電池儲能系統(tǒng)支撐電力系統(tǒng)頻率調(diào)控策略研究

郝曉強(qiáng),劉文宇

(1.山東核電有限公司,山東 海陽 265116;2.中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司新能源工程公司技術(shù)開發(fā)部,吉林 長春 130021)

0 引 言

為響應(yīng)雙碳目標(biāo),我國新能源發(fā)展勢頭迅猛[1-3]。截至2021年底,我國新能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到7.26×108kW,其中風(fēng)電3.28×108kW、太陽能發(fā)電3.07×108kW,分別連續(xù)12年和7年穩(wěn)居全球首位。新能源發(fā)電裝機(jī)容量增加與火電機(jī)組的逐步退出會導(dǎo)致電力系統(tǒng)慣量降低,低慣量電力系統(tǒng)將面臨著較高的頻率變化率、較大的頻率偏差、分布式光伏跳閘、分布式發(fā)電機(jī)跳閘等挑戰(zhàn)。由于系統(tǒng)慣量的降低,南澳發(fā)生9.28大停電事故、英國發(fā)生8.9大停電事故,給國家經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。因此,新能源的持續(xù)接入導(dǎo)致電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定面臨巨大挑戰(zhàn),需通過頻率主動支撐技術(shù)的升級與改造以改善電網(wǎng)頻率[4-7]。

儲能因為其較強(qiáng)的新能源消納能力、較長的生命周期和較寬的工作溫度帶已成為電力系統(tǒng)最有遠(yuǎn)見意義的頻率調(diào)節(jié)的重要資源[8]。文獻(xiàn)[9-10]表明儲能因其快速響應(yīng)和持續(xù)的有功輸出能力而具有成為優(yōu)秀的頻率輔助服務(wù)手段的潛力。現(xiàn)有的儲能系統(tǒng)主要分為五類:機(jī)械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能、熱儲能和化學(xué)儲能。機(jī)械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等;電化學(xué)儲能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池;電磁儲能包括超級電容器儲能和超導(dǎo)儲能;熱儲能是將熱能儲存在隔熱容器的媒介中,適時實現(xiàn)熱能直接利用或者熱發(fā)電;化學(xué)儲能是指利用氫等化學(xué)物作為能量的載體[11-13]。

其中,電池儲能系統(tǒng)具有響應(yīng)快速、性能穩(wěn)定,控制靈活的技術(shù)特點適用于電網(wǎng)調(diào)頻,而后學(xué)者們針對新能源電網(wǎng),對電池儲能如何進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)進(jìn)行了大量研究。

文獻(xiàn)[14]研究傳統(tǒng)火電機(jī)組和儲能系統(tǒng)共同參與電網(wǎng)調(diào)頻的過程并建立模型分析;文獻(xiàn)[15]提出采用虛擬下垂控制策略,減緩電網(wǎng)頻率下降速度,但并未考慮電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC);文獻(xiàn)[16]提出同時使用下垂控制和虛擬慣性控制進(jìn)一步提高電網(wǎng)穩(wěn)定性;文獻(xiàn)[17]提出了一種綜合虛擬下垂與虛擬慣性控制的儲能一次調(diào)頻的控制方法,二者結(jié)合取得了更好的調(diào)頻效果;文獻(xiàn)[18]提出一種正慣性和負(fù)慣性控制策略相結(jié)合的方法,有效避免頻率恢復(fù)階段電池儲能對電網(wǎng)的影響。

綜上所述,本文針對電池參與高比例新能源電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)進(jìn)行研究,設(shè)計了下垂控制和加速下垂控制兩種控制方法。主要特點如下:

1)調(diào)頻策略在風(fēng)電出力突減、風(fēng)電持續(xù)波動的場景下,迅速改變電池發(fā)出的有功功率,兩種策略均提升了頻率最低點并使系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時的頻率提高,有利于電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

2)在風(fēng)機(jī)大功率突變的場景下,本文提出的策略可以快速對頻率偏差做出反應(yīng),削減電網(wǎng)中的不平衡量,避免電網(wǎng)發(fā)生大幅度震蕩,避免電網(wǎng)頻率發(fā)生二次跌落。

1 含電池儲能系統(tǒng)的一次調(diào)頻模型

1.1 電池模型

目前常用的電池數(shù)學(xué)模型主要有內(nèi)阻模型、等效電路模型、遺傳算法模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及電化學(xué)模型。由于等效電路模型結(jié)構(gòu)較為簡單,且電池能夠體現(xiàn)電阻及電容的部分特征,因此本文選取等效電路模型來模擬電池的動態(tài)與靜態(tài)性能及外特性,圖1為電池等效電路模型。電池電動勢可表示為

圖1 電池等效電路模型Fig.1 Battery equivalent circuit model

(1)

公式中:E為電池內(nèi)電勢;SOC為電池荷電狀態(tài);E0為初始內(nèi)電勢;K為極化電壓常數(shù);Au為電壓變化系數(shù);Bc為電池容量變化系數(shù);Qn為電池額定容量;i(t)為充放電電流;Ct為極化效應(yīng)系數(shù);Tb為電池溫度;SOC(0)為電池荷電狀態(tài)初值;Nb-s為電池組中電池串聯(lián)個數(shù)。

檢測電池當(dāng)前荷電狀態(tài)能夠?qū)﹄姵氐氖Ｓ嗳萘窟M(jìn)行實時反饋,SOC的大小直接反映了電池的運行狀態(tài),即處于過充、過放還是正常運行狀態(tài)。電流積分法是目前電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域中應(yīng)用較為普遍的SOC估算方法之一,利用電流積分法通過累計電流隨時間積分的變化和電池荷電狀態(tài)初始值可以獲得在任意時刻下的SOC,因此電池SOC可以表示為

(2)

公式中:SOC(0)為電池荷電狀態(tài)初值;Nb-p為電池組中電池并聯(lián)個數(shù)。

1.2 頻率響應(yīng)模型

為了對電力系統(tǒng)一次調(diào)頻特性進(jìn)行分析,建立含有電池儲能系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型。如圖2所示,一個計及電池儲能模型包含調(diào)速器、原動機(jī)、負(fù)荷的系統(tǒng)一次調(diào)頻模型:

圖2 電池并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型Fig.2 Frequency response model of battery grid connected system

其中,M為系統(tǒng)等效慣性系數(shù);D為負(fù)荷阻尼系數(shù);R為下垂系數(shù);Tt和Tg分別為調(diào)速器和原動機(jī)的時間常數(shù);Δm為調(diào)速器增量;ΔPM為原動機(jī)出力變化量;ΔPL為負(fù)荷變化量,在大擾動頻率事件研究中,通常采用階躍信號表示;ΔPbat為電池出力變化。

2 電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻策略

電池儲能通過雙向半橋型直流變流器連接到直流母線上,實現(xiàn)電池充電放電的能量雙向流動。

本文提出電池儲能參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)策略有兩種:下垂控制和加速下垂控制。

下垂控制是讓儲能通過模擬傳統(tǒng)同步機(jī)調(diào)頻時的下垂特性來參與頻率響應(yīng),表達(dá)式為

ΔPbat=KD·Δf

(3)

公式中:ΔPbat為電池出力變化量;KD為儲能下垂系數(shù);Δf為系統(tǒng)頻率變化量。

此時電池出力表達(dá)式為

Pbat=P0+KD·Δf

(4)

公式中:Pbat為電池出力;P0為系統(tǒng)擾動發(fā)生前出力初始值。

通過公式(3)～公式(4)可以看出,下垂控制實質(zhì)是儲能設(shè)備設(shè)定的一個比例系數(shù),當(dāng)檢測到頻率偏差時,通過變流器向電網(wǎng)輸送與頻率偏差成比例的有功功率,以此響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。

加速下垂控制對下垂控制進(jìn)行改進(jìn),并未改變其下垂系數(shù)而是鎖住其頻率最大偏差,讓ΔPbat始終保持在絕對值最大的值以加速電池出力變化,實現(xiàn)更快速地響應(yīng)頻率變化,此時,電池出力表達(dá)式為

Pbat=P0+KD·Δfmax

(5)

圖3為兩種調(diào)頻策略示意圖。

圖3 電池調(diào)頻策略示意圖Fig.3 Schematic diagram of battery frequency regulation strategy

3 仿真分析

為驗證本文針對電池儲能系統(tǒng)所提出的控制策略的有效性,在MATLAB/SIMULINK中搭建了電池儲能并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型。火電機(jī)組主要仿真參數(shù)如下:

表1 火電機(jī)組參數(shù)表Tab.1 Parameter table of thermal power units

風(fēng)機(jī)模型由三相電壓源和變流器組成,再由并網(wǎng)逆變器連接到電網(wǎng)。

本文電網(wǎng)為四機(jī)兩區(qū)系統(tǒng),將一臺容量為900 MW的火電機(jī)組替換為風(fēng)電機(jī)組。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 電池儲能系統(tǒng)并網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Simulation diagram of grid connection of battery energy storage system

3.1 風(fēng)機(jī)突減仿真分析

系統(tǒng)中,火電機(jī)組出力分別為0.778、0.787、0.787 p.u.,負(fù)荷大小如表2所示。電池出力300 MW,風(fēng)機(jī)在5s時出力突減300 MW,由719 MW階躍至419 MW,系統(tǒng)頻率(檢測火電機(jī)組3的頻率)和電池出力情況如圖5所示。

表2 負(fù)荷參數(shù)表Tab.2 Load parameter table

圖5 風(fēng)機(jī)功率突減300 MW的仿真結(jié)果圖Fig.5 Simulation results of a sudden reduction of 300 MW in wind turbine power

由圖5可知,當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時,系統(tǒng)頻率基本穩(wěn)定在60 Hz,當(dāng)風(fēng)機(jī)出力突減300 MW后,頻率會猛然跌落。電池不施加調(diào)頻策略時,系統(tǒng)頻率由于發(fā)生暫態(tài)過程的震蕩,頻率二次跌落,而電池施加調(diào)頻策略后,系統(tǒng)將不會出現(xiàn)頻率二次跌落現(xiàn)象,這是由于電池的額外出力使系統(tǒng)中電力不平衡量減少,減弱系統(tǒng)震蕩。

三種情景下,系統(tǒng)頻率最低點為59.835、59.850、59.850 Hz,最終系統(tǒng)過渡到另一穩(wěn)定狀態(tài),系統(tǒng)頻率分別為59.857、59.904、59.930 Hz。下垂控制可以有效改善頻率最低點,將頻率最低點提升0.015 Hz。系統(tǒng)穩(wěn)定后,下垂控制將頻率穩(wěn)定在59.904 Hz,相較于無調(diào)頻策略時提升0.047 Hz,加速下垂控制將頻率穩(wěn)定在59.930 Hz,相較于無調(diào)頻策略時提升0.073 Hz。綜上所述,系統(tǒng)在該種工況下,本文所提出的兩種調(diào)頻策略均能有效改善頻率質(zhì)量,加速下垂控制相較于下垂控制,體現(xiàn)出更優(yōu)的調(diào)頻特性。

3.2 風(fēng)機(jī)持續(xù)波動仿真分析

該種工況相較于3.1節(jié)只改變風(fēng)機(jī)出力狀況,風(fēng)機(jī)功率波動、系統(tǒng)頻率和電池出力情況如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)功率波動圖Fig.6 Simulation diagram of grid connection of battery energy storage system

由圖7可知,電網(wǎng)穩(wěn)定運行時,頻率穩(wěn)定在60 Hz,當(dāng)風(fēng)機(jī)功率受不可控因素影響,其出力持續(xù)緩慢變化時,電網(wǎng)頻率隨之緩慢變化。

圖7 風(fēng)機(jī)功率持續(xù)波動的仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulation results of continuous fluctuations in wind turbine power

當(dāng)電網(wǎng)頻率低于60Hz時,加速下垂控制表現(xiàn)更加出色,頻率更加貼近60 Hz,一旦頻率回升超過60 Hz,加速下垂由于其特性,始終以絕對值最大的頻率偏差計算電池出力參考值,導(dǎo)致電池出力并沒有減少,所以頻率反而發(fā)生偏離。而下垂控制的隨動特性就不會發(fā)生該問題。當(dāng)頻率基本穩(wěn)定時,電池采用下垂控制和加速下垂控制,頻率穩(wěn)定在59.895 Hz,相較于無調(diào)頻策略提升0.05 Hz。下垂控制、加速下垂控制均能減緩頻率下降速度。

說明本文所提出的兩種調(diào)頻策略依舊對頻率起到改善效果,但在風(fēng)機(jī)持續(xù)波動的場景下,下垂控制比加速下垂控制更優(yōu)。

4 結(jié) 論

本文針對系統(tǒng)頻率的快速調(diào)節(jié)為電池設(shè)計了下垂控制、加速下垂控制兩種頻率控制策略,在MATLAB/SIMULINK中搭建了含25%風(fēng)電比例的電池并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型,仿真結(jié)果表明:

1)在風(fēng)電出力突減、風(fēng)電持續(xù)波動的場景下,本文策略使電池短時間改變其發(fā)出的有功功率,提升了頻率最低點并使系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時的頻率提高。在風(fēng)電持續(xù)波動場景下,還可以減緩頻率下降速度。

2)在風(fēng)電出力突減的場景下,使用相應(yīng)的控制策略快速削減電網(wǎng)中的不平衡量,避免電網(wǎng)發(fā)生大幅度震蕩,避免電網(wǎng)頻率發(fā)生二次跌落。