儲(chǔ)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(tuán)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(jī)組出現(xiàn)了不穩(wěn)定性[1-2]。對(duì)此，儲(chǔ)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(chǔ)能電池與電網(wǎng)機(jī)組達(dá)到更高的適配度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)整進(jìn)行更精準(zhǔn)的控制，可以對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行二次調(diào)頻。二次調(diào)頻的過程會(huì)存在一定的信息誤差，為了增強(qiáng)儲(chǔ)能電池二次調(diào)頻過程的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，根據(jù)儲(chǔ)能電池的相關(guān)特性，結(jié)合信號(hào)分解方法與IMF 模態(tài)函數(shù)對(duì)儲(chǔ)能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻的過程進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步增強(qiáng)儲(chǔ)能電池的電網(wǎng)頻率調(diào)整能力，從整體上提高儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)機(jī)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(chǔ)能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻關(guān)系到儲(chǔ)能電池的負(fù)載量、電源容量以及電池功率等多個(gè)方面，需要綜合儲(chǔ)能電池的多方面特征進(jìn)行參數(shù)修正與優(yōu)化[4-5]。基于穩(wěn)定的電網(wǎng)需求場景，根據(jù)儲(chǔ)能電池容量、效益等方面對(duì)儲(chǔ)能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行分析研究。

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

圖1 儲(chǔ)能電池并網(wǎng)示意圖

考慮到儲(chǔ)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(dòng)態(tài)參數(shù)，然后通過ACE 信號(hào)分解方法對(duì)儲(chǔ)能電池參數(shù)提取功能頻域進(jìn)行分頻段控制，并利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對(duì)儲(chǔ)能電池參數(shù)提取功能進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算程序計(jì)算其線性相關(guān)程度[6-7]。進(jìn)行參數(shù)提取優(yōu)化的過程，主要使用IMF 模態(tài)函數(shù)對(duì)不同類型信號(hào)和不同頻域的信號(hào)進(jìn)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(chǔ)能電池局部參數(shù)t的ACE信號(hào)；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(chǔ)能電池參數(shù)經(jīng)過IMF 函數(shù)運(yùn)算后的信號(hào)尺度與信號(hào)特征，再通過信號(hào)分解運(yùn)算能夠得到電池局部參數(shù)的ACE 信號(hào)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(hào)。然后進(jìn)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(shí)刻儲(chǔ)能電池的電源容量與出力頻率；q表示此時(shí)電網(wǎng)的信號(hào)序列長度。根據(jù)該公式能夠?qū)?chǔ)能電池信號(hào)采集與參數(shù)提取結(jié)果進(jìn)行檢測，防止因信號(hào)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(hào)分解算法對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析過程優(yōu)化。在傳統(tǒng)的儲(chǔ)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(duì)參數(shù)分析過程進(jìn)行信號(hào)分解與性能優(yōu)化[10-12]。根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)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(hào)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(jìn)行信號(hào)分解。電池儲(chǔ)能單體元件數(shù)字模型如圖2 所示。

圖2 電池儲(chǔ)能單體元件數(shù)字模型

由于提高了對(duì)儲(chǔ)能電池經(jīng)濟(jì)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(jì)效益檢測評(píng)估環(huán)節(jié)[13-15]。在對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了常規(guī)的信號(hào)分解與數(shù)據(jù)分析后，運(yùn)用以下公式對(duì)各參數(shù)調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估檢測：

式（3）中，NRES表示參與二次調(diào)頻的儲(chǔ)能電池總體效益值；Ry表示總體年效益。效益評(píng)估涉及到多方面問題，不只包括經(jīng)濟(jì)效益，還涉及到儲(chǔ)能電池二次調(diào)頻后投入使用對(duì)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(chǔ)能電池應(yīng)用環(huán)境和原始效益進(jìn)行參考設(shè)定。

3 參數(shù)處理優(yōu)化

儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)信息處理程序進(jìn)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(duì)儲(chǔ)能電池容量和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)形成一個(gè)完整的認(rèn)知，然后根據(jù)儲(chǔ)能電池的承擔(dān)情況進(jìn)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(chǔ)能電池放置于模擬電網(wǎng)頻域仿真環(huán)境獲取到此時(shí)電網(wǎng)模型的ACE 信號(hào)數(shù)值，進(jìn)行ACE 信號(hào)分解運(yùn)算，得到各參數(shù)的本征模態(tài)函數(shù)分量。然后根據(jù)儲(chǔ)能電池的負(fù)荷能力范圍，選取對(duì)應(yīng)的函數(shù)分量，在負(fù)荷范圍內(nèi)盡可能選取最高值的頻域信號(hào)分量，低值的分量自動(dòng)匹配分給傳統(tǒng)的電源機(jī)能。然后根據(jù)調(diào)頻通用方法進(jìn)行局部參數(shù)調(diào)頻處理，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益檢測指標(biāo)進(jìn)行效益評(píng)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(dòng)態(tài)模型如圖4 所示。

圖4 區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻動(dòng)態(tài)模型

根據(jù)儲(chǔ)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(duì)調(diào)頻過程中的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)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(duì)應(yīng)的儲(chǔ)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(jìn)行設(shè)置，因此，可以利用通用的儲(chǔ)能電池二次調(diào)頻技術(shù)評(píng)估程序進(jìn)行參數(shù)處理技術(shù)評(píng)估檢測，其公式如下：

式（4）中，PE、PG分別表示i時(shí)刻儲(chǔ)能電池與電源機(jī)能的容量與出力頻率；P表示參數(shù)數(shù)據(jù)ACE 信號(hào)的序列長度。根據(jù)該公式能夠?qū)?chǔ)能電池二次調(diào)頻的參數(shù)數(shù)據(jù)處理技術(shù)效果進(jìn)行檢測評(píng)估，發(fā)現(xiàn)調(diào)頻過程中的問題并及時(shí)上報(bào)調(diào)整，以便儲(chǔ)能電池二次調(diào)頻的順利進(jìn)行。同時(shí)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估程序?qū)?shù)處理過程的效益進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)參數(shù)處理優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整修正。

4 實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)儲(chǔ)能電池的二次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行高效性評(píng)估是檢驗(yàn)二次調(diào)頻是否成功的重要過程。首先，對(duì)儲(chǔ)能電池的應(yīng)用環(huán)境和電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行基本條件獲取，然后，利用模態(tài)電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，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(duì)比分析檢驗(yàn)調(diào)頻后的參數(shù)是否與電網(wǎng)頻域和電源機(jī)能更匹配。

主要針對(duì)儲(chǔ)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)與對(duì)比分析。設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

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

在儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)的組合工況檢測方面，通過計(jì)算機(jī)檢測程序，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)中的傳統(tǒng)電網(wǎng)機(jī)組與調(diào)頻后的儲(chǔ)能電池機(jī)組的階躍擾動(dòng)進(jìn)行檢測。頻率偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 頻率偏差曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過二次調(diào)配后的儲(chǔ)能電池機(jī)組的電網(wǎng)頻率變化偏差較低，而且儲(chǔ)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(jī)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(shí)，進(jìn)行儲(chǔ)能電池應(yīng)急處理情況的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 儲(chǔ)能處理曲線

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在應(yīng)急調(diào)頻情況下，儲(chǔ)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(jī)組整體效率更高，與電網(wǎng)頻域的適配性更高。

進(jìn)行儲(chǔ)能電池機(jī)組連續(xù)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，用干擾信號(hào)對(duì)電池電網(wǎng)的調(diào)頻機(jī)組進(jìn)行連續(xù)的信號(hào)干擾。不同方法的抗干擾對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 抗干擾性效果對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在連續(xù)的信號(hào)干擾情況下，參數(shù)優(yōu)化后的儲(chǔ)能電池在調(diào)頻方面具有更強(qiáng)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(jī)組具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理精準(zhǔn)性。

5 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)能電池二次調(diào)頻存在的問題進(jìn)行了分析，結(jié)合信號(hào)分解方法與IMF 模態(tài)函數(shù)對(duì)儲(chǔ)能電池二次調(diào)頻的參數(shù)提取、分析與處理進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，并加入了相應(yīng)的評(píng)估程序?qū)μ幚斫Y(jié)果進(jìn)行檢測選取。然后根據(jù)儲(chǔ)能電池的實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的電網(wǎng)機(jī)組，儲(chǔ)能電池具有更強(qiáng)的調(diào)頻處理能力，在面對(duì)連續(xù)信號(hào)干擾時(shí)調(diào)頻偏差較低，比傳統(tǒng)的電網(wǎng)機(jī)組更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)。對(duì)儲(chǔ)能電池參與電網(wǎng)二次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行的研究對(duì)儲(chǔ)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(dòng)儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)設(shè)施的更新發(fā)展。