AGC調頻技術在規模化電網儲能中的應用

南京南瑞繼保電氣有限公司 鄭 雷

1 引言

規模化的電網的儲能技術隨著智能化的不斷發展，已經逐漸朝著全自動儲能的方向不斷發展，電網儲能的形式也變得多種多樣，日常采用的電能儲能方式就是放置在鉛酸蓄電池中進行電量的儲蓄，但電池的儲能的能量不足以支撐大量電能的儲存。因此，規模化電網儲能中還有更加先進的飛輪儲能、超導電容儲能等能夠大容量進行儲存的方式。但先進的儲能方式還處于未成熟的研究階段，且應用的范圍也較小[1]。目前，國內市場上使用的電網儲能方法仍舊為鉛酸蓄電池和小規模的飛輪儲能、超導電容儲能。但隨著電網規模的不斷擴大，這些電能儲存方法的缺陷逐漸暴露出來，對現有的規模化電網儲能方式進行優化成為了重點。

AGC調頻技術在規模化電網的儲能系統中可以起到發電控制調頻的輔助作用，可以有效地提升電廠儲能的效率，且AGC調節性能很好，不僅符合可持續發展的電力節約精神，還可以為電廠增加經濟效益，應用在儲能系統中一舉兩得[2]。傳統的儲能系統的投資成本收回期在10～15年，AGC調頻實際工程的加入縮短了回收期時間的1/2，因此本文將AGC調頻技術應用在規模化電網儲能中，希望可以在日后的生活中大規模應用，為節約電能作出貢獻。

2 建立規模化電網儲能AGC調頻模型

2.1 分析AGC調頻變化趨勢

電網儲能的頻率需要在安全的閾值范圍內，為了對電網的頻率進行控制和調節，需要對電網儲能進行調節。AGC調頻分為一次調頻和二次調頻，一次調頻屬于粗略性的調頻，精度沒有二次調頻精度高。改變發電機組有功發電基準點是AGC調頻的基本手段[3]。發電基準點的改變會發生負荷變化，可以使規模化電網儲能達到平衡狀態。可以讓儲能設備中的電能按照額定頻率運行。調頻的示意圖如圖1所示。

如圖1所示，s1、s2、s3、s4四條線的交點中，a為電荷儲能的平衡點，此時的儲能設備的額定頻率為w2，如果不進行AGC調頻的話，電網在運作的過程中，電端負荷變大，會產生設備擾動情況的發生，按照現階段的電能慣性[4]，負荷頻率曲線會從s3向右下發生移動，變成s4。負荷頻率曲線和電力的特性曲線之間的交點變為b，儲能設備中的平衡點也由w2變成了w1。電端負荷繼續變大，同時電網的發電端的輸出也在不斷增大，頻率特性曲線朝著左上方移動。而兩個曲線的焦點也由b變為了c，而此時負荷頻率曲線和電力的特性曲線向相反的方向發生變化，平衡點向右邊移動變成了w3。電端負荷變小的移動軌跡和負荷變大的軌跡相反。

圖1 調頻的示意圖

2.2 選取模型的相應指標

AGC調頻指標分別為調頻的時間、調頻的速率和調頻的精度。按順序設置三項指標分別為e1、e2、e3，則e1的計算標準為調頻的指令發出的時間和相應的頻率回到正常指標范圍的時間[5]。計算公式為：

公式中的T為恢復額定功率的時間，而T0為開始發出指令的時間。e2的計算方式為：

在調頻的速率的計算中是按照平均的指令響應時間來計算的，而平均的指令響應時間用Tn來表示，Tn的取值范圍為（50，100）。如果是水電發電的電網則響應時間要更快一點，取值范圍為（10，20）。而精度及計算方式如下：

調頻精度的計算公式中，電網的電力的計算單位為kW，在公式（3）中ej（T）則代表存儲設備的實際電力輸出值。而en則為AGC調頻的指令值。AGC調節是有一定的周期的，周期在T到T0之間[6]，因為儲能受實際情況的制約，因此無法做到一次性調節成功。一次調頻和二次調頻之間的銜接時刻的指標值需要記錄下來。并通過上一次的記錄指標和下一次的記錄指標進行比較，實現指標值各項調節值的計算。因此，需要對AGC指令更新時刻進行記錄，以便后續數據的調取。

規模化電網儲能是采用SOC值進行判斷的，儲能設備的充放電功率是有一定的閾值的。如果功率超過了閾值的范圍則會導致儲能系統崩潰，應在設備中安裝SOC監測裝置，在達到一定閾值停止充放電行為。為了避免儲能設備產生飽和的現象，在功率數值接近閾值的時候就要停止充電的行為，而在SOC值接近最低的閾值的時候相應也要停止放電的行為，SOC值保持越穩定，說明該儲電設備的電源釋放能量水平越正常，AGC調頻具備雙向調節的能力，通過額定功率表示則為：

公式中的SOCe2為調節后的功率，它的數值始終保持大于閾值中的最低值SOC1，小于閾值中的最大值SOC2

2.3 基于AGC調頻技術實現最大功率約束

常見的規模化電網儲能中AGC調頻技術是根據實際的需要進行調頻的，也可以說AGC能力是根據有功備用來進行確定的。持續以額定功率輸出雖然和AGC調頻能力有關，但也和儲能設備的能量有關。因此需要對最大輸出功率進行約束，以便合理優化儲能設備的性能。可以用容量的動態約束方式進行最大儲能輸出功率進行約束，動態可用容量的計算涉及的變量較少，計算的步驟也較少，因此可縮短調頻指令的響應時間。動態可用容量的具體含義為AGC指令經過傳輸之后在調節的周期內的電能調節容量的計算公式如下：

在上述容量計算公式（5）中，D為AGC指令經過傳輸之后在調節的周期內的電能調節容量，而C為此刻的規模化電網儲能容量，C0為最大的容量，C1為最小的容量。d為指令從發出到狀態穩定的時間。可用容量數值的計算使頻率調節的目標更加清晰，且可以清晰反映儲能設備中的功率和容量之間的變化規律，使調頻計算指標多了一種，雙重指標的計算方式提升了規模化電網儲能的穩定性。

2.4 調頻儲能下發電站凈收益模型

由儲能系統參與的AGC調頻產生凈收益可分為兩大部分，即發電站儲能系統儲放過程自身壽命損耗和儲能系統參與的AGC調頻補償導致的成本，電站儲能系統在AGG調頻下產生的凈收益值越高，則表示電站的經濟效益越好。其表達式為：

上式中：Rgross表示總凈收益；Closs表示儲能電池壽命損耗成本。

結合發電廠儲能系統運行現狀可知，儲能系統響應時間越短，則表示出力調整的速度越快，同時對其的調節精度便會越高，此時調頻儲能電站所得到的AGC調頻補償將會越多。同理，當調頻儲能的AGC指令目標幅度變化越大，則所維持的時間便會越長，由此可知儲能系統的放電深度也會隨著增加。

上式中：Ctotal表示調頻儲能發電站對調頻儲能系統的投入；cyc表示儲能系統全壽命周期下的最大充放電次數。

由公式（7）可知，電站儲能系統的放電深度增加在一定程度上會增加系統壽命損耗的成本。因此，可證明AGC調頻補償的Rgross與儲能電池壽命損耗成本Closs間存在正相關的關系，若使用常規方法控制儲能系統使其追隨AGC調控指令，則隨著AGC補償獲得收入的不斷增加，其儲能電池的損耗成本也會逐漸增大，從電站調頻儲能系統角度來看，此時的其凈收益未達到極大值。如果追求凈收益能夠達到最大化，其判斷形式或影響因素并應當達到均衡，即不應該由儲能系統響應時間進行決斷，即出力調整速度越及時所調控的精度越高且凈收益越高。

3 測試試驗

為了驗證本文的規模化電網儲能方法的實用性，設計了本次對比試驗，將本文設計的基于AGC調頻技術的規模化電網儲能方法和傳統的輔助規模化電網儲能方法、鋰電池規模化電網儲能方法進行比較，比較三種方法的儲存效率。

3.1 試驗準備

本文試驗可以采用某個發電廠的實際數據作為數據來源進行有效性分析，進行數據采集之后，電網的儲能設備可以獲取AGC指令，并通過數據判定AGC調頻指令是否處于可更新的狀態，更新后的機組功率才是當下儲能設備的正常功率，儲能保持當前狀態系統的數據不會再有新的變化。為了降低計算機中的功率和實際的儲能功率有偏差，判斷此時的電網儲能在電力輸出時的功率是否大于電能的吸收功率。建立AGC調頻模型，并在模型中代入發電廠的歷史數據，得到試驗的參數，試驗的參數如表1所示。

表1 參數設置

如表1所示，5次試驗的參數都是不同的，有細微的變化，這樣可以驗證儲能方法的可靠性。表1中的TB為確定系數，而Erate為均方根誤差。θ為規模化電網儲能的最小參數系數，α和β分別為儲能最大系數和儲能最小系數。

3.2 試驗結果

基于以上的試驗準備，使用三種規模化電網儲能方法進行儲能，對儲能的SOC值進行對比，試驗結果如圖2所示。

圖2 試驗結果

如圖2所示，試驗中的三種電網儲能方式中，本文設計的規模化電網儲能方式在200個小時的試驗市場中的SOC值都比較平穩，而傳統的輔助規模化電網儲能方法、鋰電池規模化電網儲能方法的SOC值有較大的波動，電能的波動太大容易影響儲能設備的性能，降低儲能設備的使用壽命。

4 結語

在電網領域中，儲能技術的發展推動了電力的發展。而儲能系統可作為獨立個體為電網提供服務的輔助設備也需要不斷優化，本文提出的AGC調頻技術與儲能技術的融合方式增加了儲能裝機量，保證了電網儲能的安全性和穩定性，且增加了電網的經濟效益。輔助AGC調頻在電網儲能中發揮著不可忽視的作用，但因為本文的研究未對電網的同步振蕩和保護配置進行檢測，因此尚不知道該儲能方式其他部分是否會受到影響，希望日后的研究中可以對電網系統其他部分進行評估，完善本文的設計。