電化學儲能電站模型實測及仿真分析

洪權(quán), 楊丹, 熊尚峰, 孫杰懿, 李理, 丁禹

(1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院, 湖南 長沙 410208；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司, 湖南 長沙 410004；3. 湖南省湘電試驗研究院有限公司, 湖南 長沙 410208)

0 引言

規(guī)模化儲能為應(yīng)對“新型電力系統(tǒng)” 架構(gòu)下,高比例新能源接入帶來的出力間歇性、 波動性問題提供了新的解決方案, 其中電化學儲能具備良好的四象限有功、 無功輸出能力及快速響應(yīng)特性, 在參與電網(wǎng)電力電量平衡之外, 還可用于調(diào)頻、 調(diào)壓及暫態(tài)無功支撐, 為電網(wǎng)優(yōu)化控制及穩(wěn)定運行提供豐富的調(diào)控手段。 因此, 電化學儲能技術(shù)在客戶側(cè)節(jié)能、 電網(wǎng)側(cè)調(diào)控等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用, 成為目前儲能產(chǎn)業(yè)研發(fā)創(chuàng)新的重點領(lǐng)域和主要增長點。 電化學儲能應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化控制的前提是需要準確評估接入電網(wǎng)的調(diào)節(jié)特性, 因此對于電化學儲能建模及模型參數(shù)實測需求也越來越高。

目前國內(nèi)外有關(guān)電化學儲能電站的建模尚處于起步階段, 根據(jù)研究問題不同, 既有采取簡化等值模型的, 也有基于功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(power convert system, PCS) 進行詳細建模的。 但系統(tǒng)性研究儲能電站模型的文獻較少, 特別是針對接入大電網(wǎng)分析的機電暫態(tài)模型的研究尚未形成體系[1－5]。 文獻[6] 運用戴維南定理和模擬受控電流源這兩種方法對大容量儲能電站進行等值仿真建模, 并在實際系統(tǒng)中對儲能電站接入后的并網(wǎng)運行特性進行研究, 發(fā)現(xiàn)儲能電站在三相、 單相短路故障中表現(xiàn)出的暫態(tài)特性與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)均有所區(qū)別。 文獻[7] 建立電池儲能的機電暫態(tài)模型, 通過阻尼轉(zhuǎn)矩法分析儲能電站提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的機理, 同時闡述了不同容量配置及不同接入位置對暫態(tài)穩(wěn)定的影響。 文獻[8] 使用諾頓等效電路搭建了多臺PCS 并聯(lián)仿真運行模型并對穩(wěn)定性進行了分析, 但單臺電站與并聯(lián)電站的規(guī)格均與現(xiàn)役主流儲能電站不符。 文獻[9] 參照光儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建了光儲聯(lián)合電站模型, 從而研究儲能設(shè)備在電站控制中的應(yīng)用, 但未考慮到具體電站拓撲結(jié)構(gòu)。 文獻[10]考慮多PCS 并聯(lián)耦合因素, 基于單PCS 建模構(gòu)建了多PCS 并聯(lián)拓撲的詳細儲能電站仿真模型。

上述建模分析多基于儲能電站設(shè)計資料及實驗室測試數(shù)據(jù), 缺少與現(xiàn)場實測特性的對比, 尚無法直接應(yīng)用于實際電網(wǎng)的仿真分析計算。 為形成適用于規(guī)模化儲能接入電網(wǎng)分析用機電仿真模型, 本文就電化學儲能電站控制系統(tǒng)模型現(xiàn)場實測及建模方法進行探討。

1 電化學儲能電站控制系統(tǒng)模型解析

電化學儲能電站控制主要依靠電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)、 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)、 能量管理系統(tǒng) ( energy management system, EMS) 三者協(xié)同實現(xiàn)。 其中BMS 主要負責對電池運行狀態(tài)的監(jiān)測； PCS 實現(xiàn)電池存儲能量的功率變換； EMS 主要負責接收上級調(diào)度指令, 實現(xiàn)對各PCS 功率指令的分配及控制。 功率轉(zhuǎn)化主要在PCS 實現(xiàn), 因此儲能參與電網(wǎng)的建模主要是對PCS 控制策略進行建模, 而在儲能接入電網(wǎng)分析的應(yīng)用場景下, 儲能被抽象為具備各種控制策略的可控功率源[11], 模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 儲能電站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCS 并網(wǎng)運行時, 主要采用功率、 電流雙環(huán)的控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)充放電功率的控制, 功率指令轉(zhuǎn)化為電流指令后, 通過PI 控制及前饋補償方式實現(xiàn)電流的閉環(huán)跟蹤, 以及有功、 無功解耦控制。 配置有一次調(diào)頻、 慣量支撐、 高低電壓穿越控制等功能,實現(xiàn)對電網(wǎng)的動態(tài)支撐[12]。

當dq坐標系與電網(wǎng)電壓矢量E同步旋轉(zhuǎn), 系統(tǒng)有功、 無功呈現(xiàn)與d、q軸電流的純比例特性,進一步地, 忽略電網(wǎng)電勢波動, 則ed為一定值,根據(jù)圖1 所示結(jié)構(gòu), 則有:

式中,ed、eq為電動勢矢量Edq的d、q軸分量；ud、uq為三相逆變器交流側(cè)電壓矢量Udq的d、q軸分量；id、iq為三相逆變器交流側(cè)電流矢量Idq的d、q軸分量。

在功率給定環(huán)節(jié)附加頻率偏差控制(圖1 虛線框部分) 實現(xiàn)一次調(diào)頻及慣量響應(yīng)功能[13－14],即有:

式中,Tg為慣性時間常數(shù)；Tgs為慣量響應(yīng)系數(shù)；D為一次調(diào)頻系數(shù)。

2 儲能模型現(xiàn)場實測及參數(shù)辨識方法

根據(jù)前述模型分析, 模型中涉及的參數(shù)主要有兩大類, 即控制類參數(shù), 如功率環(huán)、 電流環(huán)PID參數(shù)等； 另一類為公式類參數(shù), 如一次調(diào)頻的死區(qū)、 斜率、 低電壓穿越的無功電流給定計算的相關(guān)參數(shù)等。 對于公式類參數(shù), 只需根據(jù)實測響應(yīng)按照相關(guān)公式進行驗算即可, 應(yīng)用廠家預(yù)設(shè)值即可得到與實測特性一致的仿真效果； 而PID 參數(shù), 涉及內(nèi)部定標的處理及轉(zhuǎn)換, 又或是廠商出于技術(shù)保密不予提供, 此時一般需要通過參數(shù)辨識的方法對控制環(huán)節(jié)參數(shù)進行仿真確定。

在參數(shù)辨識領(lǐng)域, 遺傳、 粒子群、 狼群等各類智能算法應(yīng)用得較多, 本質(zhì)都是反復(fù)迭代計算, 通過有策略地調(diào)整參數(shù)以盡快獲得滿足迭代目標的結(jié)果, 本文選用粒子群算法進行參數(shù)辨識。 儲能控制系統(tǒng)參數(shù)辨識基本流程如下。

1) 針對電化學儲能電站變流器廣泛采用的控制方法, 根據(jù)機電仿真需要, 建立如圖1 所示的機電控制模型, 包含基于有功功率偏差、 無功功率偏差生成電流控制指令的PI 控制環(huán)節(jié), 將虛線框內(nèi)視為一個整體, 根據(jù)電流指令計算輸出儲能裝置的有功、 無功功率。

2) 對變流器進行有功、 無功功率指令階躍擾動, 記錄有功功率、 無功功率隨時間的變化曲線。計算有功功率、 無功功率階躍擾動響應(yīng)曲線的超調(diào)量、 響應(yīng)時間、 調(diào)節(jié)時間。

3) 搭建儲能變流器單機仿真模型, 按照試驗工況對變流器分別進行有功、 無功功率指令階躍擾動試驗, 獲得相同擾動下的有功功率、 無功功率階躍擾動仿真曲線, 計算超調(diào)量σi、 響應(yīng)時間tr,i、調(diào)節(jié)時間ts,i。

4) 構(gòu)建曲線擬合適應(yīng)度函數(shù)

5) 以適應(yīng)度函數(shù)值最小為目標進行粒子群迭代優(yōu)化計算, 當粒子迭代結(jié)果收斂或者達到最大迭代次數(shù)時, 將適應(yīng)度最小的粒子參數(shù)進行輸出, 確定辨識參數(shù), 流程如圖2 所示。

圖2 參數(shù)辨識流程

在PSASP 中搭建儲能單變流器模型[15－20], 設(shè)置功率環(huán)節(jié)初始運行點為有功2 000 kW、 無功1 000 kvar。 設(shè)定a＝0.4、b＝0.3、c＝0.3。

辨識有功、 無功控制PID 參數(shù), 即Kp＿Ip、Ki＿Ip、Kp＿Iq、Ki＿Iq, 尋優(yōu)范圍為0.01 ～30, 最大迭代次數(shù)10, 種群數(shù)8。

根據(jù)設(shè)置種群數(shù), 在設(shè)定的參數(shù)變化范圍內(nèi),隨機生成待辨識參數(shù)的粒子取值, 即每個參數(shù)設(shè)置8 組初始值, 作為初代粒子帶入仿真模型進行計算, 獲得仿真曲線, 計算響應(yīng)指標超調(diào)量、 響應(yīng)時間、 調(diào)節(jié)時間。 根據(jù)公式計算適應(yīng)度, 選取適應(yīng)度最小的粒子作為當前代最優(yōu)粒子, 生成新一代的粒子。 最終經(jīng)確定的辨識參數(shù)取值為Kp＿Ip＝0.1、Ki＿Ip＝2、Kp＿Iq＝0.1、Ki＿Iq＝0.5。

根據(jù)實測結(jié)果進行相同的階躍(有功階躍由2 000 kW 至2 500 kW, 無功階躍由1 000 kvar 至1 500 kvar) 仿真對比, 仿真結(jié)果如圖3 所示。 對比結(jié)果見表1, 仿真的有功、 無功曲線及超調(diào)量、響應(yīng)時間、 調(diào)整時間及振蕩次數(shù)等各項指標與實測曲線偏差均在允許偏差范圍內(nèi), 表明辨識的仿真參數(shù)可較好地反映設(shè)備實際響應(yīng)特性。

表1 變流器功率階躍響應(yīng)試驗結(jié)果對比

圖3 儲能功率調(diào)節(jié)實測與仿真對比

3 儲能參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)效果分析

以湖南地區(qū)2022 年下半年電網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),瀟湘特高壓交流7 回出線, 特高壓荊瀟雙回線路投運, 考慮儲能電站分別接入長沙榔梨和延農(nóng)、 永州螞蝗塘、 郴州韭菜坪、 婁底九侖、 邵陽磨石110 kV變電站, 計算方式選取高峰負荷方式； 湖南35 000 MW負荷, 祁韶計算值3 300 MW； 計算數(shù)據(jù)中長沙、 郴州、 永州、 婁底、 邵陽地區(qū)含110 kV網(wǎng)絡(luò), 電網(wǎng)負荷均采用65%馬達比例＋35%恒阻抗模型。

根據(jù)電化學儲能電站接入電網(wǎng)技術(shù)條件要求,電化學儲能電站的功率調(diào)節(jié)響應(yīng)時間、 超調(diào)量等均有標準要求, 基于實測的電化學儲能電站調(diào)節(jié)效果具有一定的代表性。 為評估儲能規(guī)模化接入電網(wǎng)的支撐效果, 其他未實測儲能電站以實測參數(shù)套用方式進行仿真計算。

計算方式: 湖南負荷35 000 MW, 祁韶3 300 MW, 鄂湘4 270 MW, 交流整體外受電8 240 MW, 湖南省內(nèi)220 kV 及以上機組旋備4 270 MW, 株洲調(diào)相機開機1 臺。

長沙特－星城雙回星城側(cè)三永故障N－2 故障下, 湖南電網(wǎng)電壓恢復(fù)曲線如圖4 所示, 各地區(qū)曲線均選取區(qū)域內(nèi)恢復(fù)最慢的部分。

圖4 長沙特－星城雙回星城側(cè)三永故障N－2,湖南110 kV 母線電壓恢復(fù)曲線

長沙特－星城雙回星城側(cè)三永故障N－2 后, 長沙地區(qū)110 kV 曹家坪母線電壓曲線恢復(fù)最慢, 故障后約4 s 恢復(fù)至0.9 p.u., 其他地區(qū)母線電壓均在故障發(fā)生1 s 后恢復(fù)至0.9 p.u. 及以上。

長沙榔梨24 MW/48 MW·h、 延農(nóng)10 MW/20 MW·h、 永州螞蝗塘20 MW/40 MW·h、 郴州韭菜坪22.5 MW/45 MW·h、 婁底九侖7.5 MW/15 MW·h、 邵陽磨石10 MW/20 MW·h 共6 座儲能電站接入系統(tǒng), 各儲能電站均處于熱備用狀態(tài),考慮儲能接入后的電壓支撐效果如圖5、 圖6 所示。 圖5 中藍色曲線為基礎(chǔ)方式, 綠色曲線為采用實測參數(shù)的儲能接入后方式, 紅色曲線為采用典型參數(shù)的儲能接入后方式。

圖5 負荷中心110 kV 母線電壓恢復(fù)曲線

圖6 榔梨儲能站儲能無功輸出曲線

從曲線對比可以看出, 接入儲能后曹家坪110 kV母線電壓恢復(fù)速度有所提升, 表明儲能對于改善電網(wǎng)暫態(tài)電壓特性具有支撐作用, 但實測參數(shù)的效果不如典型參數(shù)(表2)。 從儲能輸出曲線來看, 實測參數(shù)仿真中儲能的輸出比典型參數(shù)輸出要低, 因而電壓恢復(fù)效果較差。 主要是實測參數(shù)部分考慮了低穿參數(shù), 即啟用低穿功能, 而典型參數(shù)并未啟用, 這導致了兩套參數(shù)在同一故障擾動下輸出特性的不同, 也說明了實測參數(shù)對于準確評估儲能電站參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)特性評估的重要性。

表2 典型參數(shù)與實測參數(shù)對比

4 結(jié)語

本文論述了電化學儲能電站控制系統(tǒng)的典型架構(gòu), 結(jié)合關(guān)鍵性能指標, 設(shè)計了現(xiàn)場實測方法。 通過提取關(guān)鍵參數(shù)進行辨識, 獲得與實測特性一致度較高的仿真用模型參數(shù), 并基于湖南電網(wǎng)進行了仿真驗證。 仿真分析表明, 儲能電站對于改善電網(wǎng)暫態(tài)電壓恢復(fù)特性具有一定的支撐作用, 需結(jié)合現(xiàn)場實測進行評估。