技术领域
[0001] 本发明涉及飞轮储能技术领域，并且更具体地，涉及一种基于变下垂系数的飞轮储能一次调频优化控制方法及系统。
相关背景技术
[0002]
[0003] 近年来，国内外飞轮储能的示范应用在逐步推进，飞轮储能技术以其快速响应和高功率密度等特点在一次调频、AGC调节等方面具有优势。目前，针对飞轮储能参与一次调频的应用模式与控制方面，也取得了一定的研究进展。
[0004] 但在储能系统参与一次调频应用中，采用下垂系数法则通过功‑频关系曲线，即用一个固定的下垂系数进行控制。当频率波动时，固定下垂控制模式始终按固定规则响应，无法根据不同频率来释放不同功率，容易造成过调频现象。
具体实施方式
[0061] 现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0062] 除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0063] 实施例1：
[0064] 本发明提出了一种基于变下垂系数的飞轮储能一次调频优化控制方法，如图1所示，包括：
[0065] 步骤1、建立电网频率波动后飞轮储能系统母线处的频率偏差模型；
[0066] 步骤2、基于所述频率偏差模型，确定飞轮储能参与一次调频的功率需求；
[0067] 步骤3、基于储能参与一次调频的功率需求，确定飞轮储能需达到的转速需求模型；
[0068] 步骤4、基于所述转速需求模型，确定参与一次频率调节的飞轮储能动作深度，根据所述飞轮储能动作深度，对所述飞轮储能一次调频进行优化控制。
[0069] 其中，建立的电网频率波动后飞轮储能系统母线处的频率偏差模型，如下：
[0070] Δfi＝fe‑fi
[0071] 其中，Δfi为因负荷波动而引起的频率偏差，fi为飞轮储能系统所在母线处采集到的实时频率值，fe为额定频率。
[0072] 其中，基于所述频率偏差模型，确定飞轮储能参与一次调频的功率需求，包括：
[0073] 基于所述频率偏差模型，判断出频率偏差的大小，基于所述频率偏差的大小及电网死区约束，根据变下垂系数法建立频率偏差与飞轮储能功率补偿量之间的特性关系，基于所述特性关系，建立功率需求模型，基于所述功率需求模型，确定飞轮储能参与一次调频的功率需求。
[0074] 其中，功率需求模型，如下：
[0075]
[0076] 其中，ΔPi为飞轮储能参与一次调频的功率需求，Ki为飞轮储能的有功功率控制的变下垂系数。
[0077] 其中，变下垂系数的赋值公式如下：
[0078]
[0079] 其中，Kref为飞轮储能系统的固有下垂系数，a为常数，且大于1，b为常数，且b＞a。
[0080] 其中，飞轮储能需达到的转速需求模型，如下：
[0081]
[0082] 其中，P0为飞轮在当前转速下的输出功率值，JF为飞轮的转动惯量， 为飞轮在i时刻时的需达到的角速度。
[0083] 其中，基于所述转速需求模型，建立动作深度模型，基于所述动作深度模型，确定参与一次频率调节的飞轮储能动作深度。
[0084] 其中，动作深度模型，如下：
[0085]
[0086] 其中，Pmax.Fly为飞轮储能系统的最大功率输出值， 为飞轮储能系统在i时刻的转速值，Pi.Fly为用于一次调频的飞轮储能实际出力值，ωmin为飞轮储能系统的最小转速值，ωmax为飞轮储能系统的最大转速值。
[0087] 下面结合具体案例对本发明进行进一步的说明：
[0088] 案例实施步骤如图2所示，包括：
[0089] (1)建立电网频率波动后飞轮储能系统母线处的频率偏差模型；
[0090] (2)判断频率波动大小，结合电网死区约束，判断飞轮储能的动作时机，应用变下垂系数调整方法，建立频率偏差量与飞轮储能功率补偿量之间的特性关系，确定飞轮储能参与一次调频的功率需求模型；
[0091] (3)通过将功率需求变化阶跃信号反馈至储能系统，结合飞轮储能转速的当前状态，建立功率需求与飞轮储能转速需达到的状态量之间的关联关系，确定飞轮储能需达到的转速需求模型；
[0092] (4)基于转速变化量模型，结合电网频率越限约束，飞轮转速上下限约束，确定参与一次频率调节的飞轮储能动作深度。
[0093] 其中，确定电网频率偏离额定值后，经由飞轮储能系统所在母线处的频率采集装置采集频率，将实时频率值与额定值作差，因负荷波动而产生的频率偏差为：
[0094] Δfi＝fe‑fi
[0095] 其中，Δfi表示因负荷波动而引起的频率偏差；fi表示飞轮储能系统所在母线处采集到的实时频率值，fe表示额定频率(我国为50HZ)。
[0096] 其中，通过判断频率波动大小，结合电网死区约束，应用变下垂系数法建立频率偏差与飞轮储能功率补偿量之间的特性关系，通过以下公式计算飞轮储能参与一次调频的功率需求值为：
[0097]
[0098] 其中，ΔPi表示飞轮储能参与一次调频的功率需求；Ki表示飞轮储能的有功功率控制的变下垂系数。
[0099] 其中，根据电网频率的偏离程度，计算变下垂系数的赋值大小：
[0100]
[0101] 其中，Kref表示飞轮储能系统的固有下垂系数；a表示常数，且大于1，实际应用中，根据实际系统整定；b表示常数，且b＞a，在实际应用中，根据实际系统整定。
[0102] 其中，接收到功率需求信息后，结合飞轮储能当前转速对应的功率状态，通过以下公式计算此功率需求对应的飞轮转速新状态量：
[0103]
[0104] 其中，P0表示飞轮在当前转速下的输出功率值；JF表示飞轮的转动惯量； 表示飞轮在i时刻时的需达到的角速度。
[0105] 其中，考虑飞轮储能转速上下限约束，按照以下公式，确定飞轮储能参与一次频率调节的动作深度：
[0106]
[0107] 其中，Pmax.Fly表示飞轮储能系统的最大功率输出值； 表示飞轮储能系统在i时刻的转速值；Pi.Fly表示用于一次调频的飞轮储能实际出力值；ωmin表示飞轮储能系统的最小转速值；ωmax表示飞轮储能系统的最大转速值。
[0108] 其中，上述步骤的控制框图，如图3所示，具体包括：
[0109] 其中，步骤(1)中，所述频率波动判断模块采集到飞轮储能系统所在母线处频率感应逻辑控制环反馈过来的实时频率信号fi后，将实时频率值fi与50HZ做差，得到实时频率与额定频率的偏差大小Δfi，即Δfi＝fi‑50，并基于Δfi进行判断与赋值：当‑0.033HZ≤Δfi≤0.033HZ，则不启动所述一次调频功率需求计算模块，循环步骤(1)；若0.033HZ<Δfi＜0.2HZ或‑0.2HZ<Δfi＜‑0.033HZ，则启动所述一次调频功率需求计算模块，并将Δfi发送所述一次调频功率需求计算模块。
[0110] 其中，步骤(2)中，所述一次调频功率需求计算模块启动并接收到频率偏差量Δfi，计算飞轮储能系统的功率需求值ΔPi，即ΔPi＝‑KiΔfi，进一步进行判断与赋值，对飞轮储能系统进行需求出力大小优化调整包括如下步骤：
[0111] 当0.033HZ<|Δfi|≤0.083HZ时，将Kref赋给阶跃触发信号Ki，则功率需求|ΔPi|＝‑KrefΔfi，并将ΔPi参量信息发送给飞轮储能转速需求计算模块；
[0112] 当0.083HZ<|Δfi|≤0.133HZ时，将aKref赋给阶跃触发信号Ki，则功率需求|ΔPi|＝‑aKrefΔfi，并将ΔPi参量信息发送给飞轮储能转速需求计算模块；
[0113] 当0.133HZ<|Δfi|≤0.15HZ时，将bKref赋给阶跃触发信号Ki，则功率需求|ΔPi|＝‑bKrefΔfi，并将ΔPi参量信息发送给飞轮储能转速需求计算模块；
[0114] 当0.15HZ<|Δfi|＜0.2HZ时，将∞赋给阶跃触发信号Ki，则功率需求|ΔPi|＝‑∞Δfi，并将ΔPi参量信息发送给飞轮储能转速需求计算模块。
[0115] 其中，步骤(3)中，所述飞轮储能转速需求计算模块启动并接收到功率需求信号ΔPi，计算飞轮储能转速新状态量 并将 传给反馈调整模块。
[0116] 其中，步骤(4)中，所述反馈调整模块启动并接收到飞轮储能转速新状态需求量根据所述转速新状态需求量 不同，分为四个区域，包括：
[0117] I区为下限制区：
[0118] II区为频率调整区：
[0119] III区为转速回归区：
[0120] IV区为上限制区：
[0121] 其中，ωrate为飞轮储能系统的额定转速。
[0122] 其中，步骤(4)所述反馈调整模块控制飞轮储能单元对储能系统进行控制包括如下步骤：
[0123] 且|Pi.Fly|≤Pmax.Fly，则飞轮储能系统以Pi.Fly＝ΔPi+P0的功率大小向飞轮储能系统的母线馈线处释放或吸引功率；
[0124] 且|Pi.Fly|＞Pmax.Fly，则飞轮储能系统以Pi.Fly＝Pmax.Fly的功率大小向飞轮储能系统的母线馈线处释放或吸引功率；
[0125] 若Pi.Fly＝0， 飞轮储能系统则以Pi.Fly＝1％Pe(Pe为飞轮储能系统的额定功率)的功率大小向母线馈线处释放功率，使飞轮转速回归至50％ωrate运转状态，为下一次调频服务做准备；
[0126] 若Pi.Fly＝0， 储能系统则以Pi.Fly＝1％Pe(Pe为储能系统的额定功率)的功率大小向母线馈线处吸收功率，使飞轮转速回归至50％ωrate运转状态，为下一次调频服务做准备；
[0127] 则飞轮储能系统不动作；
[0128] 则飞轮储能系统不动作。
[0129] 其中，步骤(4)所述反馈调整模块输出的控制命令包括：
[0130] 若 且0.033HZ<Δfi≤0.083HZ，|Pi.Fly|≤Pmax.Fly时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝‑(‑KrefΔfi+P0)，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝‑1；
[0131] 若 且‑0.083HZ<Δfi≤‑0.033HZ，|Pi.Fly|≤Pmax.Fly时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝‑KrefΔfi+P0，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝1；
[0132] 若 且0.083HZ<Δfi≤0.133HZ，|Pi.Fly|≤Pmax.Fly时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝‑(‑aKrefΔfi+P0)，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝‑1；
[0133] 若 且‑0.133HZ<Δfi≤‑0.083HZ，|Pi.Fly|≤Pmax.Fly时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝‑aKrefΔfi+P0，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝1；
[0134] 若 且0.133HZ<Δfi≤0.15HZ，|Pi.Fly|≤Pmax.Fly时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝‑(‑bKrefΔfi+P0)，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝‑1；
[0135] 若 且‑0.15HZ<Δfi≤‑0.133HZ，|Pi.Fly|≤Pmax.Fly时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝‑bKrefΔfi+P0，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝1；
[0136] 若 且0.15HZ<Δfi＜0.2HZ，|ΔPi|＝‑(‑∞Δfi)时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝‑Pmax.Fly，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝‑1；
[0137] 若 且‑0.2HZ<Δfi＜‑0.15HZ，ΔPi＝‑∞Δfi时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝Pmax.Fly，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝1；
[0138] 若 且0.033HZ<Δfi＜0.2HZ，|Pi.Fly|＞Pmax.Fly时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝‑Pmax.Fly，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝‑1；
[0139] 若 且‑0.2HZ<Δfi≤‑0.033HZ，|Pi.Fly|＞Pmax.Fly时，则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝ΔPi+P0＝Pmax.Fly，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝1；
[0140] 若Pi.Fly＝0， 则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝1％Pe(Pe为飞轮储能系统的额定功率)，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝1；
[0141] 若Pi.Fly＝0， 则飞轮储能系统的出力为Pi.Fly＝‑1％Pe(Pe为储能系统的额定功率)，Pi.Fly的充放电状态flag(i)＝‑1。
[0142] 其中，根据Pi.Fly的正负号决定飞轮储能系统的充放电状态，Pi.Fly＜0，flag(i)＝‑1表示储能系统充电；Pi.Fly＞0，flag(i)＝1表示储能系统放电，将功率值|Pi.Fly|和飞轮储能系统的充放电状态flag(i)发送至反馈调整模块，通过反馈调整模块控制飞轮储能系统充放电支撑一次调频需求。
[0143] 本发明基于飞轮储能系统母线处的EMS系统，采集输送电网频率的状态信息和波动程度数据，当电网频率发生波动且越过死区时，计算在不同的频率波动程度下，判断下垂系数大小，测算对飞轮储能系统的功率需求及对应的转速需求大小，进一步考虑飞轮储能系统的转速运行状态与约束，确定飞轮储能系统的动作时机，调整飞轮储能的实际动作深度。
[0144] 实施例2：
[0145] 本发明还提出了一种基于变下垂系数的飞轮储能一次调频优化控制系统200，如图4所示，包括：
[0146] 频率波动判断模块201，用于建立电网频率波动后飞轮储能系统母线处的频率偏差模型；
[0147] 一次调频功率需求计算模块202，用于基于所述频率偏差模型，确定飞轮储能参与一次调频的功率需求；
[0148] 飞轮储能转速需求计算模块203，用于基于储能参与一次调频的功率需求，确定飞轮储能需达到的转速需求模型；
[0149] 反馈调整模块204，用于基于所述转速需求模型，确定参与一次频率调节的飞轮储能动作深度，根据所述飞轮储能动作深度，对所述飞轮储能一次调频进行优化控制。
[0150] 其中，建立的电网频率波动后飞轮储能系统母线处的频率偏差模型，如下：
[0151] Δfi＝fe‑fi
[0152] 其中，Δfi为因负荷波动而引起的频率偏差，fi为飞轮储能系统所在母线处采集到的实时频率值，fe为额定频率。
[0153] 其中，基于所述频率偏差模型，确定飞轮储能参与一次调频的功率需求，包括：
[0154] 基于所述频率偏差模型，判断出频率偏差的大小，基于所述频率偏差的大小及电网死区约束，根据变下垂系数法建立频率偏差与飞轮储能功率补偿量之间的特性关系，基于所述特性关系，建立功率需求模型，基于所述功率需求模型，确定飞轮储能参与一次调频的功率需求。
[0155] 其中，功率需求模型，如下：
[0156]
[0157] 其中，ΔPi为飞轮储能参与一次调频的功率需求，Ki为飞轮储能的有功功率控制的变下垂系数。
[0158] 其中，变下垂系数的赋值公式如下：
[0159]
[0160] 其中，Kref为飞轮储能系统的固有下垂系数，a为常数，且大于1，b为常数，且b＞a。
[0161] 其中，飞轮储能需达到的转速需求模型，如下：
[0162]
[0163] 其中，P0为飞轮在当前转速下的输出功率值，JF为飞轮的转动惯量， 为飞轮在i时刻时的需达到的角速度。
[0164] 其中，基于所述转速需求模型，建立动作深度模型，基于所述动作深度模型，确定参与一次频率调节的飞轮储能动作深度。
[0165] 其中，动作深度模型，如下：
[0166]
[0167] 其中，Pmax.Fly为飞轮储能系统的最大功率输出值， 为飞轮储能系统在i时刻的转速值，Pi.Fly为用于一次调频的飞轮储能实际出力值，ωmin为飞轮储能系统的最小转速值，ωmax为飞轮储能系统的最大转速值。
[0168] 本发明通过调整飞轮储能的实际动作深度，能有效利用灵活调节源提升电网的一次调频能力。
[0169] 实施例3：
[0170] 基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field‑Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中方法的步骤。
[0171] 实施例4：
[0172] 基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non‑volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中方法的步骤。
[0173] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
[0174] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0175] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0176] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0177] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0178] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
