一种考虑运行经济成本和储能SOC一致性的双层AGC调频控制方法

摘要

本发明公开了考虑运行经济成本和储能SOC一致性的双层AGC调频控制方法，包括(1)构建火电机组调频运行成本函数；(2)构建储能调频运行成本函数；(3)制定区域控制层级的二次调频控制方法；(4)制定储能站层级的储能单元SOC一致性控制方法；(5)制定储能电池SOC管理方案；(6)构建调频性能评价指标；(7)搭建含储能电池的机组调频动态模型。本发明所提出的控制方法考虑了不同扰动工况对火储AGC调频责任分配方式的影响，充分发挥储能快速灵活响应的调频特性，在优化调频运行成本，提升调频性能，增加调频补偿收益的同时，有效提高了储能使用寿命和系统综合运行效率。

说明书

技术领域

本发明涉及储能调频控制方法，尤其涉及考虑运行经济成本和储能SOC一致性的双层 AGC调频控制方法。

背景技术

随着新能源发电规模越来越大，其发电间歇性、波动性甚至反调节性问题日益显著，迫切需要行之有效的技术方案来解决新能源大规模并网而带来的电网调频问题。常规火电机组一般规模较大，调频响应速度较慢，而机组频繁启停会造成能源浪费，对机组损害较大，任务的多重性也致使火电机组难以充分发挥调频功能。常规机组配备一定比例的储能系统，充分发挥储能系统的快速灵活调节特性，可以极大提高机组的调频性能，减少机组损耗，增加电网调频能力。目前，对火储联合调频控制方法的研究已成为该领域研究的热点。

在火储联合调频控制策略的研究中，X.Xie等学者介绍了北京石景山储能项目中采用的满功率补偿的控制策略，即由储能系统自动补偿机组实际出力与AGC指令之间的差额。然而这种满功率补偿的策略缺乏对储能电池电量的有效管理，容易造成储能系统无法长时间持续性参与调频，不利于调频效果的提升。同时，会缩短储能系统的置换周期，提高电厂的成本。陈丽娟等学者提出了以提升AGC调节精度和缩短AGC响应时间为目标的控制方法，并设计了储能电池荷电状态(State ofCharge,SOC)越限回归策略。但是这种SOC管理方法属于事后管理，并没有在储能参与正常调频中根据SOC调整储能出力，对储能SOC的调节效果有限。胡泽春等学者提出将区域控制偏差(Area Control Error，ACE)信号通过滤波的方式分解成低频和高频分量，并把低频分量分配给机组，把高频分量分配给储能系统。该方法虽然考虑了储能快速灵活调节的特性，但利用滤波器分解信号，会由于滤波后信号幅值衰减、移相、失真等影响而造成调频指令分配的不准确，不利于调频效果的改善。MANOJDATTA等学者提出了一种在电动汽车、光伏发电系统和储能系统间对ACE信号定比例分配的控制方法，虽然这种静态比例分配的方法简单易操作，但是没有充分考虑不同电源调频出力特性的差异，也忽视了不同负荷扰动工况对调频指令分配的影响，同时缺乏对储能SOC的有效管理。此外，现有研究多将储能系统视为单一个体参与调频，而对储能电站内各储能单元的协调控制研究较少，而在调频过程中储能单元间存在的差异(如SOC差异等)会降低调频效率，不利于系统的安全稳定运行。

发明内容

发明目的：本发明根据储能辅助机组联合调频控制研究现状与不足，考虑了不同扰动工况对火储AGC调频责任分配方式的影响，基于充分发挥储能快速灵活响应的调频特性、优化调频运行成本、提升调频性能、有效抑制储能SOC波动、提高储能电池的使用寿命和系统综合运行效率等目的，提出了一种考虑运行经济成本和储能SOC一致性的双层AGC调频控制方法。

技术方案：一种考虑运行经济成本和储能SOC一致性的双层AGC调频控制方法，包括如下步骤：

(1)构建火电机组调频运行成本函数；

(2)构建储能调频运行成本函数；

(3)基于步骤(1)和步骤(2)，构建储能机组联合调频运行成本函数，以储能机组联合调频运行成本函数最小化为优化目标，充分考虑不同调频电源的多技术特性，制定区域控制层级的二次调频控制方法；

(4)上层区域控制中心根据AGC调频需求及相应控制策略，在火电机组与储能系统间进行实时的调频责任动态优化分配，下层储能站在收到基于步骤(3)所分配的AGC调频指令后，制定储能站层级的储能单元SOC一致性控制方法；

(5)制定储能电池SOC管理方案；

(6)构建调频性能评价指标；

(7)搭建含储能电池的机组调频动态模型。

作为本发明进一步的方案，所述步骤(1)中火电机组调频运行成本包括煤耗成本、环境成本和磨损成本。

作为本发明进一步的方案，所述步骤(2)中储能调频运行成本包括运维成本和老化成本。

作为本发明进一步的方案，所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(31)建立基于功率变化速率的动态磨损系数；

(32)建立AGC调频控制目标函数；

(33)建立AGC调频控制约束条件。

作为本发明进一步的方案，所述AGC调频控制约束条件包括调频需求和调频两个维度。

作为本发明进一步的方案，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(41)建立储能电池单元动态模型；

(42)制定基于leader-follower多智能体一致性的储能系统协同控制算法。

作为本发明进一步的方案，所述步骤(5)的储能电池SOC管理方案包括：在负荷扰动变化缓慢的工况下且储能电池调频空闲状态时进行储能电池SOC微调管理，通过对储能电池进行合理地充放电，使其SOC逐渐恢复至参考值，能够在动态调频服务中以更好的状态投入到下一步调频运行中。

作为本发明进一步的方案，所述SOC管理具体实施步骤如下：

首先判断是否需要进行储能SOC的粗调管理，即储能电池SOC是否处于深充/深放范围储能电池SOC的上下限阈值分别为80％与20％，若处于超出上下限阈值的范围时，则储能电池暂停调频服务，优先进行储能SOC粗调管理，对储能电池进行恒功率充/放电；直到储能SOC 回归到正常范围，范围值设定为40％～60％；

若储能SOC处于正常范围内时，判断是否可以进行储能电池SOC的微调管理，即是否已达到调频指令变化速率及其加速度较小，且火电机组出力已基本达到指令要求的条件，即储能电池调频空闲状态，若满足则进入储能SOC微调管理阶段，在储能SOC微调管理阶段中，若储能SOC不在设定的范围内，设定范围为49％～51％，则对储能电池进行恒功率充/放电直到储能SOC回归到参考范围内，设定范围为49.9％～50.1％；储能SOC的微调管理优先级最低，即只要调频指令和火电机组出力不满足进入SOC微调管理的要求，或储能需要参与新的调频指令时，则暂停储能SOC微调管理，优先响应调频服务。

作为本发明进一步的方案，所述步骤(6)的评价指标包括阶跃负荷扰动下性能评价指标、连续负荷扰动下性能评价指标和调频补偿收益经济指标。

作为本发明进一步的方案，所述步骤(7)具体包括：

(71)构建储能电池仿真模型；

(72)构建配备储能的区域电网调频动态模型

有益效果：和现有技术相比，本发明考虑了不同扰动工况对火储AGC调频责任分配方式的影响，在机组调频运行成本中引入了基于功率变化速率的动态磨损系数，可以充分发挥储能快速灵活响应的调频特性；

在储能调频过程中对储能SOC进行动态管控，能有效抑制SOC波动，且充分利用储能空闲状态进行SOC微调，使其能自适应恢复至基准值；

在优化调频运行成本，提升调频性能的同时，实时调整储能单元间SOC差异，有效提高了储能电池的使用寿命和系统综合运行效率，应用价值和前景巨大。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为储能电池SOC控制流程图；

图3为考虑荷电状态的储能电池单元模型图；

图4为基于ARR信号的区域电网调频动态模型；

图5为频率偏差响应曲线；

图6为储能电池SOC变化曲线；

图7为有功出力变化曲线；

图8为储能电池组有功出力变化曲线；

图9为动态负荷扰动曲线；

图10为频率偏差响应曲线；

图11为储能电池SOC变化曲线；

图12为有功出力变化曲线；

图13为调频运行成本变化曲线；

图14为无荷电状态管理时SOC变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，一种考虑运行经济成本和储能SOC一致性的双层AGC调频控制方法，包括如下步骤：

(1)构建火电机组调频运行成本函数；

(2)构建储能调频运行成本函数；

(3)基于步骤(1)和步骤(2)，构建储能机组联合调频运行成本函数，以储能机组联合调频运行成本函数最小化为优化目标，充分考虑不同调频电源的多技术特性，制定区域控制层级的二次调频控制方法；

(4)上层区域控制中心根据AGC调频需求及相应控制策略，在火电机组与储能系统间进行实时的调频责任动态优化分配，下层储能站在收到基于步骤(3)所分配的AGC调频指令后，为了满足储能站内各组储能单元出力迅速实现目标功率的跟踪，同时保证各组储能单元 SOC的一致性，有效提高储能电池的使用寿命和系统综合运行效率，制定储能站层级的储能单元SOC一致性控制方法；

(5)为了实现储能电池能够可持续性地参与到AGC调频服务中，抑制各电池单元深充深放，延长储能电池使用寿命，提高调频可靠性，制定储能电池SOC管理方案；

(6)为了定量评价调频性能的优劣，能够更直观地反映调频效果、储能SOC管理情况及调频补偿收益优劣情况，构建调频性能评价指标；

(7)搭建含储能电池的机组调频动态模型。

具体的，所述步骤(1)包括：

(11)煤耗成本。火电机组由于调频出力而产生的煤耗成本如下式：

式中，C

(12)环境成本。火电机组参与调频时会产生温室气体的排放，从而带来处理发电排污的环境成本，其计算式如下：

式中，C

(13)磨损成本。火电机组调频时由于爬坡变换出力等会造成机组的磨损，其带来的磨损成本计算式建立如下：

式中，C

所述步骤(2)包括：

(21)运维成本。储能系统的运维成本主要是指系统设备在投产运行时所造成的成本，其中包含员工工资、设备检修费用以及相关设备的运行成本等。储能系统的运维成本计算式如下：

式中，C

(22)老化成本。储能电池的深充深放会加速电池的磨损及老化，其在参与调频时产生的老化成本计算式建立如下：

式中，C

进一步的，所述步骤(3)具体包括如下内容：

(31)建立基于功率变化速率的动态磨损系数。由于火电机组调频磨损成本主要源于机组爬坡变换出力，出力变化越快其带来的磨损成本越大。因此，为了有效描述火电机组调频磨损成本，本发明基于火电机组调频出力的功率变化速率，建立动态磨损系数如下：

m

式中，m

其中，k时刻火电机组调频功率变化速率的计算表达式如下：

式中，P

(32)建立AGC调频控制目标函数。对储能辅助火电机组进行AGC调频控制的本质就是将调度中心下发的AGC指令在火电机组与储能系统间进行合理的调频责任分配。在区域控制层级，为了保证在每个调节时刻实现调频功率分配的经济最优性，本发明以储能_机组联合调频运行成本函数最小化为优化目标，充分考虑不同调频电源的多技术特性，在多约束条件下利用改进粒子群算法进行实时求解，实现机组与储能间的调频责任动态优化分配。

建立k时刻区域控制层级调频控制的目标函数如下：

式中，C

(33)建立AGC调频控制约束条件。本发明从“调频需求”和“调频能力”两个方面，建立AGC调频控制约束条件。

对于“调频需求”来说，为了更好地发挥火、储调频特性，本发明设置火电机组和储能系统的调频指令均在其各自有功出力的能力范围内，使得其各自出力可以实时满足指令要求，因此火电机组和储能所承担的调频有功功率指令之和应当与这一刻总的AGC指令相等，即：

P

式中，P

对于“调频能力”来说，主要包括火电机组的爬坡率和负荷备用容量、储能充放电功率限制和荷电状态可变范围，即：

式中，v

更进一步的，所述步骤(4)中：

(41)建立储能电池单元动态模型。由于每组储能电池单元的功率调节惯性时间常数较小 (毫秒级)，而储能系统在响应AGC调频时的调节周期通常较长(数秒至数分钟)，因而在规模化储能系统动态调频模型中，考虑忽略各电池储能单元的惯性时间常数。由此可以得到储能电池单元的SOC与其充放电功率的关系式如下式所示：

式中，E

为简化计算，同时能更好地运用多智能体协同控制算法，这里引入比例系数λ，使其满足：

式中，S

在大规模储能系统中，每组储能单元的二阶动态特性可用下式表示：

式中，u

(42)制定基于leader-follower多智能体一致性的储能系统协同控制算法。大规模储能系统由多个具有二阶动态特性的储能电池单元组成，是一个多智能体系统，因此，本发明构建二阶领导跟随结构的多智能体系统，运用一致性协同控制算法来实现各组储能电池单元跟踪目标值出力，同时保证各组储能单元荷电状态保持一致。

在二阶领导跟随结构的多智能体系统理论中，主要运用了图论和矩阵论的知识。系统的网络结构可以通过图G＝(V,E)来表示，其中V＝{0,1,2,…,n}表示网络中n个跟随者节点与一个领导者节点(节点0)的集合，

当图G

即L＝D-A。

对于由储能站EMS层的领导智能体与各组储能电池单元跟随智能体组成的二阶领导跟随结构的多智能体系统，领导者的动态特性可表示为：

式中，S

为实现S

式中，N

对于闭环多智能体系统，其一致性协议可用如下矩阵形式表示：

式中，

多智能体储能系统若要实现协同一致，对于通信拓扑的要求是至少存在1条路径可以使储能站EMS层的信息传输到达任意一组储能电池单元，即要求通信拓扑是连通的。此外，多智能体协同控制算法还须满足其他收敛条件，如γ

所述步骤(5)具体包括：

(51)为了实现储能电池能够可持续性地参与到AGC调频服务中，本发明对储能站中各电池组进行荷电状态(SOC)的实时管理，抑制各电池单元深充深放，控制其SOC保持在参考值(本发明设定为50％)附近尽可能小的范围内，延长储能电池使用寿命，提高调频可靠性。

为了尽可能降低储能电池SOC管理对火储联合AGC调频性能的影响，本发明选择在负荷扰动变化缓慢的工况下且储能电池调频空闲状态时进行储能电池SOC微调管理。通过对储能电池进行合理地充放电，使其SOC逐渐恢复至参考值，能够在动态调频服务中以更好的状态投入到下一步调频运行中。

储能电池SOC管理具体实施策略为：首先判断是否需要进行储能SOC的粗调管理，即储能电池SOC是否处于深充/深放范围(本发明设定储能电池SOC的上下限阈值分别为80％与 20％)，若处于超出上下限阈值的范围时，则储能电池暂停调频服务，优先进行储能SOC粗调管理，对储能电池进行恒功率充/放电(设定其值为1/2*P

此外，为了避免因储能电池SOC变化而带来不必要的出力波动，对调频性能带来不利影响，本发明在实施储能电池SOC微调管理后，对于负荷扰动幅值较大、变化缓慢的工况，采用闭锁控制，即在调频优化控制时，在原有SOC基础上引入一个微小偏量，使得调频责任分配方式保持稳定，防止出现不必要的出力波动，保证系统调频性能的稳定。

储能电池SOC的实时管理程如图2所示。

所述步骤(6)具体包括：

(61)构建阶跃负荷扰动下性能评价指标。参照《并网发电厂运行管理实施细则》和《并网发电厂辅助服务管理实施细则》中的调频性能指标，结合频率调节过程性能评价方法，本发明提出阶跃负荷扰动下调频性能评价指标如表1所示，

表1阶跃扰动下调频性能指标

v为机组AGC调节速率；P

根据表1各项细化指标，定义阶跃扰动下综合调节性能指标K

式中，a

(62)构建连续负荷扰动下性能评价指标。为了能够更直观地反映调频效果及储能SOC 管理情况，综合考虑连续负荷扰动下调频特性，本发明引入2项细化指标如表2所示，σ

表2连续扰动下调频性能指标

根据表2中细化指标，定义连续负荷扰动下综合调节性能指标K

式中，γ、λ为权重系数。

(63)构建调频补偿收益经济指标。为了更好地反映调频补偿收益优劣情况，参照《江苏电力辅助服务(调频)市场交易规则》，本发明提出调频补偿收益经济指标如下：

F

式中，F

所述步骤(7)具体包括：

(71)构建储能电池仿真模型。对于每组储能电池单元，建立包含储能SOC的可用于研究储能辅助调频的仿真模型，如图3所示，K

(72)构建配备储能的区域电网调频动态模型。基于区域控制需求(AreaRegulation Requirement,ARR)信号分配模式，构建火电机组配备储能进行联合调频的区域电网调频动态模型，如图4所示，Δf为系统频率偏差；ΔP

区域控制偏差(Area Control Error,ACE)计算式为：

ACE＝ΔP

本发明在区域电网调频动态模型中选用了定频率调整方式，即不考虑互联电网联络线功率交换偏差，区域控制偏差为ACE＝B·Δf。

实施例

模型参数：

考虑火电机组和储能技术特性、出力特征、调频特性、经济性等，选取调频控制方法与模型的参数如下：

表3调频控制方法与仿真模型参数

利用Matlab/Simulink平台搭建仿真模型，在Matlab Function模块中建立基于改进PSO的火储联合AGC调频双层控制方法。设区域电网的装机容量为1000MW，且选取基准功率为 1000MW。六组储能电池单元的初始荷电状态分别为55％、50％、52％、45％、48％和53％。储能SOC的可变范围控制在10％～90％，每组储能单元额定功率为±5MW，每组储能单元额定容量为2.5MW·h，储能最佳荷电状态为50％，火电机组备用容量为40MW，爬坡率为额定功率的 3％/min。考虑运行经济成本和储能SOC一致性的双层AGC调频控制仿真结果

阶跃负荷扰动工况

选取扰动工况为：500s时在系统加入0.02p.u.的阶跃负荷扰动。表1所述指标相关参数设置如下：

表4阶跃扰动下调频性能指标参数

基于区域电网调频动态模型，将本发明方法与工程及现有研究中2种常见方法进行仿真对比。其中，方法1为差额补偿法，方法2为静态比例分配法(机组与储能的系数配比为7:3)。由于上述2种方法均不涉及储能SOC一致性控制，故在其仿真时将各储能单元联合视为一个储能系统整体，不考虑内部各单元的SOC调控，设定其储能系统初始SOC值为50％。仿真对比结果如图5-8和表5所示：

表5阶跃负荷扰动工况评价指标值

如图5所示，在500s时发生阶跃扰动后，采用本发明方法与方法1时的频率偏差明显小于方法2。需要说明的是，如图7、图8所示，在初始阶段(0～230s)采用本发明方法出现的频率偏差是在调节各储能单元SOC使其一致的过程中产生的，若各储能单元的初始SOC一致，则不会出现上述频率偏差。

图6反映了本发明方法下各储能单元SOC变化情况以及与方法1、方法2的对比结果，可以看到，经过230s左右，本发明方法下各储能单元的SOC趋于一致，与领导电池组保持相同。在 500s时发生阶跃扰动后，如图6和图7所示，本发明方法由于在扰动发生初期承担了最多的调频责任，且储能出力退出得更缓慢，故在500秒至600秒期间其储能SOC下跌最严重。而当其储能 SOC下跌至49％以下，本发明方法随即进入了储能SOC微调管理，储能电池恒功率充电，在600 秒至1400秒期间逐渐回调SOC，直至其恢复为50.06％。而其他两种方法因缺乏有效的储能SOC 管理，SOC均无法自行恢复至参考值附近。

图8反映了储能电池组有功出力变化过程，可以看到，在调节初期，各储能单元均尽最大可能充/放电，使其SOC跟随领导电池组趋于一致。当各储能单元SOC保持一致后，其出力跟随领导电池组保持相同，实现目标功率的跟踪。

如表5所示，在阶跃负荷扰动工况下，本发明方法的绝大多数细化指标值均为最高，其综合调节性能最优。

连续负荷扰动工况

根据数据统计，实际工程中有80％左右的AGC指令值在总装机容量的3％以内，因此本发明选取连续负荷扰动方式为：净负荷在±30MW的范围内波动5000s左右，其中包括连续低频、连续高频等多种典型工况，动态负荷扰动曲线如图9所示。所述指标的相关参数设置如下：

表6连续负荷扰动下调频性能指标参数

在上述扰动工况下，将本发明方法与工程及现有研究中2种常见方法进行仿真对比。其中，方法1为差额补偿法，方法2为静态比例分配法(机组与储能的系数配比为7:3)。仿真对比结果如图10-14和表7所示。

表7连续负荷扰动工况评价指标值

图10反映了连续负荷扰动工况下3种方法的频率偏差响应变化情况。可以看到，无论是在低频还是高频连续负荷扰动工况，本发明方法均能将频率偏差控制在较小范围，尤其是在高频负荷扰动时，频率偏差明显小于其他两种方法，频偏优化效果显著。

如图11所示，在本发明方法下经过230秒左右各储能单元SOC趋于一致并实现目标出力指令的跟踪。在3200～3700s和5850～6300s内本发明方法进行了储能SOC微调管理，使各储能单元的SOC逐渐回调至基准值。相较其他两种方法，采用本发明方法时储能系统的SOC波动明显更小，且能自恢复至基准值，可调节裕度较大，能有效提高储能参与调频辅助服务的可持续性。

如图12所示，本发明方法在高频负荷扰动阶段，由储能承担主要的调频责任，在低频、幅值较大的负荷扰动时由机组承担主要的AGC调频指令。相较其他两种方法，本发明方法下火电机组的调频出力更为平缓，可以降低机组磨损，提高系统运行可靠性。

如图13所示，采用本发明方法时的调频运行成本最小，经济性更优。

图14反映了采用方法2(无荷电状态管理)时各储能单元的SOC变化情况。可以看到，在连续负荷扰动工况下，各储能单元由于持续放电，其SOC严重偏离参考值(50％)。在6000秒左右电池组6的SOC已经低于20％，处于深充深放状态，不利于电池的使用寿命，且若继续放电将面临电池停止放电、退出调频而造成频率二次跌落的风险，严重威胁了储能调频的可持续性与可靠性。

如表7所示，本发明方法的两项细化指标值均为最高，综合调节性能优势显著。

调频补偿收益对比

在上述两种扰动工况下，3种调频控制方法(同上)的调频补偿收益经济指标值F

表8调频补偿收益经济指标值

如上表所示，在阶跃与连续负荷扰动工况下，本发明方法的调频补偿收益经济指标值均为最高，体现出本发明方法在调频补偿收益方面的经济优越性。

综上所述，本发明针对新能源大规模并网而带来的电网调频问题，考虑不同扰动工况对火储AGC调频责任分配方式的影响，提出了一种考虑运行经济成本和储能荷电状态一致性的双层AGC调频控制方法：1)建立了火储联合AGC调频控制优化模型，在区域控制层级以调频运行成本最小为目标，通过改进的粒子群算法求解优化问题，实现经济优化的火储动态调频责任分配。在机组调频运行成本中引入了基于功率变化速率的动态磨损系数，充分发挥了储能快速灵活响应的调频特性。2)在储能站层级运用一致性协同控制算法实现了各组储能电池单元跟踪目标值出力，同时保证各组储能单元SOC保持一致。在储能调频过程中对储能SOC进行动态管控，有效抑制了储能SOC波动，且充分利用储能空闲状态进行SOC微调，使其能自适应恢复至基准值，有效提高了储能使用寿命和系统综合运行效率。3)搭建了火储联合区域电网调频动态模型，并利用Matlab/Simulink平台进行了仿真对比实验。结果表明，本发明所提控制策略能有效提升调频性能，优化调频运行经济成本，提高调频补偿收益。同时，储能SOC波动更小，机组调频出力更为平缓，能有效降低机组损耗，提高系统运行可靠性。