本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)調(diào)頻控制領(lǐng)域，特別是涉及一種用于風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)頻率是電能質(zhì)量的三大指標(biāo)之一，反映電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，頻率的穩(wěn)定性與廣大用戶的電力設(shè)備以及發(fā)供電設(shè)備本身的安全和效率有密切的關(guān)系。頻率偏差不利于電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，甚至損害電網(wǎng)中的運(yùn)行設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)崩潰。近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電開發(fā)規(guī)模持續(xù)快速增長(zhǎng)。大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后，能向電網(wǎng)提供清潔能源，同時(shí)，風(fēng)電出力具有波動(dòng)性和不確定性，大量的風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)引起頻率穩(wěn)定性問(wèn)題。如何在大規(guī)模間歇性能源并網(wǎng)情況下保證電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，減少頻率波動(dòng)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

在北方地區(qū)電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)的風(fēng)電滲透率很高。當(dāng)前，風(fēng)電仍然作為“負(fù)”的負(fù)荷被動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)度，風(fēng)電機(jī)組控制無(wú)法解決風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)電力系統(tǒng)的調(diào)頻問(wèn)題，仍然是傳統(tǒng)火電機(jī)組承擔(dān)著平抑負(fù)荷波動(dòng)和穩(wěn)定電網(wǎng)頻率的主要任務(wù)。然而，傳統(tǒng)的火電調(diào)頻機(jī)組受蓄熱、調(diào)節(jié)方向不宜改變等制約，對(duì)含高滲透率風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)的調(diào)頻問(wèn)題的調(diào)控效果不盡人意。儲(chǔ)能技術(shù)以其調(diào)節(jié)速度快、能量密度高、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在提高間歇式電源接入的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性方面具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，如何適應(yīng)新形勢(shì)下的調(diào)頻需要，研究發(fā)展和完善現(xiàn)有新環(huán)境下AGC的控制策略，具有非常重要意義。本專利針對(duì)區(qū)域電網(wǎng)，研究風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)頻率影響，考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電特性的情況下，設(shè)計(jì)與火電機(jī)組和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)調(diào)頻控制，可為促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行提供參考，為工程應(yīng)用提供一定的借鑒。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制優(yōu)化方法，以解決傳統(tǒng)風(fēng)、火電調(diào)度無(wú)法根本上解決風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)頻的問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種用于風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制方法，該方法的步驟包括：

S1、建立參與調(diào)頻的火電機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)模型和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻響應(yīng)模型，并分析確定系統(tǒng)中調(diào)頻火電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻特性；

S2、采用離散傅立葉變換方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行頻譜分析，并結(jié)合火電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同調(diào)頻響應(yīng)特性，對(duì)儲(chǔ)能輔助火電參與調(diào)頻進(jìn)行控制；

S3、基于電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制AGC和模糊PI控制器，構(gòu)建以兩區(qū)域系統(tǒng)的控制偏差A(yù)CE及其變化量為控制輸入的模糊PI控制策略；

S4、基于步驟S2中的儲(chǔ)能輔助火電參與調(diào)頻控制策略和步驟S3中的模糊PI控制策略，構(gòu)建風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制策略。

優(yōu)選地，所述步驟S2包括

S21、根據(jù)離散傅立葉變換對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率進(jìn)行頻譜分析；

S22、結(jié)合火電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的bode響應(yīng)特性分析結(jié)果，得到系統(tǒng)中的擾動(dòng)量在儲(chǔ)能系統(tǒng)和火電機(jī)組之間的分配方案，即由儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)系統(tǒng)中擾動(dòng)量的高頻部分，火電機(jī)組承擔(dān)系統(tǒng)中擾動(dòng)量的低頻部分。

優(yōu)選地，所述步驟S3包括：

S31、以兩區(qū)域系統(tǒng)的控制偏差A(yù)CE及其變化量做為控制的輸入量，以PI控制比例系數(shù)的變化量ΔK_p和積分系數(shù)的變化量ΔK_i作為輸出，構(gòu)建模糊PI控制器的二維模糊模型：

其中，u(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻的模糊PI控制器的輸出功率；e(k)和分別為控制偏差A(yù)CE及其變化量在第k個(gè)采樣時(shí)刻離散表示；K_P(k)和K_i(k)分別為模糊PI的比例系數(shù)和積分系數(shù)在第k個(gè)采樣時(shí)刻的值；K_P(k+1)和K_i(k+1)分別為模糊PI的比例系數(shù)和積分系數(shù)在第k+1個(gè)采樣時(shí)刻的值；ΔK_P(k)和ΔK_i(k)分別為模糊PI的比例系數(shù)和積分系數(shù)在第(k,k+1)采樣時(shí)段內(nèi)的變化值；

S32、對(duì)輸入的變量進(jìn)行模糊化處理；

S33、確定輸入變量和輸出變量的隸屬函數(shù)；

S34、基于步驟S32和S33，對(duì)模糊PI控制器的二維模糊模型進(jìn)行模糊推理；

S35、基于上述模糊推理的結(jié)果，對(duì)模糊集合進(jìn)行解模糊化處理，得到精準(zhǔn)的輸出量。

優(yōu)選地，所述步驟S35中采用重心法取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心作為模糊推理的最終輸出值。

一種用于風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

控制單元，以兩區(qū)域系統(tǒng)的控制偏差A(yù)CE及其變化量做為控制的輸入量，以PI控制比例系數(shù)的變化量ΔK_p和積分系數(shù)的變化量ΔK_i作為輸出，想火電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)；

儲(chǔ)能單元，基于控制單元發(fā)出的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)中擾動(dòng)量的高頻部分進(jìn)行處理；

火電調(diào)頻單元，基于控制單元發(fā)出的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)中擾動(dòng)量的低頻部分進(jìn)行處理。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：濾波單元，用于對(duì)火電調(diào)頻控制信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明所述技術(shù)方案本是針對(duì)風(fēng)火儲(chǔ)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和特性提出的，適用于風(fēng)火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)運(yùn)行控制，能夠保證火電與儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行，從而為風(fēng)火儲(chǔ)電力系統(tǒng)運(yùn)行控制提供分析基礎(chǔ)和計(jì)算依據(jù)，且本發(fā)明所述技術(shù)方案具有控制性能優(yōu)化的特點(diǎn)。同時(shí)，本發(fā)明所述技術(shù)方案在控制策略中依據(jù)火電機(jī)組及儲(chǔ)能的工作原理和控制特性，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能與火電機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行的控制策略，使得對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)量分配更加合理，進(jìn)而使得控制性能更優(yōu)。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明；

圖1示出本方案所述風(fēng)火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制優(yōu)化方法示意圖；

圖2示出本方案所述風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制器框圖；

圖3-a示出本方案所述控制偏差和控制偏差變化率的隸屬度函數(shù)示意圖；

圖3-b示出本方案所述比例變化量ΔK_P和積分變化量ΔK_i的隸屬度函數(shù)示意圖；

圖4示出本實(shí)例所述區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)1區(qū)域的仿真模型的示意圖；

圖5-a示出本實(shí)例所述階躍擾動(dòng)情況下區(qū)域1頻率偏差的示意圖；

圖5-b示出本實(shí)例所述階躍擾動(dòng)情況下聯(lián)絡(luò)線功率偏差的示意圖；

圖6示出本實(shí)例所述等效負(fù)荷曲線圖；

圖7-a示出本實(shí)例所述等效負(fù)荷擾動(dòng)下區(qū)域1頻率偏差的示意圖；

圖7-b示出本實(shí)例所述等效負(fù)荷擾動(dòng)下聯(lián)絡(luò)線功率偏差的示意圖；

圖7-c示出本實(shí)例所述等效負(fù)荷擾動(dòng)下儲(chǔ)能出力的示意圖；

圖7-d示出本實(shí)例所述等效負(fù)荷擾動(dòng)下的區(qū)域1儲(chǔ)能SOC曲線；

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說(shuō)明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明基于對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力特性和對(duì)火電機(jī)組與儲(chǔ)能的調(diào)頻特性的分析，構(gòu)建出風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能為一體的聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)控制優(yōu)化方法。采用離散傅立葉變換方法分析實(shí)際采集風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率數(shù)據(jù)，依據(jù)得到的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化規(guī)律和火電機(jī)組與儲(chǔ)能的調(diào)頻特性，根據(jù)電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)控制要求設(shè)計(jì)了一種適用于風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的模糊PI控制器優(yōu)化控制策略，并設(shè)計(jì)了低通濾波算法協(xié)調(diào)火電機(jī)組與儲(chǔ)能之間的擾動(dòng)量分配。

具體的，如圖1所示，本發(fā)明公開了一種用于風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制優(yōu)化方法，該方法包括：

S1、建立風(fēng)火儲(chǔ)系統(tǒng)中調(diào)頻源機(jī)組模型；該步驟包括建立參與調(diào)頻的火電機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)模型和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻響應(yīng)模型、分析確定系統(tǒng)中調(diào)頻火電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻特性。

S2、采用離散傅立葉變換方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行頻譜分析，結(jié)合火電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同調(diào)頻響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)低通濾波算法下的儲(chǔ)能輔助火電參與調(diào)頻控制策略。具體的，該步驟是根據(jù)離散傅立葉變換對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率進(jìn)行頻譜分析，結(jié)合火電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的bode響應(yīng)特性分析結(jié)果，得到系統(tǒng)中的擾動(dòng)量在儲(chǔ)能系統(tǒng)和火電機(jī)組之間的分配方案，其中由儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)系統(tǒng)中擾動(dòng)量的高頻部分，火電機(jī)組承擔(dān)系統(tǒng)中擾動(dòng)量的低頻部分。

S3、基于電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)和模糊PI控制器，構(gòu)建以兩區(qū)域系統(tǒng)的控制偏差A(yù)CE及其變化量為控制輸入的模糊PI控制器。

S31、以兩區(qū)域系統(tǒng)的控制偏差A(yù)CE及其變化量做為控制的輸入量，輸出量是PI控制比例系數(shù)和積分系數(shù)的變化ΔK_P、ΔK_i這兩個(gè)參數(shù)，構(gòu)建如下式(1)所示的模糊PI控制器的二維模糊模型：

其中，u(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻的模糊PI控制器的輸出功率；e(k)和分別為控制偏差A(yù)CE及其變化量在第k個(gè)采樣時(shí)刻離散表示；K_P(k)和K_i(k)分別為模糊PI的比例系數(shù)和積分系數(shù)在第k個(gè)采樣時(shí)刻的值；K_P(k+1)和K_i(k+1)分別為模糊PI的比例系數(shù)和積分系數(shù)在第k+1個(gè)采樣時(shí)刻的值；ΔK_P(k)和ΔK_i(k)分別為模糊PI的比例系數(shù)和積分系數(shù)在第(k,k+1)采樣時(shí)段內(nèi)的變化值。

S32、將輸入變量模糊化。將控制偏差A(yù)CE和控制偏差的變化量劃分為不同的模糊子集。輸入控制偏差A(yù)CE和控制偏差的變化量選取7個(gè)子集分別是{NB}，{NM}，{NS}，{Z}，{PS}，{PM}，{PB}即{負(fù)大}，{負(fù)中}，{負(fù)小}，{零}，{正小}，{正中}，{正大}；輸出ΔKP和ΔKi選取7個(gè)子集分別是{NB}，{NM}，{NS}，{Z}，{PS}，{PM}，{PB}即{負(fù)大}，{負(fù)中}，{負(fù)小}，{零}，{正小}，{正中}，{正大}。

S33、確定隸屬度函數(shù)。輸入和輸出變量采用三角形和梯形隸屬度函數(shù)，輸入隸屬度取值范圍為[-1，+1]；輸出模糊集隸屬度取值范圍[-1，+1]；輸入量化因子：50，32；輸出比例因子：-10和0.05。輸入和輸出的隸屬度函數(shù)如如圖3-a和圖3-b所示。

S34、模糊推理。本方案中模糊PI控制器的ΔK_P模糊控制規(guī)則如表1所示；ΔK_i模糊控制規(guī)則如表2所示。以規(guī)則IF e＝PB andthenΔK_P＝PB為例，當(dāng)偏差e為正大，偏差變化率也為正大時(shí)，說(shuō)明被控量需以最大幅度增大比例系數(shù)，以達(dá)到迅速減小偏差的效果，因此模糊推理輸出為正大。

表1ΔK_P模糊控制規(guī)則表

表2ΔK_i模糊控制規(guī)則表

對(duì)于每條模糊規(guī)則都可以給出一個(gè)模糊蘊(yùn)涵關(guān)系。本方案中模糊蘊(yùn)涵關(guān)系采用常用的Mamdani最小規(guī)則求取，可求得用模糊子集表示的輸出量。

S35、解模糊化。本方案采用重心法取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值。

S4、構(gòu)建風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)頻控制方法。將基于S3的儲(chǔ)能參與輔助調(diào)頻的控制器及基于S4的模糊PI控制器聯(lián)合構(gòu)建成如圖2所示的風(fēng)電-火電-儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制器。

下面通過(guò)實(shí)例仿真對(duì)本方案做進(jìn)一步說(shuō)明。

本實(shí)例是基于MATLAB仿真平臺(tái)搭建兩區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)開展仿真驗(yàn)證。區(qū)域1、區(qū)域2的參數(shù)相同，其中區(qū)域1的模型如下圖4所示。設(shè)定系統(tǒng)基準(zhǔn)功率是1000MW，初始負(fù)荷為500MW，仿真系統(tǒng)中設(shè)置儲(chǔ)能的最大出力是20MW，容量是45MWh，慣性時(shí)間常數(shù)T_b等于0.5s，增益K等于1，系統(tǒng)其余參數(shù)參考表3中設(shè)置。

表3區(qū)域電網(wǎng)二次調(diào)頻參數(shù)

在仿真系統(tǒng)中，調(diào)頻系統(tǒng)的擾動(dòng)量來(lái)自風(fēng)電接入引起的功率波動(dòng)和負(fù)荷的功率波動(dòng)的共同作用。為驗(yàn)證本方案的有效性，將本方案的控制效果與傳統(tǒng)的PI控制的效果進(jìn)行對(duì)比，傳統(tǒng)PI控制器的參數(shù)設(shè)置為比例控制器K_P＝-0.4，積分控制器K_i＝-0.11。以下給出為擾動(dòng)量分別為階躍擾動(dòng)及某實(shí)際風(fēng)電功率接入兩種情況下的仿真結(jié)果。在仿真結(jié)果中，將傳統(tǒng)PI控制器的仿真結(jié)果簡(jiǎn)稱為PI、將本方案提出的控制器的仿真結(jié)果簡(jiǎn)稱為模糊PI。

1)階躍擾動(dòng)情況

在區(qū)域1運(yùn)行10s時(shí)受到一個(gè)幅值為0.02p.u.的階躍擾動(dòng)，得到仿真結(jié)果如下圖5-a所示。從結(jié)果圖中可以看出，模糊PI控制方式調(diào)節(jié)時(shí)間只需要40s左右就能使頻率偏差恢復(fù)到初始狀態(tài)。頻率偏差的最大值不超過(guò)0.05Hz，相比PI控制方式超調(diào)量更小。

2)實(shí)際某風(fēng)電場(chǎng)功率接入情況

假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)占本系統(tǒng)容量的10％，結(jié)合風(fēng)電與隨機(jī)白噪聲擾動(dòng)得到如下圖6所示虛線所示的等效功率擾動(dòng)，簡(jiǎn)稱等效負(fù)荷，將其接入仿真系統(tǒng)。

考慮等效負(fù)荷接入的情況下，得到仿真結(jié)果如下圖7-a至圖7-d所示。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，表明采用本方案的控制方法可以有效地跟蹤功率波動(dòng)所引起的頻率偏差，具有更強(qiáng)的抗干擾性和魯棒性。在按實(shí)際某風(fēng)電場(chǎng)接入方式下，儲(chǔ)能的SOC變化相對(duì)于PI下更加平滑，其控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器。

根據(jù)CPS指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到結(jié)果如下表4和表5所示：

表4CPS1指標(biāo)

表5CPS2指標(biāo)及ACE均值結(jié)果

從表中可以看出，雖然本方案及PI控制方式都可以滿足系統(tǒng)CPS指標(biāo)，但是從指數(shù)上可以明顯看出模糊PI明顯要優(yōu)于PI控制方式，表明模糊PI具有更好的動(dòng)態(tài)控制性能。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。