储能协调漂浮式风电机组的控制方法及装置与流程

阅读：评论：0

1.本发明涉及风电机组的技术领域，尤其是涉及一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法及装置。

背景技术：

2.由于风能资源具有波动性、间歇性和随机性等特点，导致大规模风电并网会破坏电力系统的有功功率与负荷之间的平衡，造成电网频率的波动，威胁电力系统安全经济的运行。并且，漂浮式风电与陆上风电存在明显的差异，复杂的运行环境使漂浮式风电机组在现有控制策略下很难稳定参数和平滑输出功率，大规模并网后给电网造成的冲击更为严重。
3.进一步，受风、浪载荷的影响，漂浮平台和风电机组塔体会发生位移和俯仰运动，导致风电场输出功率在期望值附近变动，并网后将引起电力系统频率的波动。而随着电力系统区域互联程度的增加和漂浮式风电渗透率的提高，电网频率波动的问题会愈发严重。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法及装置，以缓解因高比例漂浮式风场并网而造成电力系统的频率波动加剧的技术问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法，包括：获取漂浮式风电场配置的频率响应单元，基于所述频率响应单元构建所述漂浮式风电场的第一调频模型；其中，所述漂浮式风电场包括多个漂浮式风电机组，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述频率响应单元，所述频率响应单元用于响应电力系统的频率变化；获取漂浮式风电场配置的储能系统，基于所述储能系统构建第二调频模型；其中，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述储能系统；基于所述第一调频模型和所述第二调频模型构建包含所述漂浮式风电场、所述储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型；通过所述频率响应单元获取所述电力系统的频率变化参数，基于所述频率变化参数通过所述第一调频模型计算所述漂浮式风电机组的第一调频控制策略，以及，通过所述第二调频模型计算所述储能系统的第二调频控制策略；根据所述第一调频控制策略和所述第二调频控制策略生成所述混合电力系统的调频控制总体策略。
6.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述频率响应单元采用预设的虚拟惯性控制方式和下垂控制方式进行综合控制；所述第一调频模型包括每个所述漂浮式风电机组对应的调频支路，所述调频支路用于按照预设的惯性控制参数和下垂控制参数计算每个所述漂浮式风电机组的调频输出功率变化量；基于所述频率响应单元构建所述漂浮式风电场的第一调频模型的步骤，包括：通过所述第一调频模型计算每个所述漂浮式风电机组的调频输出功率变化量，以及对所述调频输出功率变化量进行汇总处理，生成所述漂浮式风电场的调频时的出力变化量。
7.结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种
可能的实施方式，其中，上述储能系统为电池储能系统，所述电池储能系统包括储能电池、能量管理系统和功率转换系统；所述第二调频模型包括所述储能系统的能量转换机理模型；所述能量转换机理模型用于表征所述储能系统的充放电逻辑；基于所述储能系统构建第二调频模型的步骤，包括：通过所述功率转换系统检测所述电力系统的频率反馈信号；基于所述第二调频模型，根据所述频率反馈信号计算所述储能系统的补偿功率，所述补偿功率用于补偿所述电力系统的频率扰动引起的频率偏差。
8.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述基于所述第一调频模型和所述第二调频模型构建包含所述漂浮式风电场、所述储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型的步骤，包括：将所述储能系统的出力特性与所述漂浮式风电场的出力特性进行合并处理，生成包含所述储能系统的储能风电场；将所述储能风电场与预设的所述火电机组进行合并，得到包含所述漂浮式风电场、所述储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统；获取所述火电机组的调频模型，所述火电机组的调频模型包括调速器模型和汽轮机模型；基于所述调速器模型、所述汽轮机模型、所述第一调频模型和所述第二调频模型构建所述混合电力系统的调频模型。
9.结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述基于所述频率变化参数通过所述第一调频模型计算所述漂浮式风电机组的第一调频控制策略的步骤，包括：基于所述第一调频模型，采用转子动能控制调频策略和超速减载控制策略生成第一调频控制策略，对所述漂浮式风电机组进行调频控制。
10.结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述通过所述第二调频模型计算所述储能系统的第二调频控制策略的步骤，包括：基于所述储能电池的剩余容量参数设置所述储能电池的约束范围；在所述约束范围内，计算所述第二调频控制策略，其中，所述第二调频控制策略包括：根据所述频率反馈信号按照预先设置的虚拟惯性控制策略控制所述储能电池吸收或释放有功功率；或者，按照预先设置的下垂控制策略控制所述储能电池进行充电或者放电。
11.结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述根据所述第一调频控制策略和所述第二调频控制策略生成所述混合电力系统的调频控制总体策略的步骤，包括：按照预先设置的频率变化阈值设置所述储能电池的调频死区；在所述调频死区对应的频率变化范围内，通过所述第一调频控制策略对所述混合电力系统进行调频控制；在所述调频死区对应的频率变化范围之外，通过所述第一调频控制策略对所述混合电力系统进行调频控制，以及，在所述约束范围内，通过所述第二调频控制策略对所述混合电力系统进行调频控制。
12.第二方面，本发明实施例还提供一种储能协调漂浮式风电机组的控制装置，包括：第一构建模块，用于获取漂浮式风电场配置的频率响应单元，基于所述频率响应单元构建所述漂浮式风电场的第一调频模型；其中，所述漂浮式风电场包括多个漂浮式风电机组，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述频率响应单元，所述频率响应单元用于响应电力系统的频率变化；第二构建模块，用于获取漂浮式风电场配置的储能系统，基于所述储能系统构建第二调频模型；其中，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述储能系统；第三构建模块，用于基于所述第一调频模型和所述第二调频模型构建包含所述漂浮式风电场、所述储能系
统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型；策略模块，用于通过所述频率响应单元获取所述电力系统的频率变化参数，基于所述频率变化参数通过所述第一调频模型计算所述漂浮式风电机组的第一调频控制策略，以及，通过所述第二调频模型计算所述储能系统的第二调频控制策略；控制模块，用于根据所述第一调频控制策略和所述第二调频控制策略生成所述混合电力系统的调频控制总体策略。
13.第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行上述第一方面所述方法的步骤。
14.第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如第一方面所述方法的步骤。
15.本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供的储能协调漂浮式风电机组的控制方法及装置，能够基于频率响应单元构建漂浮式风电场的第一调频模型，以及根据储能系统构建第二调频模型，进而根据第一调频模型和第二调频模型构建包含漂浮式风电场、储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型，并基于混合电力系统的调频模型设计混合电力系统的调频控制总体策略，从而改善混合电力系统的调频性能，在设计调频控制总体策略过程中，充分使用储能系统来有效补偿电网功率的波动，考虑储能系统和漂浮式风电机组运行载荷的一次调频协调控制，可以有效提高混合电力系统经济型、稳定性，以及储能系统和漂浮式风电机组的寿命。
16.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
17.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例提供的一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法的流程图；图2为本发明实施例提供的一种第一调频模型的示意图；图3为本发明实施例提供的一种电池储能系统的等效电路图；图4为本发明实施例提供的一种电池储能系统一次调频模型结构图；图5为本发明实施例提供的一种混合电力系统的一次调频模型的示意图；图6为本发明实施例提供的一种电池储能系统的调频运行特性示意图；图7为本发明实施例提供的一种对混合电力系统进行调频控制的总体策略；
图8为本发明实施例提供的一种仿真验证示意图；图9为本发明实施例提供的另一种仿真验证示意图；图10为本发明实施例提供的另一种仿真验证示意图；图11为本发明实施例提供的一种储能协调漂浮式风电机组的控制装置的结构示意图；图12为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.通常，受风、浪载荷的影响，漂浮式风电场的漂浮平台和漂浮式风电机组的塔体会发生位移和俯仰运动，导致漂浮式风电场输出功率在期望值附近变动，并网后将引起电力系统电网频率的波动。随着电力系统区域互联程度的增加和漂浮式风电渗透率的提高，电网频率波动的问题会愈发严重。因此，有必要通过技术改造手段减小大规模漂浮式风电机组并网对电力系统造成的频率波动，提高未来电力系统的经济性和安全性。
22.目前，浮式风电机组参与电力系统一次调频的研究主要涉及陆上风电和近海固定桩风电，主要方法包括转子动能控制、减载运行控制以及储能参与调频控制。转子动能控制可分为虚拟惯量控制和下垂控制。减载运行控制主要分为转子超速控制和变桨距控制。以上研究均对风力机参与电力系统一次调频领域有所贡献，同时在这些研究的基础上，此领域仍然缺少以下研究内容：1）含漂浮式风电场的混合电力系统频率特性的研究；2）高比例漂浮式风电场并网对电力系统的定性和定量的影响；3）高比例漂浮式风电场并网背景下，一次调频控制策略的研究。
23.基于此，本发明实施例提供的一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法及装置，可以缓解因高比例漂浮式风电场并网而造成的电力系统电网频率波动的加剧问题，具体涉及含漂浮式风电场的电力系统一次调频模型的建立，基于上述模型设计储能协调漂浮式风电场一次调频控制策略，从而改善电力系统的调频性能。
24.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法进行详细介绍。
25.在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供了一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法，具体地，如图1所示的一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法的流程图，该方法包括以下步骤：步骤s102，获取漂浮式风电场配置的频率响应单元，基于频率响应单元构建漂浮式风电场的第一调频模型；其中，漂浮式风电场包括多个漂浮式风电机组，每个漂浮式风电机组均配置有频率响应单元，频率响应单元用于响应电力系统的频率变化；步骤s104，获取漂浮式风电场配置的储能系统，基于储能系统构建第二调频模型；其中，每个漂浮式风电机组均配置有储能系统；
具体实现时，上述步骤s102中的第一调频模型实际是一种漂浮式风电场的一次调频模型，并且，本发明实施例中，漂浮式风电场也称为海上风电场，漂浮式风电机组指的是漂浮式海上风电机组，例如，变速恒频漂浮式海上风电机组，因此，在该一次调频模型中，通常是以漂浮式海上风电机组为风场的单机对象，并且，本发明实施例中，为了实现变速恒频漂浮式风电机组参与电力系统的调频，通常是给漂浮式风电机组配备频率响应单元，使漂浮式风电机组的出力可以响应电力系统的电网频率的变化，并且，本发明实施例中的频率响应单元，通常采用虚拟惯性控制和下垂控制的综合控制方式，根据漂浮式海上风电场并网频率的偏差，来计算漂浮式风电机组的额外有功功率参考信号。
26.进一步，上述步骤s104中的第二调频模型实际是储能系统一次调频模型，在实际使用时，该储能系统一次调频模型可以根据所选择的储能类型建立储能系统充放电逻辑，进一步得到储能系统能量转换机理模型，通过测量电网频率的反馈信号，得到储能系统补偿功率。
27.步骤s106，基于第一调频模型和第二调频模型构建包含漂浮式风电场、储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型；步骤s108，通过频率响应单元获取电力系统的频率变化参数，基于频率变化参数通过第一调频模型计算漂浮式风电机组的第一调频控制策略，以及，通过第二调频模型计算储能系统的第二调频控制策略；步骤s110，根据第一调频控制策略和第二调频控制策略生成混合电力系统的调频控制总体策略。
28.在实际使用时，上述步骤s106中的混合电力系统，实际是一种结合了火电机组、海上风电场和储能系统的混合电力系统，也称为风-储-火混合电力系统一次调频模型。
29.对该混合电力系统一次调频模型步骤s108和步骤s110中，在生成调频控制策略时，可以结合所选储能系统的一次调频运行特性，确定储能系统中储能单元的充放电逻辑，由于电力系统正常运行时，对于特定范围内的小幅值频率扰动可以不进行调节，因此可以对储能单元设置一次调频死区环节。为了保证储能单元的稳定运行和延长其使用寿命，要求储能单元不能过充和过放，因此，可以进一步规定储能单元的剩余电量的约束范围。并结合虚拟惯性控制和下垂控制作为储能系统一次调频的控制方式。
30.漂浮式风电机组主要使用转子动能与超速减载联合一次调频控制策略。电力系统频率下降时，利用漂浮式风电机组虚拟惯量将转子动能快速转化为电磁功率；惯性响应后，超速减载控制开始作用，使漂浮式风电机组运行在原减载运行曲线之上，从而增大漂浮式风电机组的输出功率参与系统一次调频；当系统频率稳定到允许范围之内后，超速减载控制停止作用，此时漂浮式风电机组以新减载率稳定运行。
31.因此，本发明实施例提供的储能协调漂浮式风电机组的控制方法，能够基于频率响应单元构建漂浮式风电场的第一调频模型，以及根据储能系统构建第二调频模型，进而根据第一调频模型和第二调频模型构建包含漂浮式风电场、储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型，并基于混合电力系统的调频模型设计混合电力系统的调频控制总体策略，从而改善混合电力系统的调频性能，在设计调频控制总体策略过程中，充分使用储能系统来有效补偿电网功率的波动，考虑储能系统和漂浮式风电机组运行载荷的一次调频协调控制，可以有效提高混合电力系统经济型、稳定性，以及储能系统和漂浮式风电
机组的寿命。
32.在实际使用时，对于上述混合电力系统的调频模型，还可以基于matlab/simulink和高保真仿真软件fast进一步验证其一次调频控制的有效性。在进行仿真时，主要以电力系统的频率变化偏差、调频响应速度、漂浮式风电机组出力平滑程度以及火电机组变负荷程度作为评判标准。通常，基于matlab/simulink和高保真仿真软件fast，在负荷阶跃变化和随机变化的场景下进行数值仿真实验，可以得到时域数据，对比了本发明实施例的控制策略调频和转子动能与超速减载联合控制调频的控制效果，证明了本发明实施例所提供的上述方法在大规模漂浮式风电机组并网下对电力系统的频率控制的有效性。
33.在实际使用时，上述频率响应单元采用预设的虚拟惯性控制方式和下垂控制方式进行综合控制；并且，上述第一调频模型包括每个漂浮式风电机组对应的调频支路，该调频支路用于按照预设的惯性控制参数和下垂控制参数计算每个漂浮式风电机组的调频输出功率变化量；在构建漂浮式风电场的第一调频模型时，通常是通过第一调频模型计算每个漂浮式风电机组的调频输出功率变化量，以及对调频输出功率变化量进行汇总处理，生成漂浮式风电场的调频时的出力变化量。
34.为了便于理解，以5mw半潜漂浮式海上风电机组为风场的单机对象为例进行说明，上述构建第一调频模型的过程，实际是构建漂浮式风电场的一次调频模型，为实现漂浮式风电机组参与电力系统的调频，附加频率控制必不可少，本发明实施例中，通过给漂浮式风电机组配备频率响应单元，可以使漂浮式风电机组的出力响应电力系统的电网频率的变化。具体地，本发明实施例中，频率响应单元采用虚拟惯性控制和下垂控制的综合控制方式，根据漂浮式海上风电场并网频率偏差来计算风力机的额外有功功率参考信号，即，；式中：kh和kd分别为惯性控制系数和下垂控制系数，δf
*
为漂浮式风电场的并网频率变化量，可以通过频率响应单元来获取。
35.进一步，图2示出了一种第一调频模型的示意图，即，图2示出的是一种漂浮式风电场的一次调频模型，其中，图2中，以含n台漂浮式风电机组的漂浮式风电场一次调频模型进行说明，每个漂浮式风电机组配置有一个频率响应单元，图2中，pref w,i、δp* i和δp* w,i分别为第i台漂浮式风电机组的初始输出功率参考值、额外有功功率参考信号和调频输出功率变化量；δf *为上述漂浮式风电场的并网频率变化量，δp* w为漂浮式风电场调频时的出力变化量，单位均为pu；v和wave分别为漂浮式风电机组的风载荷和波浪载荷。
36.进一步，本发明实施例中，上述储能系统为电池储能系统，电池储能系统包括储能电池、能量管理系统和功率转换系统，即，以储能单元为储能电池的储能系统。基于该储能系统，上述第二调频模型包括储能系统的能量转换机理模型；该能量转换机理模型用于表征储能系统中储能电池的充放电逻辑；因此，在基于储能系统构建第二调频模型时，可以通过功率转换系统检测电力系统的频率反馈信号；然后基于第二调频模型，根据频率反馈信号计算储能系统的补偿功率，该补偿功率用于补偿电力系统的频率扰动引起的频率偏差。
37.具体实现时，上述电池储能系统能双向吞吐功率，响应速度极快，且技术较为成熟，在大规模新能源并网的电力系统频率调节中具有独特的优势，电池储能系统(battery energy storage system，bess)主要包括储能单元、能量管理系统和功率转换系统。其中，功率转换系统中的变换器和储能单元中的储能电池最为关键。
38.为了便于理解，图3示出了一种电池储能系统的等效电路图，如图3所示，包括变换器和电池，其中，该电池即为储能电池，e
t
为电网相电压，ed为变换器端电压，eb为电池端电压，e
bt
为电池过电压，e
oc
为电池开路电压，单位均为v；rc为连接电阻，rt为过电压电阻，rb为内部电阻，rp为放电电阻，单位均为；cbt为过电压电容，cbp为放电电容，单位均为f；为变换器触发角；xco为变换器电感的阻抗，单位为；ib为电池储能系统输入电流，ibc为流经电池过电压电容的电流，单位为a。
39.理想情况下，变换器空载时最大的直流电压为：；基于图3，储能电池的端电压和输入电流表示为：；本发明实施例中，主要考虑有功功率和负荷对电力系统的电网频率的影响，忽略无功功率和电压对电力系统的电网频率造成的扰动，因此，在储能系统中，主要关注储能电池有功功率的变化，则有；储能电池的有功功率表示为：；记，则有；将该pb进行线性化，则可以得出：；一般地，电池储能系统的变换器通过调节晶闸管触发角来使电池处于恒功率充放电模式，因此将δec分为两部分，一部分用来补偿因输入电流ib变化产生的偏差，记为δep，另一部分用来补偿电力系统频率扰动引起的偏差，记为δed，则因为δep可以补偿输入电流ib变化产生的偏差，所以因此故式上述δpb可以写为
另一方面，功率转换系统的检测装置通过测量电网频率的反馈信号δf可以计算得到δed，此过程表示为式中，km为检测装置的控制增益；tm为测量装置的时间常数，单位为s；fn为电力系统的频率额定值，单位为hz。此时，引入符号函数sgn，则式δpb可以写为：当sgn=1时，δpb 》 0，电池放电；sgn=
ꢀ‑
1时，δpb 《 0，电池充电。
40.下面进一步分析充放电过程中储能电池内部电容与电流之间的关系，由图3可知，流经过电压电容的电流为(15)将i
bc
和e
bt
进行线性化，得出(16)联立式(15)和式(16)，得(17)又因为(18)因此，可以得到(19)联立式(17)和式(19)得出(20)搭建电池储能系统的控制模型时，可以将式(20)等效为一阶惯性环节，即(21)同理，对电池放电电容分析，可以得出
(22)进一步将式(22)等效为惯性环节，得出(23)在式(21)和式(23)中，惯性环节的时间常数为(24)综合上述推导过程，得出电池储能系统一次调频模型结构如图4所示，即本发明实施例中的第二调频模型。
41.进一步，基于上述第一调频模型和第二调频模型可以构建包含漂浮式风电场、储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型，具体地，可以将储能系统的出力特性与漂浮式风电场的出力特性进行合并处理，生成包含储能系统的储能风电场；然后将储能风电场与预设的火电机组进行合并，得到包含漂浮式风电场、储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统；然后获取火电机组的调频模型，火电机组的调频模型包括调速器模型和汽轮机模型；基于调速器模型、汽轮机模型、第一调频模型和第二调频模型构建混合电力系统的调频模型。
42.在实际使用时，本发明实施例中的火电机组的调频模型指的是火电机组的一次调频模型，并且，火电机组调频模型主要包括调速器模型和汽轮机模型，其中，汽轮机模型还进一步包括非再热型汽轮机模型和再热型汽轮机模型，其分别表示为：调速器模型：；非再热型汽轮机模型：；再热型汽轮机模型：；式中：δp* v为阀门开度变化标幺值，δp* e为电磁功率变化标幺值，δp* c为电力系统的出力控制信号变化标幺值，单位均为pu；tg为调速器时间常数，t
t
为汽轮机时间常数，tr为再热器时间常数，单位均为s；kr为蒸汽在高压段生成的功率与总功率之比。
43.在实际使用时，根据电力系统的负荷频率特性，可以得到：；式中，δp* a为电力系统电源出力之和，δp* l为电力系统中负荷之和，单位为pu。
44.本发明实施例中，利用电池储能系统去协调海上漂浮式风电机组参与一次调频，先给每一台漂浮式风电机组都装配储能电池，将储能电池出力与漂浮式风电机组出力合并，例如，对于含m台火电机组、n台漂浮式风电机组的电力系统，满足以下关系：式中，δp* g,i为第i台火电机组出力变化量，δp* wb,j为第j台海上漂浮式风电机组出力变化量与储能电池出力之和，δp* w,j为第j台海上风电机组出力变化量，δp* b,j为第j台储能电池的出力，单位均为pu；i为第i台火电机组容量在电力系统中的占比，βj为第j台海上漂浮式风电机组容量在电力系统中的占比。结合火电机组、海上漂浮式风电场和电池储能系统，可以得出风-储-火混合电力系统的一次调频模型,为了便于理解，图5示出了一种混合电力系统的一次调频模型的示意图，该图5中，包括了漂浮式风电场的多个漂浮式风电机组，每个漂浮式风电机组配置的电池储能系统和频率响应单元，以及，电池储能系统的储能控制单元，各个部分的连接示意图如图5所示，其中，图5中，pref g1为非再热型火电机组出力参考值，pref g2为再热型火电机组出力参考值，pref w,i为海上漂浮式风电机组的输出功率参考值，δp* m1和δp* m2分别为非再热型火电机组和再热型火电机组的出力变化量，δp* w为海上漂浮式风电场的出力变化量，单位均为pu；δp* v1和δp* v2分别为非再热型汽轮机和再热型汽轮机的阀门开度，r1和r2分别为非再热型火电机组和再热型火电机组的调差系数。
45.基于上述混合电力系统，在进行调频控制时，可以通过频率响应单元获取电力系统的频率变化参数，然后通过以下步骤进行调频控制：（1）基于第一调频模型，采用转子动能控制调频策略和超速减载控制策略生成第一调频控制策略，对漂浮式风电机组进行调频控制；（2）基于储能电池的剩余容量参数设置储能电池的约束范围；在约束范围内，计算第二调频控制策略，其中，第二调频控制策略包括：根据频率反馈信号按照预先设置的虚拟惯性控制策略控制储能电池吸收或释放有功功率；或者，按照预先设置的下垂控制策略控制储能电池进行充电或者放电。
46.（3）按照预先设置的频率变化阈值设置储能电池的调频死区；在调频死区对应的频率变化范围内，通过第一调频控制策略对混合电力系统进行调频控制；在调频死区对应的频率变化范围之外，通过第一调频控制策略对混合电力系统进行调频控制，以及，在约束范围内，通过第二调频控制策略对混合电力系统进行调频控制。
47.其中，上述第一调频控制策略实际是对漂浮式风电机组进行的一次调频控制策略；上述第二调频控制策略实际是对储能系统进行的一次调频控制策略。
48.对于漂浮式风电机组，主要使用转子动能与超速减载联合一次调频控制策略。电力系统的频率下降时，利用漂浮式风电机组虚拟惯量将转子动能快速转化为电磁功率；惯
性响应后，超速减载控制开始作用，使漂浮式风电机组运行在原减载运行曲线之上，从而增大漂浮式风电机组输出功率参与电力系统的一次调频；当电力系统的频率稳定到允许范围之内后，超速减载控制停止作用，此时漂浮式风电机组以新减载率稳定运行。
49.采用漂浮式风电机组的转子动能控制调频，需要对漂浮式风电机组附加上述频率响应单元，通过频率响应单元将电力系统的频率偏差转化为漂浮式风电机组的额外有功功率参考信号，利用漂浮式风电机组虚拟惯量实现转子动能和有功功率之间短暂性的交换。正常运行时，漂浮式风电机组转子中蕴含的动能可以表示为式中，ew为漂浮式风电机组的转子动能，单位为j；jw为漂浮式风电机组的等效惯量，单位为kg
·
m2；r为漂浮式风电机组的转速，单位为rad/s。
50.漂浮式风电机组通过释放转子动能获得的电磁功率为在转子超速控制减载运行下，漂浮式风电机组的输出功率为式中，pd为漂浮式风电机组的超速减载运行时的输出功率，单位为w；c
p,d
(, β)为超速减载运行下的风能利用系数，d为减载率。
51.进一步，对于储能系统进行的一次调频控制策略，通常会考虑电池储能系统的一次调频运行特性，其中，图6示出了一种电池储能系统的调频运行特性示意图，其中，横轴为δf为电力系统的频率变化量，纵轴δpb为储能电池的输出功率。δp
b 》 0，储能电池放电；δp
b 《 0，储能电池充电。电力系统正常运行时，对于特定范围内的小幅值频率扰动可以不进行调节，因此对储能电池设置一次调频死区环节。图6中，δfu和δfd分别为调频死区的上限和下限，一般分别取为0.03hz和-0.03hz。
52.储能电池的充放电状态和soc有关，且储能电池的充放电动作深度存在限度。电池soc可以定义为剩余电量与额定容量之比，表示为：；式中，e0和en为储能电池的初始电量和额定容量，单位为j；tc为电池充放电时间，单位s；soc0为初始荷电状态。
53.为了保证储能电池的稳定运行和延长其使用寿命，要求电池不能过充和过放，因此，一般规定储能电池soc的约束范围为；式中，soc
min
和soc
max
分别为储能电池soc的下限和上限，一般取为20%~100%。
54.在研究电力系统的频率偏差和电池储能系统输出功率之间的关系时，可以将电池储能系统等效为一阶惯性环节，即：
；式中，δp* b为电池储能系统的输出功率，单位为pu；tb为惯性时间常数，单位为s；kb为增益。
55.与漂浮式风电机组的频率响应单元类似，电池储能系统一次调频控制方式主要有虚拟惯性控制和下垂控制。
56.虚拟惯性控制是电池储能系统模拟同步发电机组的惯性作用，根据电力系统频率偏差的变化率成比例吸收或释放有功功率，即；式中，mb为虚拟惯性控制增益。
57.下垂控制中，储能电池系统根据电力系统频率的偏差来成比例地充电和放电，即；式中，kb为下垂控制增益。
58.进一步，结合上述虚拟惯性控制和下垂控制作为电池储能系统一次调频的控制方式，联合海上漂浮式风电机组的运行控制策略，图7还示出了一种对混合电力系统进行调频控制的总体策略，图7中，最大功率追踪控制中，mppt曲线的死区环节表示电力系统一次调频的死区，当电力系统频率变化量在此范围之内时，电池储能系统不发生充放电动作；此外，图7中还示出了下垂控制和虚拟惯性控制的过程，其中，在虚拟惯性控制中，增添了一个高通滤波器，目的是去除电力系统频率变化量信号中的稳态部分，使虚拟惯性控制只对频率变化量的变化率发生作用。
59.为了满足电力系统一次调频的要求，避免储能电池发生过充和过放，在电池的每一次充放电动作之前，须首先判断当前soc是否在正常运行范围内；在电池的充放电过程中，当soc到达上限或者下限时，电池主动退出调频。具体地，在soc满足储能电池正常运行的规定范围要求下，一次调频过程中，电池储能系统出力与电力系统频率变化量之间的关系如下：式中，k
hb
和k
db
分别为电池储能系统的虚拟惯性系数和下垂控制系数。
60.进一步，对于上述调频控制策略，还可以进行仿真验证。为了便于理解，图8示出了一种仿真验证示意图，即，图8中示出了仿真中搭建的电力系统结构，示出了负荷l和电力系统电源中仅包含的同步发电机组，电力系统负荷基准为1000mw，同步发电机组装机容量为1600mw，5mw半潜漂浮式海上风电机组100台，装机容量共500mw。给每台海上漂浮式风电机组配备容量为1500kw
×
60s的电池储能系统。设定海上漂浮式风电机组的输入风速为8m/s，正弦波浪载荷的浪高为2m，漂浮式风电机组初始减载率为20%，虚拟惯性控制系数和下垂控
制系数分别为10.08和10，高通滤波器的时间常数设置为8s，储能电池的初始soc为70%，仿真时间设置为40s。
61.通过图8所示的仿真过程，可以得出：(1)本发明实施例中，使用混合电力系统的一次调频模型的调频控制总体策略来减小大规模漂浮式风电机组并网对电力系统造成的频率波动，并通过matlab/simulink和高保真软件fast仿真实验对有效性进行验证，结果证明了混合电力系统的调频控制总体策略能够在降低电力系统频率变化幅值前提下提高调频响应速度。
62.(2)在阶跃负荷场景下，初始时电力系统正常运行，10s时负荷突增0.35pu，电力系统频率变化量、电源出力和储能电池出力如图9所示，其中，图9中的海上风电机组指的是本发明实施例中的漂浮式风电机组。从图9中电力系统频率变化量曲线可以看出，同转子动能与超速减载联合控制调频相比，电池储能系统调频下电力系统一次调频的性能较优。电池储能系统调频下，电力系统频率变化量的最大偏差为-0.013pu，稳态频率偏差为-0.0058pu，相比转子动能与超速减载联合控制调频分别减小了22.4%和12.2%，同时，电池储能系统调频的响应速度也明显较快。从储能电池出力曲线可知，当负荷突增0.35pu时，电池出力为正，电池放电，相当于电力系统中的电源，其最大出力为0.128pu，一次调频后电池的稳态出力为0.052pu。从火电机组出力变化量曲线可以可看出，因为储能电池放电，电池储能调频下火电机组出力增量减小，相比转子动能与超速减载联合控制调频减少了24.9%。
63.(3)在随机负荷场景下，当负荷发生连续变化的随机扰动时，电力系统频率变化量、电源出力和储能电池出力如图10所示，其中，图10中的海上风电机组为本发明实施例中的漂浮式风电机组。从图10可以看出，在随机负荷扰动下，一次调频过程中电力系统频率发生剧烈的振荡波动。同转子动能与超速减载联合控制调频相比，电池储能系统调频控制策略具有明显的优越性，电池储能系统调频可以有效地减小电力系统频率的变化幅值和波动程度，改善了电力系统一次调频性能。从储能电池出力曲线可知，随机负荷扰动下，一次调频过程中储能电池出力可正可负，储能电池能快速双向吞吐功率响应电力系统频率的变化，且电池出力与系统频率偏差呈负相关的关系。电力系统频率升高，电池出力为负，迅速吸收系统有功功率充电；电力系统频率下降，电池出力为正，迅速输出有功功率放电；当系统频率偏差在调频死区范围之内时，电池不作任何响应。从火电机组出力变化量看，电池储能系统调频时火电机组出力变化较小，有利于减轻火电机组快速变负荷的压力，降低机组运行成本。
64.在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种储能协调漂浮式风电机组的控制装置，如图11所示的一种储能协调漂浮式风电机组的控制装置的结构示意图，该装置包括：第一构建模块11，用于获取漂浮式风电场配置的频率响应单元，基于所述频率响应单元构建所述漂浮式风电场的第一调频模型；其中，所述漂浮式风电场包括多个漂浮式风电机组，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述频率响应单元，所述频率响应单元用于响应电力系统的频率变化；第二构建模块12，用于获取漂浮式风电场配置的储能系统，基于所述储能系统构建第二调频模型；其中，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述储能系统；第三构建模块13，用于基于所述第一调频模型和所述第二调频模型构建包含所述
漂浮式风电场、所述储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型；策略模块14，用于通过所述频率响应单元获取所述电力系统的频率变化参数，基于所述频率变化参数通过所述第一调频模型计算所述漂浮式风电机组的第一调频控制策略，以及，通过所述第二调频模型计算所述储能系统的第二调频控制策略；控制模块15，用于根据所述第一调频控制策略和所述第二调频控制策略生成所述混合电力系统的调频控制总体策略。
65.本发明实施例提供的储能协调漂浮式风电机组的控制装置，与上述实施例提供的储能协调漂浮式风电机组的控制方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
66.进一步，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如上述方法的步骤。
67.进一步，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。
68.进一步，本发明实施例还提供了一种电子设备的结构示意图，如图12所示，为该电子设备的结构示意图，其中，该电子设备包括处理器101和存储器100，该存储器100存储有能够被该处理器101执行的计算机可执行指令，该处理器101执行该计算机可执行指令以实现上述方法。
69.在图12示出的实施方式中，该电子设备还包括总线102和通信接口103，其中，处理器101、通信接口103和存储器100通过总线102连接。
70.其中，存储器100可能包含高速随机存取存储器（ram，random access memory），也可能还包括非不稳定的存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口103（可以是有线或者无线）实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线102可以是isa（industry standard architecture，工业标准体系结构）总线、pci（peripheral component interconnect，外设部件互连标准）总线或eisa（extended industry standard architecture，扩展工业标准结构）总线等。所述总线102可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图12中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
71.处理器101可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器101中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器101可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，简称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。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合
执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器101读取存储器中的信息，结合其硬件完成前述方法。
72.本发明实施例所提供的储能协调漂浮式风电机组的控制方法及装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
73.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
74.另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
75.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
76.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
77.最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法，其特征在于，包括：获取漂浮式风电场配置的频率响应单元，基于所述频率响应单元构建所述漂浮式风电场的第一调频模型；其中，所述漂浮式风电场包括多个漂浮式风电机组，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述频率响应单元，所述频率响应单元用于响应电力系统的频率变化；获取漂浮式风电场配置的储能系统，基于所述储能系统构建第二调频模型；其中，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述储能系统；基于所述第一调频模型和所述第二调频模型构建包含所述漂浮式风电场、所述储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型；通过所述频率响应单元获取所述电力系统的频率变化参数，基于所述频率变化参数通过所述第一调频模型计算所述漂浮式风电机组的第一调频控制策略，以及，通过所述第二调频模型计算所述储能系统的第二调频控制策略；根据所述第一调频控制策略和所述第二调频控制策略生成所述混合电力系统的调频控制总体策略。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率响应单元采用预设的虚拟惯性控制方式和下垂控制方式进行综合控制；所述第一调频模型包括每个所述漂浮式风电机组对应的调频支路，所述调频支路用于按照预设的惯性控制参数和下垂控制参数计算每个所述漂浮式风电机组的调频输出功率变化量；基于所述频率响应单元构建所述漂浮式风电场的第一调频模型的步骤，包括：通过所述第一调频模型计算每个所述漂浮式风电机组的调频输出功率变化量，以及对所述调频输出功率变化量进行汇总处理，生成所述漂浮式风电场的调频时的出力变化量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述储能系统为电池储能系统，所述电池储能系统包括储能电池、能量管理系统和功率转换系统；所述第二调频模型包括所述储能系统的能量转换机理模型；所述能量转换机理模型用于表征所述储能系统的充放电逻辑；基于所述储能系统构建第二调频模型的步骤，包括：通过所述功率转换系统检测所述电力系统的频率反馈信号；基于所述第二调频模型，根据所述频率反馈信号计算所述储能系统的补偿功率，所述补偿功率用于补偿所述电力系统的频率扰动引起的频率偏差。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述第一调频模型和所述第二调频模型构建包含所述漂浮式风电场、所述储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型的步骤，包括：将所述储能系统的出力特性与所述漂浮式风电场的出力特性进行合并处理，生成包含所述储能系统的储能风电场；将所述储能风电场与预设的所述火电机组进行合并，得到包含所述漂浮式风电场、所述储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统；获取所述火电机组的调频模型，所述火电机组的调频模型包括调速器模型和汽轮机模型；基于所述调速器模型、所述汽轮机模型、所述第一调频模型和所述第二调频模型构建
所述混合电力系统的调频模型。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述频率变化参数通过所述第一调频模型计算所述漂浮式风电机组的第一调频控制策略的步骤，包括：基于所述第一调频模型，采用转子动能控制调频策略和超速减载控制策略生成第一调频控制策略，对所述漂浮式风电机组进行调频控制。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过所述第二调频模型计算所述储能系统的第二调频控制策略的步骤，包括：基于所述储能电池的剩余容量参数设置所述储能电池的约束范围；在所述约束范围内，计算所述第二调频控制策略，其中，所述第二调频控制策略包括：根据所述频率反馈信号按照预先设置的虚拟惯性控制策略控制所述储能电池吸收或释放有功功率；或者，按照预先设置的下垂控制策略控制所述储能电池进行充电或者放电。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述第一调频控制策略和所述第二调频控制策略生成所述混合电力系统的调频控制总体策略的步骤，包括：按照预先设置的频率变化阈值设置所述储能电池的调频死区；在所述调频死区对应的频率变化范围内，通过所述第一调频控制策略对所述混合电力系统进行调频控制；在所述调频死区对应的频率变化范围之外，通过所述第一调频控制策略对所述混合电力系统进行调频控制，以及，在所述约束范围内，通过所述第二调频控制策略对所述混合电力系统进行调频控制。8.一种储能协调漂浮式风电机组的控制装置，其特征在于，包括：第一构建模块，用于获取漂浮式风电场配置的频率响应单元，基于所述频率响应单元构建所述漂浮式风电场的第一调频模型；其中，所述漂浮式风电场包括多个漂浮式风电机组，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述频率响应单元，所述频率响应单元用于响应电力系统的频率变化；第二构建模块，用于获取漂浮式风电场配置的储能系统，基于所述储能系统构建第二调频模型；其中，每个所述漂浮式风电机组均配置有所述储能系统；第三构建模块，用于基于所述第一调频模型和所述第二调频模型构建包含所述漂浮式风电场、所述储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型；策略模块，用于通过所述频率响应单元获取所述电力系统的频率变化参数，基于所述频率变化参数通过所述第一调频模型计算所述漂浮式风电机组的第一调频控制策略，以及，通过所述第二调频模型计算所述储能系统的第二调频控制策略；控制模块，用于根据所述第一调频控制策略和所述第二调频控制策略生成所述混合电力系统的调频控制总体策略。9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如权利要求1~7任一项所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1~7任一项所述方法的步骤。

技术总结

本发明提供了一种储能协调漂浮式风电机组的控制方法及装置，涉及风电机组的技术领域，本发明提供的储能协调漂浮式风电机组的控制方法及装置，能够基于频率响应单元构建漂浮式风电场的第一调频模型，以及根据储能系统构建第二调频模型，进而根据第一调频模型和第二调频模型构建包含漂浮式风电场、储能系统，以及预设的火电机组的混合电力系统的调频模型，并基于混合电力系统的调频模型设计混合电力系统的调频控制总体策略，从而改善混合电力系统的调频性能，在设计调频控制总体策略过程中，使用储能系统来有效补偿电网功率的波动，可以有效提高混合电力系统经济型、稳定性，以及储能系统和漂浮式风电机组的寿命。及储能系统和漂浮式风电机组的寿命。及储能系统和漂浮式风电机组的寿命。