基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法及系统与流程

本发明涉及电力系统运行优化，具体为基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法及系统。

背景技术：

1、在当前的电力系统运行和管理中，一次调频控制作为确保电网频率稳定的重要技术，对维护电力系统的安全、可靠运行具有至关重要的作用；随着可再生能源尤其是风能和太阳能的大规模接入，电力系统的调频任务变得更加复杂和挑战性；在此背景下，储能电站作为提供快速调频响应的有效手段，其在电力系统中的作用日益凸显；储能技术能够在电力供需不平衡时迅速释放或吸收能量，有效地支持电网频率的稳定；近年来，基于优先级的储能电站调频控制方法得到了广泛研究和应用，该方法通过设定不同储能电站的优先级，优化调频资源的分配和利用，以提高电力系统调频的效率和效果。

2、然而，现有的基于优先级的储能电站调频控制方法在实际应用中存在一些不足；首先，效率方面，现有方法在储能资源的分配和调度上往往无法实现最优，导致调频响应不够快速或精准，无法满足电力系统在高可再生能源渗透率下的实时调频需求；其次，灵活性方面，由于依赖于固定的优先级规则，现有方法在应对电力市场和电网运行条件快速变化时的适应性不足，无法充分发挥储能电站在不同场景下的调频潜力；此外，可靠性方面，由于缺乏对储能设备状态和外部环境变化的动态监测与分析，现有方法可能无法保证持续稳定的调频性能；最后，成本方面，未充分考虑调频操作对储能设备寿命的影响以及运维成本，可能导致总体成本居高不下。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的基于优先级的储能电站对一次调频控制的方法存在效率低，灵活性低，可靠性低，成本高，以及如何基于优先级的储能电站对一次调频控制方法优化的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法，包括构建包括控制对象和基本控制策略的控制策略框架；通过荷电状态和额定容量构造储能单元调频性能差异的变量，通过储能单元调频性能差异的变量将储能单元划分为调频主力单元和调频辅助单元，构建调频阶段优化策略；输出调频外阶段储能单元恢复荷电状态的方法，约束条件以及对执行策略的控制效果进行评估。

4、作为本发明所述的基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法的一种优选方案，其中：所述控制策略框架包括控制对象和基本控制策略。

5、控制对象包括有相对控制集合特征的储能电池，通过并联的方式进行组合为储能单元。

6、基本控制策略包括虚拟下垂和虚拟惯性。

7、虚拟下垂通过对频率偏差，产生与频率偏差成正比的储能出力增量。

8、虚拟惯性通过对频率变化速率，获得正向惯性控制或负向惯性控制。

9、将基本控制策略分为调频阶段和调频外阶段。

10、在调频阶段，采用虚拟正向控制与虚拟下垂结合的方式进行控制，当频率偏差达到最大时，采用虚拟负向惯性控制和虚拟下垂结合的方式进行控制。

11、在调频外阶段，进行短期频率波动的预测，恢复储能的荷电状态，维护储能的调频性能。

12、作为本发明所述的基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法的一种优选方案，其中：所述通过荷电状态和额定容量构造储能单元调频性能差异的变量包括基于储能的出力变化是通过储能充电或放电实现的，调频控制为储能荷电状态的影响因素，构建储能的充电出力系数和放电出力系数两个变量，储能的出力放电系数和荷电状态的关系，表示为：

13、

14、其中，ηdis为储能的放电出力系数，soc为储能荷电状态，δpmax为储能最大可调功率，pr为储能额定功率，k为调节曲线变化趋势系数。

15、储能出力的充电系数和荷电状态的关系，表示为：

16、

17、其中，ηcha为储能的充电出力系数。

18、将储能的出力放电系数和荷电状态的关系和储能出力的充电系数和荷电状态的关系中变量与soc投放到logistics曲线，当soc与调频性能成正比时，储能的soc与储能出力变化关系，表示为：

19、

20、其中，为荷电状态的变化速率，δpfa为储能参与一次调频的功率，qr为储能的额定容量，soct为在t时刻对随机储能单元的荷电状态进行抽样的数据，soct+δt为在t+δt时刻对随机储能单元的荷电状态进行抽样的数据。

21、构建储能单元参与调频的优先级指标，表示为：

22、

23、其中，χi为储能单元i的优先级指标，w1为储能单元荷电状态权重系数，w2为储能单元荷电容量占比权重系数，q为储能系统的额定装机容量，为储能单元i的额定容量，soci为储能单元i的荷电状态，δf为系统频率偏差。

24、作为本发明所述的基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法的一种优选方案，其中：所述调频主力单元和调频辅助单元包括通过储能单元调频性能差异的变量将储能单元划分为调频主力单元和调频辅助单元。

25、通过计算所有储能单元的优先级指标并排序，排序结果作为调频调用的顺序。

26、储能单元分为主力调频单元和辅助调频单元，系统的调频出力调整分级，表示为：

27、δpfa＝δpmain+τδpaux

28、其中，δpfa为系统的调频出力调整量，δpmain为主力调频单元的出力调节贡献，δpaux为辅助调频单元的出力调节贡献，τ为衡量辅助调频单元的参与度。

29、策略架构时的规则包括当系统处于紧急状态时，主力调频单元和辅助调频单元足额调用出力参与调频，当系统处于次紧急状态下，辅助调频单元动态配合主力调频单元调用出力参与调频。

30、基于策略架构时的规则，进行设定，表示为：

31、

32、其中，τmax为最大参与度，δfemt为触发紧急状态的频率偏离调频死区幅度，fd为一次调频死区，θ1和θ2为计算调整参数。

33、作为本发明所述的基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法的一种优选方案，其中：所述构建调频阶段优化策略包括当控制系统实时监测到，频率波动超过预设的一次调频死区fd时，进行系统频率偏差判断，当系统频率偏差小于0时，通过荷电状态和额定容量构造储能单元调频性能差异的变量，通过储能单元调频性能差异的变量将储能单元划分为调频主力单元和调频辅助单元，进行系统频率偏差变动速率判断，当系统频率偏差变动速率小于0，且系统频率偏差变动速率小于-νp时，采用虚拟下垂控制和虚拟惯性正向控制，当系统频率偏差变动速率小于0，且系统频率偏差变动速率大于等于-νp时，采用虚拟下垂控制，当系统频率偏差变动速率大于等于0，且系统频率偏差变动速率大于νn时，采用虚拟下垂控制和虚拟惯性负向控制，当系统频率偏差变动速率大于等于0，且系统频率偏差变动速率小于等于νn时，采用虚拟下垂控制，νp为虚拟正惯性频率变化速率死区，νn为虚拟负向惯性频率变化速率死区。

34、当系统频率偏差大于等于0时，通过荷电状态和额定容量构造储能单元调频性能差异的变量，通过储能单元调频性能差异的变量将储能单元划分为调频主力单元和调频辅助单元，进行系统频率偏差变动速率判断，当系统频率偏差变动速率大于0，且系统频率偏差变动速率大于νp时，采用虚拟下垂控制和虚拟惯性正向控制，当系统频率偏差变动速率大于0，且系统频率偏差变动速率小于等于νp时，采用虚拟下垂控制，当系统频率偏差变动速率小于等于0，且系统频率偏差变动速率小于-νn时，采用虚拟下垂控制和虚拟惯性负向控制，当系统频率偏差变动速率小于等于0，且系统频率偏差变动速率大于等于-νn时，采用虚拟下垂控制。

35、虚拟下垂控制包括向储能发出虚拟下垂的控制指令，调整储能出力，频率偏差与储能出力的调节功率关系，表示为：

36、

37、其中，为储能单元i响应虚拟下垂指令的出力变化，为储能单元i的虚拟下垂调节参数。

38、虚拟惯性正向控制包括储能单元参与正向惯性控制，出力变化表示为：

39、

40、其中，为储能单元i响应正向惯性控制指令的出力变化，为储能单元i的虚拟正向惯性调节系数，为系统频率变化速率。

41、当时，正向惯性控制处理为0，

42、虚拟惯性负向控制包括储能单元参与负向惯性控制，出力变化与频率变化速率，表示为：

43、

44、其中，为储能单元i响应负向惯性控制指令的出力变化，表示储能单元i的虚拟负向惯性调节系数。

45、储能在调频全程的功率控制，表示为：

46、

47、其中，为储能参与调频全程的出力变化。

48、当|δf|>fd时，将执行调频外阶段。

49、作为本发明所述的基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法的一种优选方案，其中：所述恢复荷电状态的方法包括给出调频外阶段储能单元恢复荷电状态的方法。

50、当调频目标达成或没有触发控制条件时，恢复储能的荷电状态。

51、预测短期负荷波动为δpl，基于负荷波动的soc目标状态为socp，实时soc状态为socm。

52、储能单元的荷电状态恢复需求，通过soc变动幅度δsoc进行表征，δsoc为储能荷电状态变化量。

53、构建储能充放电期望恢复系数，表示为：

54、

55、其中，γcha为充电期望恢复系数，δsocbase为储能荷电状态初始变化量，δsocbound为荷电状态变化的分段边界，为充电期望恢复系数的最大值，δ1和δ2为计算调整参数。

56、放电期望恢复系数γdis，表示为：

57、

58、其中，为放电期望恢复系数的最大值。

59、作为本发明所述的基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法的一种优选方案，其中：所述约束条件以及对执行策略的控制效果进行评估包括基于储能为恢复荷电状态，进行充电放电，将频率偏差分为五个区间，对充电恢复系数添加约束，表示为：

60、

61、其中，ωcha为充电恢复系数，为储能的充电恢复系数的最大值，ι1和ι2为计算时间参数，δfmin为频率偏差分段的最小值，δflow为频率偏差分段的低值，δfbound为频率偏差分段的边界值。

62、对放电恢复系数添加约束，表示为：

63、

64、其中，ωdis为放电恢复系数，为储能的单元放电系数的最大值，δfhigh为频率偏差分段的高值，δfmax为储能的单元放电系数的最大值。

65、储能单元的实时恢复系数sr，表示为：

66、

67、其中，pl为下一阶段的负荷预测值，pd为负荷功率扰动死区边界。

68、恢复过程中，输出功率恢复量δpre，表示为：

69、δpre＝sr·pr

70、其中，pr为额定功率。

71、调频外阶段的执行流程包括当负荷扰动，短期负荷预测δpl确定soc恢复目标值socp，且|δf|<fd时，判断δpl，当δpl大于0时，比较δpl和pd，当δpl大于pd时，比较socm和socp，当socm小于socp时，基于充电期望恢复系数和对充电恢复系数添加约束，计算获得储能单元soc实时恢复系数，进行优先主力单元soc充电预恢复，判断主力单元soc是否恢复到目标值，当主力单元soc恢复到目标值socp时，进行辅助单元soc预恢复动作，重新判断δpl。

72、当δpl大于0时，比较δpl和pd，当δpl大于pd时，比较socm和socp，当socm小于socp时，基于充电期望恢复系数和对充电恢复系数添加约束，计算获得储能单元soc实时恢复系数，进行优先主力单元soc充电预恢复，判断主力单元soc是否恢复到目标值socp，当主力单元soc未恢复到目标值时，重新判断δpl。

73、当δpl大于0时，比较δpl和pd，当δpl大于pd时，比较socm和socp，当socm大于等于socp时，对储能单元soc不进行预恢复；

74、当δpl大于0时，比较δpl和pd，当δpl小于等于pd时，对储能单元soc不进行预恢复。

75、当δpl小于等于0时，比较δpl和-pd，当δpl大于等于-pd时，对储能单元soc不进行预恢复。

76、当δpl小于等于0时，比较δpl和-pd，当δpl小于-pd时，比较socp和socm，当socm小于等于socp时，对储能单元soc不进行预恢复。

77、当δpl小于等于0时，比较δpl和-pd，当δpl小于-pd时，比较socp和socm，当socm大于socp时，基于放电期望恢复系数和对放电恢复系数添加约束，进行优先主力单元soc放电预恢复，判断主力单元soc是否恢复到目标值，当主力单元soc恢复到目标值socp时，进行辅助单元soc预恢复动作，重新判断δpl。

78、当δpl小于等于0时，比较δpl和-pd，当δpl小于-pd时，判断socp和socm，当socm大于socp时，基于放电期望恢复系数和对放电恢复系数添加约束，进行优先主力单元soc放电预恢复，判断主力单元soc是否恢复到目标值，当主力单元soc未恢复到目标值socp时，重新判断δpl。

79、当负荷扰动，短期负荷预测δpl确定soc恢复目标值socp，且|δf|≥fd时，储能电站参与一次调频。

80、对执行策略的控制效果，进行评估，表示为：

81、

82、其中，δft为在t时刻对系统的频率偏差的采样数据，为储能在最佳工作状态下的荷电状态值，ξ为t时刻对系统的频率偏差的采样数据均方差，n为频率偏差的采样数据的数据个数，为t时刻储能单元荷电状态均方差。

83、基于场景对控制策略要求，获得量化方差指标标准，当满足方差标准时，不对调频外阶段计算过程中的参数进行调整；当不满足方差标准时，对调频外阶段计算过程中的参数进行调整。

84、本发明的另外一个目的是提供基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化系统，其能通过荷电状态和额定容量构造储能单元调频性能差异的变量，通过储能单元调频性能差异的变量将储能单元划分为调频主力单元和调频辅助单元，构建调频阶段优化策略，解决了目前的基于优先级的储能电站，对一次调频控制方法优化含有效率性低的问题。

85、作为本发明所述的基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化系统的一种优选方案，其中：包括控制策略框架模块，调频阶段优化模块，调频外阶段模块；所述控制策略框架模块用于构建包括控制对象和基本控制策略的控制策略框架；所述调频阶段优化模块用于通过荷电状态和额定容量构造储能单元调频性能差异的变量，通过储能单元调频性能差异的变量将储能单元划分为调频主力单元和调频辅助单元，构建调频阶段优化策略；所述调频外阶段模块用于输出调频外阶段储能单元恢复荷电状态的方法，约束条件以及对执行策略的控制效果进行评估。

86、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法的步骤。

87、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法的步骤。

88、本发明的有益效果：本发明提供的基于优先级的储能电站对一次调频控制的优化方法通过构建包括控制对象和基本控制策略的控制策略框架，建立一个包含控制对象和虚拟下垂和虚拟惯性的框架，通过明确控制对象和控制策略，确保了储能单元能够根据电网的实际需求快速准确地调整出力，提升了电网频率稳定性和调频响应的效率；通过荷电状态和额定容量构造储能单元调频性能差异的变量，通过储能单元调频性能差异的变量将储能单元划分为调频主力单元和调频辅助单元，构建调频阶段优化策略，在调频阶段，通过分析储能单元的荷电状态和额定容量，通过区分调频主力单元和调频辅助单元，为电力系统提供了灵活的调频资源配置方式，在不同调频需求下，系统可以优先调用主力单元以快速响应频率波动，而在需求较小或持续时间较长的调频任务中，辅助单元可以提供支持，这种灵活的调配机制最大化了储能资源的有效性，确保了在紧急情况下能够优先调用性能最优的储能单元，从而快速有效地稳定电网频率，合理的资源分配还有助于提高整个系统的经济性和储能单元的使用效率；输出调频外阶段储能单元恢复荷电状态的方法，约束条件以及对执行策略的控制效果进行评估，通过预测短期负荷波动，提出了一套储能单元荷电状态恢复的方法，并加入了相应的约束条件，通过对储能单元恢复过程的优化，不仅保障了储能单元在完成调频服务后能迅速回归到最佳工作状态，还通过减少不必要的充放电循环，延长了储能设备的使用寿命，对恢复过程的约束和评估保证了恢复操作不会对电网稳定性造成负面影响，确保了电网的连续稳定运行，本发明在效率性、灵活性、可靠性以及经济性方面都取得更加良好的效果。