一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制系統及方法，給出功頻調速系統的數學模型，分析反調振蕩的原因；建立儲能裝置等效計算模型，實現以有功偏差量為輸入信號、以恒功率為輸出的控制策略；利用儲能裝置響應速度快、瞬時吞吐量大的特點，建立了一種新的結合儲能裝置的一次調頻控制策略，將儲能裝置恒功率輸出作為反饋信號輸出至PID環節抑制反調振蕩。算例結果驗證了儲能裝置在這種控制策略下參與調頻的可行性及正確性，為儲能裝置參與調頻任務的相關研究提供了有益參考。
【專利說明】
-種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制系統及方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制系統及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電網規模的不斷擴大，不可控負荷和新能源電源的不斷并網，系統頻率的波 動性愈發嚴重，導致現有的傳統調頻技術難W滿足電網對調頻能力的需求。因此，改進現有 發電機組一次調頻功能來適應電網發展，是維持電網頻率穩定、提高電能質量的重要方法。
[0003] 近幾年，國內外的學者圍繞一次調頻做了大量的研究工作，主要包括:數學模型的 改進研究;控制方式的改良設計;調節品質的改善提高。但在實際生產中一次調頻響應速度 仍然不理想。由于鍋爐汽機的安全性限制導致調頻速度慢，頻率死區設置不合理導致機組 不參與一次調頻，頻率波動初期測量功率和實際功率的不同步導致汽口 "反調"等問題的存 在，使得現有調頻效果未達到預期的效果，有時甚至不如機械液壓式調速機組的調頻效果。 汽口的反調對一次調頻效果和發電機汽機的安全穩定性造成很大的影響:反調期的存在使 得一次調頻效果不理想，初始階段的反調加劇了系統頻率的變化;汽口開度頻繁變化導致 主蒸汽壓力不斷波動，給汽機和發電機的運行造成了巨大的安全隱患。目前消除反調措施 的方法主要有四種：（1)"延遲"反饋信號；（2)利用dN/dt信號；（3)根據甩負荷時切除功率給 定信號；（4)增大調頻死區。運些方法對抑制反調提供了基礎。但是，運些方法仍然存在一定 的不足，主要包括汽口頻繁動作、操作不可靠、反調現象消除效果不理想等。
[0004] 由于機械功率和發電機機端有功功率不同步是導致反調現象出現的根本原因，考 慮到儲能裝置響應速度快、瞬時吞吐能力強的特點，提出一種利用儲能裝置參與一次調頻 的控制策略。建立功頻調速系統的數學模型，分析汽口出現反調現象的原因。在"延遲"信號 的基礎上，將儲能納入一次調頻，W功率偏差值為輸入值，W恒功率輸出為反饋值，在"延 遲"效果結束前給POC環節提供一個正反饋信號，從而起到抑制反調振蕩的作用。經過算例 驗證此種方法具有可行性和正確性。
【發明內容】
[0005] 本發明為了解決上述問題，提出了一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制系 統及方法，本方法在RX異常探測算法來對拍攝的眼底圖像進行預處理的基礎上，使用改進 的LBP和AMBP算法，優化特征提取步驟，進一步提高識別率。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0007] -種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制方法，包括W下步驟：
[000引（1)將儲能裝置通過逆變器經變壓器接入電力系統，構建儲能裝置的控制模型；
[0009] (2)根據儲能裝置的控制模型，W發電機端有功功率變化量為控制變量，W恒定放 電功率為輸出值，將輸出值作為反饋信號輸出至PID環節抑制反調振蕩，使其參與原有的功 頻調速系統進行調頻，建立抑制反調的控制系統；
[0010] (3)確定抑制反調的控制系統中反饋通道和前向通道的個數，求取相應控制通道 的傳遞函數，進行一次調頻控制。
[0011] 所述步驟(1)中，具體方法為:建立儲能裝置通過逆變器經變壓器接入電力系統的 等效模型，確定儲能裝置的端電壓、經逆變后的電壓、儲能裝置的放電電流、儲能裝置放電 時連接到電網的等值線路阻抗和儲能裝置放電時接入的電網額定電壓。
[0012] 所述步驟(1)中，儲能裝置的放電模式采用恒功率模式，通過控制逆變器的逆變角 改變儲能裝置由于放電而產生的電壓變化量。
[0013] 所述步驟(2)中，儲能裝置W發電機端有功功率變化量為控制變量，W恒定的放電 功率為輸出值，參與調頻，提供正反饋抑制反調振蕩，輸出功率至發電機端，彌補功率變化 差值。
[0014] 所述步驟(2)中，調控環節的暫態變化過程包括：
[0015] (a)功率變化，延遲器作用，儲能裝置還未做出響應，此時一次調頻不動作，頻率會 產生短暫下降；
[0016] (b)功率持續變化，延遲器作用，儲能裝置做出響應，輸出功率至發電機端并給功 頻調速系統的功率輸出環節一個正反饋，頻率由最低點開始回復上升；
[0017] (C)功率持續變化，延遲器作用結束，儲能裝置持續做出相應，正反饋信號與負反 饋信號疊加后輸出給功率輸出環節，當正反饋信號足夠大時，將不會出現反調振蕩。
[0018] 所述步驟(3)中，將儲能裝置的控制模型的輸出值與轉速增量引起的功率變化值 進行疊加，送入原有的功頻調速系統的PID控制環節，依次經過電液轉換器、油動機和汽輪 機調控環節。
[0019] 所述步驟(3)中，功頻調速系統將發電機端有功功率變化量經過延遲器使信號延 遲輸入到疊加器中，避免瞬時反調。
[0020] -種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制系統，包括功頻調速系統和儲能裝置 控制模塊，所述儲能裝置控制模塊接收功頻調速系統的原給定信號，W發電機端有功功率 變化量為控制變量，W恒定的放電功率為輸出值，參與調頻，儲能裝置控制模塊的輸出輸入 功頻調速系統的功率給定環節，且發電機端有功功率變化量經過延遲器使信號延遲輸入到 功率給定環節，依次通過PID控制環節、電液轉換器、油動機和汽輪機調控環節后，進行轉動 慣量的調控。
[0021] 優選的，所述儲能裝置控制模塊綜合歐姆內阻、極化電阻和極化電容的影響，并結 合了荷電狀態對放電功率的影響。
[0022] 優選的，所述儲能裝置電壓輸出增量包括儲能裝置為補償系統有功變化的改變量 和補償儲能裝置因持續放電電流變小的改變量。
[0023] 本發明的有益效果為：
[0024] (1)本發明構建了一種利用儲能裝置參與一次調頻，抑制功頻調速系統反調振蕩 的控制策略，能夠有效的抑制功頻調速器的反調振蕩現象；
[0025] (2)將原有負反饋信號則經過延遲器使信號延遲輸入到疊加器中，有效地避免瞬 時反調。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明的功頻調速系統利用有功功率作前饋的控制框圖；
[0027] 圖2為本發明的儲能裝置等效模型示意圖；
[0028] 圖3為本發明的儲能裝置的控制框圖；
[0029] 圖4為本發明的計及儲能裝置的功頻調速控制系統示意圖；
[0030] 圖5為本發明的汽輪機機械功率輸出對比圖；
[0031] 圖6為本發明的轉子頻率對比圖。
【具體實施方式】：
[0032] 下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0033] 如圖1所示，1、傳統一次調頻模型，W裡離子電池儲能裝置為例，對其進行反調原 理分析：
[0034] (1)功頻調速系統頻率控制模型
[0035] 目前汽輪機調速控制系統已經有較為成熟的研究，高參數大容量的汽輪機組廣泛 采用功頻調速控制系統，其系統結構主要分為功率給定環節(PVS)和功率輸出控制環節 (POC)，在POC環節中W汽輪機機械功率信號Pm作為負反饋輸入至PID控制，但是考慮到實際 運行中機械功率測量非常困難，一般工程應用中利用發電機有功功率信號Pe來代替Pm。
[0036] (2)反調分析
[0037] -次調頻的反調及振蕩是由于在閉環系統中引入了外干擾負反饋信號參與調節， 運時系統在擾動初期會產生汽口反調，使機械功率變化與實際電網側變化時完全反向，使 轉速迅速變化并開始振蕩、汽口頻繁動作、蒸汽壓力也隨之不斷波動。
[0038] 由圖1中所示，設初始有功功率和轉子轉速分別為口6*^和《"*^等于系統的設定值1^6: 和CO ref，當系統發生擾動時，有功功率將發生A Ps的變化，轉子轉速將發生A CO m的變化，從 而我們可^得到下述兩個公式:Pm=Pm*^+A ?。和Om= A ?m。
[0041 ] 轉子運動方括可W用下式來表示：
[0039] 設ND梓制的輸入為A Ptntal，柏即開環前饋控制的功率總偏差，則有；
[0040] Cl)
[0042]
(2)
[0043] 其中:H為轉子轉動慣量；WO為初始轉速；A Om為轉速增量;Tm為機械力矩;Te為電 磁力矩。
[0044] 對轉子運動方程整理并兩側同時積分求得轉速增量：
[0045]
符）
[0046] 將式(3)帶入式(1)最終可W得到：
[0047]
C 4}
[004引當A Ptotal與A Pe異號時，也即APtOtal A Pe<0時，汽口的變化方向與實際發電機有 功功率變化是完全反向的，我們稱之為反調，而當A PtDtal與A Pe同號時，也即A PtDtal A Pe> 0時，汽口的變化方向與實際發電機有功功率變化是同向的。
[0049] 在電網出現擾動初期，在很短的時間內上式第二項可W近似為零，從而調速系統 必然出現反調作用，并且通過計算我們容易得到反調時間近似為：t = 2恥。其中S為發電機 調差系數，H為轉子轉動慣量。
[0050] 2、儲能裝置結合一次調頻的控制策略
[0051] 由于機械功率跟隨速度慢，考慮到儲能裝置響應速度快、瞬時吞吐能力強的優勢， 在"延遲"信號的基礎上提出了一種利用儲能裝置抑制消除調頻系統反調現象的控制策略， 具體包括:給出儲能裝置數學模型;建立系統控制策略框圖；求取系統傳遞函數并分析。
[0052] 2.1儲能裝置的數學模型
[0053] 圖2所示為儲能裝置通過逆變器經變壓器接入系統等效模型。圖中Vb為儲能裝置 的端電壓;Vb功經逆變后的電壓；Ib為儲能裝置的放電電流;Xo為儲能裝置放電時連接到電 網的等值線路阻抗;Vs為儲能裝置放電時接入的電網額定電壓。
[0054] 根據逆變的基本原理得到Vb和Vbi的關系式：
[0055] Vb = -Vbicos(P) (5)
[0056] 其中0為逆變器的逆變角。
[0057] 儲能裝置的放電功率為：
[005引 Pb = VbIb = -VbiIbcos(0) (6)
[0059] 進而得到儲能裝置的放電功率微增量公式可W由儲能裝置端電壓的改變量和放 電電流改變量來表示：
[0060] APb = Vb(O) A Ib+A VbIb(O) (7)
[0061] 式中：VbW、IbW分別為儲能裝置放電時電壓、電流的初始穩態值，A Vb、A Ib分別 為儲能裝置由于放電而產生的電壓、電流變化量。
[0062] 儲能裝置放電模式可W采取恒功率、恒電流或者恒電壓模式。為使儲能裝置更方 便于參加調頻控制，本發明采用恒功率模式，通過控制逆變角e改變輸出電壓值A Vb。將電 壓輸出增量A Vb分解為Vbi A Vp和Vbi A Vi兩部分，其中Vbi A Vp是儲能裝置為補償系統有功變 化的改變量;Vbi A V是為補償儲能裝置因持續放電電流變小的改變量，并且令其為AVI = -A IbcosWVIb(O)O
[0063] 當系統出現有功功率變化時，測量設備獲取信號后給予儲能裝置獲得儲能裝置有 功輸出變化量為：
[0064] A Pb = Vb(O) A Ib+Ib(〇)(Vbi A Vi+Vbi A Vp)
[00化]=Vb(O) A Ib+Ib(〇)Vbi A Vi+Ib(〇)Vbi A Vp
[0066] =Vb(W A Ib+IbWVbi(-A Ibcos(0)/IbW)+IbWVbiA Vp
[0067] =Ib(O)VbiAVp (8)
[0068] 若系統有功功率變化AP，儲能裝置參與頻率控制的控制信號為：
[0069]
巧）
[0070] 式中：A P是系統反饋信號;Kb是系統反饋信號到儲能系統的控制增益;Tb是測量系 統的時間常數。
[0071] 由上述分析可知，儲能裝置是W發電機端有功功率變化量為控制變量，W恒定放 電功率為輸出值，參與系統調頻。其控制框圖如圖3所示，儲能裝按戴維南電池儲能模型簡 化分析，其中考慮了儲能裝置的歐姆內阻、極化電阻、極化電容等影響，綜合考慮了整體的 荷電狀態對放電功率的影響。
[0072] 2.2利用儲能裝置抑制反調的控制策略
[0073] 如圖4所示，功頻調速控制系統的"反調"現象和系統頻率振蕩的根本原因是在于 在電網側初期出現干擾時，Pe和Pm的變化不同步，導致功率輸出控制(POC)環節變成開環前 饋控制。利用儲能裝置響應快、瞬時吞吐量的優勢，將儲能裝置引入到功頻調速系統內。儲 能裝置是W A Pe為控制變量，WPb為輸出量，一方面為控制系統提供正反饋抑制反調振蕩， 另一方面輸出功率至發電機端，彌補系統功率變化差值。原有負反饋信號則經過延遲器使 信號延遲輸入到疊加器中，避免瞬時反調。
[0074] 圖4中，虛框內為儲能裝置的簡化數學模型，為更簡潔的說明控制流程，W當系統 出現功率升高變化時，控制系統具體流程為：
[0075] (1)電網側出現有功功率突然升高，Pe快速跟隨變化升高。
[0076] (2)變化后的Pe與Pref作差獲得-A Pe<0
[0077] (3)-方面-A Pe輸入至延遲器延遲，避免直接作用到PID控制器造成反調，另一方 面-A Pe作為控制變量輸入至儲能裝置，前述分析表明當儲能裝置接收到系統控制信號-A Pe時，經過傳遞函數將會產生一個Pb的輸出量。
[0078] (4)Pb在輸出至發電機端補償系統有功變化而引起的功率差值的同時，也給出一 個正反饋信號至延遲器的輸出端。
[0079] (5)當負反饋-APe經過延遲器后輸出后與正反饋Pb作和得到總的頻率偏差值；
[0080] (6)當Pb足夠大時，將會完全抵消掉-A Pe的負反饋作用，輸入至PID控制器的信號 將為一個正反饋信號，至此反調振蕩的問題可W得到解決。
[0081] 需要指出的是，整個暫態變化過程看可W分為3個時間段
[0082] (1)系統功率變化，延遲器作用，儲能裝置還未做出響應，此時一次調頻不動作，頻 率會產生短暫下降
[0083] (2)系統功率持續變化，延遲器作用，儲能裝置做出響應，輸出功率至發電機端并 給POC環節一個正反饋，頻率由最低點開始回復上升。
[0084] (3)系統功率持續變化(但由于儲能裝置的作用變化量減小），延遲器作用結束，儲 能裝置持續做出相應，正反饋信號與負反饋信號疊加后輸出給POC環節。當正反饋信號足夠 大時，將不會出現反調振蕩。
[0085] 2.3計及儲能裝置的調頻傳遞函數分析
[0086] 圖4給出了結合儲能裝置抑制反調現象的調頻控制策略結構，簡略分析結構，共有 一個前向通道和四個反饋通道。
[0087] 對于反饋通道1 (儲能裝晉輸出巧率至機端)有：
[008引 (10)
[0089] 其中Ro、Rp分別為儲能裝置的歐姆電阻和極化內阻，Cp為儲能裝置的極化電容，Eo 儲能裝置初始電壓，AI為電流變化量。
[0090] 對于反饋通道2，如果只有單純的反饋調節，貝化OC環節是開環方式，其開環傳遞函 數為：
[0091] (11)
[0092] 其中Ge、Gs、GT分別為電液轉換器、油動機、汽輪機的傳遞函數;Kp、Ki、Kd分別為PID 環節的比例、積分、微分的增益;Ti、Td分別為積分和微分環節的時間常數。
[0093] 并且在實際工程中存在開環限幅的情況，在運里我們將積分環節用一階慣性環節 代替：
[0094] (12)
[0095] 旭）
[0096]
[0097] (14) 「 n (巧）
[009引
[0099] 其中T為延時器時間常數。[0100] 最終加上反饋通道4可W求取最終的傳遞函數為：
[0103] 實施例分析:假設汽輪機采用3階模型：
[0101] (16)
[0102] (17)
[0104]
(巧）
[0105] 式中：TcH = 0.2s;TRH=8s;Tco = 0.5s;fi:f2:f3 = 0.3:0.4:0.3
[0106] 功頻調巧器采用前沐橫巧并目.取參數為：
[0107] 5 = 5% ；
；Tg = 0.02s；Te = 0.05s；Ts = 0.3s；
[010引取延遲系統參數為:T = O.7s。
[0109] 儲能裝置采用前述模型并且取參數為：
[0110] Kb=10kA/kW;Tb = 0.02s;R〇 = 0.013Q ;Cp=lF;Rp = 0.001Q。
[0111] 假設機端有功功率在30S時發生+10 %的階躍突變，對比結合儲能前后的仿真，結 果見圖5所示。
[0112] 由圖6可見，當電網側發生擾動時，若無儲能裝置的配合控制，頻率將會有一個巨 大的波動和持續振蕩期，運就是由于在前饋的作用下，汽口出現了反調現象，使得系統頻率 更加惡劣并產生持續振蕩。但是對比添加儲能裝置的曲線可W發現，在添加帶有延遲器的 結合儲能控制系統后，在很短的時間內，頻率是有下降的，運是因為系統延遲器和儲能裝置 的測量反饋造成有功功率變化沒有瞬時送給PID環節，汽輪機的汽口開度還是保持原來開 度，所W造成有一短暫下降期。但是經過運么一個極小的時間段后，儲能裝置的補償功率并 網，改變總的有功功率偏差值，使得反調量減少，可由圖6中明顯看出汽口的反調現象已經 被很大程度上抑制住了，反調幅度和振蕩幅度都有很明顯的降低。
[0113] 本發明通過建立儲能裝置等效計算模型，實現W有功偏差量為輸入信號、W恒功 率為輸出的控制策略;利用儲能裝置響應速度快、瞬時吞吐量大的特點，建立了一種新的結 合儲能裝置的一次調頻控制策略，將儲能裝置恒功率輸出作為反饋信號輸出至PID環節抑 制反調振蕩。構建了一種利用儲能裝置參與一次調頻，抑制功頻調速系統反調振蕩的控制 策略，并對儲能裝置參與頻率調解的效果進行了算例分析。結果表明，儲能裝置參與一次調 頻后，能夠有效的抑制功頻調速器的反調振蕩現象。由于儲能技術的不斷發展，今后還需要 在發電機端配置儲能裝置的容量優化和經濟性分析方面進一步分析和研究。
[0114] 上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范 圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不 需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍W內。
【主權項】
1. 一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制方法，其特征是:包括以下步驟： (1) 將儲能裝置通過逆變器經變壓器接入電力系統，構建儲能裝置的控制模型； (2) 根據儲能裝置的控制模型，以發電機端有功功率變化量為控制變量，以恒定放電功 率為輸出值，將輸出值作為反饋信號輸出至PID環節抑制反調振蕩，使其參與原有的功頻調 速系統進行調頻，建立抑制反調的控制系統； (3) 確定抑制反調的控制系統中反饋通道和前向通道的個數，求取相應控制通道的傳 遞函數，進行一次調頻控制。2. 如權利要求1所述的一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制方法，其特征是:所 述步驟（1)中，具體方法為:建立儲能裝置通過逆變器經變壓器接入電力系統的等效模型， 確定儲能裝置的端電壓、經逆變后的電壓、儲能裝置的放電電流、儲能裝置放電時連接到電 網的等值線路阻抗和儲能裝置放電時接入的電網額定電壓。3. 如權利要求1所述的一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制方法，其特征是:所 述步驟（1)中，儲能裝置的放電模式采用恒功率模式，通過控制逆變器的逆變角改變儲能裝 置由于放電而產生的電壓變化量。4. 如權利要求1所述的一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制方法，其特征是:所 述步驟(2)中，儲能裝置以發電機端有功功率變化量為控制變量，以恒定的放電功率為輸出 值，參與調頻，提供正反饋抑制反調振蕩，輸出功率至發電機端，彌補功率變化差值。5. 如權利要求1所述的一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制方法，其特征是:所 述步驟(2)中，調控環節的暫態變化過程包括： (a) 功率變化，延遲器作用，儲能裝置還未做出響應，此時一次調頻不動作，頻率會產生 短暫下降； (b) 功率持續變化，延遲器作用，儲能裝置做出響應，輸出功率至發電機端并給功頻調 速系統的功率輸出環節一個正反饋，頻率由最低點開始回復上升； (c) 功率持續變化，延遲器作用結束，儲能裝置持續做出相應，正反饋信號與負反饋信 號疊加后輸出給功率輸出環節，當正反饋信號足夠大時，將不會出現反調振蕩。6. 如權利要求1所述的一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制方法，其特征是:所 述步驟(3)中，將儲能裝置的控制模型的輸出值與轉速增量引起的功率變化值進行疊加，送 入原有的功頻調速系統的PID控制環節，依次經過電液轉換器、油動機和汽輪機調控環節。7. 如權利要求1所述的一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制方法，其特征是:所 述步驟(3)中，功頻調速系統將發電機端有功功率變化量經過延遲器使信號延遲輸入到疊 加器中，避免瞬時反調。8. -種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制系統，其特征是：包括功頻調速系統和 儲能裝置控制模塊，所述儲能裝置控制模塊接收功頻調速系統的原給定信號，以發電機端 有功功率變化量為控制變量，以恒定的放電功率為輸出值，參與調頻，儲能裝置控制模塊的 輸出輸入功頻調速系統的功率給定環節，且發電機端有功功率變化量經過延遲器使信號延 遲輸入到功率給定環節，依次通過PID控制環節、電液轉換器、油動機和汽輪機調控環節后， 進行轉動慣量的調控。9. 如權利要求8所述的一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制系統，其特征是:所 述儲能裝置控制模塊綜合歐姆內阻、極化電阻和極化電容的影響，并結合了荷電狀態對放 電功率的影響。10.如權利要求8所述的一種基于儲能裝置抑制反調的一次調頻控制系統，其特征是： 所述儲能裝置電壓輸出增量包括儲能裝置為補償系統有功變化的改變量和補償儲能裝置 因持續放電電流變小的改變量。
【文檔編號】H02J3/24GK105826938SQ201610352552
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】張峰, 牛陽, 梁軍
【申請人】山東大學