一步地，步骤2中，所述ace控制方式具体如下：

12、在ace控制方式下，ace控制信号通过电网调度中心频率控制软件采集电网的频率、联络线潮流和系统电时钟差计算得到，基于区域控制偏差的电网调频模型，得到电池储能传递函数ge(s)和常规火电机组传递函数gn(s)：

13、

14、

15、式中，te为电池储能的调速器时间常数，trh为再热器时间常数，fhp为再热器增益，tn为常规机组的调速器常数，tch为汽轮机时间常数，s为复频率；

16、计算常规火电机组一次调频的出力δpⅰ(s)、常规火电机组二次调频的出力δpⅱ(s)、及ace控制方式下电池储能系统的出力δpe(s)：

17、δpⅰ(s)＝-ks·gn(s)·δf(s)

18、δpⅱ(s)＝λ·(1-η)(kp+ki/s)·gn(s)·δf(s)

19、δpe(s)＝λ·η·ge(s)·δf(s)

20、式中，ks为常规火电机组的单位调节功率；λ、kp和ki分别为系统pi控制器的频率偏差系数、比例控制器系数和积分控制器系数；η和(1-η)分别为电池储能的权重因子和常规火电的权重因子；δf(s)为系统频率偏移的传递函数；

21、系统频率偏移的传递函数δf(s)计算公式如下：

22、

23、式中，m为电网惯性时间常数；d为负荷阻尼系数；结合上式进一步推导得到系统频率偏移和负荷扰动的关系式为：

24、

25、式中，δpl(s)为负荷扰动的复变函数。

26、进一步地，步骤2中，所述arr控制方式具体如下：

27、在arr控制方式下，ace信号通过pi控制器转换，再加以二次调频死区限制，形成arr信号，基于区域控制需求的电网调频模型，不计及死区环节和限幅环节得到常规火电机组一次调频的出力δpⅰ和常规火电机组二次调频的出力δpⅱ及arr控制方式下电池储能系统的出力δpe'：

28、δpⅰ(s)＝-ks·gn(s)·δf(s)

29、δpⅱ(s)＝λ·(1-η)(kp+ki/s)·gn(s)·δf(s)

30、δp′e(s)＝λ·η·(kp+ki/s)·ge(s)·δf(s)

31、结合式(1)、(2)和上式可得arr控制方式下系统频率偏差和负荷扰动的关系式为：

32、

33、式中，δpl(s)为负荷扰动的复变函数。

34、进一步地，步骤3具体为：

35、为降低pcs效率与输出功率的非线性程度，采用将pcs效率与输出功率的关系分段线性化表示，具体为：

36、

37、式中，μpcs为储能变流器的效率；a和b为分段线性化系数；p和pn为储能单元的输出功率和额定输出功率；

38、单个电池储能单元由串并联电池组构成，根据等效电池储能单元电路图，得到第i个电池储能单元的端口功率pi为：

39、pi＝(ui-iiri)ii

40、式中，ui、ri和ii分别为第i个电池储能单元的开路电压、内阻和充放电电流；

41、第i个电池储能单元的端口功率pi经过储能变流器得到交流侧输出功率，电池储能在充放电过程中功率受pcs效率影响具体如下：

42、

43、式中，pi,req为单个电池储能单元交流侧注入电网输出功率；和分别为第i个pcs的逆变效率和整流效率；preq>0表示电池储能处于放电状态，preq<0表示电池储能处于充电状态；

44、电池储能单元群最大效率充放电模型还需计及电池储能单元充放电的损耗，当电池储能工作在充电状态时，有功功率损耗为电池组内部功率与注入电网功率pi,req之差；当电池储能单元工作在放电状态时，有功功率损耗为来自电网的功率与储存到电池组内部功率之差，具体损耗如下：

45、

46、

47、式中，和分别为第i个电池储能单元的放电功率损耗和充电功率损耗；和分别为第i个电池储能单元的充电效率和放电效率；

48、建立以功率损耗最小为目标的目标函数，来实现电池储能单元群最大效率充放电，目标函数为：

49、

50、式中，n为电池储能系统中单个电池储能单元的个数；fi表征第i个电池储能单元的投切状态，fi＝1表示第i个电池储能单元参与调频，fi＝0表示第i个电池储能单元退出调频。

51、进一步地，步骤4具体为：

52、步骤4.1：输入所需电池储能系统的出力，将所述目标函数作为所述混沌生物免疫算法的亲和度评估函数；

53、步骤4.2：采用logistic映射产生e个混沌变量：

54、

55、式中，为第n+1次映射产生的混沌变量，n的初始值为0；δ为混沌算子；

56、利用混沌变量计算第n个抗体pn的空间位：

57、

58、其中抗体数n和映射次数n的取值相同；

59、重复上述过程，令n＝1,2,…,n-1，产生剩余的n-1个抗体，构建出包含n个抗体的初始种群，每个抗体对应电池储能系统中的一个储能单元；

60、步骤4.3：解空间变换；

61、群体中每个抗体包含2e个位置比特概率幅，利用线性变换，将这2e个位置比特概率幅由单位空间映射到优化问题的解空间；抗体的每个概率幅对应于解空间的一个优化变量，记抗体pn的第k个空间位为则相应的解空间变量分别为：

62、

63、

64、式中，gk和hk分别为向量的g轴和h轴的修正系数，其中表示放电功率，表示充电功率，最终求解出的解为该储能单元的出力。

65、本发明的有益效果是：本发明采用双重控制信号，提升了常规机组二次调频剩余容量的利用率；来对电池储能系统的各个储能单元的出力进行控制，在避免电池过充和过放的基础上提升了电池储能单元的充放电效率；常规机组与电池储能系统的相互配合，使电池储能系统的soc始终保持在合理的范围内，有利于提升电池储能系统的寿命。