不同類型儲能電源參與電網調頻的效果比較研究

黃際元，李欣然，黃繼軍，雷博

(1．湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082;2．國投北部灣發(fā)電有限公司，廣西北海536000)

不同類型儲能電源參與電網調頻的效果比較研究

黃際元1，李欣然1，黃繼軍2，雷博1

(1．湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082;2．國投北部灣發(fā)電有限公司，廣西北海536000)

保持頻率穩(wěn)定是電力系統正常運行的基本要求。未來，儲能電源將成為電力系統中必不可少的輔助調頻手段。為比較不同類型儲能電源參與電網調頻的效果，以常用的電池儲能電源(BESS)、電容器儲能電源(CES)和超導磁儲能電源(SMES)為研究對象，建立了包含儲能電源的經典兩區(qū)域電力系統模型;提出儲能電源參與電網調頻的運行模式為有功/無功功率(PQ)控制;最后，通過模擬兩種不同的負荷擾動，分析了自動發(fā)電控制(AGC)-BESS、AGC-CES、AGC-SMES和僅含AGC四種組合方式參與電網調頻的控制效果;同時，對后續(xù)研究工作進行展望。

調頻;儲能電源;電力系統模型;運行模式;負荷擾動

1 引言

集中發(fā)電、遠距離輸電、大電網互聯是目前電能生產、輸送和分配的主要方式。為應對日益緊迫的能源安全和環(huán)境惡化問題，我國政府于2009年11月提出了節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標，確立了積極有序做好風電、太陽能等可再生能源的轉化利用的思路。然而，因風光等間歇性能源發(fā)電出力具有波動性和不確定性，其大規(guī)模并網會給電網頻率穩(wěn)定帶來重大影響。傳統電網中水電和火電機組作為主要的調頻電源，通過不斷地改變自身出力來響應系統頻率的變化。但是，它們各自具有一定的限制與不足，影響著電網頻率的安全與品質。火電機組響應時滯長，不適合參與較短周期的調頻，而水電機組的調頻容量易受地域與季節(jié)的制約;參與二次調頻的火電機組爬坡速率慢，不能精確跟蹤區(qū)域控制偏差(Area Control Error，ACE)信號;同時，一、二次調頻的協調配合也尚需加強。因此，如何在間歇性電源高滲透率條件下確保電網頻率穩(wěn)定成為電網面臨的新挑戰(zhàn)之一［1］。儲能電源具有快速響應、精確跟蹤的特點，使得其比傳統調頻手段高效。近年來，利用大規(guī)模儲能電源取代發(fā)電廠進行調頻，已受到業(yè)界的關注，準確評估儲能電源的經濟技術性能將是智能電網必須關注的重要科學問題。

目前，已有的調頻仿真一般基于區(qū)域等效方法構建的等效模型［2-10］，通過小負荷擾動分析，研究儲能電源參與調頻對頻率波動和聯絡線功率交換的影響。也有相關學者對單一儲能電源的控制策略進行了研究，其多采用PI控制，通過粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)等優(yōu)化控制參數［4］。研究表明，如果僅采用傳統的負荷頻率控制(Load Frequency Control，LFC)時，即使對控制參數進行優(yōu)化，小負荷擾動仍會使頻率及聯絡線功率波動持續(xù)較長一段時間。儲能電源引入之后，系統一、二次調頻的動態(tài)性能都得到較大改善，同時頻率和聯絡線功率的偏移量減小，累積時間誤差和聯絡線偶然交換累積也均有所降低。同時，典型儲能電源如蓄電池儲能電源(Battery Energy Storage System，BESS)、電容器儲能電源(Capacitive Energy Storage System，CES)、超導磁儲能電源(Superconducting Magnetic Energy Storage System，SMES)和飛輪儲能電源(Flywheel Energy Storage System，FESS)等均采用基于經典模型推導出的傳遞函數模型。例如電池設備一般采用外特性等效電路［5，6］或一階慣性環(huán)節(jié)［8］來模擬，電容器設備通常采用電容和電阻的并聯電路來模擬［3，8］，超導磁設備通過大電感元件來模擬［9，10］。

本文以常用的BESS、CES和SMES為研究對象，建立了包含儲能電源的經典兩區(qū)域電力系統模型，針對儲能電源提出了基于有功/無功功率(PQ)控制的運行模式，就自動發(fā)電控制(AGC)-BESS、AGC-CES、AGC-SMES和僅含AGC這四種組合方式，通過模擬兩種不同的負荷擾動，分析了不同組合方式參與電網調頻控制的效果，在此基礎上對后續(xù)工作進行了展望。

2 儲能電源參與電網調頻的方法

本文提出利用有功/無功功率(PQ)控制作為儲能電源參與電網調頻的運行模式。當電網頻率越過動作死區(qū)時，儲能電源因其自動化程度高、增減出力靈活、對負荷隨機和瞬時變化可做出快速反應等優(yōu)點，會優(yōu)先參與電網頻率調整，通過與傳統調頻機組有效結合，參與電網的一、二次調頻，維持系統頻率于標準范圍之內。當傳統調頻機組的調頻功能啟動后，儲能電源會自動將出力傳遞給傳統調頻機組，當傳統調頻機組的調頻出力完全滿足負荷擾動需求時，儲能電源自動退出調頻功能。

3 含儲能電源的電力系統調頻模型

本文中用于研究含儲能電源的兩區(qū)域電力系統結構如圖1所示。BESS、CES或SMES分別安裝在各區(qū)域內，用于抑制負荷擾動時的頻率波動。假設各區(qū)域內所有發(fā)電機G對系統負荷變化具有同調響應特性，故可將其等效為一臺機組進行整體建模，從而得到兩區(qū)域系統數學模型如圖2所示。

圖1 含儲能電源的兩區(qū)域系統簡圖Fig．1 Two-area power system with energy storage

圖2中，Δfi、ACEi、ΔXgi、ΔPri、ΔPgi分別為第i區(qū)域的頻率偏差、區(qū)域控制偏差、調速器控制閥位置偏差、再熱器輸出偏差和發(fā)電機機械功率輸出偏差; Δfj為第j區(qū)域的頻率偏差;ΔPtie為兩區(qū)域間聯絡線功率偏差;Tgi、Tri、Kri、Tti、Tpi、Kpi和Ri分別為第i區(qū)域的調速器時間常數、再熱器時間常數、再熱器增益、汽輪機時間常數、電力系統時間常數、電力系統增益和調差系數，α和β為死區(qū)線性化后的參數; Bi、KIi和Ui分別為第i區(qū)域的頻率偏差系數、積分控制參數和調頻控制量;Tij為聯絡線同步系數;ΔPdi和ΔPEi分別為第i區(qū)域的負荷擾動和儲能電源出力。儲能電源參與電網調頻的模式主要有兩種，一種以Δfi作為控制信號，另一種以ACEi作為控制信號。為方便比較，本文中接入儲能的ACEi信號取為ACEi= Δfi+ΔPij/Bi［3］。Δfi和Δfj單位為Hz，ΔPtie為標幺值，i∈［1，2］，j∈［2，1］且i≠j，具體參數設置見文獻［5］。

圖2 含儲能電源的兩區(qū)域系統調頻數學模型Fig．2 Frequency regulation mathematicalmodel for two-area power system with energy storage

4 不同儲能電源模型

本文所指儲能電源系儲能設備與并網能量轉換系統(Power Conversion System，PCS)所構成的整體。儲能設備通過DC/DC、DC/AC、濾波和變壓器，經由公共連接點(Pointof Common Coupling，PCC)并網結構如圖3所示。

圖3 不同類型儲能電源配置圖Fig．3 Allocation of different types energy storage power supply

4.1 PCS等效模型

在研究儲能電源參與電網調頻的仿真過程中，通常將PCS等效為一階慣性環(huán)節(jié)，具體等效過程參閱文獻［6］，僅考慮其時間常數。

4.2 儲能設備等效模型

儲能本身一般采用基于經典等效電路模型推導出的傳遞函數模型。本文中，假設所有儲能電源處于放電狀態(tài)，其容量和功率能滿足所仿真的兩種負荷擾動。三種儲能電源模型將在下文詳細闡述，具體如下。

(1)BESS模型

BESS模型采用外特性等效電路，具體可參閱文獻［6］，在此基礎上可推得其所對應的傳遞函數模型如圖4所示。

圖4 BESS傳遞函數模型Fig．4 Transfer function model of BESS

圖4中，TB為時間常數;為初始電流;ΔVBOC為開路電壓增量;ΔVB1為過電壓增量;RBS為內阻; RBT為連接電阻;RBI為過電勢電阻;CBI為過電勢電容;RBP為自放電內阻;CBP為電容;KBf及KBA分別為以Δfi和ACEi為儲能控制信號時所對應的控制增益。其數學描述如式(1)～式(6)。

(2)CES模型

CES通常以電容和電阻并聯電路來等效。在考慮電容及初始電壓的基礎上，引入電壓反饋環(huán)，以使電容上的電壓快速穩(wěn)定，其傳遞函數模型如圖5所示。

圖5中，TC為時間常數;Ed0為初始電壓;C為等效電容;R為等效電阻;Kvd為電壓反饋增益;KCf及KCA分別為以Δfi和ACEi為儲能控制信號時所對應的控制增益。其數學描述如式(7)～式(10)。

圖5 CES傳遞函數模型Fig．5 Transfer functionmodel of CES

(3)SMES模型

SMES線圈通常用大電感來模擬。在考慮其自身電感及初始電流的基礎上，引入電流反饋環(huán)，以使線圈上的電流快速穩(wěn)定，其傳遞函數模型如圖6所示。

圖6 SMES傳遞函數模型Fig．6 Transfer functionmodel of SMES

圖6中，TS為時間常數;Id0為初始電流;L為SMES線圈的電感;Kid為電流反饋增益;KSf及KSA分別為以Δfi和ACEi為儲能控制信號時所對應的控制增益。其數學描述類似CES，可參閱文獻［9，10］，在此不再詳述。

5 仿真研究

為對比分析這三種類型儲能電源的調頻性能，仿真中將接入系統的負荷擾動分成兩種工況，工況1取負荷擾動ΔPd1為0.005pu，ΔPd2為0pu;工況2取負荷擾動ΔPd1為0.01pu，ΔPd2為0pu。針對這兩種工況，仿真中采取AGC-BESS、AGC-CES、AGCSMES和僅含AGC這四種組合方式，針對工況1，當以Δf和ACE分別作為儲能電源控制信號時，可得仿真結果(Δf1、Δf2及ΔPtie曲線)如圖7和圖8所示，相應的分析結果如圖9所示。

圖7 兩區(qū)域含不同類型儲能調頻結果(工況1-Δf反饋)Fig．7 Frequency regulation result of two-area power system with different types of energy storage (condition 1-feedback ofΔf)

從圖7和圖8均可看出，當系統中僅含AGC機組時，確定的負荷擾動下，各區(qū)域Δf1、Δf2及ΔPtie波動明顯，而儲能電源參與調頻之后，波動明顯減小，并被控制在較理想的范圍內。

針對三種類型儲能電源與AGC組合，由圖9可知，在加入0.005pu負荷擾動后，AGC-BESS、AGCSMES和AGC-CES組合可使Δf1絕對值的最大值Δf1．max從0.0187Hz分別減小到0.0105Hz、0.0119Hz和0.0137Hz，使Δf2絕對值的最大值Δf2．max從0.0233Hz減小到0.0087Hz、0.0113Hz和0.0155Hz，使ΔPtie絕對值的最大值ΔPtie．max從0.0043pu減小到0.0030pu、0.0033pu和0.0037pu，顯然前兩種組合可更好地抑制Δf1、Δf2及ΔPtie波動幅度;簡言之，AGC-BESS和AGC-SMES相比AGCCES，抑制波動幅值效果更優(yōu)，趨于穩(wěn)定的時間相當;AGC-BESS及AGC-SMES之間效果相似，相對來說，AGC-BESS抑制效果更為明顯且趨于穩(wěn)定時間較小。工況2分析結果類似，在此不再贅述。

圖8 兩區(qū)域含不同類型儲能調頻結果(工況1-ACE反饋)Fig．8 Frequency regulation result of two-area power system with different types of energy storage (condition 1-feedback of ACE)

從圖9也可看出，當以Δf或ACE作為反饋信號時，抑制Δf1和Δf2的波動幅度差別不大，主要區(qū)別體現在圖9(c)所示的ΔPtie抑制效果上。在加入0.005pu負荷擾動后，由圖9(c)可知，當以Δf作為反饋信號時，AGC-BESS、AGC-SMES和AGC-CES組合可使ΔPtie．max從0.0043pu減小到0.0030pu、0.0033pu和0.0037 pu;當以ACE作為反饋信號時，其可使ΔPtie．max減小到0.0022pu、0.0023pu和0.0033 pu;在加入0.01 pu負荷擾動后結果類似，在此不再累述。從而可得結論:相比Δf反饋，ACE反饋能較大程度減小ΔPtie。

圖9 不同組合下的仿真結果(工況1)Fig．9 Performance of differentmix of AGC and energy storage(condition 1)

總之，儲能電源的加入，使得Δf1、Δf2及ΔPtie的超調量和調節(jié)時間均大幅減小，即提高了系統的響應速度和穩(wěn)定性，且ACE反饋可得到更好的動態(tài)性能和最小的超調量。不足之處在于儲能電源傳遞函數模型結構相對理想，其只能反映出BESS、CES和SMES的結構特點和作為儲能設備的一般特性。為使仿真效果更接近實際工況，需建立更高精度的儲能電源模型。儲能電源參與調頻性能的優(yōu)劣與控制增益、頻率偏差系數和PI參數等密切相關，因此，如何優(yōu)化這些參數也顯得至關重要。

6 結論

本文通過在兩區(qū)域電力系統中加入儲能電源，對比分析了AGC-BESS，AGC-CES，AGC-SMES和僅含AGC四種組合的調頻效果，得到以下結論:

(1)任何儲能電源參與電網調頻，均能使調頻控制能夠更迅速、精確地滿足調頻要求，減少了對傳統調頻機組的依賴。

(2)基于提出的儲能電源參與電網調頻的有功/無功功率(PQ)控制運行模式，分析可知就不同儲能電源參與調頻的效果而言，AGC-BESS性能最優(yōu)，AGC-SMES次之，AGC-CES效果最差。

(3)就反饋信號對調頻效果的影響而言，Δf反饋和ACE反饋對電網頻率波動的抑制效果基本相當，但ACE反饋可使聯絡線功率波動大幅降低。

就電力系統分析與控制領域而言，進一步的工作應當包含如下主要方面:①在滿足平抑間歇性電源出力波動前提下，儲能電源參與調頻的經濟技術性能綜合評價問題;②儲能電源參與調頻的協調控制問題，包括參與一次、二次調頻的協調控制，參與實時及其深度的選擇等;③儲能電源參與調頻的分析模型問題，這是保證相關研究結果與結論合理性的基礎性工作。儲能電源參與電網調頻是智能電網建設面臨的新課題，一系列的理論與技術問題有待進行更加深入的研究和更細致的工作。

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(，cont．on p.71)(，cont．from p.53)

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Com parison of application of different energy storages in power system frequency regulation

HUANG Ji-yuan1，LIXin-ran1，HUANG Ji-jun2，LEIBo1
(1．College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China; 2．SDIC Beibuwan Electric Power Co．Ltd．，Beihai536000，China)

Keeping the frequency stable is the basic requirement for the normal operation of power system．At present，the appropriate energy storage has been promising as an auxiliary resource for power system frequency regulation．In order to compare the effects of differentenergy storage power supplies on the frequency regulation，the classical two-area power system model with the energy storage is proposed in this paper．Three kinds of energy storage are analyzed，including battery energy storage system(BESS)，capacitor energy storage system(CES)and superconductingmagnetic energy storage system(SMES)．Fixed power control(PQ control)is applied in the auxiliary service of ESS in frequency regulation．Two different kinds of the load perturbance analysis are performed to compare four differentmixes of AGC and energy storage，such as automation generator control(AGC)-BESS，the AGCCES，the AGC-SMES and the only AGC．At the same time，the future work is prospected．

frequency regulation;energy storage;power system model;operationalmode;load turbulence

TM73;TM91

A

1003-3076(2015)03-0049-05

2013-10-10

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2012CB215106)、國家自然科學基金(51477043)資助項目

黃際元(1988-)，男，湖南籍，博士研究生，研究方向為儲能在電力系統中的應用及其建模(通信作者);李欣然(1957-)，男，湖南籍，教授，博士，研究方向為電力系統分析控制、負荷建模。