電化學儲能電站模型實測及仿真分析

洪權, 楊丹, 熊尚峰, 孫杰懿, 李理, 丁禹

(1. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院, 湖南 長沙 410208；2. 國網湖南省電力有限公司, 湖南 長沙 410004；3. 湖南省湘電試驗研究院有限公司, 湖南 長沙 410208)

0 引言

規模化儲能為應對“新型電力系統” 架構下,高比例新能源接入帶來的出力間歇性、 波動性問題提供了新的解決方案, 其中電化學儲能具備良好的四象限有功、 無功輸出能力及快速響應特性, 在參與電網電力電量平衡之外, 還可用于調頻、 調壓及暫態無功支撐, 為電網優化控制及穩定運行提供豐富的調控手段。 因此, 電化學儲能技術在客戶側節能、 電網側調控等領域已得到廣泛應用, 成為目前儲能產業研發創新的重點領域和主要增長點。 電化學儲能應用于電網調度優化控制的前提是需要準確評估接入電網的調節特性, 因此對于電化學儲能建模及模型參數實測需求也越來越高。

目前國內外有關電化學儲能電站的建模尚處于起步階段, 根據研究問題不同, 既有采取簡化等值模型的, 也有基于功率轉換系統(power convert system, PCS) 進行詳細建模的。 但系統性研究儲能電站模型的文獻較少, 特別是針對接入大電網分析的機電暫態模型的研究尚未形成體系[1－5]。 文獻[6] 運用戴維南定理和模擬受控電流源這兩種方法對大容量儲能電站進行等值仿真建模, 并在實際系統中對儲能電站接入后的并網運行特性進行研究, 發現儲能電站在三相、 單相短路故障中表現出的暫態特性與傳統交流系統均有所區別。 文獻[7] 建立電池儲能的機電暫態模型, 通過阻尼轉矩法分析儲能電站提高電網暫態穩定的機理, 同時闡述了不同容量配置及不同接入位置對暫態穩定的影響。 文獻[8] 使用諾頓等效電路搭建了多臺PCS 并聯仿真運行模型并對穩定性進行了分析, 但單臺電站與并聯電站的規格均與現役主流儲能電站不符。 文獻[9] 參照光儲系統結構搭建了光儲聯合電站模型, 從而研究儲能設備在電站控制中的應用, 但未考慮到具體電站拓撲結構。 文獻[10]考慮多PCS 并聯耦合因素, 基于單PCS 建模構建了多PCS 并聯拓撲的詳細儲能電站仿真模型。

上述建模分析多基于儲能電站設計資料及實驗室測試數據, 缺少與現場實測特性的對比, 尚無法直接應用于實際電網的仿真分析計算。 為形成適用于規模化儲能接入電網分析用機電仿真模型, 本文就電化學儲能電站控制系統模型現場實測及建模方法進行探討。

1 電化學儲能電站控制系統模型解析

電化學儲能電站控制主要依靠電池管理系統(battery management system, BMS)、 功率轉換系統(PCS)、 能量管理系統 ( energy management system, EMS) 三者協同實現。 其中BMS 主要負責對電池運行狀態的監測； PCS 實現電池存儲能量的功率變換； EMS 主要負責接收上級調度指令, 實現對各PCS 功率指令的分配及控制。 功率轉化主要在PCS 實現, 因此儲能參與電網的建模主要是對PCS 控制策略進行建模, 而在儲能接入電網分析的應用場景下, 儲能被抽象為具備各種控制策略的可控功率源[11], 模型結構如圖1 所示。

圖1 儲能電站控制系統結構

PCS 并網運行時, 主要采用功率、 電流雙環的控制結構實現充放電功率的控制, 功率指令轉化為電流指令后, 通過PI 控制及前饋補償方式實現電流的閉環跟蹤, 以及有功、 無功解耦控制。 配置有一次調頻、 慣量支撐、 高低電壓穿越控制等功能,實現對電網的動態支撐[12]。

當dq坐標系與電網電壓矢量E同步旋轉, 系統有功、 無功呈現與d、q軸電流的純比例特性,進一步地, 忽略電網電勢波動, 則ed為一定值,根據圖1 所示結構, 則有:

式中,ed、eq為電動勢矢量Edq的d、q軸分量；ud、uq為三相逆變器交流側電壓矢量Udq的d、q軸分量；id、iq為三相逆變器交流側電流矢量Idq的d、q軸分量。

在功率給定環節附加頻率偏差控制(圖1 虛線框部分) 實現一次調頻及慣量響應功能[13－14],即有:

式中,Tg為慣性時間常數；Tgs為慣量響應系數；D為一次調頻系數。

2 儲能模型現場實測及參數辨識方法

根據前述模型分析, 模型中涉及的參數主要有兩大類, 即控制類參數, 如功率環、 電流環PID參數等； 另一類為公式類參數, 如一次調頻的死區、 斜率、 低電壓穿越的無功電流給定計算的相關參數等。 對于公式類參數, 只需根據實測響應按照相關公式進行驗算即可, 應用廠家預設值即可得到與實測特性一致的仿真效果； 而PID 參數, 涉及內部定標的處理及轉換, 又或是廠商出于技術保密不予提供, 此時一般需要通過參數辨識的方法對控制環節參數進行仿真確定。

在參數辨識領域, 遺傳、 粒子群、 狼群等各類智能算法應用得較多, 本質都是反復迭代計算, 通過有策略地調整參數以盡快獲得滿足迭代目標的結果, 本文選用粒子群算法進行參數辨識。 儲能控制系統參數辨識基本流程如下。

1) 針對電化學儲能電站變流器廣泛采用的控制方法, 根據機電仿真需要, 建立如圖1 所示的機電控制模型, 包含基于有功功率偏差、 無功功率偏差生成電流控制指令的PI 控制環節, 將虛線框內視為一個整體, 根據電流指令計算輸出儲能裝置的有功、 無功功率。

2) 對變流器進行有功、 無功功率指令階躍擾動, 記錄有功功率、 無功功率隨時間的變化曲線。計算有功功率、 無功功率階躍擾動響應曲線的超調量、 響應時間、 調節時間。

3) 搭建儲能變流器單機仿真模型, 按照試驗工況對變流器分別進行有功、 無功功率指令階躍擾動試驗, 獲得相同擾動下的有功功率、 無功功率階躍擾動仿真曲線, 計算超調量σi、 響應時間tr,i、調節時間ts,i。

4) 構建曲線擬合適應度函數

5) 以適應度函數值最小為目標進行粒子群迭代優化計算, 當粒子迭代結果收斂或者達到最大迭代次數時, 將適應度最小的粒子參數進行輸出, 確定辨識參數, 流程如圖2 所示。

圖2 參數辨識流程

在PSASP 中搭建儲能單變流器模型[15－20], 設置功率環節初始運行點為有功2 000 kW、 無功1 000 kvar。 設定a＝0.4、b＝0.3、c＝0.3。

辨識有功、 無功控制PID 參數, 即Kp＿Ip、Ki＿Ip、Kp＿Iq、Ki＿Iq, 尋優范圍為0.01 ～30, 最大迭代次數10, 種群數8。

根據設置種群數, 在設定的參數變化范圍內,隨機生成待辨識參數的粒子取值, 即每個參數設置8 組初始值, 作為初代粒子帶入仿真模型進行計算, 獲得仿真曲線, 計算響應指標超調量、 響應時間、 調節時間。 根據公式計算適應度, 選取適應度最小的粒子作為當前代最優粒子, 生成新一代的粒子。 最終經確定的辨識參數取值為Kp＿Ip＝0.1、Ki＿Ip＝2、Kp＿Iq＝0.1、Ki＿Iq＝0.5。

根據實測結果進行相同的階躍(有功階躍由2 000 kW 至2 500 kW, 無功階躍由1 000 kvar 至1 500 kvar) 仿真對比, 仿真結果如圖3 所示。 對比結果見表1, 仿真的有功、 無功曲線及超調量、響應時間、 調整時間及振蕩次數等各項指標與實測曲線偏差均在允許偏差范圍內, 表明辨識的仿真參數可較好地反映設備實際響應特性。

表1 變流器功率階躍響應試驗結果對比

圖3 儲能功率調節實測與仿真對比

3 儲能參與電網調節效果分析

以湖南地區2022 年下半年電網數據為基礎,瀟湘特高壓交流7 回出線, 特高壓荊瀟雙回線路投運, 考慮儲能電站分別接入長沙榔梨和延農、 永州螞蝗塘、 郴州韭菜坪、 婁底九侖、 邵陽磨石110 kV變電站, 計算方式選取高峰負荷方式； 湖南35 000 MW負荷, 祁韶計算值3 300 MW； 計算數據中長沙、 郴州、 永州、 婁底、 邵陽地區含110 kV網絡, 電網負荷均采用65%馬達比例＋35%恒阻抗模型。

根據電化學儲能電站接入電網技術條件要求,電化學儲能電站的功率調節響應時間、 超調量等均有標準要求, 基于實測的電化學儲能電站調節效果具有一定的代表性。 為評估儲能規模化接入電網的支撐效果, 其他未實測儲能電站以實測參數套用方式進行仿真計算。

計算方式: 湖南負荷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220 kV 及以上機組旋備4 270 MW, 株洲調相機開機1 臺。

長沙特－星城雙回星城側三永故障N－2 故障下, 湖南電網電壓恢復曲線如圖4 所示, 各地區曲線均選取區域內恢復最慢的部分。

圖4 長沙特－星城雙回星城側三永故障N－2,湖南110 kV 母線電壓恢復曲線

長沙特－星城雙回星城側三永故障N－2 后, 長沙地區110 kV 曹家坪母線電壓曲線恢復最慢, 故障后約4 s 恢復至0.9 p.u., 其他地區母線電壓均在故障發生1 s 后恢復至0.9 p.u. 及以上。

長沙榔梨24 MW/48 MW·h、 延農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、 邵陽磨石10 MW/20 MW·h 共6 座儲能電站接入系統, 各儲能電站均處于熱備用狀態,考慮儲能接入后的電壓支撐效果如圖5、 圖6 所示。 圖5 中藍色曲線為基礎方式, 綠色曲線為采用實測參數的儲能接入后方式, 紅色曲線為采用典型參數的儲能接入后方式。

圖5 負荷中心110 kV 母線電壓恢復曲線

圖6 榔梨儲能站儲能無功輸出曲線

從曲線對比可以看出, 接入儲能后曹家坪110 kV母線電壓恢復速度有所提升, 表明儲能對于改善電網暫態電壓特性具有支撐作用, 但實測參數的效果不如典型參數(表2)。 從儲能輸出曲線來看, 實測參數仿真中儲能的輸出比典型參數輸出要低, 因而電壓恢復效果較差。 主要是實測參數部分考慮了低穿參數, 即啟用低穿功能, 而典型參數并未啟用, 這導致了兩套參數在同一故障擾動下輸出特性的不同, 也說明了實測參數對于準確評估儲能電站參與電網調節特性評估的重要性。

表2 典型參數與實測參數對比

4 結語

本文論述了電化學儲能電站控制系統的典型架構, 結合關鍵性能指標, 設計了現場實測方法。 通過提取關鍵參數進行辨識, 獲得與實測特性一致度較高的仿真用模型參數, 并基于湖南電網進行了仿真驗證。 仿真分析表明, 儲能電站對于改善電網暫態電壓恢復特性具有一定的支撐作用, 需結合現場實測進行評估。