儲能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化

常 康，周 天，張海寧，劉韶峰

（1.南瑞集團有限公司/國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京 211106；2.國網(wǎng)青海省電力公司，青海西寧 810008）

隨著新型電力能源的不斷發(fā)展，電力資源已成為人們生產(chǎn)生活不可缺少的資源。因此，電力資源應(yīng)用范圍越來越廣，相應(yīng)地也出現(xiàn)了一些問題，特別是大規(guī)模的電網(wǎng)機組出現(xiàn)了不穩(wěn)定性[1-2]。對此，儲能電池與電網(wǎng)的組合應(yīng)用技術(shù)得到了廣泛關(guān)注[3]。

目前，為了使儲能電池與電網(wǎng)機組達到更高的適配度，以實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率調(diào)整進行更精準(zhǔn)的控制，可以對儲能電池進行二次調(diào)頻。二次調(diào)頻的過程會存在一定的信息誤差，為了增強儲能電池二次調(diào)頻過程的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，根據(jù)儲能電池的相關(guān)特性，結(jié)合信號分解方法與IMF 模態(tài)函數(shù)對儲能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻的過程進行了相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，進一步增強儲能電池的電網(wǎng)頻率調(diào)整能力，從整體上提高儲能電池與電網(wǎng)機組的調(diào)頻處理能力與電力能源控制能力。

1 參數(shù)提取優(yōu)化

儲能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻關(guān)系到儲能電池的負載量、電源容量以及電池功率等多個方面，需要綜合儲能電池的多方面特征進行參數(shù)修正與優(yōu)化[4-5]?；诜€(wěn)定的電網(wǎng)需求場景，根據(jù)儲能電池容量、效益等方面對儲能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化進行分析研究。

參數(shù)檢測首先需要對儲能電池自身的原始參數(shù)進行檢測提取，因此，對儲能電池進行參數(shù)優(yōu)化需要先優(yōu)化電池參數(shù)提取功能。儲能電池并網(wǎng)示意圖如圖1 所示。

圖1 儲能電池并網(wǎng)示意圖

考慮到儲能電池自身的特殊性，根據(jù)電池性能特征調(diào)整匹配的電網(wǎng)動態(tài)參數(shù)，然后通過ACE 信號分解方法對儲能電池參數(shù)提取功能頻域進行分頻段控制，并利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法對儲能電池參數(shù)提取功能進行調(diào)頻優(yōu)化，分解出各部分具體的參數(shù)信息以及不同頻段下的參數(shù)變化，通過計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運算程序計算其線性相關(guān)程度[6-7]。進行參數(shù)提取優(yōu)化的過程，主要使用IMF 模態(tài)函數(shù)對不同類型信號和不同頻域的信號進行模態(tài)采集與提取優(yōu)化，主要過程如下：

式（1）中，SACE(t)表示儲能電池局部參數(shù)t的ACE信號；IIMF.i()

t表示該部分參數(shù)的本征模態(tài)函數(shù)；m表示本征模態(tài)函數(shù)的總體數(shù)量；rn(t)表示函數(shù)的殘余分量。通過該公式能夠得到儲能電池參數(shù)經(jīng)過IMF 函數(shù)運算后的信號尺度與信號特征，再通過信號分解運算能夠得到電池局部參數(shù)的ACE 信號表示情況，且能夠根據(jù)頻率差異具體劃分為不同類別的子信號。然后進行參數(shù)提取的二次調(diào)頻優(yōu)化效果檢測，如式（2）所示：

式（2）中，PE、PG分別表示在i時刻儲能電池的電源容量與出力頻率；q表示此時電網(wǎng)的信號序列長度。根據(jù)該公式能夠?qū)δ茈姵匦盘柌杉c參數(shù)提取結(jié)果進行檢測，防止因信號干擾導(dǎo)致信息采集出現(xiàn)失誤，影響整體調(diào)頻優(yōu)化效果[8-9]。

2 參數(shù)分析優(yōu)化

在參數(shù)提取優(yōu)化后，需要利用電網(wǎng)參數(shù)模擬仿真和信號分解算法對參數(shù)數(shù)據(jù)進行分析過程優(yōu)化。在傳統(tǒng)的儲能電池參數(shù)和電網(wǎng)模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合參數(shù)提取過程優(yōu)化調(diào)整對參數(shù)分析過程進行信號分解與性能優(yōu)化[10-12]。根據(jù)傳統(tǒng)機能電源的放電功率和電網(wǎng)頻域相關(guān)情況調(diào)整參數(shù)分析指標(biāo)數(shù)據(jù)，并將利用參數(shù)提取過程獲取的信號信息數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析規(guī)則相結(jié)合，再利用ACE 方法進行信號分解。電池儲能單體元件數(shù)字模型如圖2 所示。

圖2 電池儲能單體元件數(shù)字模型

由于提高了對儲能電池經(jīng)濟效益方面的檢測標(biāo)準(zhǔn)，在參數(shù)分析過程中也增加了經(jīng)濟效益檢測評估環(huán)節(jié)[13-15]。在對參數(shù)數(shù)據(jù)進行了常規(guī)的信號分解與數(shù)據(jù)分析后，運用以下公式對各參數(shù)調(diào)頻的經(jīng)濟效益進行評估檢測：

式（3）中，NRES表示參與二次調(diào)頻的儲能電池總體效益值；Ry表示總體年效益。效益評估涉及到多方面問題，不只包括經(jīng)濟效益，還涉及到儲能電池二次調(diào)頻后投入使用對電網(wǎng)容量、能源消耗、效率調(diào)整等方面帶來的影響。因此，年效益指標(biāo)的設(shè)定需根據(jù)具體的儲能電池應(yīng)用環(huán)境和原始效益進行參考設(shè)定。

3 參數(shù)處理優(yōu)化

儲能電池參數(shù)處理過程是二次調(diào)頻過程中的重要環(huán)節(jié)，需要對數(shù)據(jù)信息處理程序進行技術(shù)優(yōu)化。首先根據(jù)獲取到的各部分調(diào)頻參數(shù)對儲能電池容量和電網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)形成一個完整的認知，然后根據(jù)儲能電池的承擔(dān)情況進行具體的技術(shù)調(diào)整[16]。參數(shù)處理優(yōu)化流程如圖3 所示。

圖3 參數(shù)處理優(yōu)化流程

將儲能電池放置于模擬電網(wǎng)頻域仿真環(huán)境獲取到此時電網(wǎng)模型的ACE 信號數(shù)值，進行ACE 信號分解運算，得到各參數(shù)的本征模態(tài)函數(shù)分量。然后根據(jù)儲能電池的負荷能力范圍，選取對應(yīng)的函數(shù)分量，在負荷范圍內(nèi)盡可能選取最高值的頻域信號分量，低值的分量自動匹配分給傳統(tǒng)的電源機能。然后根據(jù)調(diào)頻通用方法進行局部參數(shù)調(diào)頻處理，并根據(jù)經(jīng)濟效益檢測指標(biāo)進行效益評估，選取最適合的調(diào)頻配置結(jié)果。區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻動態(tài)模型如圖4 所示。

圖4 區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻動態(tài)模型

根據(jù)儲能電池參與二次調(diào)頻過程中的各部分參數(shù)指標(biāo)及優(yōu)化調(diào)整的情況，對調(diào)頻過程中的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化。具體的技術(shù)參數(shù)調(diào)整需要根據(jù)對應(yīng)的儲能電池參數(shù)設(shè)定和二次調(diào)頻參與的部分指標(biāo)數(shù)據(jù)進行設(shè)置，因此，可以利用通用的儲能電池二次調(diào)頻技術(shù)評估程序進行參數(shù)處理技術(shù)評估檢測，其公式如下：

式（4）中，PE、PG分別表示i時刻儲能電池與電源機能的容量與出力頻率；P表示參數(shù)數(shù)據(jù)ACE 信號的序列長度。根據(jù)該公式能夠?qū)δ茈姵囟握{(diào)頻的參數(shù)數(shù)據(jù)處理技術(shù)效果進行檢測評估，發(fā)現(xiàn)調(diào)頻過程中的問題并及時上報調(diào)整，以便儲能電池二次調(diào)頻的順利進行。同時，結(jié)合經(jīng)濟效益評估程序?qū)?shù)處理過程的效益進行評估，并根據(jù)評估結(jié)果對參數(shù)處理優(yōu)化結(jié)果進行調(diào)整修正。

4 實驗研究

對儲能電池的二次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化方法進行高效性評估是檢驗二次調(diào)頻是否成功的重要過程。首先，對儲能電池的應(yīng)用環(huán)境和電網(wǎng)參數(shù)進行基本條件獲取，然后，利用模態(tài)電網(wǎng)模型進行仿真實驗，獲取關(guān)于二次調(diào)頻的部分參數(shù)調(diào)整前后的數(shù)據(jù)變化情況，并通過對比分析檢驗調(diào)頻后的參數(shù)是否與電網(wǎng)頻域和電源機能更匹配。

主要針對儲能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化前后的結(jié)果進行仿真實驗與對比分析。設(shè)置實驗參數(shù)如表1 所示。

表1 實驗參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)進行實驗，采用傳統(tǒng)的儲能電池與電網(wǎng)組合在適當(dāng)?shù)膱鼍芭渲弥羞\行參數(shù)提取檢測，在此基礎(chǔ)上進行儲能電池的二次調(diào)頻，并結(jié)合ACE 信號分解算法，在同一場景條件下進行優(yōu)化參數(shù)提取檢測。通過對參數(shù)信號數(shù)據(jù)的分解與分析，對調(diào)頻數(shù)據(jù)參數(shù)信息進行綜合提取、分析、處理，并通過相應(yīng)的評估程序，檢驗調(diào)頻效果是否符合應(yīng)用與效益要求。

在儲能電池與電網(wǎng)的組合工況檢測方面，通過計算機檢測程序，對仿真實驗中的傳統(tǒng)電網(wǎng)機組與調(diào)頻后的儲能電池機組的階躍擾動進行檢測。頻率偏差實驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 頻率偏差曲線

實驗結(jié)果表明，經(jīng)過二次調(diào)配后的儲能電池機組的電網(wǎng)頻率變化偏差較低，而且儲能電池的出力一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)；而傳統(tǒng)的電池機組頻率變化偏差較大，電池出力較小，且恢復(fù)能力較弱。

同時，進行儲能電池應(yīng)急處理情況的實驗，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 儲能處理曲線

分析實驗結(jié)果可知，在應(yīng)急調(diào)頻情況下，儲能電池反應(yīng)速度更快，反應(yīng)靈敏度更高，能夠直接接收參數(shù)信息的傳輸，并且參數(shù)處理與分析的過程更快，結(jié)果更準(zhǔn)確，相比于傳統(tǒng)的電池機組整體效率更高，與電網(wǎng)頻域的適配性更高。

進行儲能電池機組連續(xù)擾動實驗，用干擾信號對電池電網(wǎng)的調(diào)頻機組進行連續(xù)的信號干擾。不同方法的抗干擾對比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 抗干擾性效果對比

圖7 中，抗干擾系數(shù)越高，說明調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化的抗干擾效果越好。實驗結(jié)果表明，在連續(xù)的信號干擾情況下，參數(shù)優(yōu)化后的儲能電池在調(diào)頻方面具有更強的處理能力，能夠使頻率調(diào)整偏差保持在極小的范圍內(nèi)，相比于傳統(tǒng)電池機組具有較強的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理精準(zhǔn)性。

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前儲能電池二次調(diào)頻存在的問題進行了分析，結(jié)合信號分解方法與IMF 模態(tài)函數(shù)對儲能電池二次調(diào)頻的參數(shù)提取、分析與處理進行了優(yōu)化調(diào)整，并加入了相應(yīng)的評估程序?qū)μ幚斫Y(jié)果進行檢測選取。然后根據(jù)儲能電池的實際應(yīng)用場景進行了仿真實驗，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的電網(wǎng)機組，儲能電池具有更強的調(diào)頻處理能力，在面對連續(xù)信號干擾時調(diào)頻偏差較低，比傳統(tǒng)的電網(wǎng)機組更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)。對儲能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化進行的研究對儲能電池調(diào)頻的相關(guān)領(lǐng)域具有一定的參考作用，有利于推動儲能電池與電網(wǎng)設(shè)施的更新發(fā)展。