电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法

1.本发明属于智能电网储能运行与控制领域，具体涉及电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法。

背景技术：

2.由于传统化石能源会对环境造成污染，风电、光伏等新能源发电占比不断提高，但其受自然条件影响较大，出力具有波动性与随机性，对电网的稳定性带来挑战。随着储能技术的快速发展，将储能用于电源侧参与电网辅助调频服务被引起重视，通过利用储能响应时间短、能量密度高、配置灵活等特点改善电能质量。如何充分利用储能的优势参与电网一次调频，成为行业研究的热点。电池储能参与一次调频的控制策略主要包括虚拟惯性控制和虚拟下垂控制，二者各有其优势。虚拟惯性控制可减小频率偏差变化率，虚拟下垂控制可减小稳态频率偏差。

技术实现要素：

3.本发明目的在于提供电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，充分利用电池储能参与电网一次调频的优势，更好地协调电池储能参与一次调频的虚拟惯性控制和虚拟下垂控制，结合调频过程中虚拟下垂控制和虚拟惯性控制的自身优势，改善电网频率安全，延长储能电池使用寿命。
4.本发明所采用的技术方案是：电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，具体操作步骤如下：
5.步骤1：采集系统频率，判断频率偏差是否满足电池储能参与电网一次调频条件，即是否满足δf≥f
t
，式中f
t
为调频死区，根据调频过程中电网频率偏差与频率偏差变化率(如图2-3所示)的特点设计模糊逻辑控制器的模糊规则；
6.步骤2：将系统频率偏差以及频率偏差变化率限幅后作为模糊逻辑控制器的输入，所述模糊逻辑控制器的输出作为自适应虚拟下垂控制权重因子，并根据虚拟下垂控制的权重因子得到自适应虚拟惯性控制权重因子；
7.步骤3：将所述虚拟下垂控制权重因子和虚拟惯性控制权重因子分别叠加在虚拟下垂控制和虚拟惯性控制上，虚拟下垂控制和虚拟惯性控制的输出叠加后作为电池储能的参考功率值，经变流器控制后输出相应的功率；
8.步骤4：建立电池储能参与电网一次调频等效模型，将负荷变化曲线、电池储能惯性时间常数、系统惯性时间常数、负荷阻尼系数、火电机组的调速器时间常数、汽轮机时间常数、火电机组的下垂系数输入至所述等效模型中作为等效模型的系统参数；
9.步骤5：利用所建立的等效模型分别验证在阶跃负荷扰动下和连续负荷扰动下的调频效果，并于传统控制方法变k法进行对比，以证明所提方法的优越性。
10.本发明的特点还在于：
11.模糊逻辑控制器的输入和输出均采用三角隶属度函数，模糊逻辑控制器的输入分
别为频率偏差δf和频率偏差变化率dδf/dt，输入量以50hz为基准值标幺化处理，模糊逻辑控制器的输入论域取为[-0.005,0.005]。
[0012]
将输入变量δf和dδf/dt论域分为5个等级{nb,ns,z0,ps,pb}，
[0013]
其中，nb为负大，ns为负小，z0为零，ps为正小，pb为正大；
[0014]
输出论域分为5等级，论域为{z0,s,m,l,vl},
[0015]
其中，z0为零，s为小，m为中，l为大，vl为非常大；
[0016]
根据储能参与一次调频的理论分析和实践经验，设计了25条模糊规则，具体如表1所示。
[0017]
表1自适应控制模糊规则
[0018][0019][0020]
步骤1设计模糊逻辑控制器的模糊规则的具体推导过程如下：
[0021]
电池储能参与一次调频的控制策略主要包括虚拟惯性控制和虚拟下垂控制，二者各有其优势。虚拟惯性控制模拟同步发电机的惯性响应过程，可减小频率偏差变化率；虚拟下垂控制模拟同步发电机的下垂特性，可减小稳态频率偏差。
[0022]
虚拟下垂控制通过模拟同步发电机参与一次调频的下垂特性，该环节的有功功率增量如式(1)所示：
[0023]
δp
b1
＝-xkbδf
ꢀꢀ
(1)
[0024]
其中，δf为系统频率偏差；kb为下垂系数，其值越大，在相同频率偏差下，储能出力越大；如图4所示，x为自适应下垂因子，其大小满足0≤x≤1；
[0025]
虚拟下垂控制主要用于减小频率偏差，改善系统稳态性能，在系统发生负荷扰动后的不同阶段改变下垂因子可充分发挥虚拟下垂控制的优势。
[0026]
虚拟惯性控制通过模拟同步发电机的惯性响应过程，该过程中的有功功率增量为
[0027]
δp
b2
＝-ymbdδf/dt
ꢀꢀ
(2)
[0028]
式中，mb为惯性系数,且mb》0；y为自适应惯性因子，其大小满足-1≤y≤1，且x+|y|＝1。
[0029]
以δf《0，储能电池放电为例：当系统频率处于下降阶段时，此时y≥0且，储能电池采用正虚拟惯性控制增加出力，能有效抑制频率进一步恶化，改善扰动初期的动态性能。当系统频率处于恢复阶段时，若仍然采用正虚拟惯性控制策略储能处于充电状态，会阻碍频率的恢复。因此为加快频率恢复，在频率恢复阶段惯量因子y≤0，储能电池采用负虚拟惯性控制增加出力，缩短频率恢复时间。
[0030]
模糊逻辑控制器的模糊规则设计思路如下：当系统负荷增加时，在频率下降阶段，dδf/dt先增大后减小，δf逐渐增大。因此，在此阶段采用正虚拟惯性控制，惯性因子逐渐
减小，下垂因子逐渐增大，在频率下降初期抑制频率变化速率，在频率下降后期减小系统频率偏差。在频率恢复阶段，dδf/dt先增大后减小，δf逐渐减小至稳态值。在此阶段，惯性因子先增大后减小，下垂因子先减小后增加，加快频率恢复过程，发挥储能调频潜能。
[0031]
步骤2中，由于扰动发生瞬间频率变化率较大，可能出现超出采样电路测量范围的情况发生，因此需增加限幅环节。限幅环节可通过软件实现，若本次频率变化率采样值与上次频率变化率采样值的偏差大于设定的最大偏差值，则舍弃此次的采样。
[0032]
步骤3中，储能交流侧变流器采用前馈解耦的pq控制策略，通过坐标变换实现有功功率和无功功率的解耦控制，步骤3输出功率作为储能交流侧变流器的功率外环有功功率的参考值。
[0033]
步骤4中所建立的一次调频等效模型中的系统频率响应满足如下关系：
[0034]
(2h
eq
s+d
eq
)δf(s)＝δpg+δp
b-δp
l
ꢀꢀ
(3)
[0035]
式中，δpg为火电机组有功增量，δpb为电池储能有功增量，δp
l
为负荷变化，h
eq
为系统等效惯性时间常数，d
eq
为等效负荷阻尼系数。
[0036]
火电机组的频率响应表达式为
[0037][0038]
式中，rh为火电机组调差系数，t
gt
为调速器时间常数、f
hp
为汽轮机再热常数、t
rh
为再热时间常数、t
ch
为汽轮机时间常数。
[0039]
本发明的有益效果是：
[0040]
本发明提出的电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略，结合虚拟下垂控制和虚拟惯量控制的自身特点，使储能更好的参与电网一次调频。在频率响应初期，充分发挥虚拟惯性控制优势可抑制频率进一步恶化，减小系统最大频率偏差；在频率恢复阶段，应充分发挥虚拟下垂控制的优势，从而缩短频率恢复时间。由于频率偏差与频率偏差变化率之间并无确定的函数关系，采用模糊逻辑控制可降低控制系统的复杂度，并且储能出力更加平滑，延长了储能使用寿命。
[0041]
本发明所提控制策略考虑频率偏差和频率偏差变化率实现虚拟下垂因子自适应调节，避免了虚拟下垂控制和虚拟惯性控制切换时带来的频率波动，改善了系统的暂态性能。通过考虑调频过程中频率偏差变化率和频率偏差，利用模糊逻辑控制采用合适的自适应因子可减小系统频率偏差，改善系统性能。仿真结果表明，在储能参与一次调频方面，本发明所提出的基于模糊逻辑控制的自适应控制策略与传统方法相比在各种负荷扰动情况下有较好的稳定性和鲁棒性。
附图说明
[0042]
图1是本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略实现流程图；
[0043]
图2是本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略中模糊逻辑控制器输入δf隶属度函数；
[0044]
图3是本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略中模糊逻辑控制器输入dδf/dt隶属度函数；
[0045]
图4是本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略中模糊逻辑控制器输
出x隶属度函数；
[0046]
图5是本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略仿真验证时的阶跃负荷扰动变化曲线；
[0047]
图6是本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略仿真验证时阶跃负荷扰动下的系统频率；
[0048]
图7是本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略仿真验证时的连续负荷扰动变化曲线；
[0049]
图8是本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略仿真验证时连续负荷扰动下的系统频率；
[0050]
图9本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略自适应因子变化曲线。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0052]
本发明的电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，具体操作步骤如下：
[0053]
步骤1：采集系统频率，判断频率偏差是否满足电池储能参与电网一次调频条件，根据调频过程中电网频率偏差与频率偏差变化率的特点设计模糊逻辑控制器的模糊规则；
[0054]
步骤1设计模糊逻辑控制器的模糊规则的具体推导过程如下：
[0055]
电池储能参与一次调频的控制策略主要包括虚拟惯性控制和虚拟下垂控制，二者各有其优势。虚拟惯性控制模拟同步发电机的惯性响应过程，可减小频率偏差变化率；虚拟下垂控制模拟同步发电机的下垂特性，可减小稳态频率偏差。
[0056]
虚拟下垂控制通过模拟同步发电机参与一次调频的下垂特性，该环节的有功功率增量如式(1)所示：
[0057]
δp
b1
＝-xkbδf
ꢀꢀ
(1)
[0058]
其中，δf为系统频率偏差；kb为下垂系数，其值越大，在相同频率偏差下，储能出力越大；x为自适应下垂因子，其大小满足0≤x≤1。
[0059]
虚拟下垂控制主要用于减小频率偏差，改善系统稳态性能，在系统发生负荷扰动后的不同阶段改变下垂因子可充分发挥虚拟下垂控制的优势。
[0060]
虚拟惯性控制通过模拟同步发电机的惯性响应过程，该过程中的有功功率增量为
[0061]
δp
b2
＝-ymbdδf/dt
ꢀꢀ
(2)
[0062]
式中，mb为惯性系数,且mb》0；y为自适应惯性因子，其大小满足-1≤y≤1，且x+|y|＝1。
[0063]
以δf《0，储能电池放电为例：当系统频率处于下降阶段时，此时y≥0且，储能电池采用正虚拟惯性控制增加出力，能有效抑制频率进一步恶化，改善扰动初期的动态性能。当系统频率处于恢复阶段时，若仍然采用正虚拟惯性控制策略储能处于充电状态，会阻碍频率的恢复。因此为加快频率恢复，在频率恢复阶段惯量因子y≤0，储能电池采用负虚拟惯性控制增加出力，缩短频率恢复时间。
[0064]
模糊逻辑控制器的模糊规则设计思路如下：当系统负荷增加时，在频率下降阶段，dδf/dt先增大后减小，δf逐渐增大。因此，在此阶段采用正虚拟惯性控制，惯性因子逐渐减小，下垂因子逐渐增大，在频率下降初期抑制频率变化速率，在频率下降后期减小系统频
率偏差。在频率恢复阶段，dδf/dt先增大后减小，δf逐渐减小至稳态值。在此阶段，惯性因子先增大后减小，下垂因子先减小后增加，加快频率恢复过程，发挥储能调频潜能。
[0065]
模糊逻辑控制器的输入和输出均采用三角隶属度函数，模糊逻辑控制器的输入分别为频率偏差δf和频率偏差变化率dδf/dt，输入量以50hz为基准值标幺化处理，模糊逻辑控制器的输入论域取为[-0.005,0.005]。
[0066]
将输入变量δf和dδf/dt论域分为5个等级{nb,ns,z0,ps,pb}，
[0067]
其中，nb为负大，ns为负小，z0为零，ps为正小，pb为正大；
[0068]
输出论域分为5等级，论域为{z0,s,m,l,vl},
[0069]
其中，z0为零，s为小，m为中，l为大，vl为非常大；
[0070]
根据储能参与一次调频的理论分析和实践经验，设计了25条模糊规则，具体如表1所示。
[0071]
表1自适应控制模糊规则
[0072][0073]
步骤2：将系统频率偏差以及频率偏差变化率限幅后作为模糊逻辑控制器的输入，所述模糊逻辑控制器的输出作为自适应虚拟下垂控制权重因子，并根据虚拟下垂控制的权重因子得到自适应虚拟惯性控制权重因子；
[0074]
步骤3：将所述虚拟下垂控制权重因子和虚拟惯性控制权重因子分别叠加在虚拟下垂控制和虚拟惯性控制上，虚拟下垂控制和虚拟惯性控制的输出叠加后作为电池储能的参考功率值，经储能交流侧变流器控制后输出相应的功率；
[0075]
储能交流侧变流器采用前馈解耦的pq控制策略，通过坐标变换实现有功功率和无功功率的解耦控制，步骤3输出功率作为储能交流侧变流器的功率外环有功功率的参考值。
[0076]
步骤4：建立电池储能参与电网一次调频等效模型，将负荷变化曲线、电池储能惯性时间常数、系统惯性时间常数、负荷阻尼系数、火电机组的调速器时间常数、汽轮机时间常数、火电机组的下垂系数输入至所述等效模型中作为等效模型的系统参数；
[0077]
步骤4中所建立的一次调频等效模型中的系统频率响应满足如下关系：
[0078]
(2h
eq
s+d
eq
)δf(s)＝δpg+δp
b-δp
l
ꢀꢀ
(3)
[0079]
式中，δpg为火电机组有功增量，δpb为电池储能有功增量，δp
l
为负荷变化，h
eq
为系统等效惯性时间常数，d
eq
为等效负荷阻尼系数。
[0080]
火电机组的频率响应表达式为
[0081][0082]
式中，rh为火电机组调差系数，t
gt
为调速器时间常数、f
hp
为汽轮机再热常数、t
rh
为再热时间常数、t
ch
为汽轮机时间常数。
[0083]
步骤5：利用所建立的等效模型分别验证在阶跃负荷扰动下和连续负荷扰动下的调频效果，并于传统控制方法变k法进行对比，以证明所提方法的优越性
[0084]
如图5-6所示，是本发明电池储能参与电网一次调频的自适应控制策略仿真验证时的阶跃负荷扰动变化曲线和系统频率曲线，由此可以看出与变k法相比本策略可以减小最大频率偏差和加快系统频率的恢复。
[0085]
图1为本发明提出的自适应控制策略总体实现流程，f
t
为储能调频死区，本发明取为0.033hz，当满足调频条件时储能参与调频。以δf》0为例，在频率响应阶段，储能采用正虚拟惯量控制，此时惯性因子y＝1-x；在频率恢复阶段，储能采用负虚拟惯量控制，此时惯性因子y＝x-1。由式(1)和式(2)分别计算得到虚拟下垂控制和虚拟惯性控制的储能出力，将二者叠加后经过限幅环节得到储能总出力。当一次调频结束时，储能退出调频。
[0086]
实施例
[0087]
本发明在matlab/simulink软件中搭建了含火电、储能的区域电网调频仿真模型。储能采用集中布置的方式安装在火电厂出口，利用电力电子变流器接入系统。火电机组额定容量为600mw，电池储能额定参数取为1mw/500kw
·
h，额定频率为50hz。
[0088]
为验证本发明所提策略的有效性，在阶跃负荷典型扰动工况下进行仿真验证，并对比本发明所提方法与变k法(普通型)在此工况下的调频特性，如图5-6所示。由此可以看出与变k法相比本策略可以减小最大频率偏差和加快系统频率的恢复。为仿真对比连续负荷扰动下所提控制策略的调频特性，随机产生在-0.025pu～0.025pu范围内变化的负荷波动，并且设置为每10s变化一次，尽可能模拟实际情况下的负荷波动，如图7所示。图8为连续负荷扰动下的系统频率变化曲线，由仿真结果可知，本发明所提出的自适应控制策略与变k法相比在不同大小符合扰动下均可降低系统最大频率偏差，改善系统的暂态性能；在频率恢复阶段，可减小系统稳态频率偏差。图9为本发明所提方法中虚拟下垂因子x和虚拟惯性因子y在整个调频过程中的变化曲线，其由频率偏差变化率和频率偏差决定。在频率响应阶段，虚拟惯性因子y为正值，为虚拟正惯性控制，减小频率变化率；在频率恢复阶段，虚拟惯性因子y为负值，为虚拟负惯性控制，加快频率恢复。在一次调频整个过程中，虚拟下垂因子x恒大于等于0，以减小频率偏差。

技术特征：

1.电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，其特征在于，具体操作步骤如下：步骤1：采集系统频率，判断频率偏差是否满足电池储能参与电网一次调频条件，若满足储能参与调频，根据调频过程中电网频率偏差与频率偏差变化率的特点设计模糊逻辑控制器的模糊规则；步骤2：将系统频率偏差以及频率偏差变化率限幅后作为模糊逻辑控制器的输入，所述模糊逻辑控制器的输出作为自适应虚拟下垂控制权重因子，并根据虚拟下垂控制的权重因子得到自适应虚拟惯性控制权重因子；步骤3：将所述虚拟下垂控制权重因子和虚拟惯性控制权重因子分别叠加在虚拟下垂控制和虚拟惯性控制上，虚拟下垂控制和虚拟惯性控制的输出叠加后作为电池储能的参考功率值，经储能交流侧变流器控制后输出相应的功率；步骤4：建立电池储能参与电网一次调频等效模型，将负荷变化曲线、电池储能惯性时间常数、系统惯性时间常数、负荷阻尼系数、火电机组的调速器时间常数、汽轮机时间常数、火电机组的下垂系数输入至所述等效模型中作为等效模型的系统参数；步骤5：利用所建立的等效模型分别验证在阶跃负荷扰动下和连续负荷扰动下的调频效果，并与传统控制方法变k法进行对比，以证明所提方法的优越性。2.根据权利要求1所述的电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，其特征在于，步骤1所述电池储能参与电网一次调频条件为：频率偏差大于调频死区。3.根据权利要求1所述的电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，其特征在于，步骤1设计模糊逻辑控制器的模糊规则的具体方法为：模糊逻辑控制器的输入和输出均采用三角隶属度函数，模糊逻辑控制器的输入分别为频率偏差δf和频率偏差变化率dδf/dt，输入量以50hz为基准值标幺化处理，模糊逻辑控制器的输入论域取为[-0.005,0.005]；将输入变量δf和dδf/dt论域分为5个等级{nb,ns,z0,ps,pb}，其中，nb为负大，ns为负小，z0为零，ps为正小，pb为正大；输出论域分为5等级，论域为{z0,s,m,l,vl},其中，z0为零，s为小，m为中，l为大，vl为非常大；根据储能参与一次调频的理论分析和实践经验，设计了如下25条模糊规则：表1自适应控制模糊规则4.根据权利要求3所述的电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，其特征在于，步骤1设计模糊逻辑控制器的模糊规则的具体推导过程如下：虚拟下垂控制通过模拟同步发电机参与一次调频的下垂特性，该环节的有功功率增量
如式(1)所示：δp
b1
＝-xk
b
δf
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，δf为系统频率偏差；k
b
为下垂系数，其值越大，在相同频率偏差下，储能出力越大；x为自适应下垂因子，满足0≤x≤1；虚拟下垂控制主要用于减小频率偏差，改善系统稳态性能，在系统发生负荷扰动后的不同阶段改变下垂因子可充分发挥虚拟下垂控制的优势；虚拟惯性控制通过模拟同步发电机的惯性响应过程，该过程中的有功功率增量为：δp
b2
＝-ym
b dδf/dt
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，m
b
为惯性系数,且m
b
>0；y为自适应惯性因子，其大小满足-1≤y≤1，且x+|y|＝1；以δf<0，储能电池放电为例：当系统频率处于下降阶段时，此时y≥0且，储能电池采用正虚拟惯性控制增加出力，能有效抑制频率进一步恶化，改善扰动初期的动态性能；当系统频率处于恢复阶段时，若仍然采用正虚拟惯性控制策略储能处于充电状态，会阻碍频率的恢复；因此为加快频率恢复，在频率恢复阶段惯量因子y≤0，储能电池采用负虚拟惯性控制增加出力，缩短频率恢复时间；模糊逻辑控制器的模糊规则设计思路如下：当系统负荷增加时，在频率下降阶段，dδf/dt先增大后减小，δf逐渐增大，因此，在此阶段采用正虚拟惯性控制，惯性因子逐渐减小，下垂因子逐渐增大；在频率下降初期抑制频率变化速率，在频率下降后期减小系统频率偏差；在频率恢复阶段，dδf/dt先增大后减小，δf逐渐减小至稳态值，在此阶段，惯性因子先增大后减小，下垂因子先减小后增加，加快频率恢复过程，发挥储能调频潜能。5.根据权利要求1所述的电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，其特征在于，储能交流侧变流器采用前馈解耦的pq控制策略，通过坐标变换实现有功功率和无功功率的解耦控制，步骤3输出功率作为储能交流侧变流器的功率外环有功功率的参考值。6.根据权利要求1所述的电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，其特征在于，步骤4电池储能参与电网一次调频等效模型中系统频率响应需满足如下关系：(2h
eq
s+d
eq
)δf(s)＝δp
g
+δp
b-δp
l
ꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，δp
g
为火电机组有功增量，δp
b
为电池储能有功增量，δp
l
为负荷变化，h
eq
为系统等效惯性时间常数，d
eq
为等效负荷阻尼系数；火电机组的频率响应表达式为式中，r
h
为火电机组调差系数，t
gt
为调速器时间常数、f
hp
为汽轮机再热常数、t
rh
为再热时间常数、t
ch
为汽轮机时间常数。

技术总结

本发明公开了电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，提出一种基于模糊逻辑控制的自适应控制策略。通过建立电池储能参与电网一次调频等效模型，分析电池储能一次调频过程中电网频率偏差与频率偏差变化率的变化规律，合理分配调频过程中虚拟惯性控制和虚拟下垂控制所占权重，提出了基于模糊逻辑控制的自适应虚拟下垂控制和自适应虚拟惯性控制，仿真结果表明本发明所提方法与传统方法相比在阶跃负荷扰动下和连续负荷扰动下均具有优势。本发明提出的电池储能参与电网一次调频的自适应控制方法，有助于研究高比例可再生能源背景下电池储能参与电网一次调频问题，改善电网频率安全，延长储能电池使用寿命。延长储能电池使用寿命。延长储能电池使用寿命。