探析儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻控制技術(shù)

黃 婕

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124）

0 引 言

電力系統(tǒng)在日常運行的過程中，需要有效控制系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)。該任務(wù)主要是由二次調(diào)頻擔(dān)任，雖然近些年電力行業(yè)技術(shù)有了很大的進步，但是二次調(diào)頻技術(shù)依然無法滿足目前的使用要求。首先，因為電力系統(tǒng)負(fù)荷的慣性及動態(tài)特點，在開展發(fā)電機、原動機以及系統(tǒng)檢測的過程中，必然會出現(xiàn)一定程度的偏差。此外，電力系統(tǒng)自身是非常復(fù)雜的，而且隨著技術(shù)的進步系統(tǒng)也逐漸向著智能化、復(fù)雜化以及大型化的方向發(fā)展，越來越多的控制器被應(yīng)用。添加的這些控制器在不同的層面有不同的作用，控制的目標(biāo)之間也屬于獨立的關(guān)系。這就需要制定完善的電力系統(tǒng)調(diào)頻控制策略，使調(diào)頻電源更加合理的分配負(fù)荷，促進電力行業(yè)的快速發(fā)展。

1 電網(wǎng)調(diào)頻控制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，新能源的地位也變得越來越重要。同時，隨著新能源發(fā)電滲透率的提升，電網(wǎng)的調(diào)頻壓力也有了很大的增長，主要是因為傳統(tǒng)機組調(diào)頻容量不足、凈負(fù)荷波動增加或是系統(tǒng)慣性降低。此外，由于火電機組的調(diào)頻時滯時間長，調(diào)頻容量也會受到天氣及環(huán)境的影響，所以傳統(tǒng)機組實際在開展調(diào)頻工序時存在嚴(yán)重的乏力現(xiàn)象，主要指的是自動發(fā)電控制系統(tǒng)乏力。而目前應(yīng)用電池儲能系統(tǒng)，相比較傳統(tǒng)系統(tǒng)來說有非常顯著的優(yōu)勢，如不受環(huán)境及天氣的影響，具有較高的精度以及爬坡速度快。有相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，儲能的調(diào)頻能力相當(dāng)于1.7SN的容量，指的是電池儲能容量，25SN的燃?xì)鈾C組容量是20SN的燃煤機組的二次調(diào)頻能力。有數(shù)據(jù)表明，具有調(diào)頻功能的兆瓦級電池儲能工程在全世界已經(jīng)超過100項。其中，中國北京的2 MW/0.5 MW·h鋰離子電池儲能配合火力發(fā)電參與AGC，使電廠調(diào)頻綜合評判指標(biāo)有了非常顯著的提升；還有美國建設(shè)的32 MW/8 MW·h鉛酸電池，使電能質(zhì)量得到有效改善；全球最大的鋰離子電池儲能項目由南澳大利亞霍恩斯代爾建設(shè)，使南澳電力高風(fēng)電滲透率下的有功平衡得到保障。通過大量的實踐證明，電池儲能能夠使得傳統(tǒng)機組的不足之處得到有效改善，使電網(wǎng)調(diào)頻需求得到滿足，大大降低了機械磨損。為了使儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻，各個國家也正在從深層次多角度的方面開展研究。

目前，基于電池儲能下的二次調(diào)頻控制策略，對于不同儲能的技術(shù)特征沒有充分考慮，還存在于一些缺陷。實施二次調(diào)頻的控制策略，優(yōu)點主要有如下3幾項。通過設(shè)置儲能調(diào)頻成本函數(shù)的系數(shù)，可精確地評估具有不同技術(shù)特征的儲能的實時調(diào)頻能力；在調(diào)頻責(zé)任分配中發(fā)揮儲能響應(yīng)速度快和傳統(tǒng)機組不受容量限制的雙重優(yōu)勢；實現(xiàn)不同電池儲能荷電狀態(tài)的均衡控制。

2 常規(guī)機組調(diào)頻控制策略

因為二次調(diào)頻相比較一次調(diào)頻來說，無論是響應(yīng)時間還是運行方式和控制目標(biāo)，都存在非常大的差異。實際在開展運行時，二次調(diào)頻和一次調(diào)頻的控制目標(biāo)甚至?xí)霈F(xiàn)沖突的現(xiàn)象，無法有效保障系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行[1]。圖1為調(diào)頻應(yīng)用控制信號及機組出力。

在圖1中，一次調(diào)頻、二次調(diào)頻的控制信號可能出現(xiàn)方向相反的情況，而且由于受到ACE信號延時的影響，實際接收到的信號與當(dāng)下電網(wǎng)的實際情況可能存在一定的差異性，因此，機組的二次調(diào)頻和一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量也不同，會直接影響到調(diào)頻的效果。

圖1 調(diào)頻應(yīng)用控制信號及機組出力

對于這個問題，可以通過如下方式進行處理。首先，在完成一次調(diào)頻動作之后對二次調(diào)頻進行屏蔽。其次，在二次調(diào)頻計算中納入一次調(diào)頻量，也就是在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中直接在機組的負(fù)荷設(shè)定中加入一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)量。再次，對一次調(diào)頻負(fù)荷限制進行合理設(shè)置，使二次調(diào)頻的允許功率偏差進行適當(dāng)增加。還有就是接收二次調(diào)頻命令時，要退出一次調(diào)頻。如果二次調(diào)頻結(jié)束之后，電網(wǎng)頻差相比較轉(zhuǎn)速死區(qū)更大，就需要要把一次調(diào)頻進行投入。最后，如果一、二次調(diào)頻反向，當(dāng)T時刻內(nèi)的一次調(diào)頻方向沒有出現(xiàn)改變，二次調(diào)頻就需要對指令進行更改，對二次調(diào)頻指令接受下發(fā)[2]。

3 儲能系統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)頻控制對策

3.1 二次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制

實施二次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制，最為重要的就是通過二次規(guī)劃的形式，對目標(biāo)函數(shù)通過數(shù)學(xué)方法解答，從而初次分配需求輸出功率。同時，可以通過儲能系統(tǒng)的反應(yīng)能力，及時修正輸出功率的分配情況，實現(xiàn)最佳的優(yōu)化狀態(tài)，確保發(fā)電機組的有序穩(wěn)定運行。

對于常規(guī)機組，發(fā)電機基點功率也就是最優(yōu)的運行點，在附近運行的常規(guī)機組有更高的效率。而常規(guī)機組的技術(shù)出力范圍為運行下限和運行上限。一般情況下，常規(guī)機組的調(diào)節(jié)容量為二次調(diào)頻的備用容量，主要是在機組二次調(diào)頻中應(yīng)用。相比較于調(diào)節(jié)服務(wù)，旋轉(zhuǎn)備用有同樣的輔助服務(wù)，但從本質(zhì)上來說還存在一定的差異。首先是不同的作用。在系統(tǒng)故障出現(xiàn)之后才開始應(yīng)用旋轉(zhuǎn)備用。其次，調(diào)用條件和時間也存在很大的差異。旋轉(zhuǎn)備用只是在發(fā)生故障的情況下才進行調(diào)用，并且有一定的時間限制。最后，服務(wù)性能和充裕度的評價標(biāo)準(zhǔn)不同。旋轉(zhuǎn)備用的評價指標(biāo)是B1、B2或DCS，而調(diào)節(jié)服務(wù)的評價指標(biāo)是A1、A2或CPS1、CPS2[3]。

詳細(xì)的控制對策如下。首先，發(fā)電機要盡可能開展優(yōu)化措施。其次，按照調(diào)頻服務(wù)的相關(guān)指令，盡可能保持儲能系統(tǒng)在一定的能量范圍內(nèi)。最后，可以實時提供調(diào)頻服務(wù)。在實施控制措施時，對于前兩條措施，權(quán)重系數(shù)的大小直接決定了二次調(diào)頻的承擔(dān)數(shù)值，確定是常規(guī)機組還是儲能系統(tǒng)。如果無法滿足約束條件，如儲能系統(tǒng)的能量出現(xiàn)耗盡的情況，就需要二次調(diào)頻盡可能滿足使用需求。

3.2 電網(wǎng)調(diào)頻協(xié)調(diào)控制

通過儲能系統(tǒng)的快速功率調(diào)節(jié)特性，可以實現(xiàn)即時補償容量，基于互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的AGC的LFC，使系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定運行。為了將儲能系統(tǒng)的作用充分發(fā)揮出來，盡可能使聯(lián)絡(luò)線功率波動和電網(wǎng)頻率得到有效抑制，防止發(fā)生LFC出現(xiàn)獨立作用的現(xiàn)象。因此，需要對電力系統(tǒng)調(diào)頻儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略進行多角度深層次的研究。但目前對于這方面的研究內(nèi)容較少，主要是針對基于最小方差等指標(biāo)以及LFC控制參數(shù)和儲能系統(tǒng)控制參數(shù)。但是，該方式很難有效約束LFC調(diào)頻裝置和儲能系統(tǒng)，也沒有對系統(tǒng)負(fù)荷擾動的多樣性充分考慮，如常規(guī)機組的GRC、ACE信號延時、SOC和額定功率限制、儲能系統(tǒng)的容量。

為了使文中提到的調(diào)頻控制問題得到有效改善，就需要對MPC特點有充分的了解，打造LFC協(xié)調(diào)控制和儲能系統(tǒng)控制體系。這一體系結(jié)構(gòu)是分層分布式框架，主要涵蓋了下層的本地調(diào)頻控制器以及上層的區(qū)域協(xié)調(diào)控制器。其中，在區(qū)域協(xié)調(diào)控制器中添加GPC以及引互聯(lián)電力系統(tǒng)模型，通過應(yīng)用聯(lián)絡(luò)線功率和實時信息預(yù)測頻率的動態(tài)軌跡，建立聯(lián)絡(luò)線功率預(yù)測量、LFC輸入和儲能系統(tǒng)的關(guān)系，搭建目標(biāo)函數(shù)，使模型更加優(yōu)化。此外，不同地區(qū)的調(diào)頻控制器接收上層控制器指令，可以及時校正聯(lián)絡(luò)線功率偏差和系統(tǒng)的頻率偏差[4]。

4 結(jié) 論

雖然近些年我國經(jīng)濟實現(xiàn)了跳躍式的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也得到了進步，促進了國內(nèi)電力系統(tǒng)的發(fā)展，但是實際在開展電力活動時，調(diào)頻控制技術(shù)依然存在很多漏洞，對整個電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成了非常大的影響。對此，筆者建立了儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制系統(tǒng)技術(shù)。