一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法技术

针对当前电力系统对频率调节分析方法的双向性、普适性和多元性需求，提出适用于双向储能设备的双象限频率特性(DQFC)分析方法。DQFC分析方法构建了统一的功率参考体系，以电动机惯例规定从电网吸收功率的方向为正，向电网发出功率的方向为负，将系统中“荷”、“源”分别呈现在第一、二象限，解决了传统频率特性分析法存在的参考值问题；DQFC分析方法能够适用于复杂的多电源系统调频机理分析(一次调频和二次调频)。该多电源系统可由多种控制策略下运行的双向储能设备、无穷大电网、实际电网和发电机组组合而成；DQFC分析方法对传统频率方法进行了维度拓展，改运行点为运行线以表示功率平衡状态。能对双模式运行的双向储能设备进行频率特性定性和定量分析，解决了传统频率特性分析法存在的单维度问题。在新能源渗透率日益提高的趋势下，电网中的双向储能设备数量将越来越多。在这种背景下，本发明专利技术所提出的方法有较为广阔的应用空间。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法
本专利技术属新能源
，特别涉及一种适用于双向储能设备的双象限频率特性(DQFC)分析方法。具体说是关于分布式电源，微电网、可再生能源发电，储能等系统的新型频率特性分析方法。
技术介绍
微电网通过对微电源的灵活控制，提高供电可靠性和电能质量，避免分布式电源单独供电对电网安全性、稳定性和电能质量等造成冲击。为解决能源危机和环境问题，越来越多的可再生能源、电动汽车和储能系统需要通过电力电子变换器接入微电网。蓄电池、电动汽车、发-储联合系统等广义储能设备能够根据电网的需求，实现能量双向流动，本文简称之为双向储能设备。当电网电力充足时，双向储能设备接口处的变流器工作在整流模式，将能量储存；而当负载用电量过大或者电网突然断电时，变流器以逆变模式运行，将储存的电能逆变成交流电，馈入电网或者直接给重要负载供电。有学者提出自主电力系统的概念，为智能电网接入提供统一的接口机制，使新能源和负荷能像常规电源一样参与电网频率调节。这对双向储能设备提出了更高的要求，即在发、储两种模式下均能自主参与电网频率的调节。为了有效应对上述双向储能设备的快速发展，使之成为更加符合未来电网需求的“模范负荷”，已有部分文献对上述双向储能设备进行了研究。按照应用场景可以分为两类：传统储能场景和电动汽车场景。首先，在传统储能场景下，双向变流器的控制方式和模式切换方法得到了一定的研究。有学者介绍了一种适用于特殊双向变流器的双模式运行控制方案。也有学者用不同的控制策略实现了储能系统的充放电功能。另外，在电动汽车的V2G场景下，诸多学者对双向变流器的拓扑结构及对应控制策略进行了研究。虽然已有部分文献针对双向储能设备进行了研究，但是在实际微电网环境下，双向储能设备的调频特性和分析方法还鲜有研究。若能够在实际微电网特性基础上，将双向储能设备在不同模式(发电机模式/电动机模式)、不同控制策略下的频率调节机理进行详尽分析，能够促进电动汽车、储能等双向储能设备的发展，对自主电力系统的构建和未来高渗透率环境中维持电网频率稳定都具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法。以解决新场景下发/储双向储能设备的频率调节分析问题。双向储能设备的特性主要由其接口变流器的控制方式决定：常见的控制方法有有功无功(PQ)控制、电压频率(Vf)控制和下垂控制三种。采用何种控制策略取决于原动机的类型和微电网的运行模式。PQ控制使分布式微源输出恒定的调度功率，由功率外环和电流内环构成，广泛应用在并网逆变器和储能逆变器中。PQ控制下的变流器作为电力系统中的PQ节点。PQ节点占微网系统中的大多数，常见的储能设备、电动汽车一般均为PQ节点。Vf控制可以输出恒定的电压和频率，一般由电压外环和电流内环构成，广泛应用于孤岛运行状态下的主从控制结构微网。微网孤岛运行时，主控单元采用Vf控制，作为平衡节点，为从控单元提供电压和频率支撑。分布式电源与储能配合的发储联合系统(光储、风储、风光储等)因其优越的响应速度和可调度性，可采用Vf控制。下垂控制是效仿同步发电机运行特性对分布式电源进行控制的方法，常用于对等控制结构微网的并联系统中，有下垂控制和反下垂控制之分。采用下垂控制的分布式电源能对频率进行有差调节。需要说明的是，下垂控制可以作为子环节应用于PQ控制和Vf控制中。电力系统一次调频的原理显示：在调频过程中，对于单台设备，其承担的负荷与其调差系数成反比。微电网的一次调频能力为微电网中各调频设备的调频能力之和。分析电力系统中频率和有功功率的关系时常用的频率特性分析见图1。使用图1所示的分析方法能满足传统发电机与负荷的频率特性分析要求。但在双向储能设备渗透率逐渐提高的背景下，仍暴露出一定的缺陷。具体表现为参考值问题：负荷的有功功率参考方向以吸收功率为正，发电机的有功功率参考方向以发出有功功率为正，存在一定的认知难度，分析时可能引起不必要的误解。单电源问题：传统方法常用来分析单电源独立为负荷供电(或将所有电源等效为一个等值电源)时的频率特性，难以分析不同调差系数的电源共同为负荷供电的调频特性。单维度问题：传统方法只能在单维度下表示发电机发功率的调频特性，而对于有发电机模式和电动机模式两个维度的双向储能设备，难以进行调频分析。针对上述问题，一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法被提出，其原理图见图2。横坐标为有功功率轴，纵坐标为频率轴，吸收功率的设备位于频率轴右侧(第一象限)，发出功率的设备位于频率轴左侧(第二象限)。运行线与每个吸收功率设备的静态频率特性线的交点横坐标为该设备吸收的功率；运行线与每个发出功率设备的静态频率特性线的交点横坐标为该设备发出的功率。将吸收功率的设备的所有交点横坐标相加为该系统中所有用电设备吸收的功率；将发出功率的设备的所有交点横坐标相加为该系统中所有发电设备发出的功率。电力系统中电力的供需平衡要求上述二者相等，这通过图2中运行线的上下移动来实现。单电源系统的DQFC分析方法分析图见图3。图3中横轴为有功功率轴，纵轴为频率轴。负荷吸收功率，故其频率特性位于第一象限，对应的功率值为正。电源发出功率，故其频率特性位于第二象限，对应的功率值为负。图3中直线LG和LL0分别为发电设备的频率特性和总负荷的初状态的频率特性。直线o与纵轴、LG和LL0的交点分别为点x、a和b，有ax＝bx，即PG0＝PL0，满足功率平衡关系。因此，初始状态下，系统的运行线为直线o。点x处的坐标为fN，系统在额定频率fN下运行。总负荷增加ΔPL0后，负荷的频率特性将向右移动而变为直线LL1，在此情况下，若系统仍然保持额定频率不变，则负荷吸收的功率将由PL0增加到PL0+ΔPL0，即相当于直线LL1上的c点(对应于图1中的a点)。但实际上，由于负荷增加破坏了原有的功率平衡，在发电设备和负荷的调频作用下，频率将下降至新的平衡值f1，运行线为图2中的直线o′，有dy＝ey，即达到PG1＝PL1的新功率平衡。上述过程实际的过程如下：当总负荷增加后，起初由于发电机组的惯性，转速不能突然变化，系统频率和系统发出的功率暂时保持不变，使发电机组的输出功率小于负荷的功率，造成能量的缺额。这一缺额只能由发电机组将储存的动能释放，于是，机组转速开始降低。接着，由于发电机组转速降低，在调速系统的作用下，进气阀和进水阀开度增大，原动机的机械功率增加，进而发电机的输出功率也随之增加。同时，电力系统中的负荷随着频率的变化按照自身的调频特性进行调节，一般而言在负荷突增导致频率下降后，负荷会减少吸收的功率。随着这两个过程的进行，系统将会达到新的平衡。可见上述过程与DQFC分析方法的分析结果相吻合。接下来介绍DQFC分析方法在多电源系统中的应用，该多电源系统不仅包含普通发电机组，还可以包含双向储能设备、实际电网等。下面分别针对不同的多电源系统组成分别介绍分析方法。DQFC分析方法在含有发电机组的多电源系统中的应用见图4。针对发电机组，其分析与图3所示的单电源系统DQFC分析类似。区别在于，由于有多个电源，在频率轴左侧有多个电源的频率特性。下面以两个频率特性不同的发电机组为例进行说明，见图4。直线LG1和LG2分别为发电机组1和发电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法。其特征在于，有功功率为横坐标、系统频率为纵坐标，分析对象位于第一、二象限。该方法构建了统一的功率参考体系，不仅解决传统频率分析方法的参考值问题、单电源问题和单维度问题，还能够对双向储能设备和复杂多电源系统的一次调频、二次调频机理进行定性和定量分析。该多电源系统可由发电机组、无穷大电网、实际电网和多种控制策略下发电机模式/电动机模式运行的双向储能设备组合而成。

【技术特征摘要】
1.一种适用于双向储能设备的双象限频率特性分析方法。其特征在于，有功功率为横坐标、系统频率为纵坐标，分析对象位于第一、二象限。该方法构建了统一的功率参考体系，不仅解决传统频率分析方法的参考值问题、单电源问题和单维度问题，还能够对双向储能设备和复杂多电源系统的一次调频、二次调频机理进行定性和定量分析。该多电源系统可由发电机组、无穷大电网、实际电网和多种控制策略下发电机模式/电动机模式运行的双向储能设备组合而成。2.根据权利要求1所述的参考值问题，其特征在于，负荷的有功功率参考方向以吸收功率为正，发电机的有功功率参考方向以发出有功功率为正，存在一定的认知难度，分析时可能引起不必要的误解；针对该问题，采用电动机惯例来规定正方向。无论对于发电设备还是用电设备，以从电网吸收功率的方向为正，以向电网发出功率的方向为负。在统一的功率参考方向下将发电设备和用电设备进行区别，并赋予它们明确的物理意义，不会因参考方向不一致而产生不必要的误解。3.权利要求1所述的单电源问题，其特征在于，传统方法常用来分析单电源独立为负荷供电(或将所有电源等效为一个等值电源)时的频率特性，难以分析不同调差系数的电源共同为负荷供电的调频特性；针对该问题，将传统方法进行维度拓展，将系统的稳态运行状态用运行线表示(而非运行点)，进而可以完成不同调差系数的电源共同...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜湘武，张雪原，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13