儲能參與電網輔助調頻的協調控制策略研究*

彭 鵬 胡振愷 李毓烜 劉澤健 范紫微

(1. 南方電網調峰調頻發電有限公司 廣州 511400；2. 深圳華工能源技術有限公司 深圳 518000)

1 引言①

隨著傳統化石能源的持續消耗和環境問題的日益加劇，以光伏、風電等為代表的清潔新能源迅速得到廣泛關注[1-3]。然而光伏、風電這類新能源并不具備傳統發電機所具有的慣量和阻尼特性[4-5]，其出力具有隨機性和不確定性，當其大規模并入電網時勢必會沖擊電網，加劇電網的調頻壓力[6]。當前階段，電網調頻主要依賴傳統的火電機組和水電機組，二者在參與頻率調節時都存在一定不足[7-8]，因此引入一種新的調頻輔助手段顯得尤為必要。

近年來儲能技術迅速發展，其快速的響應特性和精確的功率跟蹤能力使其在參與電網輔助調頻方面具有顯著優勢[9-11]。目前，針對儲能參與電網輔助調頻，國內外相關學者在這方面做了大量研究，主要集中在儲能參與電網輔助調頻的協調控制策略、儲能電池的容量配置以及經濟性評估等方面，并取得了一些成果。

儲能輔助電網調頻的協調控制策略主要包括下垂控制和虛擬慣性控制[12]，前者能夠有效減小系統穩態時的頻率偏差，后者能夠有效抑制系統頻率變化率。為充分利用這兩種控制的優勢，文獻[13]提出一種儲能參與電網一次調頻的自適應控制策略，實現了兩種控制策略的平滑切換；文獻[14]將儲能參與二次調頻的兩種常見控制方式優缺點進行分析，并擇其二者優點，進而提出了一種綜合的控制方式，確定了儲能的最佳出力時機與動作深度；針對儲能參與電網一次調頻時，文獻[15]提出通過給儲能設置恰當的調頻死區，減少了傳統調頻機組在一次調頻死區附近的頻率波動。

在儲能參與電網輔助調頻容量配置和經濟性評估方面，文獻[16]采用在儲能出力上實時疊加一個額外充放電功率的方法，提出了一種儲能調頻容量配置的最優化策略；文獻[17]將風電機組等效為負荷，研究儲能對頻率偏差的影響，并以頻率偏差的均方根值和絕對最大值兩項指標為依據來配置儲能容量；針對儲能參與二次調頻的容量配置問題，文獻[18]利用定時間常數濾波法將從調度中心獲得的調頻信號劃分為高頻和低頻部分，通過利用儲能承擔其中的高頻分量來對儲能的調頻容量需求進行分析；文獻[19]以含水、火電廠以及風電的電網為背景，以電池儲能產生的年效益最大為目標，建立經濟評估模型，并提出一種容量和運行方式優化方案，用凈現值法評估儲能配置方案的經濟性。

綜觀上述研究成果，對儲能參與電網輔助調頻具有一定的指導價值，但是以上研究并未從儲能層面去考慮儲能在參與電網輔助調頻時的荷電狀態(State of charge，SOC)，也未對儲能SOC 進行明確分區來避免深度充放電對儲能的壽命影響。因此本文針對以上問題，在充分考慮儲能的SOC 狀態管理基礎上，對儲能的SOC 及電網頻率偏差進行分區，提出了一種儲能與傳統調頻機組聯合參與電網頻率的協調控制策略，并通過仿真算例驗證了所提控制策略的有效性。

2 電池儲能參與電網輔助調頻系統建模

2.1 儲能系統建模

電池儲能系統(Battery energy storage system，BESS)一般由電池模塊、能量轉換裝置(Power conversion system，PCS)、電池管理系統(Battery management system，BMS)、監控保護系統等幾部分組成，如圖1 所示。

圖1 電池儲能系統的結構示意圖

在BESS 參與電網輔助調頻時，常常用一階慣性環節和比例環節相乘來模擬BESS，其輸入輸出的傳遞函數如圖2 所示。其中，Δf為頻率偏差，作為BESS 的輸入， ΔPb(s)為輸出信號，作為其參與電網調頻時的有功出力。Kb為儲能電池的頻率調節效應系數，Tb為一階慣性環節中的時間常數。

圖2 電池儲能系統的傳遞函數

2.2 含儲能系統的電網調頻模型

一個區域電網系統主要由發電機組及其附帶的控制系統、配電網、負荷等部分構成。將BESS 引入到電網調頻模型中，能夠有效改善電網的頻率特性。典型的含BESS 的區域電網調頻模型如圖3 所示。主要包括發電機組調速器模型、汽輪機模型、儲能系統模型以及系統慣性和負荷頻率特性模型。其中，ΔPC(s)為電網二次頻率調節時所輸入的功率，ΔPL(s)為負荷功率擾動量，Δf(s)為電網頻率波動量，kg為發電機組的單位調節功率，M和D分別對應系統慣性時間常數和負荷頻率特性系數。Ggov(s)、Gen(s)和GB(s)分別為發電機組調速器模型、汽輪機模型以及BESS 模型。

圖3 含電池儲能系統的電網調頻模型

3 儲能參與電網調頻的協調控制策略

3.1 協調原則

BESS 在參與電網頻率調節時，為充分發揮儲能的優勢和最大限度減小系統頻率偏差，關鍵在于BESS 與傳統調頻機組的協調控制。其協調具體原則如下所示。

(1) 當系統頻率偏差在小范圍內變化時，為了減小傳統調頻機組頻繁動作參與調頻對機組的磨損，常常需要設置一個調頻死區。在調頻死區范圍內時，考慮到頻繁充放電對BESS 使用壽命的影響，此情況下BESS 不參與頻率調節。

(2) 頻率死區范圍內，考慮BESS 在下一個調頻周期具有充足的可調容量，需要觀察SOC 狀態，對BESS 進行充放電操作，使得SOC 向基準值靠攏，SOC 基準值一般取為0.5。

(3) 當頻率偏移到死區范圍外，且未超過電網所允許的最大頻率偏差范圍時，利用BESS 的快速功率吞吐能力特性，BESS 參與頻率調節，同時也考慮SOC 狀態。

(4) 當頻率偏移到電網所允許的最大偏差范圍外時，BESS 以最大功率進行充放電，優先保證調頻需求。在傳統調頻機組響應調頻需求逐漸增加出力時，BESS 在慢慢減小充放電功率，直至電網達到新的平衡態時BESS 退出運行，以確保BESS 的SOC 運行在合理范圍。

3.2 儲能參與電網調頻的控制策略

為實現BESS 與傳統調頻機組的協調控制，對系統頻率偏差范圍進行分區，如圖4 所示。其中，f0表示系統額定頻率，Δf1表示系統頻率死區，Δf2表示電網頻率允許偏差的最大范圍。

圖4 頻率偏差分區

針對BESS 的充放電特性，也對其SOC 進行分區，并對其賦值，如表1 所示。其中，SOChigh、SOClow、SOCmax、SOCmin分別表示BESS 充放電時的較高值、較低值、運行上限和運行下限。

表1 BESS 的SOC 分區取值

基于以上分區可得到BESS 與傳統調頻機組參與調頻的具體協調控制策略如下。

(1) 當f∈ [f0-Δf1，f0+Δf1]時，傳統調頻機組與BESS 都不參與系統頻率響應。若SOC 偏離基準值，則對BESS 進行充放電操作，使其SOC恢復到基準值附近。BESS 充放電的功率如式(1)所示

式中，Pbess為BESS 的充放電功率；Prated為BESS的額定充放電功率；Ke為BESS 的充放電系數，取值范圍為0～1。

2) 當 SOC 處在區間[SOClow，SOC1]和[SOC2，SOChigh]時，利用BESS 快速的響應特性優先承擔頻率調節任務，其出力可按式(3)和式(4)選取

圖5 BESS 的充電過程

圖6 BESS 的放電過程

式中，α、β分別表示BESS 和傳統調頻機組的出力分配系數。

整個調頻過程出力如圖7 所示。t0時刻，系統發生負荷功率ΔPL擾動，BESS 與傳統調頻機組開始動作；t1時刻，BESS 率先達到額定功率并繼續保持出力，傳統調頻機組出力繼續增加；到t2時刻時，BESS 與傳統調頻機組出力之和完全抵消負荷功率擾動量；此后傳統調頻機組出力繼續增加，而BESS 出力則開始減小，直到t3時刻，傳統調頻機組出力完全抵消負荷功率擾動量，BESS 完全退出運行。

圖7 儲能和傳統機組出力示意圖

所提BESS 參與電網調頻的控制策略流程圖如圖8 所示。

4 仿真算例

為驗證本文所提出的BESS 與傳統調頻機組參與電網調頻的協調控制策略，在Matlab 仿真中搭建了如圖3 所示的含儲能電網調頻等效模型，其仿真模型中的參數設置如表2 所示。

表2 仿真參數設置

仿真中通過Matlab 中的模塊來模擬負荷擾動功率，分兩種工況來對BESS 參與調頻的效果進行分析：① 階躍負荷擾動下，有BESS 和無BESS 參與電網調頻的對比分析；② 連續負荷擾動下，有BESS 和無BESS 參與電網調頻的對比分析。

4.1 階躍負荷擾動下BESS 參與電網調頻

初始時刻，系統穩定運行，1 s 時，給系統突增一個階躍擾動功率，系統的頻率以及BESS 和傳統調頻機組的出力如圖9 所示。

圖9 階躍負荷擾動下的仿真波形

從圖9b 可以看出，當系統出現功率擾動時，有BESS 參與系統調頻時，系統的頻率偏差值相較于無BESS 時有所減小，且達到系統有功平衡的時間也大大縮短。這主要是由于BESS 的快速響應特性，能夠在系統出現功率擾動時，快速檢測出頻率偏差，并通過PCS 將儲存的化學能轉換為電能輸送到電網中，維持系統有功平衡。從圖9c 和9d 可知，BESS 參與電網調頻時，傳統調頻機組的調頻容量大幅降低。從圖9e 可以看出，采用本文所提的協調控制策略，BESS 的SOC能夠保持在理想區間范圍。

表3 表示有儲能和無儲能時系統頻率偏差以及傳統調頻機組出力的對比結果。

表3 階躍負荷擾動下有儲能和無儲能的對比

從表3 的對比結果可知，當系統出現功率擾動時，無BESS 時系統頻率偏差達到了0.36 Hz，而有BESS 時系統頻率僅偏移了0.13 Hz，與前文的理論分析相符，即當BESS 檢測到系統頻率偏差時，快速調整其出力，避免了系統頻率的進一步下降。由于本文所提控制減小了最大頻率的偏差值，因此傳統調頻機組的最大出力值也相應減小為3.8 kW，即減小了傳統調頻機組的調頻容量。而在無BESS 時，傳統調頻機組出力達到了8.2 kW。同時系統在受到擾動時，有BESS 相比無BESS 時系統達到功率平衡的時間縮短了1.8 s。

4.2 連續負荷擾動下BESS 參與電網調頻

利用Matlab 模塊中的隨機信號發生器模擬負荷的連續擾動，觀察有BESS 和無BESS 參與調頻時系統的頻率變化情況如圖10 所示。

圖10 連續負荷擾動下的仿真波形

從圖 10 可以看出，在連續負荷擾動情況下，BESS 未參與電網調頻時，系統頻率偏差較大，最大達到了0.48 Hz，而有BESS 參與調頻時，由于BESS 的快速響應特性，系統頻率偏差大幅降低，偏差保持在0.15 Hz 左右，如圖10b 所示。從圖10c 和10d 可以看出，BESS 參與電網調頻時，能夠有效降低傳統調頻機組的調頻容量，傳統調頻機組出力在3 kW 左右波動，而沒有BESS 參與電網調頻時，傳統調頻機組出力波動較大，最大達到了8.5 kW。從圖10e 可以看出，采用本文所提的協調控制策略，BESS 的SOC 能夠保持在理想區間范圍，避免了對BESS 的深度充放電。綜上所述，有BESS 參與電網調頻時的頻率效果明顯優于無BESS 時。

表4 表示有儲能和無儲能時系統頻率偏差以及傳統調頻機組出力的對比結果。

表4 連續負荷擾動下有儲能和無儲能的對比

從以上仿真結果可以看出，采用本文所提的儲能調頻控制策略，在階躍負荷擾動和連續負荷擾動工況下，相比于無儲能參與調頻時，系統的頻率偏差較小，系統達到穩態的時間大大縮小，穩態后傳統的調頻機組最大出力也明顯降低，減小了傳統調頻機組的調頻容量。總的來說有BESS 參與電網調頻時的頻率效果優于無BESS 時。

5 結論

本文針對BESS 參與電網輔助調頻時，提出了一種BESS 與傳統調頻機組共同參與電網頻率調節的協調控制策略，并基于Matlab 仿真對所提控制策略進行了驗證，得出以下結論。

(1) BESS 參與電網調頻時，在面對階躍負荷和連續負荷擾動時，相比于無BESS，系統頻率偏差減小了0.23 Hz，系統頻率達到穩態的時間也縮短了1.8 s。

(2) 含BESS 參與調頻的傳統調頻機組，其調頻容量降低了53.6%，參與調頻的動作次數減少了57.7%。

(3) BESS 參與電網調頻時，通過將其SOC 狀態考慮在內，始終能將其SOC維持在理想區間0.4～0.5 內，避免了對BESS 的深度充放電，有助于延長BESS 的使用壽命。