镍氢电池辅助火电机组一次调频储能系统的协调控制方法与流程

1.本发明属于电力系统的储能技术领域，尤其涉及一种镍氢电池辅助火电机组一次调频储能系统及协调控制方法。


背景技术：

2.电力系统的频率变化，反应了发电有功功率和负荷之间的实时平衡关系，是影响着用户的电力设备以及供电设备本身安全运行的重要参数。随着新能源汽车大规模应用，大量随机的负荷波动对电力系统的一次调频提出了较高的要求。
3.目前，传统火电机组和水电机组是电网主要的一次调频资源，但由于技术限制以及装机量逐渐萎缩，电网一次调频容量不足的问题将会凸显。同时，若长期依靠传统机组承担日益繁重的一次调频任务，在频繁出力的运行工况下，会造成发电设备磨损、煤耗增高和备用容量导致的发电损失等负面问题。
4.研究表明，快速发展的储能技术具有响应时间短、调节速率快、调节精度高等优势，参与电网一次调频可有效地缓解传统机组的一次调频压力。其中，镍氢储能电池技术由于功率密度高、工作温度范围宽以及安全性好，十分适合在短时功率大、持续时间短、充放电频次高等特性的一次调频场景中应用。此外，镍氢电池和目前主流的锂离子电池储能技术相比，具有功率性能好、系统单位功率带电量低以及电池的利用率高等优点。同时与现有的超级电容器和飞轮储能技术相比，镍氢电池在能量密度和系统一次投入成本上也具有一定的优势。
5.然而现有技术中，比如专利cn113922391a、cn103457281a以及cn112467773a的研究主要都集中在锂离子电池、飞轮储能和超级电容器三个储能方式，关于镍氢电池储能系统装置以及辅助火电一次调频协调控制方案的报道则较少。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种镍氢电池辅助火电机组一次调频储能系统的协调控制方法。
7.这种镍氢电池辅助火电机组一次调频储能系统的协调控制方法，包括以下步骤：s1、通过同步向量测量单元实时监测电网频率，并将同步向量测量单元监测得到的电网频率与电网的额定频率相减，得到电网频率偏差信号 ；由频率偏差信号 通过下垂控制计算出一次调频负荷指令对应的功率变化值 ；表示电网频率变化时，发电机组在原来功率的基础上增加或减少的功率大小；s2、电池管理系统通过电压、电流和温度的采集和处理模块，实时收集多个镍氢电池单体形成的镍氢电池组的温度和电池剩余电量，并上传给协调控制系统；s3、协调控制系统根据实时得到的一次调频负荷指令、镍氢电池组的温度和电池剩余电量协调镍氢电池储能系统和火电机组一次调频出力深度；协调控制系统将一次调频负荷指令对应的功率变化值分配给镍氢电池储能系统和火电机组发电系统；其中镍氢
电池储能系统分配得到的功率变化值大小为，火电机组发电系统分配得到的功率变化值大小为 ；s4、协调控制系统将步骤s3分配的一次调频负荷指令对应的功率变化值分别发送给pcs功率控制模块和火电机组发电系统，分别进行镍氢电池储能系统的功率调整和火电机组发电系统的功率调整。
8.作为优选，镍氢电池辅助火电机组的一次调频储能系统由镍氢电池储能系统、交直流变换装置、升压变装置、数据存储和处理模块、pcs功率控制模块、协调控制系统和火电机组发电系统组成；其中镍氢电池储能系统由若干组镍氢电池单体经过串联或并联组成；还设有与镍氢电池储能系统对应的电池管理系统，电池管理系统包含电压、电流和温度的采集和处理模块；镍氢电池储能系统与交直流变换装置、交直流变换装置与升压变装置以及升压变装置与厂用电直流母线之间通过电缆进行电连接；交直流变换装置内设有pcs功率控制模块；火电机组发电系统电连接同步向量测量单元；协调控制系统分别与数据存储和处理模块、pcs功率控制模块和同步向量测量单元通过通信电缆连接。
9.作为优选，镍氢电池储能系统的直流侧电压为500～1500v；镍氢电池单体充放电倍率为1～20c。
10.作为优选，步骤s1中一次调频负荷指令对应的功率变化值的计算公式为：上式中，δ为火电机组发电系统的转速不等率，δ的范围为3～6%； 是火电机组的额定转速； 是火电机组的额定负荷。
11.作为优选，δ的取值为5%；的取值为3000 r/min；的取值为660 mw。
12.作为优选，步骤s3具体包括以下步骤：s3.1、当镍氢电池组单体最高温度高于，且和soc为任意值时：协调控制系统分配给镍氢电池储能系统的功率变化值大小，协调控制系统分配给火电机组发电系统的功率变化值大小；禁止镍氢电池储能系统执行充电和放电，将镍氢电池储能系统的温度维持在0～60℃内；一次调频的负荷指令全部由火电机组发电系统自身承担；s3.2、当镍氢电池组单体最高温度低于，且镍氢电池组的电池剩余电量soc满足 时，镍氢电池储能系统和火电机组的出力由步骤s3.2.1至步骤s3.2.3进行分配；s3.3、当镍氢电池组单体最高温度低于，且镍氢电池组的电池剩余电量soc满足 时，镍氢电池储能系统和火电机组的出力由步骤s3.3.1至步骤s3.3.3进行分配；其中表示最佳工作区间的下限电池剩余电量值； 表示镍氢电池未发生放电的剩余电量上限值；镍氢电池储能系统在一次调频指令为零时，将镍氢电池soc快速向上拉至平衡防止过放；s3.4、当镍氢电池组单体最高温度低于，且镍氢电池组的电池剩余电量soc满足 《soc《 时，镍氢电池储能系统和火电机组的出力由步骤s3.4.1至步骤s3.4.3进行分配 表示最佳工作区间的上限电池剩余电量值；
s3.5、当镍氢电池组单体最高温度低于，且镍氢电池组的电池剩余电量soc在最佳工作上限和禁充区间之间时，镍氢电池储能系统和火电机组发电系统的出力按照步骤s3.5.1至步骤s3.5.3进行分配；其中为镍氢电池储能系统的禁止充电下限；s3.6、当镍氢电池组单体最高温度低于，且≤soc≤ 时，镍氢电池储能系统和火电机组发电系统的出力按照步骤s3.6.1至步骤s3.6.3进行分配。
13.作为优选：步骤s3.2.1至步骤s3.2.3具体为：s3.2.1、当时：，；镍氢电池储能系统按照分配到的进行充电响应；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统承担；其中表示镍氢电池储能系统的额定功率；s3.2.2、当时：，；镍氢电池储能系统禁止放电，并按照额定功率进行充电，快速将镍氢电池的soc值向上拉至平衡；火电机组发电系统的负荷指令为零；s3.2.3、当时:，；镍氢电池储能系统禁止放电，一次调频的负荷指令全部由火电机组发电系统承担；步骤s3.3.1至步骤s3.3.3具体为：步骤s3.3.1、当时：时：；镍氢电池储能系统按照分配到的进行充电；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统承担；步骤s3.3.2、当时：，；镍氢电池储能系统按照分配到的进行充电；火电机组发电系统的负荷指令为零；步骤s3.3.3、当时： ， 或；镍氢电池储能系统按照分配到的进行放电；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统承担；步骤s3.4.1至步骤s3.4.3具体为：s3.4.1、当或 时：，；一次调频的负荷指令全部由火电机组发电系统自身承担；s3.4.2、当时：，；镍氢电池储能系统按照自身额定功率进行充电响应，未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统自身承担；s3.4.3、当 时：，；镍氢电池储能系统按照自身额定功率进行放电响应，未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统承担；步骤s3.5.1至步骤s3.5.3具体为：
s3.5.1、当时： ； 或；镍氢电池储能系统按照分配到的进行充电响应，未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统承担；s3.5.2、当时：，；镍氢电池储能系统按照分配到的进行放电响应；火电机组发电系统的负荷指令为零；s3.5.3、当时：，或 ；镍氢电池储能系统按照分配到的进行放电响应；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统承担；步骤s3.6.1至步骤s3.6.3具体为：s3.6.1、当时：，；镍氢电池储能系统禁止充电；一次调频的负荷指令全部由火电机组发电系统承担；s3.6.2、当时：，；镍氢电池储能系统按照额定功率 进行放电，将镍氢电池的soc值向下拉至平衡；火电机组发电系统的负荷指令为零；s3.6.3、当时：，或 ；镍氢电池储能系统按照分配到的进行放电响应；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统承担。
14.作为优选， ；将设置为45℃；为0～20 mw；为镍氢电池额定电量的40%～60%；为镍氢电池额定电量的80%；为镍氢电池额定电量的20%。
15.本发明的有益效果是：本发明由镍氢电池储能系统辅助火电机组发电系统进行一次调频，通过同步向量测量单元先收集电网频率偏差信号，通过下垂控制计算一次调频负荷指令对应的功率变化值，再结合镍氢电池储能系统中镍氢电池组的温度、荷电状态等信息；由协调控制系统根据镍氢电池组的温度、荷电状态等信息，将一次调频出力深度最大化作为基本准则，将镍氢电池组的剩余电量和温度作为控制目标，协调控制镍氢电池储能系统和火电机组发电系统的一次调频出力深度。
16.本发明的方法综合考虑了机组一次调频功率需求、镍氢电池温度和动态剩余电量（soc）等情况；当电网频率越过死区处于低频时，镍氢电池储能系统根据系统功率放电，为火电机组发电系统增加输出功率；当电网频率处于高频时，镍氢电池储能系统作为火电机组发电系统的厂用负荷吸收功率，达到一次调频的效果；既可以兼顾储能系统运行寿命和soc恢复的要求，又能保证机组一次调频的出力深度，是一种高效、可行的协调控制方法。本发明的方法还可以减少火电机组汽轮器阀门的频繁动作，改善阀门运行条件、提升安全可靠性，并有利于提高机组运行主参数稳定性。
附图说明
17.图1为镍氢电池储能系统辅助火电机组一次调频系统控制策略图；图2为镍氢电池储能系统辅助火电机组一次调频系统原理图。
18.附图标记说明：镍氢电池储能系统1、交直流变换装置2、升压变装置3、数据存储和处理模块4、pcs功率控制模块5、协调控制系统6、电池管理系统7、厂用电直流母线8、火电机组发电系统9、同步向量测量单元10。
具体实施方式
19.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
20.实施例一本技术实施例一提供了一种如图2所示镍氢电池储能系统辅助火电机组一次调频系统，由镍氢电池储能系统1、交直流变换装置2、升压变装置3、数据存储和处理模块4、pcs功率控制模块5、协调控制系统6和火电机组发电系统9组成；其中镍氢电池储能系统1由若干组镍氢电池单体经过串联或并联组成；还设有与镍氢电池储能系统1对应的电池管理系统（bms）7，电池管理系统（bms）7包含电压、电流和温度的采集和处理模块；镍氢电池储能系统1与交直流变换装置2、交直流变换装置2与升压变装置3以及升压变装置3与厂用电直流母线8之间通过电缆进行电连接；交直流变换装置2内设有pcs功率控制模块5，pcs功率控制模块包括功率大小可调的充电和放电功能；火电机组发电系统9电连接同步向量测量单元（pmu）10；同步向量测量单元（pmu）10用于对交直流变换装置的功率和通讯进行控制；协调控制系统6分别与数据存储和处理模块4、pcs功率控制模块5和同步向量测量单元10通过通信电缆连接。
21.实施例二在实施例一的基础上，本技术实施例二提供了一种如图1所示镍氢电池储能系统辅助火电机组一次调频系统控制策略：s1、通过同步向量测量单元10实时监测电网频率，并将同步向量测量单元10监测得到的电网频率与电网的额定频率相减，得到电网频率偏差信号；由频率偏差信号通过下垂控制计算出一次调频负荷指令对应的功率变化值；表示电网频率变化时，发电机组在原来功率的基础上增加或减少的功率大小；上式中，δ为火电机组发电系统的转速不等率，δ的取值为5%； 是火电机组的额定转速，取值为3000 r/min；是火电机组的额定负荷，的取值为3000 r/min；s2、电池管理系统7通过电压、电流和温度的采集和处理模块，实时收集多个镍氢电池单体形成的镍氢电池组的温度和电池剩余电量（soc），并上传给协调控制系统6；s3、协调控制系统6根据实时得到的一次调频负荷指令、镍氢电池组的温度和电池剩余电量（soc），以一次调频出力深度最大化作为基本准则，电池剩余电量和温度作为控
制目标，协调镍氢电池储能系统和火电机组一次调频出力深度；协调控制系统6将一次调频负荷指令对应的功率变化值分配给镍氢电池储能系统1和火电机组发电系统9（deh）；其中镍氢电池储能系统1分配得到的功率变化值大小为，火电机组发电系统分配得到的功率变化值大小为；s3.1、当镍氢电池组单体最高温度高于，且和soc为任意值时：协调控制系统6分配给镍氢电池储能系统1的功率变化值大小，协调控制系统6分配给火电机组发电系统的功率变化值大小；禁止镍氢电池储能系统1执行充电和放电，将镍氢电池储能系统1的温度维持在0～60℃内，防止镍氢电池组温度过高引起寿命衰减加速；一次调频的负荷指令全部由火电机组发电系统9自身承担；s3.2、当镍氢电池组单体最高温度低于，且镍氢电池组的电池剩余电量soc满足 时，镍氢电池储能系统1和火电机组的出力由步骤s3.2.1至步骤s3.2.3进行分配；s3.2.1、当时：， ；镍氢电池储能系统1按照分配到的进行充电响应；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统承担；其中表示镍氢电池储能系统的额定功率；s3.2.2、当时：，；镍氢电池储能系统1禁止放电，并按照额定功率进行充电，快速将镍氢电池的soc值向上拉至平衡；火电机组发电系统9的负荷指令为零；s3.2.3、当时: ，；镍氢电池储能系统1禁止放电，一次调频的负荷指令全部由火电机组发电系统9承担；s3.3、当镍氢电池组单体最高温度低于，且镍氢电池组的电池剩余电量soc满足 时，镍氢电池储能系统1和火电机组的出力由步骤s3.3.1至步骤s3.3.3进行分配；其中表示最佳工作区间的下限电池剩余电量值； 表示镍氢电池未发生放电的剩余电量上限值；镍氢电池储能系统在一次调频指令为零时，将镍氢电池soc快速向上拉至平衡防止过放；镍氢电池储能系统的剩余电量越低，能响应一次调频负向的指令越低，这样可以防止镍氢电池组剩余电量过低；步骤s3.3.1、当时：，或 ；镍氢电池储能系统1按照分配到的进行充电；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统9承担；步骤s3.3.2、当时：，；镍氢电池储能系统1按照分配到的进行充电；火电机组发电系统9的负荷指令为零；步骤s3.3.3、当时： ， 或；镍氢电池储能系统1按照分配到的进行放电；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统9承担；
s3.4、当镍氢电池组单体最高温度低于，且镍氢电池组的电池剩余电量soc满足 《soc《时，镍氢电池储能系统1和火电机组的出力由步骤s3.4.1至步骤s3.4.3进行分配； 表示最佳工作区间的上限电池剩余电量值；s3.4.1、当或时：，；一次调频的负荷指令全部由火电机组发电系统9自身承担；s3.4.2、当时：，；镍氢电池储能系统1按照自身额定功率进行充电响应，未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统9自身承担；s3.4.3、当时：，；镍氢电池储能系统1按照自身额定功率进行放电响应，未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统9承担；s3.5、当镍氢电池组单体最高温度低于，且镍氢电池组的电池剩余电量soc在最佳工作上限和禁充区间之间时，镍氢电池储能系统1和火电机组发电系统9的出力按照步骤s3.5.1至步骤s3.5.3进行分配；其中为镍氢电池储能系统1的禁止充电下限；s3.5.1、当时： ； 或；镍氢电池储能系统1按照分配到的进行充电响应，未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统9承担；镍氢电池储能系统的剩余电量越高，能响应一次调频正向指令越低，这样既可以防止镍氢电池组剩余电量过高，又能保证储能系统最大化出力，有利于提高全生命周期镍氢电池的使用寿命；s3.5.2、当时：，；镍氢电池储能系统1按照分配到的进行放电响应；火电机组发电系统9的负荷指令为零；镍氢电池储能系统在一次调频指令为零时将根据soc大小分配功率，有利于快速将soc向下拉至平衡防止过充；s3.5.3、当时：，或 ；镍氢电池储能系统按照分配到的进行放电响应；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统9承担；s3.6、当镍氢电池组单体最高温度低于，且≤soc≤时，镍氢电池储能系统1和火电机组发电系统9的出力按照步骤s3.6.1至步骤s3.6.3进行分配；s3.6.1、当时：，；镍氢电池储能系统1禁止充电；一次调频的负荷指令全部由火电机组发电系统9承担；s3.6.2、当时：，；镍氢电池储能系统1按照额定功率进行放电，将镍氢电池的soc值向下拉至平衡；火电机组发电系统9的负荷指令为零；s3.6.3、当时：，或 ；镍氢电池储能系统按照分配到的进行放电响应；未响应的那部分负荷指令由火电机组发电系统9承担；
s4、协调控制系统6将步骤s3分配的一次调频负荷指令对应的功率变化值分别发送给储能变流器中的pcs功率控制模块5和火电机组发电系统9，分别进行镍氢电池储能系统1的功率调整和火电机组发电系统9的功率调整，完成一次调频储能系统的协调控制。