電池儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化綜合控制策略

孟高軍， 張 峰， 趙 宇， 吳 田， 馬福元

(1. 南京工程學(xué)院，江蘇 南京 210000；2. 浙江省太陽能利用及節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121；3. 浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121)

1 引言

隨著化石能源的枯竭和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展、滿足能源消費(fèi)需求、改善環(huán)境質(zhì)量的有效途徑[1]。

然而新能源發(fā)電出力具有隨機(jī)性和波動性，當(dāng)大規(guī)模接入電網(wǎng)時，會產(chǎn)生功率波動等問題，使得電力系統(tǒng)有功出力與負(fù)荷之間動態(tài)不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率偏差，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2,3]。

維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求，由于新能源機(jī)組自身不具備調(diào)頻能力，因此需要配備其他形式的備用容量設(shè)備進(jìn)行新能源并網(wǎng)條件下的電網(wǎng)調(diào)頻任務(wù)。傳統(tǒng)火電調(diào)頻機(jī)組受機(jī)械特性的影響，響應(yīng)速度慢，且受蓄熱的制約，難以滿足一次調(diào)頻需求[4]。儲能(特別是電化學(xué)儲能)具有調(diào)頻速度快，容量可調(diào)等特點(diǎn)，作為一種新的調(diào)頻手段已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，而如何使得電池儲能系統(tǒng)更加高效地滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻需求則成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題[5-7]。

文獻(xiàn)[8]針對儲能電池參與電網(wǎng)調(diào)頻提出了一種下垂控制策略，按照固定的下垂系數(shù)調(diào)節(jié)儲能電池出力，可以實(shí)現(xiàn)功率的快速調(diào)節(jié)，具有較好的調(diào)頻效果；文獻(xiàn)[9]進(jìn)一步提出了一種基于虛擬下垂控制的儲能電池解決電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，并驗(yàn)證了下垂控制策略的穩(wěn)態(tài)效果；但所提控制策略均未考慮對系統(tǒng)動態(tài)特性、調(diào)頻需求及儲能電池SOC的變化與限制。文獻(xiàn)[10]雖考慮了儲能電池的SOC，但仍采用了固定功率處理參與電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)策略。而現(xiàn)有考慮SOC的策略研究中，文獻(xiàn)[11]提出了一種儲能自適應(yīng)控制策略，在電動汽車并網(wǎng)充電時，在滿足用戶充電需求的前提下，可根據(jù)功率狀況和SOC狀態(tài)為電網(wǎng)靈活提供頻率調(diào)節(jié)服務(wù)，但上述研究主要針對電動汽車充電需求的分散式儲能電池，而如何根據(jù)集中式儲能電池SOC特點(diǎn)充分發(fā)揮其輔助電網(wǎng)調(diào)頻性能具有十分重要的意義。

綜上，本文在考慮電網(wǎng)實(shí)際調(diào)頻需求的基礎(chǔ)上，提出了一種計及儲能電池SOC反饋的參與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制策略。首先，本文分析了BESS參與一次調(diào)頻的功率控制目標(biāo)；隨后在考慮電池的SOC基礎(chǔ)上，給出了不同荷電狀態(tài)下的控制策略下垂系數(shù)自適應(yīng)優(yōu)化與均衡調(diào)節(jié)控制方法，隨后，綜合調(diào)頻需求與電池SOC狀態(tài)考慮，提出了一種兼顧調(diào)頻需求和SOC的BESS綜合控制策略。最后基于MATLAB平臺，仿真驗(yàn)證了所提綜合控制策略的有效性。

2 BESS控制結(jié)構(gòu)與電網(wǎng)調(diào)頻需求分析

當(dāng)電力系統(tǒng)中負(fù)荷突然發(fā)生變化時，會導(dǎo)致系統(tǒng)中有功功率出現(xiàn)不平衡，引發(fā)系統(tǒng)頻率變化。當(dāng)BESS參與一次調(diào)頻時，就是為電力系統(tǒng)提供功率支撐，以功率變化量來補(bǔ)償頻率的變化量，以達(dá)到抑制系統(tǒng)的頻率偏差變化，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

當(dāng)前，儲能參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的方式主要是模擬同步發(fā)電機(jī)組下垂控制與慣性響應(yīng)，根據(jù)頻率偏差，通過改變功率輸出來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。

因此含虛擬慣性控制和下垂控制的BESS功率響應(yīng)表達(dá)式如式(1)所示[12]：

(1)

式中，KBESS為下垂控制系數(shù)，KBESS<0；Δf為電網(wǎng)頻率偏差；Kine為虛擬慣性系數(shù)，Kine<0；dΔf/dt為頻率變化率。

電力系統(tǒng)頻率波動狀況復(fù)雜，對于BESS的調(diào)頻控制有著不同的需求，因此，需要根據(jù)頻率偏差Δf將調(diào)頻需求進(jìn)行區(qū)域劃分，針對不同的區(qū)域采取不同的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行調(diào)頻以滿足電網(wǎng)調(diào)頻需求。對于傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)頻，通常設(shè)置機(jī)組轉(zhuǎn)速±2 r/min為一次調(diào)頻死區(qū)，根據(jù)式(2)可得一次調(diào)頻的頻率死區(qū)為0.033 Hz。

(2)

式中，n為轉(zhuǎn)速；p為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)機(jī)極對數(shù)。在電池儲能參與一次調(diào)頻過程中，為避免電池頻繁充放電，延緩設(shè)備老化，因此本文中也將儲能電池的一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為0.033 Hz。

同時根據(jù)我國電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)模對頻率偏差的要求，本文將頻率偏差在0.033～0.2 Hz范圍內(nèi)設(shè)為正常調(diào)節(jié)I、II區(qū)；將頻率偏差大于0.2 Hz區(qū)域設(shè)為緊急調(diào)節(jié)區(qū)。

因此，為更好控制電池充放電狀態(tài)，將KBESS分為Kch、Kdisch及Kmax，Kch、Kdisch分別對應(yīng)為充電狀態(tài)、放電狀態(tài)下的下垂控制的單位調(diào)節(jié)功率值，Kmax為儲能電池可達(dá)到的最大單位調(diào)節(jié)功率值。針對電網(wǎng)頻率差Δf不同的調(diào)節(jié)區(qū)域，對應(yīng)的控制方案如下：

當(dāng)│Δf│≤0.033 Hz時，處于調(diào)頻死區(qū)，為了減緩設(shè)備老化，避免不必要的頻繁動作，BESS暫不提供調(diào)頻服務(wù)，即ΔPref_BESS=0。

當(dāng)0.033 Hz<Δf≤0.2 Hz時，處于正常調(diào)節(jié)I區(qū)，電網(wǎng)頻率高于額定頻率，BESS需進(jìn)入充電模式，減緩頻率升高。

(3)

當(dāng)-0.2 Hz<Δf≤-0.033 Hz時，處于正常調(diào)節(jié)II區(qū)，電網(wǎng)頻率低于額定頻率，BESS需進(jìn)入放電模式，為電網(wǎng)提供功率支持。

(4)

當(dāng)│Δf│>0.2 Hz時，處于緊急調(diào)頻區(qū)，BESS應(yīng)以最大額定輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，即KBESS=Kmax，以確保電網(wǎng)頻率偏差盡快進(jìn)行調(diào)整，使電力系統(tǒng)在最短的時間內(nèi)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，即：

(5)

綜上，BESS參與一次調(diào)頻控制的下垂出力系數(shù)KBESS與頻率偏差Δf之間的函數(shù)關(guān)系如式(6)所示。

(6)

3 基于SOC反饋的改進(jìn)型下垂控制策略

目前，在傳統(tǒng)的基于虛擬慣性的下垂控制中，BESS在為電力系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)功率時，通常采用固定單位調(diào)節(jié)功率值參與一次調(diào)頻，由于目前儲能的容量相對于大電網(wǎng)而言仍是非常有限的，長期采用Kmax向電網(wǎng)充放電，在頻繁動作過程中，易導(dǎo)致電池長期處于過充過放狀態(tài)[13]。

此外，配置的大容量儲能系統(tǒng)通過由多個并聯(lián)BESS子系統(tǒng)組成，受各個BESS中電池制作工藝和初始電量的影響，導(dǎo)致每個BESS子系統(tǒng)存在SOC不均衡的問題。在實(shí)際參與調(diào)頻過程中，各個子系統(tǒng)均采用統(tǒng)一下垂控制方式進(jìn)行充放電，則放電模式下SOC較低或充電模式下SOC較高的儲能系統(tǒng)會提前退出調(diào)頻過程，剩余儲能系統(tǒng)必須強(qiáng)制超額出力，容易出現(xiàn)過充過放，該狀況會縮短系統(tǒng)中部分儲能系統(tǒng)的使用壽命[14]。

為此本文提出了一種基于SOC的改進(jìn)型下垂控制策略，對BESS的下垂出力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，同時，引入均衡因子，協(xié)調(diào)BESS系統(tǒng)之間的功率輸出，以提高多并聯(lián)BESS參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的整體性能。

3.1 BESS可變下垂控制自適應(yīng)優(yōu)化

δSOC是反映電池狀態(tài)值的物理量，儲能電池SOC在t時刻的值δSOC(t)的計算公式為：

(7)

式中，δSOC(t)為儲能電池的實(shí)時荷電狀態(tài)；δSOC(0)為儲能電池初始荷電狀態(tài)；ΔP為輸出有功功率。

從電池壽命考慮，首先需要對電池的SOC的值進(jìn)行約束，即：

δSOC,min≤δSOC(t)≤δSOC,max

(8)

當(dāng)儲能電池的SOC越過規(guī)定的合理區(qū)間時，電池必須要退出調(diào)頻過程，采用其他有關(guān)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)。在儲能電池SOC狀態(tài)處于正常區(qū)間時，可以考慮在SOC過高或者過低時，適當(dāng)減少BESS出力，形成一種基于SOC的可變下垂調(diào)節(jié)策略，一方面可以使得BESS更好地維持SOC，減緩其性能衰減，延長其壽命，另一方面也可以有效地避免儲能在SOC越限時，對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響，實(shí)現(xiàn)對BESS能量的優(yōu)化管理。

首先，儲能電池SOC分區(qū)示意圖如圖1所示，將BESS劃分為7個SOC區(qū)間，分別設(shè)定δSOC,max、δSOC,high+、δSOC,high-、δSOC,low-、δSOC,low+和δSOC,min。

圖1 儲能電池SOC分區(qū)示意圖

其次，在考慮SOC的基礎(chǔ)上，采取自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)的方式對BESS的調(diào)節(jié)系數(shù)KBESS進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳的充電深度，滿足調(diào)頻目標(biāo)，具體方式如下所述。

(1)當(dāng)δSOC(t)>δSOC,max或δSOC(t)<δSOC,min時，為避免BESS越限充放電，暫不提供調(diào)頻服務(wù)，停止出力。

(2)當(dāng)δSOC,low-≤δSOC(t)≤δSOC,high-時，BESS容量充足，以最大單位調(diào)節(jié)系數(shù)Kmax進(jìn)行充電或放電。

Kch=Kdisch=Kmax

(9)

(3)當(dāng)δSOC,min≤δSOC(t)<δSOC,low-時，在充分考慮系統(tǒng)調(diào)頻需求的基礎(chǔ)上，依據(jù)儲能電池的SOC，對KBESS進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。BESS充電模式下，Kch=Kmax；BESS放電模式下Kdisch的取值如式(10)、式(11)所示，即：

δSOC,min≤δSOC(t)≤δSOC,low+時

(10)

δSOC,low+<δSOC(t)<δSOC,low-時

(11)

(4)當(dāng)δSOC,high-<δSOC(t)≤δSOC,max時，在BESS處于放電模式下，Kdisch=Kmax；充電模式下，Kch的取值如式(12)、式(13)所示，即：

δSOC,high+≤δSOC(t)≤δSOC,max時

(12)

δSOC,high-<δSOC(t)<δSOC,high+時

(13)

3.2 BESS內(nèi)部電池SOC均衡策略

此外，針對系統(tǒng)中參與一次調(diào)頻的多個BESS在充放電過程中存在SOC不均衡的問題，本文在對下垂控制調(diào)節(jié)系數(shù)KBESS自適應(yīng)優(yōu)化基礎(chǔ)上，引入均衡因子G，對參與一次調(diào)頻的BESS的SOC進(jìn)行均衡化處理,將均衡因子G以乘法的關(guān)系加入到下垂控制中。即：

(14)

均衡因子G表達(dá)式為：

(15)

式中，δSOC,i為各個BESS的SOC狀態(tài)值；δSOC,ave為系統(tǒng)內(nèi)所有參與一次調(diào)頻的BESS的平均荷電狀態(tài)值；n為冪次級；kSOC為荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)。

在放電模式下，對于δSOC較高的BESS，平衡因子G較大，對儲能電池的放電速度起到加速作用，放出較多的電量；δSOC較低的BESS，平衡因子G較小，起到減速作用，放出較少的電量。充電模式下，作用反之。通過均衡因子的作用，對系統(tǒng)內(nèi)參與一次調(diào)頻的BESS承擔(dān)調(diào)頻需求進(jìn)行了再次的合理分配，有效避免部分BESS因SOC狀態(tài)不足提前退出調(diào)頻，給剩余儲能系統(tǒng)增加調(diào)頻壓力，并有效抑制了一部分儲能的過充過放，對儲能電池自恢復(fù)階段起到了良好的促進(jìn)作用，實(shí)現(xiàn)了BESS中SOC均衡。

4 BESS參與一次調(diào)頻的綜合控制策略

根據(jù)上述分析，綜合電網(wǎng)調(diào)頻偏差Δf與儲能電池SOC因素考慮，提出了BESS參與一次調(diào)頻的綜合優(yōu)化控制方法，結(jié)構(gòu)如圖2所示，運(yùn)行策略如下：

圖2 BESS參與一次調(diào)頻的綜合控制方法

(1)當(dāng)電網(wǎng)頻率差-0.2 Hz≤Δf<-0.033 Hz，需要BESS作為電源提供出力，抑制頻率下降。對BESS自身而言，當(dāng)其荷電狀態(tài)δSOC,min≤δSOC(t)<δSOC,low-時，根據(jù)式(10)、式(11)計算所得Kdisch出力，當(dāng)荷電狀態(tài)處于δSOC,low-≤δSOC(t)≤δSOC,max時，采用Kmax進(jìn)行出力。同時根據(jù)荷電狀態(tài)計算均衡因子，協(xié)調(diào)BESS之間的功率輸出。

(2)當(dāng)電網(wǎng)頻率差0.033 Hz<Δf≤0.2 Hz，需要BESS作為負(fù)荷吸收多余電量，抑制頻率抬升。對BESS自身而言，當(dāng)其荷電狀態(tài)δSOC,min≤δSOC(t)≤δSOC,high-時，采用Kmax吸收電量。當(dāng)荷電狀態(tài)處于δSOC,high-<δSOC(t)≤δSOC,max時，BESS按照式(12)、式(13)所計算的Kch吸收電量。同時根據(jù)BESS的荷電狀態(tài)計算均衡因子，協(xié)調(diào)BESS之間的功率吸收。

(3)當(dāng)電網(wǎng)頻率差|Δf|>0.2 Hz時，且δSOC,min<δSOC(t)<δSOC,max時，BESS處于緊急調(diào)頻區(qū)，所有參與調(diào)頻的BESS均以Kmax對電網(wǎng)進(jìn)行充放電，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定，確保系統(tǒng)安全為第一目標(biāo)。

(4)BESS不參與調(diào)頻狀態(tài)

當(dāng)|Δf|≤0.033 Hz時，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，BESS不參與一次調(diào)頻。

(5)BESS無法參與調(diào)頻

當(dāng)荷電狀態(tài)δSOC(t)<δSOC,min或δSOC(t)>δSOC,max，BESS參與調(diào)頻效果有限且對自身壽命造成不利影響，此時，不參與調(diào)頻。

5 仿真分析

本文選取某地電網(wǎng)作為研究對象，在Matlab/Simulink平臺中搭建其仿真模型，其一次調(diào)頻仿真模型如圖3所示。

圖3 一次調(diào)頻仿真模型簡圖

機(jī)組容量為100 MW，儲能容量為1 MW/1 MW·min，設(shè)兩個儲能子單元。以額定頻率與機(jī)組額定容量為基準(zhǔn)值進(jìn)行標(biāo)幺化。儲能最大單位調(diào)節(jié)功率Kmax為12，機(jī)組單位調(diào)節(jié)功率KG為20。TG、TCH、TRH和FHP分別為調(diào)速器時間常數(shù)、汽輪機(jī)時間常數(shù)、再熱器時間常數(shù)和再熱器增益，取值分別為0.08 s、0.3 s、10 s與0.5；M和D為電網(wǎng)慣性時間常數(shù)和負(fù)荷阻尼系數(shù)，標(biāo)幺值10和1。

為說明所提控制策略的有效性，分別針對階躍負(fù)荷和連續(xù)負(fù)荷2種典型擾動工況進(jìn)行仿真分析。

(1)階躍負(fù)荷擾動

采用本文所提綜合控制方法、定下垂控制法、線性下垂控制法以及無儲能進(jìn)行分析，在工況下的系統(tǒng)加入Pload=0.015 pu的負(fù)荷擾動。

采用不同控制方法下的頻率調(diào)整變化曲線如圖4所示，初始值δSOC=0.5的BESS在對應(yīng)控制策略下的SOC變化曲線如圖5所示。

圖4 幅值為0.015的負(fù)荷擾動頻率調(diào)整過程

圖5 調(diào)頻過程BESS的SOC變化

綜合圖4與圖5可知，其中無儲能參與的系統(tǒng)頻率下降最大，且在穩(wěn)態(tài)恢復(fù)階段，頻率穩(wěn)態(tài)偏差也最大。定下垂系數(shù)法對頻率的響應(yīng)效果最好，但是完全未考慮到自身的SOC，導(dǎo)致后期電量用盡，反而造成了頻率的突然跌落。變下垂系數(shù)法的SOC維持效果是最佳的，但是對頻率變化的抑制效果較差，暫態(tài)頻率跌落較大，沒有從一次調(diào)頻的實(shí)際需求出發(fā)。本文的方法綜合考慮了系統(tǒng)的一次調(diào)頻需求與儲能自身保持SOC的需要，在頻率破壞初期起到了較為有效的抑制作用，并隨著系統(tǒng)頻率的恢復(fù)，儲能進(jìn)入自身荷電狀態(tài)保持狀態(tài)，使得自身的SOC也處于一個較高的水平，未出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象。

本文引入均衡因子的綜合控制方法與未引入均衡因子的可變下垂控制自適應(yīng)控制的一次調(diào)頻效果對比以及SOC變化情況分別如圖6與圖7所示。

圖6 考慮均衡與未考慮均衡下的頻率變化

圖7 考慮均衡與未考慮均衡下的SOC變化

引入均衡因子與未引入均衡因子的一次調(diào)頻效果基本一致。在δSOC變化方面，引入均衡因子的儲能系統(tǒng)，δSOC處于較高水平的儲能單元出力較多，荷電狀態(tài)下降快，δSOC處于較低水平的儲能單元出力較少，荷電狀態(tài)下降慢，二者逐漸趨于一致，既有效地維持了低荷電狀態(tài)的儲能單元SOC水平，避免其提前放電完畢，退出調(diào)頻，造成頻率的突然跌落，或使剩余儲能超額出力，影響儲能壽命，又充分發(fā)揮了狀態(tài)良好的儲能單元的工作效率。

(2)連續(xù)負(fù)荷擾動

在工況系統(tǒng)中加入如圖8所示的一段連續(xù)的擾動。通過仿真可得系統(tǒng)頻率變化與初始值δSOC=0.5和δSOC=0.35的兩個儲能單元SOC變化趨勢分別如圖9、圖10所示。

圖8 10 min的連續(xù)隨機(jī)擾動

圖9 連續(xù)擾動下的頻率變化

圖10 本文控制策略下的儲能單元SOC變化

如圖9所示，在本文的控制策略下，系統(tǒng)的頻率偏差維持在了所規(guī)定的數(shù)值內(nèi)，并且在放電過程中，如圖10所示，在均衡因子的影響下，各儲能單元協(xié)調(diào)出力，SOC狀態(tài)逐漸趨于均衡化，呈現(xiàn)較好的一致性。

6 結(jié)論

本文提出一種兼顧電網(wǎng)調(diào)頻需求與電池SOC狀態(tài)的BESS參與一次調(diào)頻的綜合控制策略。在不同的調(diào)頻區(qū)間與不同的儲能電池SOC狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)BESS的出力優(yōu)化控制，既有效地實(shí)現(xiàn)了不同頻率偏差區(qū)間的頻率調(diào)節(jié)，又解決了儲能電池的過充過放問題，并合理協(xié)調(diào)了系統(tǒng)中參與一次調(diào)頻的BESS的功率輸出，提高了整體利用效率，延長了BESS的循環(huán)壽命，為未來對BESS參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)有效的研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)。