儲能電池參與電網二次調頻參數優化

常 康，周 天，張海寧，劉韶峰

（1.南瑞集團有限公司/國網電力科學研究院有限公司，江蘇南京 211106；2.國網青海省電力公司，青海西寧 810008）

隨著新型電力能源的不斷發展，電力資源已成為人們生產生活不可缺少的資源。因此，電力資源應用范圍越來越廣，相應地也出現了一些問題，特別是大規模的電網機組出現了不穩定性[1-2]。對此，儲能電池與電網的組合應用技術得到了廣泛關注[3]。

目前，為了使儲能電池與電網機組達到更高的適配度，以實現對電網頻率調整進行更精準的控制，可以對儲能電池進行二次調頻。二次調頻的過程會存在一定的信息誤差，為了增強儲能電池二次調頻過程的穩定性與準確性，根據儲能電池的相關特性，結合信號分解方法與IMF 模態函數對儲能電池參與電網二次調頻的過程進行了相關參數優化，進一步增強儲能電池的電網頻率調整能力，從整體上提高儲能電池與電網機組的調頻處理能力與電力能源控制能力。

1 參數提取優化

儲能電池參與電網二次調頻關系到儲能電池的負載量、電源容量以及電池功率等多個方面，需要綜合儲能電池的多方面特征進行參數修正與優化[4-5]。基于穩定的電網需求場景，根據儲能電池容量、效益等方面對儲能電池參與電網二次調頻參數優化進行分析研究。

參數檢測首先需要對儲能電池自身的原始參數進行檢測提取，因此，對儲能電池進行參數優化需要先優化電池參數提取功能。儲能電池并網示意圖如圖1 所示。

圖1 儲能電池并網示意圖

考慮到儲能電池自身的特殊性，根據電池性能特征調整匹配的電網動態參數，然后通過ACE 信號分解方法對儲能電池參數提取功能頻域進行分頻段控制，并利用經驗模態分解法對儲能電池參數提取功能進行調頻優化，分解出各部分具體的參數信息以及不同頻段下的參數變化，通過計算機系統的數據運算程序計算其線性相關程度[6-7]。進行參數提取優化的過程，主要使用IMF 模態函數對不同類型信號和不同頻域的信號進行模態采集與提取優化，主要過程如下：

式（1）中，SACE(t)表示儲能電池局部參數t的ACE信號；IIMF.i()

t表示該部分參數的本征模態函數；m表示本征模態函數的總體數量；rn(t)表示函數的殘余分量。通過該公式能夠得到儲能電池參數經過IMF 函數運算后的信號尺度與信號特征，再通過信號分解運算能夠得到電池局部參數的ACE 信號表示情況，且能夠根據頻率差異具體劃分為不同類別的子信號。然后進行參數提取的二次調頻優化效果檢測，如式（2）所示：

式（2）中，PE、PG分別表示在i時刻儲能電池的電源容量與出力頻率；q表示此時電網的信號序列長度。根據該公式能夠對儲能電池信號采集與參數提取結果進行檢測，防止因信號干擾導致信息采集出現失誤，影響整體調頻優化效果[8-9]。

2 參數分析優化

在參數提取優化后，需要利用電網參數模擬仿真和信號分解算法對參數數據進行分析過程優化。在傳統的儲能電池參數和電網模擬數據的基礎上，結合參數提取過程優化調整對參數分析過程進行信號分解與性能優化[10-12]。根據傳統機能電源的放電功率和電網頻域相關情況調整參數分析指標數據，并將利用參數提取過程獲取的信號信息數據與數據分析規則相結合，再利用ACE 方法進行信號分解。電池儲能單體元件數字模型如圖2 所示。

圖2 電池儲能單體元件數字模型

由于提高了對儲能電池經濟效益方面的檢測標準，在參數分析過程中也增加了經濟效益檢測評估環節[13-15]。在對參數數據進行了常規的信號分解與數據分析后，運用以下公式對各參數調頻的經濟效益進行評估檢測：

式（3）中，NRES表示參與二次調頻的儲能電池總體效益值；Ry表示總體年效益。效益評估涉及到多方面問題，不只包括經濟效益，還涉及到儲能電池二次調頻后投入使用對電網容量、能源消耗、效率調整等方面帶來的影響。因此，年效益指標的設定需根據具體的儲能電池應用環境和原始效益進行參考設定。

3 參數處理優化

儲能電池參數處理過程是二次調頻過程中的重要環節，需要對數據信息處理程序進行技術優化。首先根據獲取到的各部分調頻參數對儲能電池容量和電網經濟技術指標形成一個完整的認知，然后根據儲能電池的承擔情況進行具體的技術調整[16]。參數處理優化流程如圖3 所示。

圖3 參數處理優化流程

將儲能電池放置于模擬電網頻域仿真環境獲取到此時電網模型的ACE 信號數值，進行ACE 信號分解運算，得到各參數的本征模態函數分量。然后根據儲能電池的負荷能力范圍，選取對應的函數分量，在負荷范圍內盡可能選取最高值的頻域信號分量，低值的分量自動匹配分給傳統的電源機能。然后根據調頻通用方法進行局部參數調頻處理，并根據經濟效益檢測指標進行效益評估，選取最適合的調頻配置結果。區域電網調頻動態模型如圖4 所示。

圖4 區域電網調頻動態模型

根據儲能電池參與二次調頻過程中的各部分參數指標及優化調整的情況，對調頻過程中的數據處理技術進行相應的調整優化。具體的技術參數調整需要根據對應的儲能電池參數設定和二次調頻參與的部分指標數據進行設置，因此，可以利用通用的儲能電池二次調頻技術評估程序進行參數處理技術評估檢測，其公式如下：

式（4）中，PE、PG分別表示i時刻儲能電池與電源機能的容量與出力頻率；P表示參數數據ACE 信號的序列長度。根據該公式能夠對儲能電池二次調頻的參數數據處理技術效果進行檢測評估，發現調頻過程中的問題并及時上報調整，以便儲能電池二次調頻的順利進行。同時，結合經濟效益評估程序對參數處理過程的效益進行評估，并根據評估結果對參數處理優化結果進行調整修正。

4 實驗研究

對儲能電池的二次調頻參數優化方法進行高效性評估是檢驗二次調頻是否成功的重要過程。首先，對儲能電池的應用環境和電網參數進行基本條件獲取，然后，利用模態電網模型進行仿真實驗，獲取關于二次調頻的部分參數調整前后的數據變化情況，并通過對比分析檢驗調頻后的參數是否與電網頻域和電源機能更匹配。

主要針對儲能電池參與電網二次調頻參數優化前后的結果進行仿真實驗與對比分析。設置實驗參數如表1 所示。

表1 實驗參數

根據上述參數進行實驗，采用傳統的儲能電池與電網組合在適當的場景配置中運行參數提取檢測，在此基礎上進行儲能電池的二次調頻，并結合ACE 信號分解算法，在同一場景條件下進行優化參數提取檢測。通過對參數信號數據的分解與分析，對調頻數據參數信息進行綜合提取、分析、處理，并通過相應的評估程序，檢驗調頻效果是否符合應用與效益要求。

在儲能電池與電網的組合工況檢測方面，通過計算機檢測程序，對仿真實驗中的傳統電網機組與調頻后的儲能電池機組的階躍擾動進行檢測。頻率偏差實驗結果如圖5 所示。

圖5 頻率偏差曲線

實驗結果表明，經過二次調配后的儲能電池機組的電網頻率變化偏差較低，而且儲能電池的出力一直處于較為穩定的狀態；而傳統的電池機組頻率變化偏差較大，電池出力較小，且恢復能力較弱。

同時，進行儲能電池應急處理情況的實驗，結果如圖6 所示。

圖6 儲能處理曲線

分析實驗結果可知，在應急調頻情況下，儲能電池反應速度更快，反應靈敏度更高，能夠直接接收參數信息的傳輸，并且參數處理與分析的過程更快，結果更準確，相比于傳統的電池機組整體效率更高，與電網頻域的適配性更高。

進行儲能電池機組連續擾動實驗，用干擾信號對電池電網的調頻機組進行連續的信號干擾。不同方法的抗干擾對比結果如圖7 所示。

圖7 抗干擾性效果對比

圖7 中，抗干擾系數越高，說明調頻參數優化的抗干擾效果越好。實驗結果表明，在連續的信號干擾情況下，參數優化后的儲能電池在調頻方面具有更強的處理能力，能夠使頻率調整偏差保持在極小的范圍內，相比于傳統電池機組具有較強的穩定性和數據處理精準性。

5 結束語

針對當前儲能電池二次調頻存在的問題進行了分析，結合信號分解方法與IMF 模態函數對儲能電池二次調頻的參數提取、分析與處理進行了優化調整，并加入了相應的評估程序對處理結果進行檢測選取。然后根據儲能電池的實際應用場景進行了仿真實驗，結果表明，相比于傳統的電網機組，儲能電池具有更強的調頻處理能力，在面對連續信號干擾時調頻偏差較低，比傳統的電網機組更穩定、更精準。對儲能電池參與電網二次調頻參數優化進行的研究對儲能電池調頻的相關領域具有一定的參考作用，有利于推動儲能電池與電網設施的更新發展。