探析儲能系統參與電網調頻控制技術

黃 婕

（長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410124）

0 引 言

電力系統在日常運行的過程中，需要有效控制系統的頻率調節。該任務主要是由二次調頻擔任，雖然近些年電力行業技術有了很大的進步，但是二次調頻技術依然無法滿足目前的使用要求。首先，因為電力系統負荷的慣性及動態特點，在開展發電機、原動機以及系統檢測的過程中，必然會出現一定程度的偏差。此外，電力系統自身是非常復雜的，而且隨著技術的進步系統也逐漸向著智能化、復雜化以及大型化的方向發展，越來越多的控制器被應用。添加的這些控制器在不同的層面有不同的作用，控制的目標之間也屬于獨立的關系。這就需要制定完善的電力系統調頻控制策略，使調頻電源更加合理的分配負荷，促進電力行業的快速發展。

1 電網調頻控制技術的國內外研究現狀

近些年，隨著科學技術的進步，新能源的地位也變得越來越重要。同時，隨著新能源發電滲透率的提升，電網的調頻壓力也有了很大的增長，主要是因為傳統機組調頻容量不足、凈負荷波動增加或是系統慣性降低。此外，由于火電機組的調頻時滯時間長，調頻容量也會受到天氣及環境的影響，所以傳統機組實際在開展調頻工序時存在嚴重的乏力現象，主要指的是自動發電控制系統乏力。而目前應用電池儲能系統，相比較傳統系統來說有非常顯著的優勢，如不受環境及天氣的影響，具有較高的精度以及爬坡速度快。有相關數據顯示，儲能的調頻能力相當于1.7SN的容量，指的是電池儲能容量，25SN的燃氣機組容量是20SN的燃煤機組的二次調頻能力。有數據表明，具有調頻功能的兆瓦級電池儲能工程在全世界已經超過100項。其中，中國北京的2 MW/0.5 MW·h鋰離子電池儲能配合火力發電參與AGC，使電廠調頻綜合評判指標有了非常顯著的提升；還有美國建設的32 MW/8 MW·h鉛酸電池，使電能質量得到有效改善；全球最大的鋰離子電池儲能項目由南澳大利亞霍恩斯代爾建設，使南澳電力高風電滲透率下的有功平衡得到保障。通過大量的實踐證明，電池儲能能夠使得傳統機組的不足之處得到有效改善，使電網調頻需求得到滿足，大大降低了機械磨損。為了使儲能系統參與電網調頻，各個國家也正在從深層次多角度的方面開展研究。

目前，基于電池儲能下的二次調頻控制策略，對于不同儲能的技術特征沒有充分考慮，還存在于一些缺陷。實施二次調頻的控制策略，優點主要有如下3幾項。通過設置儲能調頻成本函數的系數，可精確地評估具有不同技術特征的儲能的實時調頻能力；在調頻責任分配中發揮儲能響應速度快和傳統機組不受容量限制的雙重優勢；實現不同電池儲能荷電狀態的均衡控制。

2 常規機組調頻控制策略

因為二次調頻相比較一次調頻來說，無論是響應時間還是運行方式和控制目標，都存在非常大的差異。實際在開展運行時，二次調頻和一次調頻的控制目標甚至會出現沖突的現象，無法有效保障系統的穩定安全運行[1]。圖1為調頻應用控制信號及機組出力。

在圖1中，一次調頻、二次調頻的控制信號可能出現方向相反的情況，而且由于受到ACE信號延時的影響，實際接收到的信號與當下電網的實際情況可能存在一定的差異性，因此，機組的二次調頻和一次調頻調節量也不同，會直接影響到調頻的效果。

圖1 調頻應用控制信號及機組出力

對于這個問題，可以通過如下方式進行處理。首先，在完成一次調頻動作之后對二次調頻進行屏蔽。其次，在二次調頻計算中納入一次調頻量，也就是在協調控制系統中直接在機組的負荷設定中加入一次調頻的調節量。再次，對一次調頻負荷限制進行合理設置，使二次調頻的允許功率偏差進行適當增加。還有就是接收二次調頻命令時，要退出一次調頻。如果二次調頻結束之后，電網頻差相比較轉速死區更大，就需要要把一次調頻進行投入。最后，如果一、二次調頻反向，當T時刻內的一次調頻方向沒有出現改變，二次調頻就需要對指令進行更改，對二次調頻指令接受下發[2]。

3 儲能系統電網調頻控制對策

3.1 二次調頻協調控制

實施二次調頻協調控制，最為重要的就是通過二次規劃的形式，對目標函數通過數學方法解答，從而初次分配需求輸出功率。同時，可以通過儲能系統的反應能力，及時修正輸出功率的分配情況，實現最佳的優化狀態，確保發電機組的有序穩定運行。

對于常規機組，發電機基點功率也就是最優的運行點，在附近運行的常規機組有更高的效率。而常規機組的技術出力范圍為運行下限和運行上限。一般情況下，常規機組的調節容量為二次調頻的備用容量，主要是在機組二次調頻中應用。相比較于調節服務，旋轉備用有同樣的輔助服務，但從本質上來說還存在一定的差異。首先是不同的作用。在系統故障出現之后才開始應用旋轉備用。其次，調用條件和時間也存在很大的差異。旋轉備用只是在發生故障的情況下才進行調用，并且有一定的時間限制。最后，服務性能和充裕度的評價標準不同。旋轉備用的評價指標是B1、B2或DCS，而調節服務的評價指標是A1、A2或CPS1、CPS2[3]。

詳細的控制對策如下。首先，發電機要盡可能開展優化措施。其次，按照調頻服務的相關指令，盡可能保持儲能系統在一定的能量范圍內。最后，可以實時提供調頻服務。在實施控制措施時，對于前兩條措施，權重系數的大小直接決定了二次調頻的承擔數值，確定是常規機組還是儲能系統。如果無法滿足約束條件，如儲能系統的能量出現耗盡的情況，就需要二次調頻盡可能滿足使用需求。

3.2 電網調頻協調控制

通過儲能系統的快速功率調節特性，可以實現即時補償容量，基于互聯網系統的AGC的LFC，使系統始終保持穩定運行。為了將儲能系統的作用充分發揮出來，盡可能使聯絡線功率波動和電網頻率得到有效抑制，防止發生LFC出現獨立作用的現象。因此，需要對電力系統調頻儲能系統的協調控制策略進行多角度深層次的研究。但目前對于這方面的研究內容較少，主要是針對基于最小方差等指標以及LFC控制參數和儲能系統控制參數。但是，該方式很難有效約束LFC調頻裝置和儲能系統，也沒有對系統負荷擾動的多樣性充分考慮，如常規機組的GRC、ACE信號延時、SOC和額定功率限制、儲能系統的容量。

為了使文中提到的調頻控制問題得到有效改善，就需要對MPC特點有充分的了解，打造LFC協調控制和儲能系統控制體系。這一體系結構是分層分布式框架，主要涵蓋了下層的本地調頻控制器以及上層的區域協調控制器。其中，在區域協調控制器中添加GPC以及引互聯電力系統模型，通過應用聯絡線功率和實時信息預測頻率的動態軌跡，建立聯絡線功率預測量、LFC輸入和儲能系統的關系，搭建目標函數，使模型更加優化。此外，不同地區的調頻控制器接收上層控制器指令，可以及時校正聯絡線功率偏差和系統的頻率偏差[4]。

4 結 論

雖然近些年我國經濟實現了跳躍式的發展，科學技術也得到了進步，促進了國內電力系統的發展，但是實際在開展電力活動時，調頻控制技術依然存在很多漏洞，對整個電力行業的可持續發展造成了非常大的影響。對此，筆者建立了儲能系統參與電網調頻的控制系統技術。