大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助常規(guī)機(jī)組調(diào)頻技術(shù)分析

李建林，楊水麗，高凱

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192；2. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽(yáng)市 110004)

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大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助常規(guī)機(jī)組調(diào)頻技術(shù)分析

李建林1，楊水麗1，高凱2

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192；2. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽(yáng)市 110004)

由于新能源發(fā)電具有間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，隨著其裝機(jī)容量的逐漸增大，電網(wǎng)調(diào)頻備用容量不足的問(wèn)題日益凸顯。傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組因其固有特性難以使實(shí)際出力與理論計(jì)算值相吻合，并且難以應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)快速發(fā)展、新能源發(fā)電并網(wǎng)等引起的頻率穩(wěn)定問(wèn)題。儲(chǔ)能作為一種新興技術(shù)，具有響應(yīng)速度快、短時(shí)功率吞吐能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)方向易改變等優(yōu)點(diǎn)，可與常規(guī)調(diào)頻技術(shù)相結(jié)合，作為電網(wǎng)調(diào)頻的有效輔佐手段。該文立足于不同的實(shí)際電網(wǎng)情況進(jìn)行儲(chǔ)能容量配置研究，探索儲(chǔ)能輔助傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻的控制策略，為今后儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的工程應(yīng)用提供一定的借鑒意義。

可再生能源；調(diào)頻；儲(chǔ)能系統(tǒng)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電分別以風(fēng)能、太陽(yáng)能作為能量來(lái)源，而風(fēng)能、太陽(yáng)能等自然資源易受環(huán)境、氣候等多方面的影響，使得風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的功率具有間歇性、不確定性和波動(dòng)性等特點(diǎn)[1]。隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，其對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響將不容忽視[2]。這些間歇性能源，功率輸出變化劇烈，當(dāng)裝機(jī)容量增加至一定規(guī)模時(shí)，其功率波動(dòng)或者因故整體退出運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)有功出力和負(fù)荷之間的動(dòng)態(tài)不平衡，引起系統(tǒng)頻率偏差，造成電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定[3-4]。間歇式能源發(fā)電不但會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)容量需求增加，并且由于其自身又不具備參與頻率調(diào)節(jié)的功能，原有傳統(tǒng)機(jī)組必須承擔(dān)起這些新能源機(jī)組帶來(lái)的頻率調(diào)節(jié)任務(wù)。

目前，我國(guó)的調(diào)頻電源主要為火電機(jī)組，其缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)滯長(zhǎng)、機(jī)組爬坡速率低，不能準(zhǔn)確跟蹤自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)指令，有時(shí)甚至?xí)斐蓪?duì)區(qū)域控制誤差的反方向調(diào)節(jié)；同時(shí)，由于一次調(diào)頻死區(qū)等非線性環(huán)節(jié)的存在，傳統(tǒng)的AGC線性模型控制方式不能實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能?；痣姍C(jī)組性能不同則其響應(yīng)速率不同，造成調(diào)節(jié)效果千差萬(wàn)別，因此若需增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)容量，也并非大量增加調(diào)頻火電機(jī)組為好。比較而言水電機(jī)組響應(yīng)較快，可以在幾s內(nèi)達(dá)到滿功率輸出。但是水電機(jī)組的建設(shè)受地理?xiàng)l件的限制，主要集中在我國(guó)西南多山多水地區(qū)及沿海地區(qū)。這意味著水電機(jī)組整體可提供的調(diào)頻容量極為有限。同時(shí)，由于水電廠的增減出力受到河流狀況的影響，也會(huì)影響到機(jī)組對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)。

提高電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，就必須提高區(qū)域的AGC控制性能，即提高機(jī)組對(duì)AGC信號(hào)的響應(yīng)能力，包括響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度等指標(biāo)。在新能源大量接入以及傳統(tǒng)機(jī)組發(fā)展受限的情況下，儲(chǔ)能技術(shù)以其快速、精確的功率響應(yīng)能力成為新型調(diào)頻輔助手段的關(guān)注熱點(diǎn)[5-6]。研究表明，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)可在1 s內(nèi)完成AGC調(diào)度指令，幾乎是火電機(jī)組響應(yīng)速度的60倍；同時(shí)，少量的儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效提升以火電為主的電力系統(tǒng)整體調(diào)頻能力[7]。大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度快，短時(shí)功率吞吐能力強(qiáng)，且調(diào)節(jié)方向易改變，與常規(guī)調(diào)頻電源相結(jié)合，可作為輔助傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻的有效手段。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)與精確跟蹤能力使得其比常規(guī)調(diào)頻方式高效，可顯著減少電網(wǎng)所需旋轉(zhuǎn)備用容量；因電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)頻而節(jié)省的旋轉(zhuǎn)備用容量可用于電網(wǎng)調(diào)峰、事故備用等，能夠進(jìn)一步提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性[8]。除了技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)外，儲(chǔ)能系統(tǒng)在參與電網(wǎng)調(diào)頻的應(yīng)用中，不僅能夠節(jié)省電力系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用，降低煤耗，提高靜態(tài)效益，而且由于其響應(yīng)快速，運(yùn)行靈活，可以滿足系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)頻需求，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效益。

鑒于上述分析，有必要對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)適用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的技術(shù)特性進(jìn)行分析，這也是對(duì)其進(jìn)行容量配置和設(shè)計(jì)控制策略的基礎(chǔ)[7]。在此基礎(chǔ)上，立足于不同的實(shí)際電網(wǎng)情況進(jìn)行容量配置研究，探索儲(chǔ)能輔助傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻的控制策略，為今后儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的工程應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 研究現(xiàn)狀

大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)后，將改變電網(wǎng)實(shí)時(shí)供電的工作模式。不僅可以提高電網(wǎng)的可靠性，而且由于燃料消耗減少?gòu)亩档吞寂欧拧?chǔ)能的應(yīng)用分為能量型和功率型兩類[9]。其中，能量型應(yīng)用對(duì)應(yīng)的是長(zhǎng)時(shí)間充電和小時(shí)級(jí)連續(xù)放電，通常1天只有1次充放電；功率型應(yīng)用經(jīng)常要求1天有多次充放電，對(duì)應(yīng)的是相對(duì)短時(shí)間放電(分鐘級(jí)或秒級(jí))和短時(shí)間再充電。能量型應(yīng)用包括削峰填谷、傳輸與配電升級(jí)延時(shí)、用戶需求用電和用電費(fèi)用降低、可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)移及商業(yè)用途的能量貯存；功率型應(yīng)用包括頻率和電壓控制、電能質(zhì)量、可再生能源發(fā)電平滑等電力控制。

雖然電化學(xué)儲(chǔ)能以其優(yōu)越的性能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，前景廣闊，但由于造價(jià)昂貴，在電力需求量較大的電網(wǎng)中沒(méi)有大規(guī)模使用。相比而言，電網(wǎng)調(diào)頻領(lǐng)域?qū)φ{(diào)頻電源的爬坡率要求高、電量需求少，更適宜于儲(chǔ)能的應(yīng)用與盈利。美國(guó)紐約州的研究表明，調(diào)頻服務(wù)是所有輔助服務(wù)中收益潛能最大的[10]。

1.1 儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻的運(yùn)行方式現(xiàn)狀分析

據(jù)美國(guó)能源部信息中心項(xiàng)目庫(kù)不完全統(tǒng)計(jì)[11]，儲(chǔ)能參與調(diào)頻輔助服務(wù)是全球規(guī)?；瘍?chǔ)能示范項(xiàng)目中開展最多的3個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域之一，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)形式的不同，其參與電網(wǎng)調(diào)頻的方式主要有獨(dú)立運(yùn)行、與現(xiàn)有發(fā)電廠聯(lián)合運(yùn)行以及與風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行3種，已實(shí)現(xiàn)收益的方式主要為前2種。美國(guó)是調(diào)頻輔助服務(wù)領(lǐng)域開展儲(chǔ)能項(xiàng)目最多的國(guó)家，智利其次，中國(guó)和加拿大也有項(xiàng)目開展。

美國(guó)調(diào)頻輔助服務(wù)儲(chǔ)能項(xiàng)目的開展與該國(guó)較為開放的電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)模式以及相關(guān)政策的支持密不可分[12]，其允許儲(chǔ)能作為合法的獨(dú)立載體進(jìn)入電力市場(chǎng)。因此，該國(guó)針對(duì)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻的研究與示范均圍繞儲(chǔ)能作為獨(dú)立運(yùn)行主體展開。

智利的幾個(gè)項(xiàng)目均采取與火電廠聯(lián)合運(yùn)行的方式，為智利北部SING電網(wǎng)提供調(diào)頻等輔助服務(wù)。我國(guó)也開始有了調(diào)頻輔助服務(wù)的儲(chǔ)能試點(diǎn)，與AES在智利的項(xiàng)目類似，在現(xiàn)有的政策下進(jìn)行試點(diǎn)，已掛網(wǎng)運(yùn)行的儲(chǔ)能系統(tǒng)與石景山熱電廠聯(lián)合運(yùn)營(yíng)提供調(diào)頻服務(wù)。針對(duì)儲(chǔ)能與傳統(tǒng)電源聯(lián)合參與調(diào)頻的運(yùn)行方式，開展的主要研究工作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的盈利模式分析，在保證聯(lián)合系統(tǒng)滿足電網(wǎng)對(duì)其要求的性能考核指標(biāo)下使電池處于較優(yōu)運(yùn)行區(qū)間的運(yùn)行控制研究等。

與風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)合運(yùn)行參與電網(wǎng)調(diào)頻的運(yùn)行方式目前尚處于示范尚未實(shí)現(xiàn)盈利的階段，如張北風(fēng)光儲(chǔ)輸電示范基地的風(fēng)、儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)，從風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)層面出發(fā)，研究風(fēng)電參與調(diào)頻的機(jī)理、運(yùn)行以及控制策略等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了大量工作。

1.2 儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻應(yīng)用的技術(shù)研究現(xiàn)狀

在我國(guó)，儲(chǔ)能技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)頻的研究與示范尚屬起步與借鑒階段。中國(guó)電力科學(xué)研究院在張北風(fēng)光儲(chǔ)基地投建的電池儲(chǔ)能電站完成了跟蹤調(diào)頻指令的測(cè)試，南方電網(wǎng)深圳寶清電池儲(chǔ)能電站與上海漕溪能源轉(zhuǎn)換綜合展示基地也具備系統(tǒng)調(diào)頻的功能[13]。這3處大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電力調(diào)頻的示范工程雖具備了調(diào)頻的測(cè)試功能，但均未進(jìn)行投入應(yīng)用的研究；已掛網(wǎng)運(yùn)行的與北京石景山熱電廠的火電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行參與電網(wǎng)AGC調(diào)頻的儲(chǔ)能系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行[14]。從國(guó)內(nèi)目前投建的儲(chǔ)能示范工程來(lái)看，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻已逐漸被業(yè)界認(rèn)識(shí)和重視起來(lái)，雖然目前還未開展更深入的研究與示范應(yīng)用工作，但儲(chǔ)能技術(shù)參與電力調(diào)頻將是未來(lái)智能電網(wǎng)關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。

在國(guó)外，儲(chǔ)能技術(shù)在各方面的應(yīng)用已經(jīng)逐步成熟，尤其是美國(guó)、智利、巴西和芬蘭，針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻已開展了理論研究與示范驗(yàn)證。相關(guān)研究主要側(cè)重于以下幾方面：一是探討風(fēng)、光等新能源大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，以及此時(shí)應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻的優(yōu)勢(shì)及其可行性[15]；二是從調(diào)頻電源的技術(shù)對(duì)比角度切入[15]，研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)與常規(guī)調(diào)頻電源在調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速率等調(diào)頻能力上的區(qū)別；三是建立復(fù)雜的儲(chǔ)能系統(tǒng)模型[16]，探究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)出力的機(jī)理，通過(guò)小負(fù)荷擾動(dòng)分析，研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)頻對(duì)抑制頻率波動(dòng)和聯(lián)絡(luò)線交換功率的影響；四是從儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)角度切入[17-19]，結(jié)合不同類型儲(chǔ)能系統(tǒng)的特性、限制及其參與調(diào)頻所帶來(lái)的各項(xiàng)效益，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻的研究主要聚焦在基于電網(wǎng)調(diào)頻需求分析上的儲(chǔ)能容量配置和控制策略等方面。

2 用于電網(wǎng)調(diào)頻的儲(chǔ)能容量配置研究

容量配置是儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻領(lǐng)域的首要問(wèn)題，不僅為控制策略研究提供借鑒，同時(shí)，合理的儲(chǔ)能容量配置對(duì)于滿足電網(wǎng)調(diào)頻要求至關(guān)重要。目前，針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)輔助參與電網(wǎng)調(diào)頻的容量配置研究尚處于探索階段。文獻(xiàn)[20]對(duì)輔助裝機(jī)容量為Pe的火電廠參與調(diào)頻且與其具備同等調(diào)頻能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了容量配置，得出所需儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率為Pe/10，容量為(Pe/10)×15 min。文獻(xiàn)[21]在計(jì)及收益和成本的基礎(chǔ)上，考慮了系統(tǒng)的頻率波動(dòng)曲線和電池儲(chǔ)能的充/放電特性，以電池儲(chǔ)能產(chǎn)生的年收益最大為目標(biāo)，建立了電網(wǎng)中用于一次調(diào)頻的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模型，采用充電限制可調(diào)和應(yīng)用耗能電阻的新型控制算法進(jìn)行仿真，求得系統(tǒng)的最佳儲(chǔ)能容量配置。文獻(xiàn)[22]通過(guò)使用一階慣性環(huán)節(jié)模擬電池儲(chǔ)能出力特性，并將系統(tǒng)頻率偏差協(xié)方差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，量化分析了30 MW電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于孤島網(wǎng)絡(luò)一次調(diào)頻能力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其能夠顯著減少瞬時(shí)負(fù)荷波動(dòng)引起的頻率偏差，但該文獻(xiàn)沒(méi)有考慮經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[23]基于一個(gè)包含水電、火電以及風(fēng)電的孤島網(wǎng)絡(luò)，利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效模型，研究其參與電力一次調(diào)頻，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)上下限，提出了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和運(yùn)行方式優(yōu)化方案，并給出確定SOC上下限動(dòng)態(tài)取值范圍的方法。

結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的通用方法，建議基于區(qū)域電網(wǎng)的常規(guī)機(jī)組特性和負(fù)荷曲線，通過(guò)模擬常規(guī)機(jī)組的下垂特性，構(gòu)建電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力一次調(diào)頻的容量配置方法；基于調(diào)節(jié)負(fù)荷分量和調(diào)節(jié)負(fù)荷分量變化率工況曲線，以及實(shí)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)，依據(jù)儲(chǔ)能完全替代常規(guī)調(diào)頻電源的原則，構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力二次調(diào)頻的容量配置方法，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置流程如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置流程框圖Fig.1 Flow chart of energy storage system capacity allocation

首先，確定仿真所用模型，載入頻率或負(fù)荷的實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)，通過(guò)探究?jī)?chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景，分析確定功率需求。然后，可按照完全應(yīng)用儲(chǔ)能的方式確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率，也可按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立儲(chǔ)能系統(tǒng)理論出力的分布模型，據(jù)此分布模型可得到任意置信水平的額定功率需求。其次，將確定的額定功率代入具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，依據(jù)相關(guān)公式可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的額定容量，最終完成儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率和額定容量的設(shè)計(jì)。同時(shí)，若相關(guān)的儲(chǔ)能類型確定，通過(guò)建立儲(chǔ)能系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)模型，可得到經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)的儲(chǔ)能容量配置方案。

3 儲(chǔ)能用于電網(wǎng)調(diào)頻的控制策略研究

電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)必須進(jìn)行有效的控制，而這項(xiàng)任務(wù)主要由二次調(diào)頻完成[24-25]。盡管電力系統(tǒng)技術(shù)不斷進(jìn)步，但二次調(diào)頻依然面臨許多挑戰(zhàn)。由于電力系統(tǒng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)和慣性特性，原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)出力控制、調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)總會(huì)有不同程度的誤差。上述問(wèn)題在風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源并網(wǎng)之后將變得更加顯著[26-28]。儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻進(jìn)一步豐富了系統(tǒng)調(diào)頻的選擇，因此，如何合理協(xié)調(diào)各調(diào)頻電源，以控制和調(diào)節(jié)各發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率，使系統(tǒng)頻率達(dá)到電網(wǎng)要求，給國(guó)內(nèi)外的調(diào)頻控制研究提出了新的課題[29-32]。文獻(xiàn)[33]提出采用離散傅里葉變換分析高頻和低頻調(diào)頻需求的方法，并對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的全天和每小時(shí)內(nèi)高頻分量的占比進(jìn)行了定量分析。根據(jù)儲(chǔ)能資源的快速響應(yīng)特點(diǎn)，提出了儲(chǔ)能資源參與調(diào)頻的2種策略：一是基于區(qū)域調(diào)節(jié)需求所處的區(qū)間，靈活分配儲(chǔ)能資源承擔(dān)的調(diào)節(jié)量；二是將調(diào)頻需求的高頻分量指派給儲(chǔ)能資源承擔(dān)。所提方法和研究結(jié)果對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速功率調(diào)節(jié)特性，可在AGC的負(fù)荷頻率控制(load frequency control, LFC)中為互聯(lián)系統(tǒng)提供即時(shí)的補(bǔ)償容量，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。為了充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)在抑制電網(wǎng)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)中的作用，避免發(fā)生與LFC之間各自獨(dú)立作用的情況，應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略研究顯得尤為重要[24]。以往針對(duì)這個(gè)方向的研究較少，且主要集中于以最小方差(integral squared error，ISE)等指標(biāo)為依據(jù)，離線聯(lián)合整定儲(chǔ)能系統(tǒng)及LFC的控制參數(shù)[34-35]。然而，這種方法難以計(jì)及儲(chǔ)能系統(tǒng)與LFC等調(diào)頻裝置存在的各種約束，如儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量、SOC和額定功率限制，以及常規(guī)機(jī)組的發(fā)電速度限制(generation rate constraint, GRC)、可調(diào)容量、區(qū)域控制偏差(area control error, ACE)信號(hào)延時(shí)等，也未能考慮系統(tǒng)負(fù)荷擾動(dòng)的多樣性，所以魯棒性較差。

模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control，MPC)產(chǎn)生于工業(yè)過(guò)程控制的實(shí)際應(yīng)用中[36-37]，并與工業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合，進(jìn)而不斷完善和成熟。模型預(yù)測(cè)控制算法由于采用了多步預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，具有控制效果好、魯棒性強(qiáng)、對(duì)模型精確性要求不高的優(yōu)點(diǎn)。目前提出的模型預(yù)測(cè)控制算法，主要有基于非參數(shù)模型的模型算法控制和動(dòng)態(tài)矩陣控制，以及基于參數(shù)模型的廣義預(yù)測(cè)控制和廣義預(yù)測(cè)極點(diǎn)配置控制等方法。其中，模型算法控制采用對(duì)象的脈沖響應(yīng)模型，動(dòng)態(tài)矩陣控制采用對(duì)象的階躍響應(yīng)模型，這2種模型都具有易于獲得的優(yōu)點(diǎn)。廣義預(yù)測(cè)控制和廣義預(yù)測(cè)極點(diǎn)配置控制是預(yù)測(cè)控制思想與自適應(yīng)控制的結(jié)合，采用受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型，具有參數(shù)少、能夠在線估計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，并且廣義預(yù)測(cè)極點(diǎn)配置控制進(jìn)一步采用極點(diǎn)配置技術(shù)，提高了預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性和魯棒性。

結(jié)合MPC的特點(diǎn)，為了解決以上調(diào)頻的控制問(wèn)題，建議探索一套儲(chǔ)能系統(tǒng)與LFC協(xié)調(diào)控制的體系。該體系的總體設(shè)計(jì)思想為采用分層分布式框架結(jié)構(gòu)，包括上層的區(qū)域協(xié)調(diào)控制器及下層本地調(diào)頻控制器，如圖2所示。在區(qū)域協(xié)調(diào)控制器中，引入MPC中的廣義預(yù)測(cè)控制，以互聯(lián)電力系統(tǒng)的受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型為基礎(chǔ)，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息預(yù)測(cè)頻率與聯(lián)絡(luò)線功率的動(dòng)態(tài)軌跡，通過(guò)建立儲(chǔ)能系統(tǒng)、LFC輸入與頻率及聯(lián)絡(luò)線功率預(yù)測(cè)量的關(guān)系，構(gòu)造以輸出誤差為目標(biāo)函數(shù)，以儲(chǔ)能系統(tǒng)與LFC調(diào)節(jié)能力為約束條件的優(yōu)化模型。而各區(qū)域的本地調(diào)頻控制器接受上層控制器的指令，即可對(duì)系統(tǒng)的頻率及聯(lián)絡(luò)線功率偏差進(jìn)行校正。

圖2 電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)與LFC的協(xié)調(diào)控制框圖Fig.2 Block diagram of coordinated control between energy storage system and LFC in power grid

4 結(jié)論與展望

儲(chǔ)能技術(shù)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：

(1)低成本、長(zhǎng)壽命、高安全是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展方向，隨著電池本體技術(shù)進(jìn)步，高性能電池必將在調(diào)頻領(lǐng)域取得長(zhǎng)足應(yīng)用；

(2)衡量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)在調(diào)頻功能上的貢獻(xiàn)，不宜單純以電量來(lái)評(píng)價(jià)，而應(yīng)以其為電力系統(tǒng)提供熱備份，輔助火電機(jī)組完成調(diào)頻指令來(lái)衡量；

(3)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅在間歇能源發(fā)電端，在常規(guī)火電廠，也可配合常規(guī)調(diào)頻機(jī)組更好地完成二次調(diào)頻任務(wù)。

我國(guó)在大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的理論分析與研究方面開展得比較少，應(yīng)用示范也屬于起步階段，而國(guó)外的儲(chǔ)能技術(shù)已趨于成熟，但由于其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)與我國(guó)相差甚遠(yuǎn)，因此，亟需探索符合我國(guó)電網(wǎng)特點(diǎn)的儲(chǔ)能參與電力調(diào)頻技術(shù)，加大儲(chǔ)能在我國(guó)調(diào)頻輔助領(lǐng)域中的必要性與價(jià)值分析、基礎(chǔ)理論研究以及示范研究的力度，利用儲(chǔ)能更好地服務(wù)于電力調(diào)頻，服務(wù)于新一代“堅(jiān)強(qiáng)”、“智能”電網(wǎng)。

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李建林，男，1976年，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用;

楊水麗(1979)，女，碩士，研究方向?yàn)殡娔軆?chǔ)存與轉(zhuǎn)換技術(shù)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化;

高凱(1972)，男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)運(yùn)行方面的工作。

(編輯：張小飛)

Frequency Modulation Technology for Conventional Units Assisted by Large Scale Energy Storage System

LI Jianlin1，YANG Shuili1，GAO kai2

(1. China Electric Power Research Institute Beijing 100192, China;2. State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.， Ltd., Shenyang 110004, China)

Due to the characteristics of new energy power generation: intermittent and variable, the reserve capacity deficiency issue of frequency modulation (FM) for power grid has become increasingly prominent, along with the gradual increase of the installed capacity. Traditional FM units rarely achieve real-time equivalency of actual output with the theoretical values because of their inherent characteristics, and are difficult to deal with the problem of frequency stability caused by the rapid development of power system and the generation and paralleling in gird of new energy. Energy storage technology, as a new technology, has advantages of fast response speed, strong short-term power capacity, easy-changing adjust direction and so on, which can be combined with conventional FM technology and used as an effective assistant mean of power grid FM. This paper studied the capacity allocation of energy storage based on the actual situations of different grids; discussed the control strategy of traditional units’ FM assisted by energy storage system, which could provide references for the engineering application of energy storage system in grid FM in future.

renewable energy; frequency modulation; energy storage system

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2014AA052004)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(面向電力系統(tǒng)調(diào)頻需求的儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置及運(yùn)行方法研究)。

TM 621

A

1000-7229(2015)05-0105-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.017

2015-02-03

2015-03-23

Project Supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2014AA052004).