電池儲能電站主動支撐控制策略及其參與電網(wǎng)調(diào)頻特性分析

李 愷,李振江

(國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司,山東 濰坊 261000)

大容量儲能系統(tǒng)靈活的吞吐能量可作為一種新型調(diào)頻穩(wěn)壓手段,特別是具有穩(wěn)定輸出及快速響應(yīng)的大容量儲能,其調(diào)頻性能與并網(wǎng)技術(shù)已成為當(dāng)前的研究熱點。在電池儲能技術(shù)應(yīng)用中,采用合適的控制方法可提高電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻性能,降低系統(tǒng)的容量需求。

1 電池儲能電站模型及其主動支撐控制策略

1.1 總體結(jié)構(gòu)模型

將多個鉛酸蓄電池模塊串聯(lián)起來,再將它們并聯(lián)起來,即可構(gòu)建一個高效的電池儲能電站。電站的控制架構(gòu)由電池組、儲能電源、電池充電及電力傳輸組成,采用三階模型的主動支撐控制系統(tǒng)。圖1為電池儲能電站的完整控制系統(tǒng)。

圖1 電池儲能電站的主動支撐控制策略框圖Fig.1 Block diagram of active support control strategy of battery energy storage power station

1.2 電池組模型

在電池儲能發(fā)電站中,以鉛酸電池組件為主要能源來源,電池的短時放電模型為:

(1)

式中,UB表示蓄電池組的最終電壓;Eb代表蓄電池的開路電壓;Ib代表蓄電池的放電電流;Rp是極化電阻;R0是一種電阻,用于限制放電電壓;τ0是一個雙電層效應(yīng)的時間常數(shù)。當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時,每個電池模塊的額定容量為Qn,在i(t)的放電電流下,電池組荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)的百分比ξSOC會發(fā)生變化,從而影響電池性能及使用壽命。

(2)

式中,NS與NP分別為電池組中電池串聯(lián)與并聯(lián)個數(shù)。

將起點為ξSOC=0時蓄電池組最大電壓與最小電壓中間點、終點為ξSOC=100%時最大電壓處擬合一條蓄電池組ξSOC與開路電壓Eb的特性直線,如式(3)所示:

(3)

式中,Umax與Umin分別代表蓄電池組開路電壓的最大值及最小值。

1.3 基于同步機標(biāo)準(zhǔn)三階模型的主動支撐控制

在同步機三階化模型基礎(chǔ)上采用主動支撐控制方法,實現(xiàn)了同步發(fā)電機的外特性仿真,使儲能電站的勵磁、調(diào)速等時標(biāo)與常規(guī)機組的自適應(yīng)調(diào)整過程一致。與傳統(tǒng)的鎖相環(huán)控制方式相比,主動支撐控制方式可以使儲能變換器的功角調(diào)節(jié)不再依賴于電網(wǎng)的轉(zhuǎn)矩,從而提高儲能電站的并網(wǎng)獨立性及抗干擾能力。其中,主動支撐控制策略包括勵磁控制器、轉(zhuǎn)速控制器、三階同步發(fā)電機、虛擬子繞組、電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)等。

2 考慮電網(wǎng)調(diào)頻需求的電池儲能電站靈活性分析

2.1 電力系統(tǒng)多時間尺度的調(diào)頻過程

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包括發(fā)、輸、變、用等多個環(huán)節(jié),具有時間性及空間性兩大特征。電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)與電壓調(diào)節(jié)是一個不斷擴展的時間尺度,其空間分布表現(xiàn)出復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)特征。電力系統(tǒng)頻率自調(diào)整過程是一個極其復(fù)雜的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)問題,對其進行分析、調(diào)整及描述,具體體現(xiàn)為以下幾方面:時間尺度主要是指秒級、分鐘級、小時或天級等時間尺度,其中以幾年或十多年為時間尺度,以電力系統(tǒng)的長遠規(guī)劃為中心。幾周或數(shù)月的時間段主要考慮機組季節(jié)性的變化,特別是水電機組,其季節(jié)性的負荷波動相當(dāng)大,具有明顯的豐水期和枯水期。還要考慮風(fēng)電、光伏發(fā)電等受自然環(huán)境影響較強的情況。以數(shù)小時或數(shù)日為單位的時間范圍,以電力系統(tǒng)的階段調(diào)劑為主要內(nèi)容;分鐘級時間尺度是指電力系統(tǒng)中的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻及慣性調(diào)頻,這種時間尺度的主要依據(jù)是電力市場的分配及電網(wǎng)需求;在微秒級的時間范圍內(nèi),主要包含各類電力電子開關(guān)裝置的進出、頻率及電壓的微小變化、慣性矩的瞬時變化等。隨著電網(wǎng)的互聯(lián)互通與一體化發(fā)展,電網(wǎng)的空間范圍變得更加復(fù)雜,特別是省級電網(wǎng)之間的互聯(lián)及大區(qū)域互聯(lián),令網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜,輸電線路長度不斷增加。因為省網(wǎng)與區(qū)域性電網(wǎng)的調(diào)頻能力存在著很大的差別,故在調(diào)頻方式上可將其劃分為全網(wǎng)調(diào)頻與區(qū)域調(diào)頻兩種。

2.2 電池儲能電站的調(diào)頻靈活性分析

調(diào)頻必須充分考慮系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力,在不同的時間尺度上為其提供最佳的調(diào)頻服務(wù)。相對于其他調(diào)頻技術(shù),儲能電站具有顯著的優(yōu)勢,其安裝簡單、不受自然環(huán)境影響、爬坡速度快、能量吸收及釋放靈活、調(diào)節(jié)性能優(yōu)越。其中,PCS儲能變流器具備先進的主動控制技術(shù),輸出特性可達到與同步機相同的水平,令能量緩沖器在極端頻率環(huán)境中成為最佳的解決方案。

經(jīng)過多時間尺度的調(diào)頻研究發(fā)現(xiàn),電池儲能電站在參與電網(wǎng)頻率調(diào)整時必須具備較高的靈活性。為實現(xiàn)這一目標(biāo),需從三方面入手:1)確保能源的持續(xù)供給(MWh),保證電站的調(diào)壓及調(diào)頻能力。2)改變功率輸出速度及角度(MW/min),以影響系統(tǒng)性能。3)具有極大的功率輸出能力(MW)。為了實現(xiàn)靈活的運行,電池儲能電站的輸出量可以在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整,以支持更大規(guī)模、更高電壓水平的電網(wǎng),提供輔助的調(diào)頻服務(wù)。

在大型電池儲能系統(tǒng)中,其可以在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)方面發(fā)揮重要作用,這種靈活性可以用3個關(guān)鍵指標(biāo)來衡量:1)儲能電站的額定功率代表其性能,即它們的輸出功率達到了極限,從而滿足儲能系統(tǒng)的各種功能要求。2)爬坡速率對于儲能電站的運行至關(guān)重要,可及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的變化,從而做出相應(yīng)的調(diào)整,特別是在慣性反應(yīng)與一次調(diào)頻階段,可保證儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3)儲能電站的額定電量對于確保其能夠滿足二次調(diào)頻的需求至關(guān)重要,其能夠有效反映電站的性能、電站參與電網(wǎng)頻率調(diào)控的持續(xù)時間,令電網(wǎng)能夠有效利用儲能電站的能源,實現(xiàn)更加穩(wěn)定的電能資源分布。

3 電池儲能電站參與電網(wǎng)頻率調(diào)控及貢獻力分析方法

3.1 電池儲能電站參與電網(wǎng)慣性響應(yīng)及一次調(diào)頻特性分析

在電力系統(tǒng)中,儲能電站發(fā)揮著很大的作用,它們通過慣性響應(yīng)與一次調(diào)節(jié)兩個階段來實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)。儲能電站的靜態(tài)頻率特性有很明顯的特點,其與同步發(fā)電機十分類似,為了使普通機組能夠獲得足夠的調(diào)頻輸入,可采取一系列措施,如改變每個發(fā)電單元的調(diào)差系數(shù),增加旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的動能,減少系統(tǒng)的頻率波動,從而有效減少一次調(diào)頻后的系統(tǒng)振蕩幅度。儲能技術(shù)利用慣性反饋技術(shù)降低了系統(tǒng)的初始頻率,將實際轉(zhuǎn)動單元的慣性與虛擬儲能站的慣性相結(jié)合,可實現(xiàn)一種全新的控制方法。

當(dāng)電池儲能電站建立并能穩(wěn)定運行時,就可實現(xiàn)fmeas與SOC的實時監(jiān)控功能。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生劇烈波動時,系統(tǒng)會先檢測SOC,確定其是否處于調(diào)頻工作范圍內(nèi)(SOCmin,SOCmax),如果處于一個合理的范圍,則可正常運行。如果超出正常范圍,其充電余放電管理系統(tǒng)將被鎖定,不允許任何外部干擾。為了確保儲能電站的安全運行,在進行fmeas檢測時,必須確保其頻率處于可接受的范圍內(nèi)。若fmeas未達到(fref2,fref1)的要求,則可以利用同步引擎的動態(tài)頻率特性及其相關(guān)的系統(tǒng)負荷進行一次調(diào)頻,以確保儲能電站的安全運行及可靠性。在判定fmeas超出正常調(diào)頻范圍時,儲能電站的靜態(tài)頻率特性將與同步發(fā)動機共同分擔(dān)調(diào)頻出力,即儲能參與到電網(wǎng)的一次調(diào)頻過程中,儲能電站的靜態(tài)頻率特性如圖2所示,表達式如下:

圖2 儲能參與電網(wǎng)中功頻特性Fig.2 Energy storage participation in power frequency characteristics of power grid

(4)

當(dāng)電力系統(tǒng)的頻率超過fref1與fref1的上下界限時,電儲能站的充電功率將會發(fā)生變化,即單位調(diào)整能力Kbattery減去頻率偏差量,使電力系統(tǒng)從中獲得更多的能量。隨著電網(wǎng)頻率的不斷降低,當(dāng)?shù)陀谡{(diào)頻的最低點時,由于頻率偏差的影響,儲能站的放電功率將會達到Kbattery,儲能站將會向電網(wǎng)輸出大量的能量。

從圖2來看,當(dāng)采用電池儲能技術(shù)時,頻率與整體負荷的變化存在著密切的關(guān)聯(lián)。利用儲能技術(shù)可隨著負荷及頻率的變化來自動調(diào)節(jié)Kbattery,從而提高電網(wǎng)效率。可通過調(diào)節(jié)Kbattery的斜率來適應(yīng)不同的負載情況,以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

圖3 一次調(diào)頻特性Fig.3 Primary frequency regulation

(5)

式中,KG表示同步發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率,KL則表示負荷的單位調(diào)節(jié)功率。

通過對儲能系統(tǒng)正向靜態(tài)頻率特征的分析可知,當(dāng)儲能電站進行一次調(diào)頻時,其分擔(dān)的功率ΔPbattery主要取決于系統(tǒng)的頻偏與儲能電站的調(diào)差因子。由于同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與輸出電磁場之間存在著很強的耦合,故儲能電站的調(diào)頻出力與其功率分攤量ΔPG之間存在著一定的反比,當(dāng)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動較小時,其在一次調(diào)頻后的頻偏就會減小,使儲能電站在一次調(diào)頻中的作用更加明顯。

3.2 電池儲能電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻貢獻力分析

將儲能系統(tǒng)總的調(diào)頻功率輸出值與旋轉(zhuǎn)機組總的調(diào)頻功率輸出值之比定義為電池儲能電站參與電網(wǎng)一次頻率調(diào)節(jié)時對常規(guī)機組的貢獻因子λ,貢獻因子表達式如下:

(6)

貢獻度因子λ是指電池儲能站的調(diào)頻輸出對常規(guī)機組的貢獻度,通常以ΔPL0作為參考,當(dāng)儲能站在調(diào)頻輸出上的貢獻度較低時,儲能站對調(diào)頻輸出的貢獻度就較高,而常規(guī)機組在調(diào)頻過程中需要分擔(dān)的調(diào)頻功率較低,在一次調(diào)頻后,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率偏差較小;當(dāng)貢獻系數(shù)λ較大時,儲能電站在參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)時,其對常規(guī)調(diào)頻單元的貢獻較大,故電網(wǎng)頻率穩(wěn)定度較高,可實現(xiàn)對儲能電站的調(diào)頻貢獻力及調(diào)頻深度的全面調(diào)節(jié)。

3.3 電池儲能電站參與電網(wǎng)二次調(diào)頻特性分析

二次調(diào)頻技術(shù)具有無差調(diào)整的優(yōu)勢,可有效解決頻率變化劇烈的問題,使發(fā)電單元機組得到重新配置。采用主動支持技術(shù)的二次調(diào)頻系統(tǒng),可有效改善電池儲能電站的運行狀態(tài),見圖4。

圖4 二次調(diào)頻控制框圖Fig.4 Block diagram of the secondary frequency modulation control

在二次調(diào)頻控制器中,Ksec被激活,在儲能電站投入使用后,可根據(jù)系統(tǒng)頻率變化量的累積來調(diào)整ΔPsec,并這一調(diào)整過程持續(xù)進行,最終令Δf=0,使儲能電站可以提供更優(yōu)質(zhì)的二次調(diào)頻服務(wù)。二次調(diào)頻是一個重要的過程,涉及二次調(diào)頻、下降及阻尼。經(jīng)過上述步驟,傳統(tǒng)的機組可迅速回歸正常運行,將轉(zhuǎn)子動量重新調(diào)節(jié)至不受外界影響的最佳狀態(tài),系統(tǒng)頻率也將回歸至最初的水準(zhǔn),從而達成儲能發(fā)電廠與用戶之間的有效協(xié)調(diào)。

4 結(jié)論

通過研究電池儲能電站的能源管理策略及其在電網(wǎng)調(diào)頻中的作用得出以下結(jié)論:采用基于同步機的三階模型可改善儲能變流器的暫態(tài)調(diào)壓能力,使其具備同步機的勵磁控制器及調(diào)速控制器的標(biāo)準(zhǔn)特性,大大提升儲能電站的調(diào)頻穩(wěn)壓能力。研究發(fā)現(xiàn),通過合理設(shè)置儲能系統(tǒng)參數(shù),可滿足靈活性要求,提供優(yōu)秀的阻尼特性及慣量特性,使其成為大型新能源并網(wǎng)的有力工具。協(xié)同傳統(tǒng)機組進行調(diào)頻,為整個電網(wǎng)帶來更加穩(wěn)定的頻率環(huán)境。