风电并网下储能参与电网一次调频控制策略.pdf
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1、 第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI:10.11985/2023.02.027 风电并网下储能参与电网一次调频控制策略*宋兴荣1 熊尚峰1 王德顺2 李 理1 胡安平2 陶以彬2(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院 长沙 410007;2.中国电力科学研究院有限公司 南京 210003)摘要:为进一步提高风电并网后电力系统运行的安全稳定性,提出一种针对风电波动性的新型储能参与电网调频控制策略。首先分析电力系统频率恢复不同阶段运行特性,并基
2、于此提出储能参与电网调频的改进虚拟惯性响应和虚拟下垂控制,用于平抑风电并网的波动性;以储能电池剩余电量及负荷扰动量作为双输入,采用模糊控制策略,推导出虚拟下垂系数与双输入之间的平滑曲线关系;利用负荷扰动时的变化率进行负荷预测,预测超短下一时刻的负荷变化情况,计及风电波动功率,优化虚拟惯性控制和虚拟下垂控制的出力系数,以达到最优化调频效果,并提出三项评价指标对控制策略进行评价。最后以某区域电网模型为例,在试验台中进行仿真验证分析。仿真结果显示所提控制策略能够有效改善风电并网波动性带来的电网扰动,且对维持储能电池 SOC(State of charge)具有积极意义。关键词:风电波动;负荷预测;模
3、糊控制;出力系数 中图分类号:TM712 Control Strategy of Energy Storage Participating in Primary Frequency Regulation with Wind Power Integration SONG Xingrong1 XIONG Shangfeng1 WANG Deshun2 LI Li1 HU Anping2 TAO Yibin2(1.State Grid Hunan Electric Power Company Limited Research Institute,Changsha 410007;2.China Ele
4、ctric Power Research Institute Co.,Ltd.,Nanjing 210003)Abstract:In order to further improve the security and stability of power system operation after wind power grid connected,a new strategy of energy storage participating in power grid frequency modulation control is proposed.Firstly,the operation
5、 characteristics of power system in different stages of frequency recovery are analyzed.Based on this,the improved virtual inertia response and virtual droop control of energy storage participating in power grid frequency regulation are proposed to stabilize the fluctuation of wind power grid connec
6、tion.Taking the remaining energy of energy storage battery and load disturbance as double input,the smooth curve relationship between virtual droop coefficient and double input is derived by using fuzzy control strategy.Using the change rate of load disturbance to predict the load change in the next
7、 ultra short time,considering the fluctuation power of wind power,the output coefficient of virtual inertia control and virtual droop control is optimized to achieve the optimal frequency modulation effect.Three evaluation indexes are proposed to evaluate the control strategy.Finally,taking a region
8、al power grid model as an example,the simulation verification analysis is carried out in the test bench.The simulation results show that the proposed control strategy can effectively improve the grid disturbance caused by the fluctuation of wind power integration,and has positive significance for ma
9、intaining the state of charge(SOC)of energy storage battery.Key words:Wind power fluctuation;load forecasting;fuzzy control;output coefficient *国网湖南省电力有限公司科技资助项目(XDKY-2022-01)。20211125 收到初稿,20220630 收到修改稿 月 2023 年 6 月 宋兴荣等:风电并网下储能参与电网一次调频控制策略 261 1 引言 随着煤炭等传统能源的匮乏和紧张,风能、太阳能等新能源的发展日益加快1-2。但是,大规模的风电并网
10、改变了原有电网系统的拓扑结构,电网的惯量大大降低,频率波动性升高,抗干扰能力逐渐下降,同时会带来一系列的安全隐患问题。在当前的矛盾下,迫切需要新的手段和控制策略辅助电网安全运行,弥补风电并网带来的不确定性。国外关于储能辅助电网的调频早有研究,国内也日渐关注并建立储能电站,这使得储能参与电网辅助调频控制策略成为当前研究热点3-4。关于储能参与一次调频,已有许多学者对此开展了研究。文献5从机理上对电力系统的惯性响应和下垂响应分析,利用电磁功率和机械功率的关系推导出了频率偏差和频率偏差变化率的关系及其影响因素。文献6分析同步发电机的工作特性,将储能视为虚拟同步发电机以模拟电力系统运行,提高系统的安全
11、运行特性。文献7分析传统火电机组的惯性响应和下垂控制,提出电力系统中可采用虚拟惯性控制和虚拟下垂控制,并对其可行性和有效性做出评估。文献8中的储能电池模拟同步机的惯性,有效地抑制了扰动引起的频率偏差变化率。储能的荷电状态(State of charge,SOC)代表了储能系统剩余能量的百分比,能够反映出储能系统当前的调频能力。最初的储能电池参与调频未考虑储能荷电状态在内,电池往往会被破坏,使用寿命较短。随后考虑储能 SOC 的控制策略日渐增多,不过仍以快速响应调频为目的,在系统稳定时刻考虑对储能电池充电,少有对储能 SOC 有具体的恢复控制策略,文献9提出了考虑储能 SOC 的一般调频控制策略
12、模型。文献10提出考虑 SOC 储能的自适应控制策略,兼顾储能出力及 SOC 的变化。同时,维持储能SOC 在合适的范围内,是有效利用储能电池参与调频的关键,也是延长储能电池寿命的关键因素。考虑到储能电池的容量有限,其 SOC 状态密切影响着调频效果和电池使用寿命,充分利用一定量的 SOC达到最好的调频效果,显得尤为重要。传统储能调频仅仅考虑到储能与 SOC 的关系,来确定出力情况,鲜有考虑频率偏差的恶化情况对于出力系数的影响。储能现有的调频策略一般有定 K 法、变 K 法和自适应控制法等。定 K 法以固定的 K 值对电网进行充放电,关联性较低,不能充分考虑电网侧和储能测的实际情况,容易导致电
13、网侧过调或缺调,储能测过充或缺充;变 K 法能考虑到 SOC 因素,但由于 K 值与 SOC 的关系较为单一,不能充分发挥储能调频的优势;一般自适应控制法进一步细化了 K值与 SOC 的关系,但其平滑度不够,自适应能力较弱,尚不能发挥出储能调频的优势10-12。根据以上分析,考虑恒风速和湍流风速两种不同运行条件,本文采用新型控制策略。依据储能特性设置人工死区,依据负荷扰动变化率对负荷进行超短时预判。以电力系统调频过程为基础,计及风电并网波动功率,综合采用虚拟惯性控制和虚拟下垂控制,优化各自分配系数,确定出力组合。最后以某区域电网为算例,在恒风速和湍流风速两种运行工况下对所提控制策略的有效性进行
14、了仿真 验证。2 含风储的区域电网调频特性分析 图 1 为风储并网拓扑图及电力系统调频过程中的三大部分,在 t0t1时间内,频率偏差变化率逐渐减小,而频率偏差逐渐增大至最大值;在 t1t2时间内,频率偏差值渐渐恢复,但与频率基准值仍有差距;在 t2t3时间内,频率偏差值继续恢复,且恢复速度较快,直至频率恢复至基准值。电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 262 图 1 风储并网及调频过程 考虑到风电波动性的出力特征、储能电池的容量有限、其 SOC 状态密切影响着调频效果和电池使用寿命,充分利用一定量的 SOC 达到最好的调频效果,显得尤为重要。本文将储能与电网的调频死区分离,设置储
15、能的死区为某一适当值,对负荷扰动进行预判。计及风电机组,采用虚拟惯性控制为主,虚拟下垂控制为辅的策略改善频率偏差的变化率,抑制频率偏差跌出电网调频死区。2.1 电力系统一次调频控制策略 2.1.1 虚拟惯性控制 虚拟惯性控制通过模拟同步发电机的惯性响应特性,给出适当的虚拟惯性系数,提高系统的动态稳定性,响应公式为 10011d()()dd()()d()JJf tttTTf ttPftfMtP=(1)式中,P1为虚拟惯性控制出力;M1为其出力系数;TJ为同步发电机的惯性时间常数;(t)为频率偏差变化率。显然,由式(1)的第三个公式可得出,当虚拟惯性出力一定时,M1越大,则系统对频率偏差变化率的包
16、容性越高。2.1.2 虚拟下垂控制 下垂响应是发电机组在惯性响应后,对电网频率变化所产生的自动调节特性,即为电网的一次调频特性。其做功出力为 20lPKf=|ddffff(2)alsKKK=00ff 式中,P2为虚拟下垂控制出力;Kl为出力系数;Ka为储能电池参与调频阶段的出力系数;Ks为储能电池恢复阶段的出力系数;f 为系统频率偏差。用储能SOC和负荷扰动PL作为模糊控制器的输入,虚拟下垂系数 K 为模糊控制器的输出。在将储能电池 SOC 作为模糊控制器的输入量时,可将SOC 在 0.150.95 设为正常值,低于 0.15 或高于0.95 为储能电池的非正常运行状态。依据此限定范围,控制经
17、验,计及负荷扰动情况,可得其模糊均集为设置为NB,NS,ZO,PS,PB,代表负大、负小、零、正小、正大,而作为虚拟下垂系数 K,由输入量和制定的模糊控制规则表的输出量共同决定,其模糊集为NB,NS,ZO,PS,PB,代表负大、负小、零、正小、正大,如表 1 所示。表 1 模糊控制规则 SOC P NB NS ZO PS PB NB NB NB NS ZO ZO NS NB NS ZO PS PS ZO NS NS ZO PS PS PS ZO ZO ZO PS PB PB ZO ZO PS PB PB 图 2 是依据面积中心(重心)法对输出的模糊集合清晰化。图 2 给定模糊规则下控制器输出
18、月 2023 年 6 月 宋兴荣等:风电并网下储能参与电网一次调频控制策略 263 2.2 SOC 恢复控制策略 储能电池的 SOC 恢复分为以下两种情况,正常SOC 恢复状况和非正常 SOC 恢复状况。在正常恢复状况时,有以下四种工作模态。(1)若 f 0 且 SOC0.5,以较大功率对储能电池进行充电,帮助电网恢复频率偏差。(2)若 f 0.5,以较大功率对储能电池进行充放电,帮助电网恢复频率偏差。(3)若 f 0 但 SOC0.5,储能 SOC 恢复需求较小,不需要过大的恢复功率支撑,以保护储能电池使用寿命,为保证电网频率有效下调,令储能以某一较小值充电。(4)若 f 0 但 SOC 0
19、,SOC 0.85;f 0,SOC 0.15),应充分利用现有条件及实际的符合扰动需求,对储能自恢复的功率系数给予新一轮的抑制,防止其过放或过充。因此,可得出在极端情况下储能自恢复功率的关系式如下13()max 1maxmax2maxSOC0.151SOC2 0.15SOC0.52215 SOC3 0.5SOC0.852 SOccPPPPPP=(4)综合以上正常状态的四种工作模态与非正常状态储能自恢复的功率关系式,结合两种状态下的储能 SOC 和负荷扰动变化,对储能自恢复功率进行修正,可得出如下关系式()max SOC0.15SOC0.85 arctan SOC 0.15SOC0.85EPPM
20、=0)及其变化率的大小和方向(的计算,依据 t0t0时刻 PL变化率求解),则可以在短时间t(t取相对小)内初步预知下一时刻 t0+负荷扰动及变化情况,依次迭代可得如下公式 (1)()()LLP tP ttt+=+(7)式中,(t)为 t 时刻的负荷扰动变化率;t取相对小。图 4 负荷变化趋势示意图 依据负荷扰动的变化情况对电池储能参与调频的两种方式进行工作模态划分,充分配置虚拟惯性控制和虚拟下垂控制的出力系数,优化两者的组合达到最优调频效果。当 PL的值较小或不够大,而(t)的值较大时,电池储能应该以虚拟惯性控制为主,以抑制(t)的进一步扩大为首要目的;当 PL的值较大而(t)较小或不够大时
21、,以虚拟下垂控制为主,电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 264 快速恢复频率偏差值至死区为首要目的。本文综合考虑风电波动性及储能出力的各方面限制条件,设置虚拟惯性和下垂的出力系数如下 0112ddElfPa Ma Kft=+(8)式中,n为配置系数的适应因子,一般可取值为10。图5为本文考虑风电功率后,储能系统参与辅助电网一次调频控制策略流程图。图 5 控制策略流程图 为了充分评估本文电池储能参与一次调频协调控制策略的控制效果和其对于储能电池SOC的保护作用,提出针对阶跃负荷扰动的调频评价指 标15-17分别为系统受到扰动后的频率偏差变化率、最大频率偏差值、一次调频最终差值以及
22、各自达到效果的对应时刻。依据这3个有效指标可判断储能参与一次调频的快速响应特性、调频能力。频率偏差变化率越缓和,最大频率偏差值越小,一次调频最终差值越小,则表明调频能力越强,响应速度越快18。4 算例分析 在IEEE 9节点系统上开展算例测试,将储能模型连接至系统当中的线路L3上,如图6所示。在图7所示的新能源储能试验台中搭建该电网仿真模型,储能电池容量为3 MWh,系统电气参数如表2所示。本算例的模糊设计规则参考第2.1节的模糊设计规则,虚拟下垂系数K具体模糊集参数设置如下:虚拟下垂系数K模糊集为NB,NS,ZO,PS,PB,代表负大、负小、零、正小、正大,其分别对应数值为0、0.2、0.4
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