電化學(xué)儲(chǔ)能電站模型實(shí)測(cè)及仿真分析

洪權(quán), 楊丹, 熊尚峰, 孫杰懿, 李理, 丁禹

(1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 湖南 長(zhǎng)沙 410208；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004；3. 湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410208)

0 引言

規(guī)?；瘍?chǔ)能為應(yīng)對(duì)“新型電力系統(tǒng)” 架構(gòu)下,高比例新能源接入帶來(lái)的出力間歇性、 波動(dòng)性問(wèn)題提供了新的解決方案, 其中電化學(xué)儲(chǔ)能具備良好的四象限有功、 無(wú)功輸出能力及快速響應(yīng)特性, 在參與電網(wǎng)電力電量平衡之外, 還可用于調(diào)頻、 調(diào)壓及暫態(tài)無(wú)功支撐, 為電網(wǎng)優(yōu)化控制及穩(wěn)定運(yùn)行提供豐富的調(diào)控手段。 因此, 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在客戶側(cè)節(jié)能、 電網(wǎng)側(cè)調(diào)控等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用, 成為目前儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研發(fā)創(chuàng)新的重點(diǎn)領(lǐng)域和主要增長(zhǎng)點(diǎn)。 電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化控制的前提是需要準(zhǔn)確評(píng)估接入電網(wǎng)的調(diào)節(jié)特性, 因此對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能建模及模型參數(shù)實(shí)測(cè)需求也越來(lái)越高。

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的建模尚處于起步階段, 根據(jù)研究問(wèn)題不同, 既有采取簡(jiǎn)化等值模型的, 也有基于功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(power convert system, PCS) 進(jìn)行詳細(xì)建模的。 但系統(tǒng)性研究?jī)?chǔ)能電站模型的文獻(xiàn)較少, 特別是針對(duì)接入大電網(wǎng)分析的機(jī)電暫態(tài)模型的研究尚未形成體系[1－5]。 文獻(xiàn)[6] 運(yùn)用戴維南定理和模擬受控電流源這兩種方法對(duì)大容量?jī)?chǔ)能電站進(jìn)行等值仿真建模, 并在實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)儲(chǔ)能電站接入后的并網(wǎng)運(yùn)行特性進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能電站在三相、 單相短路故障中表現(xiàn)出的暫態(tài)特性與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)均有所區(qū)別。 文獻(xiàn)[7] 建立電池儲(chǔ)能的機(jī)電暫態(tài)模型, 通過(guò)阻尼轉(zhuǎn)矩法分析儲(chǔ)能電站提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的機(jī)理, 同時(shí)闡述了不同容量配置及不同接入位置對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。 文獻(xiàn)[8] 使用諾頓等效電路搭建了多臺(tái)PCS 并聯(lián)仿真運(yùn)行模型并對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析, 但單臺(tái)電站與并聯(lián)電站的規(guī)格均與現(xiàn)役主流儲(chǔ)能電站不符。 文獻(xiàn)[9] 參照光儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建了光儲(chǔ)聯(lián)合電站模型, 從而研究?jī)?chǔ)能設(shè)備在電站控制中的應(yīng)用, 但未考慮到具體電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 文獻(xiàn)[10]考慮多PCS 并聯(lián)耦合因素, 基于單PCS 建模構(gòu)建了多PCS 并聯(lián)拓?fù)涞脑敿?xì)儲(chǔ)能電站仿真模型。

上述建模分析多基于儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)資料及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù), 缺少與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)特性的對(duì)比, 尚無(wú)法直接應(yīng)用于實(shí)際電網(wǎng)的仿真分析計(jì)算。 為形成適用于規(guī)?；瘍?chǔ)能接入電網(wǎng)分析用機(jī)電仿真模型, 本文就電化學(xué)儲(chǔ)能電站控制系統(tǒng)模型現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及建模方法進(jìn)行探討。

1 電化學(xué)儲(chǔ)能電站控制系統(tǒng)模型解析

電化學(xué)儲(chǔ)能電站控制主要依靠電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)、 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)、 能量管理系統(tǒng) ( energy management system, EMS) 三者協(xié)同實(shí)現(xiàn)。 其中BMS 主要負(fù)責(zé)對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)； PCS 實(shí)現(xiàn)電池存儲(chǔ)能量的功率變換； EMS 主要負(fù)責(zé)接收上級(jí)調(diào)度指令, 實(shí)現(xiàn)對(duì)各PCS 功率指令的分配及控制。 功率轉(zhuǎn)化主要在PCS 實(shí)現(xiàn), 因此儲(chǔ)能參與電網(wǎng)的建模主要是對(duì)PCS 控制策略進(jìn)行建模, 而在儲(chǔ)能接入電網(wǎng)分析的應(yīng)用場(chǎng)景下, 儲(chǔ)能被抽象為具備各種控制策略的可控功率源[11], 模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 儲(chǔ)能電站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCS 并網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 主要采用功率、 電流雙環(huán)的控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)充放電功率的控制, 功率指令轉(zhuǎn)化為電流指令后, 通過(guò)PI 控制及前饋補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)跟蹤, 以及有功、 無(wú)功解耦控制。 配置有一次調(diào)頻、 慣量支撐、 高低電壓穿越控制等功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)支撐[12]。

當(dāng)dq坐標(biāo)系與電網(wǎng)電壓矢量E同步旋轉(zhuǎn), 系統(tǒng)有功、 無(wú)功呈現(xiàn)與d、q軸電流的純比例特性,進(jìn)一步地, 忽略電網(wǎng)電勢(shì)波動(dòng), 則ed為一定值,根據(jù)圖1 所示結(jié)構(gòu), 則有:

式中,ed、eq為電動(dòng)勢(shì)矢量Edq的d、q軸分量；ud、uq為三相逆變器交流側(cè)電壓矢量Udq的d、q軸分量；id、iq為三相逆變器交流側(cè)電流矢量Idq的d、q軸分量。

在功率給定環(huán)節(jié)附加頻率偏差控制(圖1 虛線框部分) 實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻及慣量響應(yīng)功能[13－14],即有:

式中,Tg為慣性時(shí)間常數(shù)；Tgs為慣量響應(yīng)系數(shù)；D為一次調(diào)頻系數(shù)。

2 儲(chǔ)能模型現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及參數(shù)辨識(shí)方法

根據(jù)前述模型分析, 模型中涉及的參數(shù)主要有兩大類, 即控制類參數(shù), 如功率環(huán)、 電流環(huán)PID參數(shù)等； 另一類為公式類參數(shù), 如一次調(diào)頻的死區(qū)、 斜率、 低電壓穿越的無(wú)功電流給定計(jì)算的相關(guān)參數(shù)等。 對(duì)于公式類參數(shù), 只需根據(jù)實(shí)測(cè)響應(yīng)按照相關(guān)公式進(jìn)行驗(yàn)算即可, 應(yīng)用廠家預(yù)設(shè)值即可得到與實(shí)測(cè)特性一致的仿真效果； 而PID 參數(shù), 涉及內(nèi)部定標(biāo)的處理及轉(zhuǎn)換, 又或是廠商出于技術(shù)保密不予提供, 此時(shí)一般需要通過(guò)參數(shù)辨識(shí)的方法對(duì)控制環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行仿真確定。

在參數(shù)辨識(shí)領(lǐng)域, 遺傳、 粒子群、 狼群等各類智能算法應(yīng)用得較多, 本質(zhì)都是反復(fù)迭代計(jì)算, 通過(guò)有策略地調(diào)整參數(shù)以盡快獲得滿足迭代目標(biāo)的結(jié)果, 本文選用粒子群算法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。 儲(chǔ)能控制系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)基本流程如下。

1) 針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站變流器廣泛采用的控制方法, 根據(jù)機(jī)電仿真需要, 建立如圖1 所示的機(jī)電控制模型, 包含基于有功功率偏差、 無(wú)功功率偏差生成電流控制指令的PI 控制環(huán)節(jié), 將虛線框內(nèi)視為一個(gè)整體, 根據(jù)電流指令計(jì)算輸出儲(chǔ)能裝置的有功、 無(wú)功功率。

2) 對(duì)變流器進(jìn)行有功、 無(wú)功功率指令階躍擾動(dòng), 記錄有功功率、 無(wú)功功率隨時(shí)間的變化曲線。計(jì)算有功功率、 無(wú)功功率階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線的超調(diào)量、 響應(yīng)時(shí)間、 調(diào)節(jié)時(shí)間。

3) 搭建儲(chǔ)能變流器單機(jī)仿真模型, 按照試驗(yàn)工況對(duì)變流器分別進(jìn)行有功、 無(wú)功功率指令階躍擾動(dòng)試驗(yàn), 獲得相同擾動(dòng)下的有功功率、 無(wú)功功率階躍擾動(dòng)仿真曲線, 計(jì)算超調(diào)量σi、 響應(yīng)時(shí)間tr,i、調(diào)節(jié)時(shí)間ts,i。

4) 構(gòu)建曲線擬合適應(yīng)度函數(shù)

5) 以適應(yīng)度函數(shù)值最小為目標(biāo)進(jìn)行粒子群迭代優(yōu)化計(jì)算, 當(dāng)粒子迭代結(jié)果收斂或者達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí), 將適應(yīng)度最小的粒子參數(shù)進(jìn)行輸出, 確定辨識(shí)參數(shù), 流程如圖2 所示。

圖2 參數(shù)辨識(shí)流程

在PSASP 中搭建儲(chǔ)能單變流器模型[15－20], 設(shè)置功率環(huán)節(jié)初始運(yùn)行點(diǎn)為有功2 000 kW、 無(wú)功1 000 kvar。 設(shè)定a＝0.4、b＝0.3、c＝0.3。

辨識(shí)有功、 無(wú)功控制PID 參數(shù), 即Kp＿Ip、Ki＿Ip、Kp＿Iq、Ki＿Iq, 尋優(yōu)范圍為0.01 ～30, 最大迭代次數(shù)10, 種群數(shù)8。

根據(jù)設(shè)置種群數(shù), 在設(shè)定的參數(shù)變化范圍內(nèi),隨機(jī)生成待辨識(shí)參數(shù)的粒子取值, 即每個(gè)參數(shù)設(shè)置8 組初始值, 作為初代粒子帶入仿真模型進(jìn)行計(jì)算, 獲得仿真曲線, 計(jì)算響應(yīng)指標(biāo)超調(diào)量、 響應(yīng)時(shí)間、 調(diào)節(jié)時(shí)間。 根據(jù)公式計(jì)算適應(yīng)度, 選取適應(yīng)度最小的粒子作為當(dāng)前代最優(yōu)粒子, 生成新一代的粒子。 最終經(jīng)確定的辨識(shí)參數(shù)取值為Kp＿Ip＝0.1、Ki＿Ip＝2、Kp＿Iq＝0.1、Ki＿Iq＝0.5。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相同的階躍(有功階躍由2 000 kW 至2 500 kW, 無(wú)功階躍由1 000 kvar 至1 500 kvar) 仿真對(duì)比, 仿真結(jié)果如圖3 所示。 對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1, 仿真的有功、 無(wú)功曲線及超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、 調(diào)整時(shí)間及振蕩次數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)與實(shí)測(cè)曲線偏差均在允許偏差范圍內(nèi), 表明辨識(shí)的仿真參數(shù)可較好地反映設(shè)備實(shí)際響應(yīng)特性。

表1 變流器功率階躍響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖3 儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比

3 儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)效果分析

以湖南地區(qū)2022 年下半年電網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),瀟湘特高壓交流7 回出線, 特高壓荊瀟雙回線路投運(yùn), 考慮儲(chǔ)能電站分別接入長(zhǎng)沙榔梨和延農(nóng)、 永州螞蝗塘、 郴州韭菜坪、 婁底九侖、 邵陽(yáng)磨石110 kV變電站, 計(jì)算方式選取高峰負(fù)荷方式； 湖南35 000 MW負(fù)荷, 祁韶計(jì)算值3 300 MW； 計(jì)算數(shù)據(jù)中長(zhǎng)沙、 郴州、 永州、 婁底、 邵陽(yáng)地區(qū)含110 kV網(wǎng)絡(luò), 電網(wǎng)負(fù)荷均采用65%馬達(dá)比例＋35%恒阻抗模型。

根據(jù)電化學(xué)儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)技術(shù)條件要求,電化學(xué)儲(chǔ)能電站的功率調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間、 超調(diào)量等均有標(biāo)準(zhǔn)要求, 基于實(shí)測(cè)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站調(diào)節(jié)效果具有一定的代表性。 為評(píng)估儲(chǔ)能規(guī)?；尤腚娋W(wǎng)的支撐效果, 其他未實(shí)測(cè)儲(chǔ)能電站以實(shí)測(cè)參數(shù)套用方式進(jìn)行仿真計(jì)算。

計(jì)算方式: 湖南負(fù)荷35 000 MW, 祁韶3 300 MW, 鄂湘4 270 MW, 交流整體外受電8 240 MW, 湖南省內(nèi)220 kV 及以上機(jī)組旋備4 270 MW, 株洲調(diào)相機(jī)開(kāi)機(jī)1 臺(tái)。

長(zhǎng)沙特－星城雙回星城側(cè)三永故障N－2 故障下, 湖南電網(wǎng)電壓恢復(fù)曲線如圖4 所示, 各地區(qū)曲線均選取區(qū)域內(nèi)恢復(fù)最慢的部分。

圖4 長(zhǎng)沙特－星城雙回星城側(cè)三永故障N－2,湖南110 kV 母線電壓恢復(fù)曲線

長(zhǎng)沙特－星城雙回星城側(cè)三永故障N－2 后, 長(zhǎng)沙地區(qū)110 kV 曹家坪母線電壓曲線恢復(fù)最慢, 故障后約4 s 恢復(fù)至0.9 p.u., 其他地區(qū)母線電壓均在故障發(fā)生1 s 后恢復(fù)至0.9 p.u. 及以上。

長(zhǎng)沙榔梨24 MW/48 MW·h、 延農(nóng)10 MW/20 MW·h、 永州螞蝗塘20 MW/40 MW·h、 郴州韭菜坪22.5 MW/45 MW·h、 婁底九侖7.5 MW/15 MW·h、 邵陽(yáng)磨石10 MW/20 MW·h 共6 座儲(chǔ)能電站接入系統(tǒng), 各儲(chǔ)能電站均處于熱備用狀態(tài),考慮儲(chǔ)能接入后的電壓支撐效果如圖5、 圖6 所示。 圖5 中藍(lán)色曲線為基礎(chǔ)方式, 綠色曲線為采用實(shí)測(cè)參數(shù)的儲(chǔ)能接入后方式, 紅色曲線為采用典型參數(shù)的儲(chǔ)能接入后方式。

圖5 負(fù)荷中心110 kV 母線電壓恢復(fù)曲線

圖6 榔梨儲(chǔ)能站儲(chǔ)能無(wú)功輸出曲線

從曲線對(duì)比可以看出, 接入儲(chǔ)能后曹家坪110 kV母線電壓恢復(fù)速度有所提升, 表明儲(chǔ)能對(duì)于改善電網(wǎng)暫態(tài)電壓特性具有支撐作用, 但實(shí)測(cè)參數(shù)的效果不如典型參數(shù)(表2)。 從儲(chǔ)能輸出曲線來(lái)看, 實(shí)測(cè)參數(shù)仿真中儲(chǔ)能的輸出比典型參數(shù)輸出要低, 因而電壓恢復(fù)效果較差。 主要是實(shí)測(cè)參數(shù)部分考慮了低穿參數(shù), 即啟用低穿功能, 而典型參數(shù)并未啟用, 這導(dǎo)致了兩套參數(shù)在同一故障擾動(dòng)下輸出特性的不同, 也說(shuō)明了實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)特性評(píng)估的重要性。

表2 典型參數(shù)與實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了電化學(xué)儲(chǔ)能電站控制系統(tǒng)的典型架構(gòu), 結(jié)合關(guān)鍵性能指標(biāo), 設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法。 通過(guò)提取關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行辨識(shí), 獲得與實(shí)測(cè)特性一致度較高的仿真用模型參數(shù), 并基于湖南電網(wǎng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。 仿真分析表明, 儲(chǔ)能電站對(duì)于改善電網(wǎng)暫態(tài)電壓恢復(fù)特性具有一定的支撐作用, 需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行評(píng)估。