電池儲能電源參與AGC的控制方式分析

黃亞唯，李欣然，黃際元，譚紹杰

（湖南大學電氣信息與工程學院，長沙410082）

電池儲能電源參與AGC的控制方式分析

黃亞唯，李欣然，黃際元，譚紹杰

（湖南大學電氣信息與工程學院，長沙410082）

針對電池儲能電源參與自動發電控制采用區域控制需求信號按固定比例分配的缺陷，提出一種基于區域控制偏差信號分配的儲能電源控制方式。該方式直接將區域控制偏差按比例分配給儲能電源和常規機組，其中儲能電源出力可跟蹤頻率偏差動態調整。通過兩種控制方式的仿真比較和儲能電源出力比例系數a的靈敏度分析，就調頻效果、儲能電源荷電狀態、機組出力情況、儲能電源容量以及儲能電源出力對頻率的影響等方面進行了分析。仿真結果表明，所提方法在減少頻偏和儲能容量等方面具有優勢，對于儲能電源參與自動發電控制的控制策略具有指導意義。

儲能電源；自動發電控制；區域控制需求；荷電狀態；控制方式；靈敏度分析

隨著風電和光伏的大規模并網[1]，以及傳統機組的固有缺陷，調頻容量不足的問題日益突出。各種新型儲能技術的快速發展，為風電大規模并網背景下的電網頻率質量控制提供了新的手段和方向。

保證系統的頻率質量最重要的手段之一就是AGC系統。一個完整的AGC控制策略通常包括確定總調節功率的控制策略（即AGC控制器）和總調節功率的指令分配策略兩部分[2]。目前其相關研究主要集中于AGC控制器的優化，針對指令分配策略的研究相對較少，而儲能電源參與AGC的控制策略則尚處于探索階段，文獻所報道的控制策略主要可分為時間段/頻率分解策略、儲能優先出力策略和比例分配策略。

時間段/頻率分解策略基于連續擾動，將系統所需的平衡功率分解成不同的時間或頻段分量，如文獻[3]中將平衡功率分為多個時間段，其中由儲能電源補償實時分量，而機組響應更長時間段的分量。文獻[4]中提出一種控制策略，將ACE信號經過低通濾波后的高頻分量分給儲能電源，低頻分量分給機組。

儲能優先出力策略即儲能電源優先滿足平衡功率需求，如文獻[5]研究了電動汽車在丹麥西部電力系統中參與AGC的效果，其分配策略為由機組補償AGC信號中電池儲能無法滿足的部分。文獻[6]比較了超導磁儲能和超級電容器在參與AGC中的作用，其控制策略均是在負荷擾動出現時就控制儲能電源迅速充放電，當機組開始出力以后再逐漸恢復至初始狀態。

比例分配策略可分為靜態比例分配和動態優化分配。文獻[7]提出了一種電動汽車——電網互動V2G（vehicle to grid）參與電網2次調頻的控制策略，根據車輛的可用容量按比例分攤總的響應功率。由于靜態比例分配方法未考慮儲能電源的SOC，許多文獻提出動態優化的方法。如文獻[8-9]以SOC的保持效果和傳統機組的經濟出力為目標，對AGC信號在飛輪和水電機組兩者之間的分配比例進行動態優化。文獻[10]基于可表征儲能系統動態AGC可用容量DAA（dynamic available AGC）指標，提出了一種動態分配策略。

從當前研究來看，比較關注的主要是ACE通過機組2次調頻控制器轉換后的ARR[4]信號分配方式問題，其共同特點是將儲能電源與常規機組同等對待。這種分配方式的合理性及其特點，尚缺乏更深入的探討。本文在對該控制方式進行理論分析的基礎上，提出一種使用ACE信號的儲能電源控制方式；基于單區域AGC系統和固定比例分配法，與使用ARR信號的常規儲能電源控制方式進行了仿真對比。最后通過對儲能電源出力比例系數a的靈敏度分析，進行了儲能出力對頻率影響的比較分析。

1 含電池儲能電源的單區域AGC模型

1.1 單區域系統等效模型

系統的AGC響應作為2次調頻動作信號，通過調整所選擇的發電機的輸出來調節系統頻率達到目標值。本文以簡單的單區域系統表征多機多負荷的等效模型進行分析，控制模式為定頻率控制FFC（fixed frequency control）[11]，如圖1所示。

在圖1中，ΔPf（s）、ΔPs（s）和ΔPL（s）分別為機組1次調頻出力、機組2次調頻出力和負荷增量；K為機組一次調頻單位調節功率；Kp和Ki分別為PI控制器的參數；發電機組模型Gg（s）為調速器和再熱汽輪機組的串聯模型[12]，如式（1）～式（3）。

火電機組調速器傳遞函數為

式中：ΔY為汽輪機蒸汽閥的開度變化量；KARR（s）表示ARR信號；TG為調速器時間常數。

汽輪機傳遞函數為

式中：FHP、FIP和FLP分別為HP、IP、LP 3個渦輪級各自所產生的功率占汽輪機總輸出功率的比例；TCH為HP汽室時間常數；TRH為再熱器時間常數；TCO為LP交換器附加時間常數。

串聯模型傳遞函數為

圖1所示的AGC等效模型含ACE信號處理、區域控制需求計算和區域控制需求分配等3個環節，具體功能如下。

（1）ACE計算處理。計算生成ACE信號并進行預處理。首先根據不同的AGC控制模式計算ACE值。本文采用FFC模式，其計算式為

式中：B是區域的頻率偏差系數，為機組和負荷的頻率特性系數之和。

在此基礎上，可根據需要加入濾波環節和死區環節以減少機組不必要動作。

（2）區域控制需求確定。ACE經過該環節形成的ARR可表征為下發給機組的AGC指令。雖然目前提出了許多優化策略，但PI控制器在AGC中的應用仍十分廣泛[2]。

（3）區域控制需求指令分配。在確定了ARR指令后將其通過一定原則分配給各AGC機組或儲能電源。

1.2 儲能電源等效模型

電池儲能電源等效模型如圖2所示。其中，ΔPe（s）為電池儲能電源出力；Δcontrol（s）為ARR信號中分配給電池儲能電源的部分；C0和Cn分別為電池儲能電源的初始容量和額定容量；Ge（s）表征儲能電源出力延時，即

式中，Te為儲能電源出力延時的時間常數。

2 儲能電源參與AGC的控制方式分析

2.1 基于ARR信號的控制方式分析

在現有研究中，儲能系統參與AGC的控制策略即為ARR信號的分配方式，相應控制框圖如圖3所示。

圖3中，a為儲能出力在ARR信號中所占比例系數；（1-a）為機組2次調頻出力在ARR信號中所占比例系數。

基于圖3，可以推導出機組出力、儲能電源出力、負荷功率以及系統頻率的增量關系如下。

頻率偏差為

機組出力為

儲能出力為

從式（7）、（8）中可看出，在暫態過程中，1次調頻量和頻率偏差的變化基本一致。由于PI環節的存在，儲能電源出力的快速特性被部分抑制，并和機組2次調頻量一樣保持穩步增長。在穩態時，最終由儲能電源和機組2次調頻量按比例分擔負荷增量，機組1次調頻量回歸至零。

若使用ARR信號作為控制信號，從系統的角度來看，此方法未能很好利用儲能的快速響應能力以優化系統性能。更重要的是，從儲能電源容量的角度來看，此方法在保持SOC方面的局限性是顯而易見。

2.2 基于ACE信號的控制方式分析

為了克服上節所分析的ARR信號分配方式的缺陷，本文提出一種基于ACE信號直接分配的控制方式，其控制框圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，該控制方式與基于ARR信號的控制方式不同之處在于儲能電源的控制信號沒有經過PI環節，直接來自于ACE信號，即儲能電源出力與ACE信號呈正比關系，可以即時響應ACE的變化。

頻率偏差和機組出力的表達式與第2.1節所提表達式一致，但儲能電源出力不再經過PI環節，表達式為

從式（9）中可看出，在暫態過程中，儲能電源與隨著頻率偏差變化而增減出力，并避免了PI控制器的延時影響。在發生同一擾動時，相比基于ARR信號的控制方式，儲能電源出力減小，機組1、2次調頻量均增加。在穩態時，最終由機組2次調頻全部補償負荷增量，而儲能電源出力和1次調頻量回歸至零。這種控制方式不僅可以保證其快速動作的能力，同時可以使得儲能電源自適應地減小SOC變化。

3 儲能電源出力對頻率的影響

由于儲能電源出力的大小本質在于儲能電源的分配比例系數a的取值方法，為研究儲能出力對頻率的影響，本節就兩種控制方式下的儲能電源的分配比例系數a進行靈敏度分析。

由式（6）～式（8）可以推導出基于ARR信號的控制方式的負荷功率與系統頻率的增量關系為

同理可推導出基于ACE信號的控制方式的負荷功率與系統頻率的增量關系為

這里分別對式（10）、（11）求儲能分配比例a的偏導數，并利用式（10）、（11）化簡，即可得兩種控制方式下a對頻率偏差的靈敏度，即

由式（12）、（13）可推出兩種控制方式的無量綱靈敏度[13]，分別為

當發生階躍擾動時，由式（14）可知，頻率偏差經PI環節的值將增大或減小并逐漸穩定。又由于Ge（s）的時間常數小于Gg（s）的時間常數，且頻率偏差和負荷增量始終異號，所以Sa1在整個暫態過程中一直為負，并且絕對值先增大后逐漸減小。在穩態時，基于ARR信號的控制方式的Sa1等于0，與a取值無關。當a增大時，Sa1相應增大。

當發生階躍擾動時，由式（15）可知，第1部分和頻率偏差的變化趨勢基本一致，第2部分則因為PI環節存在導致其增大或減小并逐漸穩定。由于頻率偏差和負荷增量始終異號，Sa2初期小于零，絕對值先增大后減小至零，并最終越過零點越來越大，直至達到穩態。此時，Sa2=a/（1－a）。可以看出，在Sa2過零以后，a越大越加劇頻率偏差的增大。

4 仿真驗證

設基于ARR信號的控制方式為控制方式-ARR，本文提出的基于ACE信號的控制方式為控制方式-ACE。

仿真參數設置如表1所示[12]。

4.1 兩種控制方式的比較

4.1.1 調頻效果和儲能電源狀態比較

設兩種控制方式的儲能出力分配比例系數a均為50%，儲能電源功率容量為50MW/12.5（MW·h）。兩種控制方式下的頻率偏差，儲能出力和儲能SOC分別如圖5～圖7所示。

如圖5所示，相比無儲能的情況，儲能電源參與AGC的兩種控制方式均可明顯減少頻率偏差。相較于控制方式-ARR，使用控制方式-ACE得到的頻差峰值更小，達到頻差峰值的時間更短，但頻率恢復速度更慢。

如圖6所示，控制方式-ACE與頻率偏差變化趨勢成正比，只在頻率變化初期出力輔助調頻，其出力更快且峰值更小，最終緩慢減小至零。控制方式-ARR則一直保持出力，最終承擔了1/2的負荷增量。

如圖7所示，控制方式-ARR中的儲能SOC近乎直線減小，變化劇烈，而控制方式-ACE中的SOC只在頻率下降過程中減小較快，但很快趨于平穩。這是因為控制方式-ACE中儲能出力與頻率成正比，當頻率回落時，儲能出力相應減少。

具體指標值如表2所示。

4.1.2 機組出力情況比較

圖8為兩種控制方式對機組出力影響的情況。與無儲能參與的情況相比，兩種控制方式都未增加機組出力負擔，大大減小了機組出力。兩種控制方式對機組1次調頻的影響差異主要在達到最大頻偏以后。此時控制方式-ACE中機組需承擔更多負荷增量，穩定時間較慢。兩種控制方式對機組2次調頻的影響差異主要在最終的穩態值以及響應速度，控制方式-ARR允許機組擁有更長的響應時間并按比例承擔負荷增量，控制方式-ACE則需機組承擔更多負荷增量，有利于更高效地利用機組容量。

4.1.3 儲能電源容量不充足的影響

以上仿真分析均建立在儲能電源容量充足的基礎上，需考慮儲能電源容量不足的情況。設儲能電源容量為50MW/0.833（MW·h），放電時間為30 s。

兩種控制方式下的頻率偏差對比和儲能SOC對比分別如圖9和圖10所示。由圖9和圖10中可知，儲能容量減小對控制方式-ACE基本沒有影響，但對控制方式-ARR的后期調頻效果具有較大影響。采用控制方式-ARR時，會因為SOC達到上限而導致儲能出力突然跌落至零，從而出現頻率再次突然上升的現象，降低調頻質量。

從總體來看，基于ACE信號的控制方式在減少最大頻偏、減少儲能功率和容量需求方面具有優勢。其更適用于容量較小的功率型儲能電源，能在擾動瞬間進行功率吞吐，可最大程度上減少最大頻偏。基于ARR信號的控制方式在快速恢復頻率等方面具有優勢。其本質是將儲能電源當成AGC機組同等的存在，更適用于大規模能量型儲能電源，可更長時間支撐機組出力的增減。

4.2 儲能出力對頻率的影響

設兩種控制方式的儲能出力分配比例系數a分別為10%、30%、50%、70%和90%。兩種方式下的頻率偏差曲線和靈敏度曲線分別如圖11和圖12所示。

如圖11所示，當a相同時，控制方式-ACE的最大頻差遠遠小于控制方式-ARR，但穩定速度更慢。當a增大時，兩種方式的最大頻偏均減小，且到達時間縮短。其中控制方式-ARR對頻率穩定時間影響很小，并隨著a增加，最大頻偏減小更多。控制方式-ACE的儲能電源承擔的出力在初期隨著a增加但之后會隨著頻差減小，而機組需承擔的出力比例卻越小，導致頻率穩定時間反而大大增加。

從圖12中可以看出，Sa1一直小于零，其絕對值先增大后逐漸減小至零。Sa2的絕對值先增大后減小到零，再逐漸增大，最終穩定在a/（1-a）。

當a確定時，|Sa2|增大速度略大于|Sa1|，這意味著在整個調頻過程中，在靈敏度達到最大值之前，控制方式-ACE的儲能出力對頻率影響更大。但|Sa2|減小速度比|Sa1|更快，即對頻率的影響減小更快。當a不同時，|Sa1|和|Sa2|隨著a增加而增加，即對頻率的影響均增大。但Sa2過零后，a的增加反而會加劇頻差的增加。當a增加時，兩者最大值和Sa2過零的時間增加，達到最大值的時間減小，但均與負荷大小無關。

總體來看，基于ARR信號的控制方式對頻率偏差一直具有正面影響，其比例系數a越大越好，但這可能造成SOC越限。當需要考慮儲能容量時，可根據靈敏度曲線動態設置比例系數a。基于ACE信號的控制方式在前期與控制方式-ARR類似，但儲能電源出力時間更短，從而避免頻率穩定時間的增加以及SOC的波動。

5 結論

本文從理論上分析了現有的儲能電源參與AGC的常規控制方式的特點，針對其不足提出一種基于ACE信號直接分配的控制方式，就兩種控制方式進行了仿真對比。并通過對儲能電源出力比例系數a的靈敏度分析，分析了儲能電源出力對頻率的影響。通過仿真驗證，可以得出以下結論。

（1）基于ACE信號的控制方式在快速響應，減少最大頻偏、減少儲能功率和容量需求等方面具有優勢，其代價則是頻率調節時間稍長，較適用于容量較小的儲能電源以維持SOC，防止過充過放。基于ARR信號的控制方式則更適用于容量較大的儲能電源，以保證其控制方式能夠實現。

（2）通過對a的靈敏度的仿真分析，發現儲能電源出力主要在頻率變化初期具有較大的正面影響，儲能電源出力越多越有利于抑制頻率的變化，隨之影響逐漸減小甚至出現反作用，即應減小儲能出力。

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Analysisof ControlM ethods for AGC w ith Battery Energy Storage System

HUANGYawei，LIXinran，HUANG Jiyuan，TANShaojie
（College of Electricaland Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Aiming at solving the defects of battery energy storage participating in automation generation control（AGC）by the distribution ofarea regulation requirement（ARR）signalat fixed proportion，a controlmethod for energy storage based on area controlerror（ACE）signal is proposed.The ACE signal is distributed directly into the energy storage and conventional units at fixed proportion，and the energy storage output can be dynamically adjusted by tracking the fre?quency deviation.The regulation effect，state of charge（SOC），unitoutput，and the impactofenergy storage capacity and energy storage outputon frequency are analyzed by the comparison of simulations between two controlmethods，as well as the sensitivity analysis of energy storage output factor a.The simulation results show that the proposedmethod hasadvantages in termsof reducing the frequency deviation and improving the energy storage capacity，which is signifi?cant for the energy storage controlstrategy participating in AGC.

energy storage power；automation generation control（AGC）；area regulation requirement（ARR）；state of charge（SOC）；controlmethod；sensitivity analysis

TM911

A

1003-8930（2017）03-0083-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.014

黃亞唯（1990—），女，碩士研究生，研究方向為儲能系統參與電網調頻。Email：hyw_qingxi@126.com

2015-03-11；

2016-06-03

李欣然（1957—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力系統分析控制、負荷建模。Email：lixinran@qq.com

黃際元（1988—）男，博士研究生，研究方向為電池儲能系統在電力系統中的建模與應用。Email：hjycm@hnu.edu.cn