[發明專利]考慮電網調頻需求及動態頻率分散性的儲能系統配置方法

在審

• 申請號: 202111133245.8
• 申請日: 2021-09-27
• 公開（公告）號: CN113937797A
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 劉洪波;張崇;劉永發;吳欣閣;張書鈺;彭曉宇;孫同;包振懿
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: H02J3/28
• 分類號: H02J3/28;H02J3/24;H02J3/00;H02J15/00
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所 22102
• 代理人: 陳傳林

1.考慮電網調頻需求及動態頻率分散性的儲能系統配置方法，其特征是，它包括以下步驟：

1)儲能系統ESS并網逆變器控制方案的搭建：

模擬同步電機的外特性，使儲能系統ESS具備和同步機組相似的頻率調節特性，儲能系統ESS采用虛擬同步發電機控制方式，通過調整儲能系統ESS的有功出力，選擇性地為系統補充慣性、阻尼及一次調頻容量，在調速器中，模擬同步電機的轉子運動方程為：

式中：H_v為虛擬慣性時間常數，D_v為虛擬阻尼系數，ω為角速度，Δω為角速度偏差，δ為功角，P_E和P_T分別為系統等值同步機輸出的電磁功率和機械功率；

其中，下垂控制模擬同步電機的一次調頻特性，公式為：

P_ref＝K_v(f_ref-f_mea) (2)

式中：f_mea為儲能系統ESS并網點量測頻率，f_ref為系統穩態參考頻率，P_ref為儲能系統ESS功率參考值，K_v為虛擬調頻系數；

在勵磁器中，暫態調壓過程是通過同步電機的一階暫態電壓方程引入，公式如下：

式中：T’_d0為勵磁繞組的時間常數，E_qe為強制空載電動勢，E_q’為暫態電動勢，i_d為儲能系統ESS電流直軸分量，x_d和x’_d分別為直軸同步電抗和直軸暫態電抗；

同步電機的自動調節勵磁系統等值為一階慣性環節，以電壓偏差量作為啟動信號，公式如下：

式中：U_mea為儲能系統ESS并網接口電壓時測值，U_dref為并網接口直軸電壓參考值，T_e和K_e分別為勵磁器的等值時間常數和放大倍數，ΔU_f為勵磁電壓偏差量且與強制空載電動勢具備如下關系：

式中：x_ad為直軸電樞反應繞組電抗，r_f勵磁繞組電抗，K_f為勵磁比例系數；

綜上，得到端電壓偏差與空載電動勢偏差的關系為：

由此，搭建了儲能系統ESS的并網逆變器控制方案，其中：P_ESSmea為儲能系統ESS輸出功率，E_qe0為初始強制空載電動勢；

2)動態頻率分散性的影響及儲能系統ESS安裝位置的確定：

在保證不平衡功率大小相同的前提下，通過改變頻率測量點與擾動發生點的位置，獲取了系統頻率及調頻機組出力的量測數據；基于相關數據，明確了在系統不同時間尺度下，動態頻率的分散性的影響機制，由此根據系統的自身參數和調頻需求，對儲能系統ESS的配置地點進行確定，即當系統慣量充足或儲能系統ESS在慣量支撐階段提供的功率小于其在一次調頻后輸出的穩態功率時，儲能系統ESS選擇遠離系統功率波動集中的區域進行配置，以減小儲能系統ESS的裝配容量；當儲能系統ESS在慣量支撐階段提供的功率大于其在一次調頻后輸出的穩態功率時，為更好地兼顧系統不同區域的頻率響應需求，應將儲能系統ESS配置于功率波動頻繁且劇烈的區域；

3)系統初始頻率變化率與儲能系統ESS等效慣性的定義：

將系統產生不平衡功率后0到0.25s內頻率的平均變化率定義為初始頻率變化率ROCOF，并根據式(7)將初始頻率變化率ROCOF下，系統所表現的慣性定義為相對慣性H_ESS；

式中：f₀為初始頻率，ΔP_un為不平衡功率，df/dt為初始頻率變化率ROCOF，S_ESS為儲能系統ESS容量，S_sys0與H_sys0分別為系統初始的容量與等效慣性常數；

4)系統穩態恢復時間與儲能系統ESS振幅系數的定義：

將不平衡功率產生后到系統頻率波動小于1％的時間區間定義為穩態恢復時間T_rec；

將儲能系統ESS輸出功率最大值P_Emax和最小值P_Emin的差與其穩態輸出功率P_Esta的比值定義為振幅系數Z_amp，具體公式為：

5)儲能系統ESS的參數配置：

a.虛擬阻尼系數D_v的配置：

阻尼主要影響系統頻率和調頻機組出力的振蕩模式，決定了系統受擾后的穩態恢復時間；通過調整虛擬阻尼系數D_v得到在最大不平衡功率ΔP_unm下，儲能系統ESS出力及系統頻率響應波形，繼而刻畫不同功率波動與不同虛擬阻尼系數下的穩態恢復時間T_rec及振幅系數Z_amp的變化趨勢，由穩態恢復時間T_rec及振幅系數Z_amp的變化趨勢即可選取最有利于系統穩態恢復的虛擬阻尼系數D_v設定值；

b.虛擬慣性常數H_v的配置：

系統的慣性表現為阻礙頻率突變的能力，主要影響初始頻率變化率ROCOF以及調頻機組出力的平滑程度，通過調整虛擬慣性常數H_v可得到在最大不平衡功率ΔP_unm下，儲能系統ESS出力及系統頻率響應波形，結合不同功率波動與不同虛擬慣性常數下的穩態恢復時間T_rec及振幅系數Z_amp的變化趨勢，即可對虛擬慣性常數H_v和虛擬阻尼系數D_v對儲能系統ESS動態行為與頻率恢復過程的影響進行深入比較，實現儲能系統ESS并網逆變器控制中的虛擬慣性常數H_v和虛擬阻尼系數D_v的協調配置，以在減小初始頻率變化率ROCOF的同時抑制振蕩、促進穩態恢復；在此基礎上，通過刻畫儲能系統ESS在不同虛擬慣性常數H_v的取值下初始頻率變化率ROCOF關于不平衡功率ΔP_un的關系曲線實現虛擬慣性常數H_v的量化配置；

c.虛擬調頻系數K_v的配置：

由于功率波動位置以及虛擬慣性常數H_v和虛擬阻尼系數D_v的取值不會對儲能系統ESS的穩態出力與系統的一次調頻結果造成明顯影響，因此虛擬調頻系數K_v可以按照系統整體的穩態頻率偏差SSFD需求單獨配置，不必受限于初始頻率變化率ROCOF和地理位置等因素，通過調整虛擬調頻系數K_v的取值即可同比例實現儲能系統ESS在一次調頻過程中的不同調頻出力占比。