考慮調(diào)頻死區(qū)與荷電狀態(tài)的儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制策略

朱武， 董藝*， 高迎迎， 金立鑫

(1.上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 上海 201306； 2.國網(wǎng)浙江樂清市供電有限公司， 溫州 325600)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，新能源發(fā)電比重逐漸提高。由于風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)出力具有不確定性和波動(dòng)性，且等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，一次調(diào)頻能力不足，大規(guī)模并網(wǎng)將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定[1]。儲(chǔ)能出力靈活，能夠快速進(jìn)行功率響應(yīng)且便于調(diào)度[2-4]，作為電源參與電網(wǎng)調(diào)頻優(yōu)勢明顯。目前中國有多個(gè)儲(chǔ)能調(diào)頻工程項(xiàng)目在建，發(fā)展應(yīng)用前景廣闊。儲(chǔ)能參與調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制問題已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[5]。

國內(nèi)外學(xué)者針對儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的有效性問題和控制策略等方面開展了大量研究。文獻(xiàn)[6]提出在含間歇性能源的系統(tǒng)中儲(chǔ)能采用虛擬慣性控制，克服了電網(wǎng)高頻振蕩問題。文獻(xiàn)[7]中儲(chǔ)能采用下垂控制，輔助風(fēng)機(jī)進(jìn)行一次調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)二者協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[8]儲(chǔ)能采用虛擬慣性和下垂相結(jié)合的控制方式，減少島嶼微電網(wǎng)頻率波動(dòng)。上述研究對儲(chǔ)能控制方式較為單一，或僅將下垂和慣性控制簡單結(jié)合，且均未考慮電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)變化，極易造成電池過充過放，縮短電池壽命，降低系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[9]在下垂控制中加入頻差微分控制作為儲(chǔ)能響應(yīng)功率的參考值，據(jù)頻差所處區(qū)間對傳統(tǒng)機(jī)組和儲(chǔ)能進(jìn)行功率分配，但只根據(jù)SOC簡單設(shè)定儲(chǔ)能是否工作，未對其出力大小形成約束。文獻(xiàn)[10]在下垂控制基礎(chǔ)上引入慣性響應(yīng)環(huán)節(jié)以減緩故障初期頻率變化率，由SOC值按線性插值法實(shí)時(shí)調(diào)整下垂系數(shù)，SOC可維持較高水平。文獻(xiàn)[11]根據(jù)儲(chǔ)能虛擬慣性控制對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，提出虛擬負(fù)慣性控制策略，并考慮SOC反饋進(jìn)行儲(chǔ)能出力控制，但儲(chǔ)能單位調(diào)節(jié)功率系數(shù)僅為SOC的簡單線性分段函數(shù)，出力較為保守，且僅根據(jù)固定頻差進(jìn)行控制方式切換，適應(yīng)性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[12]進(jìn)一步設(shè)置正、負(fù)虛擬慣性控制動(dòng)作死區(qū)，根據(jù)SOC和頻率偏差自適應(yīng)出力，并在整個(gè)儲(chǔ)能調(diào)頻期內(nèi)加入自適應(yīng)下垂控制，儲(chǔ)能電池SOC保持較好但調(diào)頻效果優(yōu)勢不大。

上述關(guān)于儲(chǔ)能電池參與一次調(diào)頻的控制策略研究還存在一些不足。在動(dòng)作死區(qū)方面，現(xiàn)有研究大多設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)與傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)相同[13-15]，文獻(xiàn)[16-17]雖然設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)小于傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)，但在提前動(dòng)作區(qū)域內(nèi)，未根據(jù)儲(chǔ)能控制方式的動(dòng)態(tài)特性選擇出力方式。在控制方式方面，虛擬慣性控制和下垂控制未能較好結(jié)合，切換生硬且出力相差較大。在出力約束方面，儲(chǔ)能電池出力受SOC約束較弱，容易越限；或儲(chǔ)能電池因受SOC約束較強(qiáng)而出力保守，調(diào)頻效果欠佳，SOC和調(diào)頻效果難以兼顧。

通過上述分析，首先建立考慮儲(chǔ)能電池調(diào)頻死區(qū)的區(qū)域電網(wǎng)一次調(diào)頻模型，通過對不同儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)下電網(wǎng)頻率特性的分析，證明縮小儲(chǔ)能電池調(diào)頻死區(qū)利于減小電網(wǎng)頻率波動(dòng)，改善電網(wǎng)頻率質(zhì)量。然后，根據(jù)頻率變化規(guī)律及虛擬慣性控制對頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，提出正反向虛擬慣性控制與下垂控制相結(jié)合的儲(chǔ)能電池綜合控制策略。在儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)外，儲(chǔ)能采用考慮電池荷電狀態(tài)的下垂控制；頻差超出傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)后，儲(chǔ)能加入正反向虛擬慣性控制，并根據(jù)頻率變化調(diào)整出力大小。最后分別在階躍擾動(dòng)和連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)工況下仿真驗(yàn)證所提策略的有效性。

1 儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻控制方法及死區(qū)設(shè)置

1.1 儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻控制方法

下垂控制和虛擬慣性控制是儲(chǔ)能電池參與一次調(diào)頻所采用的兩種典型控制方式。下垂控制下，儲(chǔ)能可模擬發(fā)電機(jī)組的下垂特性，在負(fù)荷擾動(dòng)產(chǎn)生后迅速動(dòng)作，彌補(bǔ)系統(tǒng)有功缺額，從而使系統(tǒng)頻率迅速恢復(fù)至某一穩(wěn)態(tài)頻率偏差，此過程中儲(chǔ)能響應(yīng)功率為

ΔPED=-KEΔf

(1)

式(1)中：Δf為頻率偏差；KE為下垂控制系數(shù)，表示儲(chǔ)能在此控制方式下單位調(diào)節(jié)功率。儲(chǔ)能采用下垂控制方式時(shí)，出力總是利于減小頻率偏差。目前，下垂控制系數(shù)的制定常采用定K法和變K法。定K法即KE為固定值，儲(chǔ)能出力不受約束，SOC保持效果較差；變K法根據(jù)SOC設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電池出力，但調(diào)頻效果欠佳。

虛擬慣性控制使儲(chǔ)能電池模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性響應(yīng)，從而提高系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)[18]，有效降低頻率變化率，減緩頻率惡化速度，此過程中根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差變化率確定儲(chǔ)能響應(yīng)功率為

(2)

式(2)中：dΔf/dt為頻率偏差變化率；ME為虛擬慣性控制系數(shù)。擾動(dòng)發(fā)生后，在調(diào)頻過程中系統(tǒng)頻率先惡化后恢復(fù)。在頻率惡化期虛擬慣性控制下儲(chǔ)能出力方向與頻率恢復(fù)方向一致，利于遏制頻率進(jìn)一步惡化；隨著頻差變化率正負(fù)性的改變，在頻率恢復(fù)期虛擬慣性控制下儲(chǔ)能出力方向與頻率恢復(fù)方向相反，反而加重傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻負(fù)擔(dān)。

由上述分析，本文提出當(dāng)Δf(dΔf/dt)>0即頻率惡化時(shí)，儲(chǔ)能采用“正向虛擬慣性控制”，以降低頻率偏差變化率，阻礙頻率進(jìn)一步惡化；當(dāng)Δf(dΔf/dt)<0即頻率逐漸恢復(fù)時(shí)，儲(chǔ)能采用“反向虛擬慣性控制”，虛擬慣性系數(shù)的正負(fù)性與惡化期相反，從而使頻率恢復(fù)期儲(chǔ)能慣性出力與頻率恢復(fù)方向一致，較好響應(yīng)頻率恢復(fù)需求，加速頻率恢復(fù)。由于下垂控制能有效改善頻率偏差，因此調(diào)頻全程均加入儲(chǔ)能下垂控制出力，并考慮SOC對儲(chǔ)能出力進(jìn)行約束，兼顧調(diào)頻效果和荷電狀態(tài)的保持。

1.2 儲(chǔ)能調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)的設(shè)置

不計(jì)二次調(diào)頻出力，含儲(chǔ)能的區(qū)域電網(wǎng)一次調(diào)頻模型如圖1所示。

ΔF(s)為系統(tǒng)頻率偏差；ΔPL(s)、ΔPG(s)、ΔPE(s)分別為負(fù)荷擾動(dòng)、傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻出力、儲(chǔ)能調(diào)頻出力；TG為傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)速器時(shí)間常數(shù)；TRH為再熱器時(shí)間常數(shù)；TCH為汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)；TE為儲(chǔ)能電池功率響應(yīng)延遲時(shí)間常數(shù)；FHP為再熱器增益；KG、KE和ME分別為傳統(tǒng)機(jī)組單位調(diào)節(jié)功率、下垂控制系數(shù)和虛擬慣性控制系數(shù)；M為電網(wǎng)慣性時(shí)間常數(shù)；D為電網(wǎng)負(fù)荷阻尼系數(shù)圖1 含儲(chǔ)能電池的區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻模型Fig.1 Frequency regulation model of regional power grid with battery energy storage

電力系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生小幅負(fù)荷擾動(dòng)，為避免調(diào)頻機(jī)組頻繁動(dòng)作造成系統(tǒng)失穩(wěn)或設(shè)備損耗，需設(shè)置傳統(tǒng)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)[19]。儲(chǔ)能電池作為調(diào)頻電源出力，考慮設(shè)置其調(diào)頻死區(qū)小于傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組動(dòng)作死區(qū)，使之先于傳統(tǒng)機(jī)組響應(yīng)負(fù)荷擾動(dòng)，發(fā)揮其輔助調(diào)頻作用。將圖1所示模型簡化為僅由單臺(tái)同步機(jī)、負(fù)荷、儲(chǔ)能組成的簡單系統(tǒng)[20]，則系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)方程為

(3)

式(3)中：TJ為系統(tǒng)等效慣量；ΔpL(t)、ΔpG(t)和ΔpE(t)分別為實(shí)時(shí)負(fù)荷擾動(dòng)、傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻功率和儲(chǔ)能電池調(diào)頻功率。

當(dāng)設(shè)置儲(chǔ)能電池與傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)一致時(shí)，在調(diào)頻死區(qū)內(nèi)，ΔpG(t)=ΔpE(t)=0，電網(wǎng)頻率偏差和系統(tǒng)幅頻特性表達(dá)式分別為

(4)

(5)

式中：s為拉普拉斯算子，取s=jω得到頻率特性。

若設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)小于傳統(tǒng)機(jī)組，當(dāng)電網(wǎng)頻率偏差跌出儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)但處于傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)內(nèi)時(shí)，ΔpG(t)=0，令儲(chǔ)能電池以下垂控制方式出力，將式(1)代入式(3)并作拉氏變換得

(6)

此時(shí)，系統(tǒng)幅頻特性表達(dá)式為

(7)

顯然，A2(ω)

(8)

兩邊同時(shí)對時(shí)間t進(jìn)行微分，得

(9)

記負(fù)荷擾動(dòng)變化率h(t)=dΔpL/dt，作拉氏變換，則此時(shí)電網(wǎng)頻率偏差為

(10)

記傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)為Δfdg，令

(11)

則當(dāng)|H(jω)|>ω2(ME+TJ)Δfdg，即負(fù)荷擾動(dòng)變化率大于該值時(shí)，頻率偏差將超出傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)，傳統(tǒng)機(jī)組將參與一次調(diào)頻。

據(jù)上述分析，本文中設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)Δfde小于傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)，當(dāng)|Δfde|≤|Δf|<|Δfdg|時(shí)，儲(chǔ)能采用下垂控制方式提前動(dòng)作；當(dāng)|Δf|≥|Δfdg|時(shí)，儲(chǔ)能采用下垂和正反向虛擬慣性控制相結(jié)合的控制方式參與調(diào)頻。儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻綜合出力為

(12)

文獻(xiàn)[21]從使用壽命、配置容量和功率、年均凈收益方面對儲(chǔ)能電池參與一次調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了評估，得出考慮儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)的綜合控制策略在經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)越性的結(jié)論。本文中側(cè)重研究儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)調(diào)頻特性。

2 儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻改進(jìn)控制策略

2.1 改進(jìn)下垂控制

當(dāng)儲(chǔ)能采用下垂控制方式時(shí)，下垂控制系數(shù)直接決定儲(chǔ)能電池出力大小，表達(dá)式為

(13)

式(13)中：Kc、Kd分別為電池充電系數(shù)、放電系數(shù)。采用定K法時(shí)，儲(chǔ)能電池長時(shí)間以最大功率系數(shù)進(jìn)行充放電，SOC極易達(dá)到上下限，不僅對電池造成損害，還可能使電池被迫退出一次調(diào)頻，降低頻率質(zhì)量?，F(xiàn)有研究多采用變K法，將KE表示為關(guān)于SOC的線性分段函數(shù)，對儲(chǔ)能出力進(jìn)行約束，避免電池過充過放。本文中考慮設(shè)置KE關(guān)于SOC呈S形變化，與受SOC線性約束對比曲線如圖2所示。

圖2 不同約束方式下下垂系數(shù)曲線Fig.2 Droop coefficient curves under different constraints

以負(fù)荷突然增大，電網(wǎng)頻率下降，儲(chǔ)能電池放電為例，當(dāng)SOC處于[S2，S3]內(nèi)，電池荷電狀態(tài)雖然略差但仍處于正常范圍，相較于線性約束，S形約束下儲(chǔ)能功率系數(shù)更大，出力更多，調(diào)頻效果更佳；當(dāng)SOC處于[S1，S2]內(nèi)電池剩余電量不足時(shí)，S形約束下的儲(chǔ)能電池將以更小的功率系數(shù)進(jìn)行出力，更為有效地避免電池過放。因此，設(shè)置KE關(guān)于SOC呈S形變化，既能充分發(fā)揮儲(chǔ)能電池調(diào)頻作用，又能兼顧電池荷電狀態(tài)的保持，更為合理。

設(shè)SOC上下限分別為Smax、Smin。當(dāng)|Δfde|≤|Δf|<|Δfdg|，充放電下垂系數(shù)為

(14)

(15)

式中：KE，max為最大下垂系數(shù)；Sc，med、Sd，med分別為充放電系數(shù)中值SOC；n影響著充放電系數(shù)上升、下降速度。綜合考慮儲(chǔ)能電池最大限度參與調(diào)頻同時(shí)避免SOC越限，取Sc，med=0.7，Sd，med=0.3，n=0.04。

當(dāng)|Δf|≥|fdg|時(shí)，下垂系數(shù)前乘以一關(guān)于頻率偏差的函數(shù)，根據(jù)頻率變化特點(diǎn)調(diào)整儲(chǔ)能下垂控制系數(shù)，使儲(chǔ)能隨頻率偏差增大而增加下垂出力，此時(shí)下垂系數(shù)為

(16)

(17)

式中：K1為比例調(diào)節(jié)系數(shù)。儲(chǔ)能電池放電下垂系數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 下垂控制充電系數(shù)自適應(yīng)變化曲線Fig.3 Adaptive droop control charging coefficient

2.2 正反向虛擬慣性控制

為盡可能避免虛擬慣性控制下儲(chǔ)能電池過動(dòng)作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池在虛擬慣性控制下平滑出力，本文提出考慮頻率偏差變化的虛擬慣性控制，系數(shù)大小隨頻率偏差呈S形變化。由于Δf與dΔf/dt在數(shù)量級上差距較大，考慮按數(shù)量級差異將虛擬慣性系數(shù)乘以一系數(shù)，則正反向虛擬慣性控制系數(shù)表達(dá)式可統(tǒng)一為

(18)

(19)

式中：Δfi-1、Δfi分別為第i-1、i時(shí)刻頻率偏差；M1為增益系數(shù)，取決于dΔf/dt；sgn(Δf)為關(guān)于Δf的符號函數(shù)。當(dāng)負(fù)荷突然增大頻率下降時(shí)，無論在頻率惡化階段還是頻率恢復(fù)階段，始終有ΔPEI>0，電池持續(xù)放電；當(dāng)負(fù)荷突然減小頻率上升時(shí)，儲(chǔ)能電池出力ΔPEI<0，電池始終處于充電工作狀態(tài)?？纱_保在整個(gè)調(diào)頻過程中，正反向虛擬慣性控制下的儲(chǔ)能電池出力與系統(tǒng)頻率恢復(fù)方向始終保持一致。

3 儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻整體策略及評價(jià)指標(biāo)

3.1 整體控制策略

本文所提策略綜合考慮儲(chǔ)能電池和傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)，根據(jù)儲(chǔ)能電池兩種經(jīng)典控制方式的出力特點(diǎn)，對儲(chǔ)能電池參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的動(dòng)作時(shí)機(jī)、控制方式和出力大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體控制策略如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能電池參與一次調(diào)頻整體控制策略Fig.4 Overall control strategy of battery energy storage participating in primary frequency regulation

以系統(tǒng)頻率下降(Δf<0)為例，對綜合控制策略說明如下。

(1)取傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)Δfdg=±0.033 Hz，儲(chǔ)能電池調(diào)頻死區(qū)Δfde<Δfdg。當(dāng)頻率偏差跌出儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)但未達(dá)到機(jī)組調(diào)頻動(dòng)作區(qū)時(shí)，儲(chǔ)能采用下垂控制參與一次調(diào)頻。

(2)系統(tǒng)頻率偏差跌出傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)且dΔf/dt<0頻率持續(xù)惡化時(shí)，儲(chǔ)能電池以下垂與正向虛擬慣性控制相結(jié)合的出力方式輔助傳統(tǒng)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻。

(3)在調(diào)頻過程中，頻率偏差達(dá)到最大之后，dΔf/dt>0，頻率逐漸恢復(fù)，儲(chǔ)能電池以下垂和反向虛擬慣性相結(jié)合的控制方式繼續(xù)參與調(diào)頻，直至頻率偏差恢復(fù)至儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)內(nèi)。

(4)以額定功率為上限，對儲(chǔ)能電池出力進(jìn)行功率限制。

當(dāng)負(fù)荷突然增大、系統(tǒng)頻率偏差超出儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)時(shí)，儲(chǔ)能電池啟動(dòng)下垂控制；當(dāng)頻率偏差超出傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)時(shí)，儲(chǔ)能電池加以正向虛擬慣性控制方式出力，直至dΔf/dt<0，再切換為下垂結(jié)合反向虛擬慣性控制方式。

3.2 控制策略評價(jià)指標(biāo)

針對突然切機(jī)或大負(fù)荷投入等階躍擾動(dòng)工況，評價(jià)指標(biāo)為最大頻率偏差Δfm、到達(dá)最大頻率偏差所用時(shí)間Δtm、頻率惡化速度Vm及穩(wěn)態(tài)頻率偏差Δfs。Δfm越小，調(diào)頻效果越好；Vm越小，電網(wǎng)頻率惡化越慢，控制策略的頻率穩(wěn)定性維持能力越強(qiáng)，則策略越為有效；Δfs越小，后續(xù)二次調(diào)頻壓力越小。

針對連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)工況，分別采用頻率偏差的均方根Δfr和SOC與理想值偏差的均方根SOCr作為評價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為

(20)

(21)

式中：Δfi、SOCi分別為Δf、SOC第i個(gè)采樣值；N為采樣點(diǎn)總數(shù)；SOC0為理想荷電狀態(tài)，本文中取值為0.5。Δfr越小，頻率偏離程度越小，調(diào)頻效果越佳；SOCr越小，SOC保持效果越好。

4 仿真分析

在MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建圖1所示仿真模型。設(shè)置機(jī)組額定容量為100 MW，儲(chǔ)能電池參數(shù)為1/0.5 MW·h，電網(wǎng)額定頻率為50 Hz，系統(tǒng)各參數(shù)以機(jī)組額定容量和電網(wǎng)額定頻率為基準(zhǔn)取標(biāo)幺值，如表1所示。儲(chǔ)能電池最大下垂系數(shù)KE，max取為15，電池SOC上限取0.9，下限取0.1。

表1 含儲(chǔ)能電池的區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻模型參數(shù)Table 1 Parameters of frequency regulation model with battery energy storage

4.1 儲(chǔ)能死區(qū)設(shè)置仿真分析

設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)小于傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)可有效減小電網(wǎng)頻率波動(dòng)，避免傳統(tǒng)機(jī)組頻繁動(dòng)作。為驗(yàn)證其有效性，設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)為傳統(tǒng)機(jī)組的60%記作策略1，儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)與傳統(tǒng)機(jī)組一致記作策略2，分別進(jìn)行仿真分析。兩種策略中儲(chǔ)能電池均采用變K下垂控制，初始SOC為0.5。向系統(tǒng)加入2 min隨機(jī)擾動(dòng)，頻率偏差曲線如圖5所示，機(jī)組出力對比如圖6所示，調(diào)頻評價(jià)指標(biāo)見表2。

圖5 不同儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)下系統(tǒng)頻率偏差曲線Fig.5 Frequency variation curves under different dead bands of BESS

圖6 不同儲(chǔ)能電池調(diào)頻死區(qū)下機(jī)組出力Fig.6 Output power of generators under different dead bands of BESS

表2 不同儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)下調(diào)頻評價(jià)指標(biāo)Table 2 Evaluation index of frequency under different dead bands of BESS

分析圖5和表2可知，策略1頻率波動(dòng)更小，對維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定更為有效。由圖6可知，策略1中儲(chǔ)能先于傳統(tǒng)機(jī)組響應(yīng)頻率波動(dòng)，傳統(tǒng)機(jī)組出力更少。通過調(diào)頻死區(qū)的設(shè)置，使儲(chǔ)能先時(shí)動(dòng)作，不僅能很好地應(yīng)對負(fù)荷擾動(dòng)，平抑系統(tǒng)頻率波動(dòng)，還可減少傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組動(dòng)作次數(shù)和出力比重，減輕機(jī)組調(diào)頻負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，充分發(fā)揮儲(chǔ)能電池輔助調(diào)頻的作用。

4.2 階躍負(fù)荷擾動(dòng)工況仿真

將本文所提策略分別與無儲(chǔ)能、定K下垂控制[22]、變K下垂控制[23]進(jìn)行對比，均設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)為傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)的60%，在t=1 s時(shí)向系統(tǒng)加入大小為0.02的階躍擾動(dòng)，在儲(chǔ)能電池初始SOC分別為0.5、0.2的狀態(tài)下進(jìn)行仿真，相應(yīng)的頻率偏差曲線、SOC變化曲線分別如圖7、圖8所示，初始SOC為0.2的評價(jià)指標(biāo)見表3。

圖7 階躍擾動(dòng)下頻率偏差曲線Fig.7 Frequency variation curves under step disturbance

圖8 階躍擾動(dòng)下SOC變化曲線Fig.8 SOC curves under step disturbance

表3 階躍擾動(dòng)下初始SOC=0.2時(shí)評價(jià)指標(biāo)Table 3 Evaluation index of step disturbance when initial SOC=0.2

由圖7可知，無論采用何種控制策略，儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻均能明顯改善電網(wǎng)頻率質(zhì)量。當(dāng)電池初始SOC=0.5時(shí)，由于電池狀態(tài)較好、擾動(dòng)較大，3種策略下儲(chǔ)能電池均以最大功率進(jìn)行出力，調(diào)頻效果相當(dāng)，SOC變化幾乎相同，本文策略頻率下降速度略慢。

當(dāng)初始SOC=0.2時(shí)，電池剩余電量不足，各策略下儲(chǔ)能電池出力差距明顯。由圖7(b)知，擾動(dòng)發(fā)生后，系統(tǒng)頻率迅速下降，無儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率狀況最差；變K法與本文策略下，儲(chǔ)能電池受SOC約束出力小于定K法，因此最大頻率偏差較大，穩(wěn)態(tài)頻率偏差也略次于定K法。但本文策略中由于電池還以虛擬慣性控制出力，較好抑制了頻率變差趨勢，頻率惡化速度相較于定K法和變K法分別下降了28.5%、51.4%，對維持系統(tǒng)頻率有較好效果。由圖8知，定K法由于一直以最大功率出力，SOC下降最多，儲(chǔ)能將因達(dá)到下限而最快退出調(diào)頻；本文策略對SOC維持效果最優(yōu)，一定程度上保護(hù)了電池，儲(chǔ)能可參與調(diào)頻時(shí)間最長。綜合而言，本文所提策略優(yōu)于定K法和變K法。

4.3 連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)工況仿真

設(shè)儲(chǔ)能電池初始SOC=0.5，對連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)工況下采用不同控制策略的調(diào)頻模型進(jìn)行仿真分析。加入如圖9所示的5 min連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)，對應(yīng)的頻率偏差曲線及SOC變化曲線分別如圖10、圖11所示，評價(jià)指標(biāo)見表4。

圖9 5 min連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)曲線Fig.9 5 min continuous disturbance curve

圖10 5 min鐘連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下系統(tǒng)頻率偏差曲線Fig.10 Frequency variation curves under 5 min continuous disturbance

圖11 5 min連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下SOC變化曲線Fig.11 SOC curves under 5 min continuous disturbance

由表4可知，在短時(shí)連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下，無儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅值最大；定K法調(diào)頻效果較好，但SOC保持效果不佳；變K法對電池荷電狀態(tài)維持效果較好，但調(diào)頻效果較差。在負(fù)荷擾動(dòng)變化率較大的情況下，本文提出的正反向虛擬慣性控制充分發(fā)揮儲(chǔ)能調(diào)頻優(yōu)勢，使電池快速吞吐功率，有效減小了頻差變化率，抑制了頻率偏差的變化，調(diào)頻及SOC保持效果均為最佳。

表4 5min連續(xù)擾動(dòng)下評價(jià)指標(biāo)Table 4 Evaluation index of 5 min continuous disturbance

向系統(tǒng)中加入30 min連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)，相應(yīng)的頻率偏差變化曲線如圖12所示，評價(jià)指標(biāo)如表5所示。由表5可知，在長時(shí)連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下，定K法全程以最大下垂系數(shù)出力，調(diào)頻效果最佳，但SOC保持效果最差；變K法中儲(chǔ)能電池隨SOC狀態(tài)不佳而減小出力，SOC保持效果最好，但調(diào)頻效果最差。本文策略在SOC稍偏離理想狀態(tài)但仍處于合理范圍時(shí)，儲(chǔ)能電池出力大于變K法，調(diào)頻效果優(yōu)于變K法；SOC離上下限越近，儲(chǔ)能出力越少，SOC保持效果優(yōu)于定K法。本文策略既兼?zhèn)涠↘法和變K法的優(yōu)勢，又能較好彌補(bǔ)二者不足，兼顧了調(diào)頻與SOC保持，優(yōu)勢明顯。

圖12 30 min連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下系統(tǒng)頻率偏差曲線Fig.12 Frequency variation curves under 30 min continuous disturbance

表5 30 min連續(xù)擾動(dòng)下評價(jià)指標(biāo)Table 5 Evaluation index of 30 min continuous disturbance

5 結(jié)論

本文提出一種儲(chǔ)能電池參與一次調(diào)頻的綜合控制策略，得出如下結(jié)論。

(1)設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)小于傳統(tǒng)機(jī)組，儲(chǔ)能電池先于傳統(tǒng)機(jī)組響應(yīng)負(fù)荷擾動(dòng)，可較好抑制頻率波動(dòng)，減輕傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻負(fù)擔(dān)，降低機(jī)組調(diào)頻備用容量配置。

(2)本文所提策略包含正反向虛擬慣性控制和下垂控制，依據(jù)頻率變化特性，儲(chǔ)能電池采用不同控制方式，能有效遏制頻率惡化，減小頻率偏差，充分利用下垂和虛擬慣性的控制優(yōu)勢。

(3)同時(shí)考慮電池剩余電量及頻率恢復(fù)需求，設(shè)置儲(chǔ)能電池單位調(diào)節(jié)功率關(guān)于SOC呈非線性變化，兼顧了調(diào)頻效果與電池自身狀態(tài)，有效避免電池過充過放，降低儲(chǔ)能電池運(yùn)行成本。

(4)本文中只考慮儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻，未計(jì)及長時(shí)負(fù)荷擾動(dòng)下二次調(diào)頻出力，儲(chǔ)能參與電力系統(tǒng)一二次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制以及電池荷電狀態(tài)的恢復(fù)將是下一步研究重點(diǎn)。