[发明专利]一种电化学储能模拟火电机组快速频率响应的虚拟系数优化方法

权利要求书

1.一种电化学储能模拟火电机组快速频率响应的虚拟系数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：针对储能参与系统快速频率响应，站在系统调度层面对储能参与快速频率响应时的虚拟系数进行优化，优先保证系统频率安全考虑电网利益；火电机组的快速频率响应机理包含如式(2)所示的惯性响应和如式(3)所示的一次调频两部分：

ΔP_H＝H·Δf/Δt (2)

ΔP_K＝K·Δf (3)

式中，ΔP_H为惯性响应功率；H为机组惯性响应系数；Δf为系统频差；K＝1/R，R表示机组进行一次调频的调差系数；

令储能模拟火电机组进行快速频率响应，令储能的虚拟惯性响应系数可调，并令储能的虚拟下垂控制系数可调；

步骤2：对系统频率安全态势进行感知，并针对快速频率响应构建辅助服务需求与能力态势感知架构，该架构主要包括三个层次：能力估计，需求预测及指标评价；

根据系统频率安全态势感知生成96时段内每时段的最大系统功率缺额数据，根据辅助服务需求与能力态势感知结果进行储能参与快速频率响应时储能与机组的快速频率响应责任分配；

步骤3：根据已知机组固有特性参数搭建仿真系统，在仿真系统内给定阶跃扰动，对系统5s内的响应曲线进行拟合，得到能够合理反映快速频率响应阶段的机组时间常数、机组下垂控制系数拟合结果；根据各机组固有参数对所有机组组成的系统进行惯性等效，等效后的系统总惯性可通过式(6)进行计算：

式中，H_sys为等效系统惯性；S_B为系统基准容量；

步骤4：根据96时段内每时段的最大系统功率缺额计算各个时段仅由机组进行快速频率响应时的系统频率最低值；

在系统频率从稳态值跌落到最低值的动态变化过程中，将发电机的输出简化为以线性爬坡率的输出，如式(7)所示：

ΔP_Gi(t)≈K_i·m_Δω·t (7)

式中，ΔP_Gi为t时刻机组i的功率；K_i为机组i的简化线性爬坡率；

根据下述式(8)、(9)求取系统各个时段在稳态下出现功率缺额后系统频率到达最低值的时间，各个机组的简化线性爬坡率，进而根据式(10)求出各个时段的最大系统频差，由式(11)得到各个时段的系统频率最低值，同时由式(12)求出系统各个时段的一次调频功率值；

f_min＝f₀-Δf_max (11)

式中，Δf_max为最大系统频差；P_d为系统功率缺额标；f₀为系统出现功率缺额前的初始稳态频率值；f_B为系统频率基准值；P_Gi为机组i的一次调频功率；K_0,i为机组i的调差系数的倒数；T_s,i为机组i的时间常数，t_min为系统到达系统频率最低值的时间；f_min为系统频率最低值；以上除最大系统频差、系统频率最低值为有名值外，其余均为标幺值；

步骤5：判断步骤4中全天96时段各时段的系统频率最低值是否满足系统频率要求，若全都满足要求，则仅由机组就能保证系统频率维持在最低下限以上，不需要储能参与快速频率响应，储能全天快速频率响应功率为0；若系统频率有不满足要求的时段，则在不满足的时段令储能与机组共同参与快速频率响应调节系统频率，进行下述步骤优化储能参与快速频率响应时的虚拟惯性响应和虚拟下垂系数，而满足要求的时段储能参与快速频率响应的功率为0；

步骤6：在不满足系统频率要求的时段，计算储能与火电机组共同快速频率响应时的系统频率，在步骤3中的等效系统基础上加入储能进一步等效，加入储能后系统的等效惯性可由式(13)表示：

式中H_eaq为加入储能后系统的等效惯性；H_bat为储能的虚拟惯性响应系数；S_bat为储能容量；

步骤7：反复迭代优化储能的惯性响应系数、下垂控制系数，直至满足预先设定的频率要求；加入储能后步骤4中系统频率到达最低值的时间、最大系统频差、各机组一次调频功率由式(8)、(10)、(12)变化为式(14)、(15)、(16)；

式(14)、(15)中，K_bat为储能的下垂控制系数；

根据式(11)、(13)、(14)、(15)、(16)迭代优化储能的惯性响应系数、下垂控制系数，直至各时段的系统频率均满足式(1)要求；

优化同时保证储能功率满足自身功率上下限约束，如式(17)；

式中，为储能的一次调频功率；为储能的惯性响应功率；

在系统频率从稳态值跌落到最低值的动态变化过程中，将发电机的输出简化为如式(7)线性爬坡率的输出，因此在系统频率到达最低值的瞬间有式(18)：

近似计算储能的惯性响应功率如式(20)所示：

储能的一次调频功率，如式(21)所示：

此外，优化同时需要满足储能荷电状态(SOC)的上下限约束，为了保证储能可以在满足式(23)的前提下根据电网要求参与快速频率响应辅助服务，在储能荷电状态低于0.5且不需要储能参与快速频率响应时，令储能进行自主充电，如式(25)；

0.1≤SOC≤0.9 (23)

式(22～25)中，EB泛指储能电量；EB_time、EB_time-1为time、time-1时段储能的电量，其中time表示时段编号，从0～96；EB₀表示储能初始电量；η_d为储能的放电效率；为设定的储能自主充电功率；η_c为储能的充电效率；

步骤8：设定储能参与快速频率响应辅助服务单位功率的成本为C_bat，在需要储能参与快速频率响应辅助服务的时段，计算步骤7优化所得的所有时段的储能惯性响应功率和一次调频功率之和，可得电网调用储能参与快速频率响应辅助服务的成本F，如式(26)所示：

2.根据权利要求1所述的一种电化学储能模拟火电机组快速频率响应的虚拟系数优化方法，其特征在于，所述步骤2中：

所述能力估计：根据步骤1快速频率响应的基本原理，寻求机组各元件快速频率响应动作的描述以及调频效果的分析，对系统现有的频率调整能力进行估计；在多机系统中，第i台发电机关于系统额定频率的单机惯性常数H_i,sys如式(4)，系统惯性中心的频率f_COI如式(5)；

式中，N为机组总数；i为机组编号；H_i为机组i的惯性；S_i为第i台发电机的额定容量；S_sys为系统总容量，f为系统频率；

所述需求预测：通过系统实时运行状态辨识，以历史数据和实时数据为基础，推演未来一段时间内系统运行状态是否发生变化，对系统调频需求进行预测；

所述指标评价：根据各项辅助服务的基本原理和控制过程，设定相应的指标参数，对系统现有调整能力和需求进行数量化描述，对二者之间的缺口大小及其紧急程度进行评价。