一種儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求容量配置方法
【專利摘要】本發(fā)明的一種儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求容量配置方法，其特點是，包括高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求和儲能系統(tǒng)容量計算步驟，利用電池能量的雙向流動性，實時跟蹤頻率曲線保持在安全域內以應對高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求，阻止系統(tǒng)頻率偏離標準范圍，保障電力系統(tǒng)安全運行；并提出了儲能容量配置與儲能系統(tǒng)跟蹤頻率曲線控制比例系數(shù)KP之間的關系，為大規(guī)模儲能系統(tǒng)輔助電力系統(tǒng)調頻提供依據(jù)。具有方法科學，適用性強，效果佳等優(yōu)點。
【專利說明】
-種儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求容量配置方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及風力發(fā)電技術領域，是一種儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求 容量配置方法。
【背景技術】
[0002] 電力系統(tǒng)需要實時保持發(fā)電和負荷之間的供需平衡，必須將頻率維持在50化左 右，W保障電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠性。當系統(tǒng)供需平衡時，頻率維持在50化附近。當系統(tǒng)供需不匹 配時，需要不斷得對運兩者進行平衡。由于風電功率波動不確定性W及風機與系統(tǒng)頻率解 禪特性，大規(guī)模風電接入系統(tǒng)后頻率受到影響，增重系統(tǒng)的調控負擔，甚至會危及系統(tǒng)運行 安全，W致風電入網(wǎng)規(guī)模收到制約。然而風電、光伏等新型能源具有無污染、零排放、可再生 等優(yōu)勢，在全球范圍內高速發(fā)展應用，大規(guī)模風電并網(wǎng)運行將是一種發(fā)展趨勢。但在高風電 滲透率電力系統(tǒng)或者含有風電的孤立電網(wǎng)中，較強的風電功率波動將打破系統(tǒng)有功功率和 負荷之間的平衡，引起頻率偏移，甚至頻率越限。近年來我國因大規(guī)模風電并網(wǎng)而造成的頻 率驟降也時有發(fā)生。
[0003] 目前電網(wǎng)調頻大多是通過控制發(fā)電機輸出功率的增減來實現(xiàn)的。而發(fā)電機響應速 度慢、爬坡速率低容易導致:一、不能快速跟蹤調度目標，因而無法提供區(qū)域控制誤差校正。 二、無法快速改變方向，W致有時會反向調節(jié)，增加區(qū)域控制誤差。隨著新能源發(fā)電接入的 比例逐漸增大，并考慮到其間歇性、波動性等特性，電網(wǎng)調頻容量不足的問題逐漸凸顯。儲 能系統(tǒng)作為參與電力系統(tǒng)運行與控制的新元素，因其準確、快速的功率響應能力，被認為是 輔助提高電網(wǎng)風電接納規(guī)模的有效手段。針對高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求，提出利用 儲能系統(tǒng)實時跟蹤頻率曲線輔助電力系統(tǒng)調頻的控制策略，研究了儲能容量配置與儲能系 統(tǒng)跟蹤頻率曲線控制比例系數(shù)時之間的關系，提高了既有電網(wǎng)的風電接納能力及系統(tǒng)運行 安全性，促進儲能在提高電網(wǎng)調頻能力中的應用。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，從高風電滲透率系統(tǒng)調頻問題出發(fā)，提出了應對 電力系統(tǒng)調頻需求的儲能系統(tǒng)容量配置方法，該方法通過實時監(jiān)測電力系統(tǒng)頻率值，利用 電池能量的雙向流動性，阻止系統(tǒng)頻率偏離標準范圍，保障電力系統(tǒng)安全運行。
[0005] 解決其技術問題采用的方案是，一種儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求容 量配置方法，其特征是，它包括W下步驟：
[0006] 1)高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求
[0007] 首先利用電力系統(tǒng)分析綜合程序（Power SystemAnalysis Software Package， PSASP)仿真分析高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求;PSASP中的用戶程序接口化ser Program Interface，UPI)實現(xiàn)用戶自定義模型，通過調用.dll文件實現(xiàn)用戶的自定義功能;PSASP在 暫態(tài)計算中只能注入電流實部和電流虛部，通過注入電流與該節(jié)點的電壓作用來實現(xiàn)功率 的注入;設P、Q為要注入的風電功率有功、無功大小，Ur和化分別為注入節(jié)點電壓的實部和 虛部大小，Ir和li分別表示注入該節(jié)點電流實部、虛部大小，則視在功率S為 [000引 S = UXI*=(Ur+jUi)X(Ir-jIi) (1)
[0009] 展開得到：
[0010] UrIr+UiIi = P (2)
[0011] U 山-UrIi = Q (3)
[0012] 解上述方程組得到：
[0015] 因此，通過將風電功率變化的值轉化為實部電流和虛部電流注入到風電功率波動 節(jié)點上;在恒阻抗發(fā)電機模型中，節(jié)點功率的波動勢必會導致機組出力的變化，通過注入風 電功率波動值ΔΡ和風電的額定功率P來合成等效風電功率的實時波動，因此，需要將風力 發(fā)電機改為恒功率模型進行仿真，PSASP中提供了負荷的靜態(tài)模型，將風力發(fā)電機等效為負 功率的負荷替代原有的風力發(fā)電機；
[0016] 在PSASP中進行暫態(tài)UPI計算時，仿真步長為0.001秒;進行仿真計算時，基于C++語 言編寫風電功率注入程序，由于風電數(shù)據(jù)為秒級數(shù)據(jù)，在整數(shù)秒時讀取風電功率并轉換為 實部電流和虛部電流注入到系統(tǒng)中，其余時刻根據(jù)其相鄰整數(shù)秒功率波動值，進行Ξ次樣 條插值處理，得到該時刻的風電功率波動值；
[0017] 2)儲能系統(tǒng)容量計算
[0018] 儲能系統(tǒng)進行頻率調節(jié)，是利用電池能量的雙向流動性，來阻止系統(tǒng)頻率偏離標 準范圍的調節(jié)方式；當電力系統(tǒng)中原動機功率或等效負荷發(fā)生變化時，必然引起電力系統(tǒng) 頻率的變化，此時，儲能系統(tǒng)進行判斷，電網(wǎng)供電大于負荷需求，系統(tǒng)頻率上升超過50. mz 時，電池儲能系統(tǒng)W頻率偏差與比例控制系數(shù)Kp的乘積為充電功率值，從電網(wǎng)吸收電能，直 到系統(tǒng)頻率下降到50. mz內為止；電網(wǎng)供電小于負荷需求，系統(tǒng)頻率下降超過49.9化時，電 池儲能系統(tǒng)W頻率偏差與比例控制系數(shù)Kp的乘積為放電功率值，從電網(wǎng)釋放電能，直到系 統(tǒng)頻率上升到49.9化內為止；由此可知，儲能系統(tǒng)比例控制系數(shù)Kp取值直接關系到控制策 略的效果；
[0019] 已知系統(tǒng)頻率實測曲線與儲能系統(tǒng)動作整定值，假設儲能系統(tǒng)充放電效率分別為 richarge、ridischarge，計算出各個時段儲能系統(tǒng)的充放電能重，如式(6);
[0020]
(6)
[0021] 式中，ti表示儲能系統(tǒng)的充放電起始時刻，t2表示儲能系統(tǒng)的充放電結束時刻， 扣SS.ref(t)表示儲能系統(tǒng)的充放電參考功率，假設儲能系統(tǒng)初始能量為Eo,則充放電累積能 量計算式Wk如式(7);
[0022]
(7)
[0023] 則所需配置的儲能系統(tǒng)容量就是整個控制周期內儲能系統(tǒng)充放電累積能量最大 值Wmax與最小值Wmin的差值;利用大規(guī)模儲能應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求，改善系統(tǒng)頻 率的動態(tài)過程中，在整個運行周期內需要對儲能系統(tǒng)進行充放電控制，對其充放電能量進 行累加即可得到對應控制策略的儲能系統(tǒng)最大、最小能量需求，為滿足對應控制目標，所需 的儲能系統(tǒng)容量配置必須覆蓋最大、最小能量需求，因而取最大、最小能量的差值。
[0024] 本發(fā)明的一種儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求容量配置方法是針對高 風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求，提出的利用儲能系統(tǒng)實時跟蹤頻率曲線保持在安全域內W 應對高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求的控制策略，通過設定儲能容量配置與儲能系統(tǒng)跟蹤 頻率曲線控制比例系數(shù)Kp之間的關系，為大規(guī)模儲能系統(tǒng)輔助電力系統(tǒng)調頻提供依據(jù)，具 有方法科學，適用性強，效果佳等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0025] 圖1風電波動功率導入框圖；
[0026] 圖2儲能系統(tǒng)功率-頻率特性示意圖；
[0027] 圖3儲能系統(tǒng)動作框圖；
[0028] 圖4儲能系統(tǒng)容量配置示意圖；
[0029] 圖5風電功率波動曲線示意圖；
[0030] 圖6系統(tǒng)頻率變化曲線示意圖；
[0031 ]圖7不同Kp頻率動態(tài)曲線示意圖；
[0032] 圖8不同Kp儲能系統(tǒng)充放電曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明的一種儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求容量配置方法，包括W下 步驟：
[0034] 1)高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求
[00：35]首先利用電力系統(tǒng)分析綜合程序（Power SystemAnalysis Software Package， PSASP)仿真分析高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求。PSASP中的用戶程序接口化ser Program Interface,UPI)實現(xiàn)用戶自定義模型，通過調用.dll文件實現(xiàn)用戶的自定義功能。PSASP在 暫態(tài)計算中只能注入電流實部和電流虛部，通過注入電流與該節(jié)點的電壓作用來實現(xiàn)功率 的注入。設P、Q為要注入的風電功率有功、無功大小，Ur和化分別為注入節(jié)點電壓的實部和 虛部大小，Ir和Π 分別表示注入該節(jié)點電流實部、虛部大小，則視在功率S為
[0036] S = UXI*=(Ur+jUi)X(Ir-jIi) (1)
[0037] 展開得到：
[003引 UrIr+UiIi = P (2)
[0039] UiIr-UrIi = Q (3)
[0040] 解上述方程組得到：
[0043]因此，通過將風電功率變化的值轉化為實部電流和虛部電流注入到風電功率波動 節(jié)點上。在恒阻抗發(fā)電機模型中，節(jié)點功率的波動勢必會導致機組出力的變化，然而我們通 過注入風電功率波動值A P和風電的額定功率P來合成等效風電功率的實時波動，因此，需 要將風力發(fā)電機改為恒功率模型進行仿真，PSASP中提供了負荷的靜態(tài)模型，將風力發(fā)電機 等效為負功率的負荷替代原有的風力發(fā)電機。
[0044] 在PSASP中進行暫態(tài)UPI計算時，仿真步長為0.001秒。進行仿真計算時，基于C++語 言編寫風電功率注入程序，由于風電數(shù)據(jù)為秒級數(shù)據(jù)，在整數(shù)秒時讀取風電功率并轉換為 實部電流和虛部電流注入到系統(tǒng)中，其余時刻根據(jù)其相鄰整數(shù)秒功率波動值，進行Ξ次樣 條插值處理，得到該時刻的風電功率波動值，計算流程框圖如圖1所示。
[0045] 2)儲能系統(tǒng)容量計算
[0046] 圖2給出了儲能系統(tǒng)的功率-頻率靜態(tài)特性。儲能系統(tǒng)進行頻率調節(jié)，是利用電池 能量的雙向流動性，來阻止系統(tǒng)頻率偏離標準范圍的調節(jié)方式。當電力系統(tǒng)中原動機功率 或等效負荷發(fā)生變化時，必然引起電力系統(tǒng)頻率的變化，此時，儲能系統(tǒng)進行判斷，電網(wǎng)供 電大于負荷需求，系統(tǒng)頻率上升超過50.1HZ時，電池儲能系統(tǒng)W頻率偏差與比例控制系數(shù) Kp的乘積為充電功率值，從電網(wǎng)吸收電能，直到系統(tǒng)頻率下降到50.1HZ內為止;電網(wǎng)供電小 于負荷需求，系統(tǒng)頻率下降超過49.9HZ時，電池儲能系統(tǒng)W頻率偏差與比例控制系數(shù)Kp的 乘積為放電功率值，從電網(wǎng)釋放電能，直到系統(tǒng)頻率上升到49.9HZ內為止。由此可知，儲能 系統(tǒng)比例控制系數(shù)Kp取值直接關系到控制策略的效果。圖3給出了儲能系統(tǒng)動作框圖。
[0047] 已知系統(tǒng)頻率實測曲線與儲能系統(tǒng)動作整定值，假設儲能系統(tǒng)充放電效率分別為 ncharge、ridischarge，即可計算出各個時段儲能系統(tǒng)的充放電能量，如式(6 )。
[004引
C6)
[0049]式中，ti表示儲能系統(tǒng)的充放電起始時刻，t2表示儲能系統(tǒng)的充放電結束時刻， 扣SS.ref(t)表示儲能系統(tǒng)的充放電參考功率。假設儲能系統(tǒng)初始能量為Eo,則充放電累積能 量計算式Wk如式(7)。
[0化0]
(7)
[0051] 則所需配置的儲能系統(tǒng)容量就是整個控制周期內儲能系統(tǒng)充放電累積能量最大 值Wmax與最小值Wmin的差值。
[0052] 圖4給出了儲能系統(tǒng)的容量配置計算示意圖，其物理意義表述為，利用大規(guī)模儲能 應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求，改善系統(tǒng)頻率的動態(tài)過程中，在整個運行周期內需要對 儲能系統(tǒng)進行充放電控制，對其充放電能量進行累加即可得到對應控制策略的儲能系統(tǒng)最 大、最小能量需求。為滿足對應控制目標，所需的儲能系統(tǒng)容量配置必須覆蓋最大、最小能 量需求，因而取最大、最小能量的差值。
[0053] 下面利用附圖和實施例對本發(fā)明的儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需 求控制策略及容量配置方法作進一步說明。
[0054] 本實例基于PSASP仿真平臺，數(shù)據(jù)來源于東北電網(wǎng)2014年最大運行方式。通過擬合 得到未來高風電滲透率下系統(tǒng)風電功率波動值，注入到PSASP中，通過提出的儲能系統(tǒng)控制 策略改善系統(tǒng)頻率質量。忽略儲能系統(tǒng)充放電轉化效率，W集中式的形式與大規(guī)模風電廠 群接在同一母線上。仿真部分主要數(shù)據(jù)見表1。
[0化5] 表1
[0化6]
[0058] 在上述計算條件下，應用本發(fā)明對儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求 的控制及容量配置的結果如下：
[0059] 1.高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求
[0060] 首先利用PSASP仿真分析高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求。將要注入的風電有功 功率大小定義為P，風電無功功率大小定義為Q，取0。通過PSASP讀取注入節(jié)點電壓實部、虛 部為化及化，Ir和Π 分別注入該節(jié)點的電流實部及虛部大小，貝U
[0061] s = UX 1*= (Ur+jUi) X (Ir-jli) (1)
[0062] 展開得到：
[0063] UrIr+UiIi = P (2)
[0064] U 山-UrIi = Q (3)
[00化]解上述方程組得到：
[0068] 通過注入風電功率波動值Δ P和風電的額定功率P來合成等效風電功率的實時波 動，并將風力發(fā)電機等效為負功率的負荷替代原有的風力發(fā)電機。
[0069] 在PSASP中進行暫態(tài)UPI計算時，仿真步長為0.001秒。進行仿真計算時，基于C++語 言編寫風電功率注入程序，由于風電數(shù)據(jù)為秒級數(shù)據(jù)，在整數(shù)秒時讀取風電功率并轉換為 實部電流和虛部電流注入到系統(tǒng)中，其余時刻根據(jù)其相鄰整數(shù)秒功率波動值，進行Ξ次樣 條插值處理，得到該時刻的風電功率波動值，風電功率波動曲線如圖5所示。
[0070] 圖6給出了仿真結果系統(tǒng)頻率動態(tài)曲線，風電功率波動1944.4MW/min、-1685.9MW/ min系統(tǒng)頻率最值為50.1155監(jiān)和49.882HZ，達到本章提出的儲能系統(tǒng)控制策略動作整定 值。
[0071] 2.儲能系統(tǒng)容量計算
[0072] 各個時段儲能系統(tǒng)的充放電能量，如式(6)。
[0073]
(6)
[0074] 式中，richarge、ridischarge分別為儲能系統(tǒng)充放電效率。t康示儲能系統(tǒng)的充放電起始 時刻，t2表示儲能系統(tǒng)的充放電結束時刻，PESS.ref(t)表示儲能系統(tǒng)的充放電參考功率。假設 儲能系統(tǒng)初始能量為Eo,則充放電累積能量計算式Wk如式(7)。
[0075]
(7)
[0076] 則所需配置的儲能系統(tǒng)容量就是整個控制周期內儲能系統(tǒng)充放電累積能量最大 值Wmax與最小值Wmin的差值。
[0077] 圖7和圖8給出了不同Kp系統(tǒng)頻率動態(tài)曲線及儲能系統(tǒng)充放電曲線。表2給出了不 同Kp儲能系統(tǒng)充放電功率、動作時間、配置容量關系表，
[0078] 表 2
[0079]
[0080] 計算儲能系統(tǒng)充放電容量時忽略了儲能系統(tǒng)效率。不同比例系數(shù)Kp下，儲能系統(tǒng) 對系統(tǒng)頻率改善效果不同，Kp越大，頻率改善效果越好，儲能系統(tǒng)充放電功率及容量配置越 大。
[0081] 本發(fā)明實施例中的計算條件、圖例、表等僅用于對本發(fā)明作進一步的說明，并非窮 舉，并不構成對權利要求保護范圍的限定，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明實例獲得的啟示，不 經(jīng)過創(chuàng)造性勞動就能夠想到其它實質上等同的替代，均在本發(fā)明保護范圍內。
【主權項】
1. 一種儲能系統(tǒng)應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求容量配置方法，其特征是，它包括以 下步驟： 1) 高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求 首先利用電力系統(tǒng)分析綜合程序（Power System Analysis Software Package， PSASP)仿真分析高風電滲透率電力系統(tǒng)調頻需求;PSASP中的用戶程序接口（User Program InterfaCe，UPI)實現(xiàn)用戶自定義模型，通過調用.dll文件實現(xiàn)用戶的自定義功能;PSASP在 暫態(tài)計算中只能注入電流實部和電流虛部，通過注入電流與該節(jié)點的電壓作用來實現(xiàn)功率 的注入;設P、Q為要注入的風電功率有功、無功大小，Ur和Ui分別為注入節(jié)點電壓的實部和 虛部大小，Ir和Π分別表示注入該節(jié)點電流實部、虛部大小，則視在功率S為 S = UXI*=(Ur+jUi)X(lr-jIi) (1) 展開得到： UrIr+UiIi = P (2) UiIr-UrIi = Q (3) 解h.沭方稈組得到：因此，通過將風電功率變化的值轉化為實部電流和虛部電流注入到風電功率波動節(jié)點 上;在恒阻抗發(fā)電機模型中，節(jié)點功率的波動勢必會導致機組出力的變化，通過注入風電功 率波動值A P和風電的額定功率P來合成等效風電功率的實時波動，因此，需要將風力發(fā)電 機改為恒功率模型進行仿真，PSASP中提供了負荷的靜態(tài)模型，將風力發(fā)電機等效為負功率 的負荷替代原有的風力發(fā)電機； 在PSASP中進行暫態(tài)UPI計算時，仿真步長為0.001秒;進行仿真計算時，基于C++語言編 寫風電功率注入程序，由于風電數(shù)據(jù)為秒級數(shù)據(jù)，在整數(shù)秒時讀取風電功率并轉換為實部 電流和虛部電流注入到系統(tǒng)中，其余時刻根據(jù)其相鄰整數(shù)秒功率波動值，進行三次樣條插 值處理，得到該時刻的風電功率波動值； 2) 儲能系統(tǒng)容量計算 儲能系統(tǒng)進行頻率調節(jié)，是利用電池能量的雙向流動性，來阻止系統(tǒng)頻率偏離標準范 圍的調節(jié)方式；當電力系統(tǒng)中原動機功率或等效負荷發(fā)生變化時，必然引起電力系統(tǒng)頻率 的變化，此時，儲能系統(tǒng)進行判斷，電網(wǎng)供電大于負荷需求，系統(tǒng)頻率上升超過50.1Hz時，電 池儲能系統(tǒng)以頻率偏差與比例控制系數(shù)Κ Ρ的乘積為充電功率值，從電網(wǎng)吸收電能，直到系 統(tǒng)頻率下降到50.1Hz內為止；電網(wǎng)供電小于負荷需求，系統(tǒng)頻率下降超過49.9Hz時，電池儲 能系統(tǒng)以頻率偏差與比例控制系數(shù)Kp的乘積為放電功率值，從電網(wǎng)釋放電能，直到系統(tǒng)頻 率上升到49.9Hz內為止；由此可知，儲能系統(tǒng)比例控制系數(shù)Κ Ρ取值直接關系到控制策略的 效果； 已知系統(tǒng)頻率實測曲線與儲能系統(tǒng)動作整定值，假設儲能系統(tǒng)充放電效率分別為 ruarge3、ndisc^rge，計算出各個時段儲能系統(tǒng)的充放電能量，如式(6); (6) 式中，表示儲能系統(tǒng)的充放電起始時刻，t2表示儲能系統(tǒng)的充放電結束時刻，PESS. rrf (t)表示儲能系統(tǒng)的充放電參考功率，假設儲能系統(tǒng)初始能量為Eo,則充放電累積能量計算 式Wk如式(7);(7) 則所需配置的儲能系統(tǒng)容量就是整個控制周期內儲能系統(tǒng)充放電累積能量最大值Wmax 與最小值1^的差值;利用大規(guī)模儲能應對高風電滲透率系統(tǒng)調頻需求，改善系統(tǒng)頻率的動 態(tài)過程中，在整個運行周期內需要對儲能系統(tǒng)進行充放電控制，對其充放電能量進行累加 即可得到對應控制策略的儲能系統(tǒng)最大、最小能量需求，為滿足對應控制目標，所需的儲能 系統(tǒng)容量配置必須覆蓋最大、最小能量需求，因而取最大、最小能量的差值。
【文檔編號】H02J3/38GK105870973SQ201610424035
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】嚴干貴, 李軍徽, 馮凱翔, 王月, 宮宇
【申請人】東北電力大學