考慮荷電狀態的電池儲能一次調頻綜合控制方法

摘 要： 為提高儲能電池參與電網一次調頻的性能，提出一種兼顧電網頻率穩定性和儲能電池荷電狀態的綜合控制策略。通過設定合適的出力系數，將虛擬慣性控制策略和虛擬下垂控制策略相結合，根據儲能電池荷電狀態的不同，控制儲能電池總的出力大小，根據頻率偏差的大小，控制虛擬下垂出力和虛擬慣性出力的占比，設置較優的儲能頻率死區范圍，提高機組的經濟性。仿真結果表明，綜合控制策略在系統受到階躍負荷擾動時，相較于其他控制方法，消耗的儲能電池電量至少降低了1.86%，有效地提高電池荷電狀態的維持效果；在系統受到連續負荷擾動時，最大頻率峰谷差至少降低了13.4%，在連續仿真300 s 后，電池荷電狀態也最接近設定值。表明所提出的綜合控制策略能夠有效提高電力系統的一次調頻效果，并保持電池的荷電狀態處于合理范圍。

關鍵詞： 電池儲能; 一次調頻; 荷電狀態; 控制策略

中圖分類號： TB9; TM912 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0059–07

0 引 言

近些年來，風電、太陽能發電等清潔能源并網規模的不斷擴大，導致火力發電等常規發電機組的發電容量占比逐漸下降，這一變化間接影響了電力系統頻率的穩定性[1]，因此尋找一些新型調頻手段，輔助火力發電等一些傳統發電機組快速抑制頻率波動，提高電網整體的調頻能力成為當下的研究熱點。儲能技術是現在公認的解決電網調頻問題的有效手段之一，并且，隨著儲能技術的不斷突破，儲能成本也在不斷降低，使用儲能技術來調節電網頻率得到了廣泛的應用。以鋰電池為主的電池儲能[2] 作為關鍵的儲能技術之一，具有響應速度快、精度高等優點。目前，一些學者對應用電池儲能技術優化電力系統的一次調頻能力進行了研究。王立娜等[3]研究了鋰離子儲能電站的一次調頻設計，鋰離子儲能電站在一次調頻的實驗中可以使電網頻率波動變得更加平滑，還可以減少發電機組的動作次數，為本文提供了研究方向。在儲能電池參與電力系統一次調頻的方法上，馬駿超等[4] 提出了電池儲能系統采用下垂控制的方式參與一次調頻的控制策略，所提方法可以提高系統頻率的穩定性，但是該策略沒有考慮到電池容量和電池荷電狀態（state of charge，SOC）的影響，在實際的應用中可能會導致儲能電池過充或者過放，影響儲能電池的壽命，甚至會破壞電網頻率的穩定性。Zhuangxi Tan[5]、孟高軍[6]、劉英培等[7] 提出了基于SOC 的綜合控制方法，此方法將虛擬下垂控制與虛擬慣性控制相結合，可以根據頻率偏差的變化實時控制儲能電池總出力的大小，仿真結果表明，該綜合控制方法在一次調頻和SOC 的保持有著很好的效果，但其綜合控制方法僅僅是將虛擬慣性出力和虛擬下垂出力簡單的相加，沒有考慮兩者的比例關系。

總結上述研究，存在以下不足：1）部分研究沒有考慮到儲能電池荷電狀態對一次調頻穩定性的影響，且控制方法單一；2）考慮到儲能電池荷電狀態的綜合控制方法未能采取有效的比例關系將各控制方法相結合；3）此外，電池儲能系統的調頻死區范圍應當小于傳統機組的調頻死區范圍，這樣可以提高一定的經濟效益[8]，而以上研究均未考慮。綜上，本文在考慮電力系統一次調頻需求的基礎上，提出了一種儲能電池參與電網一次調頻的綜合控制策略。首先，設置基于SOC 的虛擬下垂系數和虛擬慣性系數，防止儲能電池過充或者過放，延長儲能電池的使用壽命。其次，針對虛擬下垂控制與虛擬慣性控制相結合的綜合控制方法，設置合理的加權系數，使電網能夠在不同的頻率波動下，得到最優的頻率調節方式。隨后，設置恰當的儲能電池調頻死區范圍，提高機組的運行經濟性。最后，基于Matlab/Simulink 平臺，搭建仿真模型，驗證了本文所提綜合策略的有效性。