计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法技术

本发明专利技术计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法属于电力系统的技术领域；为解决“双高”背景下电力系统面临的频率控制难题，适时地加入储能设备进行高效的负荷频率控制以满足电网调频要求，提供了一种计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法，包括以下步骤：S1）分析负荷频率控制模型，S2）搭建混合储能联合LFC模型，S3）设计FOPID控制器并采用混沌粒子群优化整定其控制参数，S4）仿真分析验证；本发明专利技术所提出的控制策略在阶跃和连续负荷扰动工况下均展现出良好的动态性能，缩小频率偏差的同时缩短了恢复时间，及时恢复互联电力系统频率稳定。及时恢复互联电力系统频率稳定。及时恢复互联电力系统频率稳定。

【技术实现步骤摘要】
计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法


[0001]本专利技术计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法属于电力系统的


技术介绍

[0002]随着环境问题的恶化、一次能源的枯竭，传统电力系统无法快速适应“双碳”目标要求，因此高比例可再生能源和高比例电力电子设备正逐渐成为未来电力系统发展的趋势和特征，以风电、光伏为代表的新能源并网一方面降低了对环境的污染和对化石能源的依赖，另一方面改变了传统电网的结构，由此也对区域电网频率稳定性带来了新的挑战。
[0003]电网频率变化作为衡量电能质量的重要指标，对电力系统稳定安全运行具有重要意义，作为自动发电控制基本目的之一的负荷频率控制是实现电网频率稳定的重要手段。为弥补传统机组LFC不理想的问题，近年来以抽水蓄能、储能电池为代表的快速响应调频资源在辅助电网调频中得到了广泛的应用[4
‑
6]。文献[4]建立了计及非线性环节和调速器死区的两区域汽轮机组LFC模型，在此基础上提出了一种面向抽水蓄能电站区域负荷频率的分数阶PID控制策略，但并未对控制参数进行整定。也有提出将储能电池联合抽水蓄能电站共同参与电网二次调频，各类调频资源优势互补以充分发挥调频潜力。
[0004]混合储能系统，是指将两种或以上性能互补的储能系统组合使用，是解决目前单一储能技术经济性不足的有效途径，我们通常将储能设备通常分为以各类储能电池为代表的能量型储能和以超级电容、飞轮为代表的功率型储能，前者容量大但储能寿命短，后者功率密度大、储能寿命长但能量密度偏低，通过对上述两类储能资源在技术特性上的互补性加以利用，在平抑风电波动性的同时可以灵活、高质量的为电网提供调频辅助服务。目前对于HESS辅助电网调频已经有了初步成果，提出了一种由超级电容器和蓄电池构成的混合储能系统参与AGC的控制策略，随后为了平抑风电出力波动，风电混合储能系统也被提出。有研究提出建立以平均成本最小为目标的机会约束规划模型，合理配置超级电容和蓄电池的功率和容量。针对混合储能系统在电能传输和分配过程中传感器发生故障的问题，设计出积分滑模容错控制器对传感器进行主动容错控制。
[0005]综上所述，抽水蓄能和单一储能电池系统作为良好的调频资源受限于地理位置和高昂的成本，无法得到大规模的应用，将HESS引入到电网辅助调频过程弥补了上述问题的同时兼具良好的调频性能。然而，目前对于HESS的研究主要考虑阶跃扰动下LFC系统的联络线功率频率偏差，并未对实际风电场接入下HESS辅助电网调频时储能电池的出力和荷电状态变化情况进行分析。因此，为了有效平抑风电扰动情况下的频率偏差和联络线功率变化，解决因频繁的充放电引起寿命衰减问题，优化储能电池出力和SOC，对HESS辅助电网调频的控制方法有待进一步深入研究。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决“双高”背景下电力系统面临的频率控制难题，适时地加入储能设备
进行高效的负荷频率控制以满足电网调频要求，提供了一种计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法，包括以下步骤：
[0008]S1)分析负荷频率控制模型；
[0009]S2)搭建混合储能联合LFC模型；
[0010]S3)设计FOPID控制器并采用混沌粒子群优化整定其控制参数；
[0011]S4)仿真分析验证。
[0012]本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是：所提出的控制策略在阶跃和连续负荷扰动工况下均展现出良好的动态性能，缩小频率偏差的同时缩短了恢复时间，及时恢复互联电力系统频率稳定。
附图说明
[0013]下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明；
[0014]图1为考虑GRC的再热式汽轮机组模型图；
[0015]图2为储能电源传递函数模型图；
[0016]图3为超级电容器传递函数模型图；
[0017]图4为混合储能参与下的联合调频模型图；
[0018]图5为HESS参与二次调频的方法图；
[0019]图6为FOPID控制系统模型图；
[0020]图7为参数优化后控制器性能比较曲线图；
[0021]图8为阶跃扰动下频率偏差曲线图；
[0022]图9为阶跃扰动下联络线传输功率曲线图；
[0023]图10为风电场随机功率波动曲线图；
[0024]图11为计及风电扰动频率偏差曲线图；
[0025]图12为计及风电扰动联络线传输功率曲线图；
[0026]图13为不同系统下储能电池出力曲线图；
[0027]图14为不同系统下储能电池SOC变化曲线图。
具体实施方式
[0028]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术中的实施例，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]本专利技术计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法，包括以下步骤：
[0030]S1)分析负荷频率控制模型；
[0031]S2)搭建混合储能联合LFC模型；
[0032]S3)设计FOPID控制器并采用混沌粒子群优化整定其控制参数；
[0033]S4)仿真分析验证。
[0034]所述步骤S1)分析负荷频率控制模型包括：
[0035]S11)系统频率响应模型
[0036]AGC按计算区域控制误差(Area Control Error,ACE)的策略分为FFC(定频率控制)、FTC(恒定交换功率控制)和TBC(联络线频率偏差控制)三种模式，TBC模式即联络线频率偏差控制模式作为FFC和FTC两种模式的结合，可以高效地稳定互联电网频率偏差，如式(1)
‑
式(2)所示：
[0037]ACE
i
＝ΔP
tiei,j
+β
i
Δf
i
ꢀꢀ
(1)
[0038][0039]式中，ΔP
tiei,j
为区域i和区域j的联络线交换功率偏差；Δf
i
为系统频率偏差；β
i
为响应系数；R
i
和D
i
分别为调差系数和负荷阻尼系数；ACE
i
表示区域i的误差信号；
[0040]综上所述，采用TBC模式，将ACE
i
作为LFC控制器的输出反馈项以达到维持互联电力系统频率稳定的目的；
[0041]S12)LFC组成元件模型
[0042]搭建LFC(负荷频率控制)系统，对系统中的原动机、调速器、发电机—负荷以及联络线等组成部分进行建模，选择再热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法，其特征在于包括以下步骤：S1)分析负荷频率控制模型；S2)搭建混合储能联合LFC模型；S3)设计FOPID控制器并采用混沌粒子群优化整定其控制参数；S4)仿真分析验证。2.根据权利要求1所述的计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法，其特征在于，所述步骤S1)分析负荷频率控制模型包括：S11)系统频率响应模型AGC按计算区域控制误差的策略分为FFC、FTC和TBC三种模式，TBC模式即联络线频率偏差控制模式作为FFC和FTC两种模式的结合，可以高效地稳定互联电网频率偏差，如式(1)
‑
式(2)所示：ACE
i
＝ΔP
tiei,j
+β
i
Δf
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，ΔP
tiei,j
为区域i和区域j的联络线交换功率偏差；Δf
i
为系统频率偏差；β
i
为响应系数；R
i
和D
i
分别为调差系数和负荷阻尼系数；ACE
i
表示区域i的误差信号；综上所述，采用TBC模式，将ACE
i
作为LFC控制器的输出反馈项以达到维持互联电力系统频率稳定的目的；S12)LFC组成元件模型搭建LFC系统，对系统中的原动机、调速器、发电机—负荷以及联络线等组成部分进行建模，选择再热式汽轮机作为原动机，其模型如式模型如式(3)所示：式中，K
r
为蒸汽在高压气缸段产生功率的比例；T
r
为再热器时间系数；T
t
为汽室时间系数；s为拉普拉斯变换算子；发电机速率约束，是由给定的最大变化值去限制机组出力，搭建考虑GRC的再热式汽轮机组模型，限幅环节的限位器值设置为
±
0.0017p.u.MW/s；式(4)为汽轮机调速器的传递函数模型，为机组设置调速器死区可以减少电网因为频率波动而引起的调速器频繁动作，从而保护调速器，延长其使用寿命，目前电力系统中调速器死区一般小于1r/min(即
±
0.017Hz)，对其进行线性化处理，可得到设有死区的调速器模型，如式(5)所示：型，如式(5)所示：式中，T
g
为调速器时间常数，N1、N2为线性化系数；发电机—负荷模型描述的是互联电力系统中功率变化与频率变化之间的关系，如式(6)所示：
式中，ΔP
m
为发电机的输出功率；ΔP
i
为施加的负荷扰动；M
i
为发电机的惯性常数；D
i
为负荷阻尼系数；S13)联络线模型联络线模型常用于配合TBC进行二次调频。如式(1)
‑
式(2)。3.根据权利要求1所述的计及混合储能辅助电网负荷频率联合控制策略的建立方法，其特征在于，所述步骤S2)搭建混合储能联合LFC模型包括：S21)储能电池调频模型简化得到的储能电源传递函数模型，其数学模型的描述如式(7)
‑
式(12)所示：式(12)所示：式(12)所示：式(12)所示：式(12)所示：式(12)所示：式中，ACE
i
为输入的控制信号，选用ACE
i
，即区域i的误差信号作为控制信号，在电池内部将电流选作响应变量；ΔU
oc
、ΔU
serious
、ΔU
c
、ΔU
t
和ΔU
b
分别为电池的开路电压、内阻电压增量、连接阻抗电压增量、暂态电压增量和通过将上述增量叠加得到了电池端电压值；ΔI
b
为流经电池的电流；T
b
为电池一阶惯性环节时间常数；C0和C
p
分别为电池的初始容量和额定容量；R
series
为电池单体内阻；n为串联电池数；m为并联的子系统数；k为并联的储能单元数；R
c
为储能单元与PCS之间的连接阻抗；R
t
为过电压电阻；C
t
为过电压电容；ΔP
b
为储能电池有功功率实际输出值；开路电压U
oc
为SOC的函数，常用百分数表示，电池SOC表达式如下：式中，S(t)和S(t0)分别为储能电池在t时刻和初始t0时刻的SOC；C为电池额定容量；η
bat
为电池冲/放电效率，代表充放电循环中的内部耗散的电量，SOC∈[0.2,0.8]；S22)超级电容调频模型超级电容器最常用的等效方式是电阻和电容的并联电路，在考虑电容的初始电压的情
况下很难保证电容电压保持稳定，为了解决这个问题，可以通过引入电压反馈环使其保持稳定，其传递函数模型的数学模型的描述如式(14)
‑
式(16)所示：式(16)所示：ΔP
sc
＝(U
do
+ΔU
d
)ΔI
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)式中，ΔI
d
、ΔU
d
和ΔP
sc
分别为流经超级电容器电流、电压和有功功率实际输出值；T
C
为时间常数；K
CA
为控制信号ACE
i
增益系数；K
vd
为电压反馈环增益系数；R为等效电阻；C为等效电容；U
d0
为超级电容器的初始电压；S23)混合储能联合调频模型结合步骤S21)和S22)所提出的辅助调频模型，可得到混合储能参与下的联合调频模型如式(17)和式(18)所示：ΔP
m
‑
ΔP
i
+ΔP
hess
＝(M...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘可真，刘果，董敏，代莹皓，林铮，梁玉平，毛玉敏，李林耘，姚岳，何界东，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：