AGC調(diào)頻技術(shù)在規(guī)模化電網(wǎng)儲(chǔ)能中的應(yīng)用

南京南瑞繼保電氣有限公司 鄭 雷

1 引言

規(guī)?；碾娋W(wǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)隨著智能化的不斷發(fā)展，已經(jīng)逐漸朝著全自動(dòng)儲(chǔ)能的方向不斷發(fā)展，電網(wǎng)儲(chǔ)能的形式也變得多種多樣，日常采用的電能儲(chǔ)能方式就是放置在鉛酸蓄電池中進(jìn)行電量的儲(chǔ)蓄，但電池的儲(chǔ)能的能量不足以支撐大量電能的儲(chǔ)存。因此，規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能中還有更加先進(jìn)的飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)電容儲(chǔ)能等能夠大容量進(jìn)行儲(chǔ)存的方式。但先進(jìn)的儲(chǔ)能方式還處于未成熟的研究階段，且應(yīng)用的范圍也較小[1]。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用的電網(wǎng)儲(chǔ)能方法仍舊為鉛酸蓄電池和小規(guī)模的飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)電容儲(chǔ)能。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這些電能儲(chǔ)存方法的缺陷逐漸暴露出來(lái)，對(duì)現(xiàn)有的規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能方式進(jìn)行優(yōu)化成為了重點(diǎn)。

AGC調(diào)頻技術(shù)在規(guī)?；娋W(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)中可以起到發(fā)電控制調(diào)頻的輔助作用，可以有效地提升電廠儲(chǔ)能的效率，且AGC調(diào)節(jié)性能很好，不僅符合可持續(xù)發(fā)展的電力節(jié)約精神，還可以為電廠增加經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用在儲(chǔ)能系統(tǒng)中一舉兩得[2]。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本收回期在10～15年，AGC調(diào)頻實(shí)際工程的加入縮短了回收期時(shí)間的1/2，因此本文將AGC調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用在規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能中，希望可以在日后的生活中大規(guī)模應(yīng)用，為節(jié)約電能作出貢獻(xiàn)。

2 建立規(guī)模化電網(wǎng)儲(chǔ)能AGC調(diào)頻模型

2.1 分析AGC調(diào)頻變化趨勢(shì)

電網(wǎng)儲(chǔ)能的頻率需要在安全的閾值范圍內(nèi)，為了對(duì)電網(wǎng)的頻率進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，需要對(duì)電網(wǎng)儲(chǔ)能進(jìn)行調(diào)節(jié)。AGC調(diào)頻分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，一次調(diào)頻屬于粗略性的調(diào)頻，精度沒(méi)有二次調(diào)頻精度高。改變發(fā)電機(jī)組有功發(fā)電基準(zhǔn)點(diǎn)是AGC調(diào)頻的基本手段[3]。發(fā)電基準(zhǔn)點(diǎn)的改變會(huì)發(fā)生負(fù)荷變化，可以使規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能達(dá)到平衡狀態(tài)?？梢宰寖?chǔ)能設(shè)備中的電能按照額定頻率運(yùn)行。調(diào)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(diǎn)中，a為電荷儲(chǔ)能的平衡點(diǎn)，此時(shí)的儲(chǔ)能設(shè)備的額定頻率為w2，如果不進(jìn)行AGC調(diào)頻的話(huà)，電網(wǎng)在運(yùn)作的過(guò)程中，電端負(fù)荷變大，會(huì)產(chǎn)生設(shè)備擾動(dòng)情況的發(fā)生，按照現(xiàn)階段的電能慣性[4]，負(fù)荷頻率曲線會(huì)從s3向右下發(fā)生移動(dòng)，變成s4。負(fù)荷頻率曲線和電力的特性曲線之間的交點(diǎn)變?yōu)閎，儲(chǔ)能設(shè)備中的平衡點(diǎn)也由w2變成了w1。電端負(fù)荷繼續(xù)變大，同時(shí)電網(wǎng)的發(fā)電端的輸出也在不斷增大，頻率特性曲線朝著左上方移動(dòng)。而兩個(gè)曲線的焦點(diǎn)也由b變?yōu)榱薱，而此時(shí)負(fù)荷頻率曲線和電力的特性曲線向相反的方向發(fā)生變化，平衡點(diǎn)向右邊移動(dòng)變成了w3。電端負(fù)荷變小的移動(dòng)軌跡和負(fù)荷變大的軌跡相反。

圖1 調(diào)頻的示意圖

2.2 選取模型的相應(yīng)指標(biāo)

AGC調(diào)頻指標(biāo)分別為調(diào)頻的時(shí)間、調(diào)頻的速率和調(diào)頻的精度。按順序設(shè)置三項(xiàng)指標(biāo)分別為e1、e2、e3，則e1的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為調(diào)頻的指令發(fā)出的時(shí)間和相應(yīng)的頻率回到正常指標(biāo)范圍的時(shí)間[5]。計(jì)算公式為：

公式中的T為恢復(fù)額定功率的時(shí)間，而T0為開(kāi)始發(fā)出指令的時(shí)間。e2的計(jì)算方式為：

在調(diào)頻的速率的計(jì)算中是按照平均的指令響應(yīng)時(shí)間來(lái)計(jì)算的，而平均的指令響應(yīng)時(shí)間用Tn來(lái)表示，Tn的取值范圍為（50，100）。如果是水電發(fā)電的電網(wǎng)則響應(yīng)時(shí)間要更快一點(diǎn)，取值范圍為（10，20）。而精度及計(jì)算方式如下：

調(diào)頻精度的計(jì)算公式中，電網(wǎng)的電力的計(jì)算單位為kW，在公式（3）中ej（T）則代表存儲(chǔ)設(shè)備的實(shí)際電力輸出值。而en則為AGC調(diào)頻的指令值。AGC調(diào)節(jié)是有一定的周期的，周期在T到T0之間[6]，因?yàn)閮?chǔ)能受實(shí)際情況的制約，因此無(wú)法做到一次性調(diào)節(jié)成功。一次調(diào)頻和二次調(diào)頻之間的銜接時(shí)刻的指標(biāo)值需要記錄下來(lái)。并通過(guò)上一次的記錄指標(biāo)和下一次的記錄指標(biāo)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)值各項(xiàng)調(diào)節(jié)值的計(jì)算。因此，需要對(duì)AGC指令更新時(shí)刻進(jìn)行記錄，以便后續(xù)數(shù)據(jù)的調(diào)取。

規(guī)模化電網(wǎng)儲(chǔ)能是采用SOC值進(jìn)行判斷的，儲(chǔ)能設(shè)備的充放電功率是有一定的閾值的。如果功率超過(guò)了閾值的范圍則會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)崩潰，應(yīng)在設(shè)備中安裝SOC監(jiān)測(cè)裝置，在達(dá)到一定閾值停止充放電行為。為了避免儲(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)生飽和的現(xiàn)象，在功率數(shù)值接近閾值的時(shí)候就要停止充電的行為，而在SOC值接近最低的閾值的時(shí)候相應(yīng)也要停止放電的行為，SOC值保持越穩(wěn)定，說(shuō)明該儲(chǔ)電設(shè)備的電源釋放能量水平越正常，AGC調(diào)頻具備雙向調(diào)節(jié)的能力，通過(guò)額定功率表示則為：

公式中的SOCe2為調(diào)節(jié)后的功率，它的數(shù)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(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)最大功率約束

常見(jiàn)的規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能中AGC調(diào)頻技術(shù)是根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行調(diào)頻的，也可以說(shuō)AGC能力是根據(jù)有功備用來(lái)進(jìn)行確定的。持續(xù)以額定功率輸出雖然和AGC調(diào)頻能力有關(guān)，但也和儲(chǔ)能設(shè)備的能量有關(guān)。因此需要對(duì)最大輸出功率進(jìn)行約束，以便合理優(yōu)化儲(chǔ)能設(shè)備的性能?？梢杂萌萘康膭?dòng)態(tài)約束方式進(jìn)行最大儲(chǔ)能輸出功率進(jìn)行約束，動(dòng)態(tài)可用容量的計(jì)算涉及的變量較少，計(jì)算的步驟也較少，因此可縮短調(diào)頻指令的響應(yīng)時(shí)間。動(dòng)態(tài)可用容量的具體含義為AGC指令經(jīng)過(guò)傳輸之后在調(diào)節(jié)的周期內(nèi)的電能調(diào)節(jié)容量的計(jì)算公式如下：

在上述容量計(jì)算公式（5）中，D為AGC指令經(jīng)過(guò)傳輸之后在調(diào)節(jié)的周期內(nèi)的電能調(diào)節(jié)容量，而C為此刻的規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能容量，C0為最大的容量，C1為最小的容量。d為指令從發(fā)出到狀態(tài)穩(wěn)定的時(shí)間?？捎萌萘繑?shù)值的計(jì)算使頻率調(diào)節(jié)的目標(biāo)更加清晰，且可以清晰反映儲(chǔ)能設(shè)備中的功率和容量之間的變化規(guī)律，使調(diào)頻計(jì)算指標(biāo)多了一種，雙重指標(biāo)的計(jì)算方式提升了規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能的穩(wěn)定性。

2.4 調(diào)頻儲(chǔ)能下發(fā)電站凈收益模型

由儲(chǔ)能系統(tǒng)參與的AGC調(diào)頻產(chǎn)生凈收益可分為兩大部分，即發(fā)電站儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)放過(guò)程自身壽命損耗和儲(chǔ)能系統(tǒng)參與的AGC調(diào)頻補(bǔ)償導(dǎo)致的成本，電站儲(chǔ)能系統(tǒng)在AGG調(diào)頻下產(chǎn)生的凈收益值越高，則表示電站的經(jīng)濟(jì)效益越好。其表達(dá)式為：

上式中：Rgross表示總凈收益；Closs表示儲(chǔ)能電池壽命損耗成本。

結(jié)合發(fā)電廠儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間越短，則表示出力調(diào)整的速度越快，同時(shí)對(duì)其的調(diào)節(jié)精度便會(huì)越高，此時(shí)調(diào)頻儲(chǔ)能電站所得到的AGC調(diào)頻補(bǔ)償將會(huì)越多。同理，當(dāng)調(diào)頻儲(chǔ)能的AGC指令目標(biāo)幅度變化越大，則所維持的時(shí)間便會(huì)越長(zhǎng)，由此可知儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電深度也會(huì)隨著增加。

上式中：Ctotal表示調(diào)頻儲(chǔ)能發(fā)電站對(duì)調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)的投入；cyc表示儲(chǔ)能系統(tǒng)全壽命周期下的最大充放電次數(shù)。

由公式（7）可知，電站儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電深度增加在一定程度上會(huì)增加系統(tǒng)壽命損耗的成本。因此，可證明AGC調(diào)頻補(bǔ)償?shù)腞gross與儲(chǔ)能電池壽命損耗成本Closs間存在正相關(guān)的關(guān)系，若使用常規(guī)方法控制儲(chǔ)能系統(tǒng)使其追隨AGC調(diào)控指令，則隨著AGC補(bǔ)償獲得收入的不斷增加，其儲(chǔ)能電池的損耗成本也會(huì)逐漸增大，從電站調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)角度來(lái)看，此時(shí)的其凈收益未達(dá)到極大值。如果追求凈收益能夠達(dá)到最大化，其判斷形式或影響因素并應(yīng)當(dāng)達(dá)到均衡，即不應(yīng)該由儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行決斷，即出力調(diào)整速度越及時(shí)所調(diào)控的精度越高且凈收益越高。

3 測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文的規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能方法的實(shí)用性，設(shè)計(jì)了本次對(duì)比試驗(yàn)，將本文設(shè)計(jì)的基于AGC調(diào)頻技術(shù)的規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能方法和傳統(tǒng)的輔助規(guī)模化電網(wǎng)儲(chǔ)能方法、鋰電池規(guī)模化電網(wǎng)儲(chǔ)能方法進(jìn)行比較，比較三種方法的儲(chǔ)存效率。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文試驗(yàn)可以采用某個(gè)發(fā)電廠的實(shí)際數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行有效性分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之后，電網(wǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備可以獲取AGC指令，并通過(guò)數(shù)據(jù)判定AGC調(diào)頻指令是否處于可更新的狀態(tài)，更新后的機(jī)組功率才是當(dāng)下儲(chǔ)能設(shè)備的正常功率，儲(chǔ)能保持當(dāng)前狀態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不會(huì)再有新的變化。為了降低計(jì)算機(jī)中的功率和實(shí)際的儲(chǔ)能功率有偏差，判斷此時(shí)的電網(wǎng)儲(chǔ)能在電力輸出時(shí)的功率是否大于電能的吸收功率。建立AGC調(diào)頻模型，并在模型中代入發(fā)電廠的歷史數(shù)據(jù)，得到試驗(yàn)的參數(shù)，試驗(yàn)的參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

如表1所示，5次試驗(yàn)的參數(shù)都是不同的，有細(xì)微的變化，這樣可以驗(yàn)證儲(chǔ)能方法的可靠性。表1中的TB為確定系數(shù)，而Erate為均方根誤差。θ為規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能的最小參數(shù)系數(shù)，α和β分別為儲(chǔ)能最大系數(shù)和儲(chǔ)能最小系數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

基于以上的試驗(yàn)準(zhǔn)備，使用三種規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能方法進(jìn)行儲(chǔ)能，對(duì)儲(chǔ)能的SOC值進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)結(jié)果

如圖2所示，試驗(yàn)中的三種電網(wǎng)儲(chǔ)能方式中，本文設(shè)計(jì)的規(guī)?；娋W(wǎng)儲(chǔ)能方式在200個(gè)小時(shí)的試驗(yàn)市場(chǎng)中的SOC值都比較平穩(wěn)，而傳統(tǒng)的輔助規(guī)模化電網(wǎng)儲(chǔ)能方法、鋰電池規(guī)模化電網(wǎng)儲(chǔ)能方法的SOC值有較大的波動(dòng)，電能的波動(dòng)太大容易影響儲(chǔ)能設(shè)備的性能，降低儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

在電網(wǎng)領(lǐng)域中，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了電力的發(fā)展。而儲(chǔ)能系統(tǒng)可作為獨(dú)立個(gè)體為電網(wǎng)提供服務(wù)的輔助設(shè)備也需要不斷優(yōu)化，本文提出的AGC調(diào)頻技術(shù)與儲(chǔ)能技術(shù)的融合方式增加了儲(chǔ)能裝機(jī)量，保證了電網(wǎng)儲(chǔ)能的安全性和穩(wěn)定性，且增加了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。輔助AGC調(diào)頻在電網(wǎng)儲(chǔ)能中發(fā)揮著不可忽視的作用，但因?yàn)楸疚牡难芯课磳?duì)電網(wǎng)的同步振蕩和保護(hù)配置進(jìn)行檢測(cè)，因此尚不知道該儲(chǔ)能方式其他部分是否會(huì)受到影響，希望日后的研究中可以對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)其他部分進(jìn)行評(píng)估，完善本文的設(shè)計(jì)。