綜合儲能協(xié)同控制方法在一次調(diào)頻中的應(yīng)用

［摘 要］ 針對不同儲能類型運(yùn)行成本和效率差異性的問題，以蓄電池和超級電容為例，提出一種綜合儲能協(xié)同控制方法用于電網(wǎng)頻率控制，期望在提升調(diào)頻效果的同時滿足經(jīng)濟(jì)性要求。首先，根據(jù)超級電容和蓄電池自身特性，分別采用自適應(yīng)控制和變系數(shù)下垂控制方式進(jìn)行輸出有功調(diào)整；然后，基于全壽命周期成本計算兩種儲能的調(diào)頻效益，并據(jù)此來優(yōu)化其容量配置；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計調(diào)頻所需功率分配機(jī)制，根據(jù)超級電容和蓄電池的剩余調(diào)頻能力，進(jìn)行調(diào)頻任務(wù)分配。最后，通過Matlab/Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方法在電網(wǎng)調(diào)頻中的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

［關(guān)鍵詞］ 綜合儲能； 協(xié)同控制； 一次調(diào)頻； 荷電狀態(tài)

［中圖分類號］ TM71 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A

大比例火力發(fā)電帶來的環(huán)境問題，使得新能源發(fā)電在電網(wǎng)中占比不斷提升[1-2]。而以風(fēng)電、光伏為代表的新能源具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，其滲透率的提高又會導(dǎo)致電力系統(tǒng)相對備用容量和相對轉(zhuǎn)動慣量降低，對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成負(fù)面影響[3]。在此背景下，由于儲能可較好彌補(bǔ)新能源發(fā)電對電網(wǎng)調(diào)頻造成的不良影響，在一次調(diào)頻領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[4-5]。

經(jīng)過近年來的研究和實(shí)踐，儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制方法已趨近成熟[6-7]，然而蓄電池充放電深度與電池使用壽命密切相關(guān)，較高的充放電深度和高頻次的充放電切換會降低其使用壽命[8-9]。因此，采取何種控制方式，使電池荷電狀態(tài)（state of change， SOC）能夠維持在合適區(qū)間以降低其運(yùn)行損耗是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[10]根據(jù)復(fù)頻域靈敏度原理對電網(wǎng)頻率特性進(jìn)行了分析，提出儲能的綜合控制模式，將虛擬慣性和虛擬下垂進(jìn)行結(jié)合，并確定合適的動作時機(jī)。文獻(xiàn)[11]提出一種儲能電量持續(xù)管理策略，將電池SOC劃分為多個區(qū)間，不同區(qū)間內(nèi)使用不同的控制方式，使得電池SOC保持在合適區(qū)間內(nèi)，提高了SOC保持率，保證了電池的調(diào)頻能力。文獻(xiàn)[12]采用雙電池系統(tǒng)，使用兩個等容量的鋰電池分別承擔(dān)充電與放電任務(wù)，來減少電池充放電次數(shù)，但仍局限于單一類型電池，沒有充分發(fā)揮具有不同功率特性電池的互補(bǔ)作用。目前多數(shù)儲能在一次調(diào)頻中的研究僅針對單一儲能進(jìn)行考量，在調(diào)頻過程中由于負(fù)荷的隨機(jī)性導(dǎo)致電池頻繁地進(jìn)行充/放電狀態(tài)切換，增加其壽命損耗。

超級電容作為應(yīng)用較為廣泛的功率型儲能設(shè)備，具有較強(qiáng)的瞬時大功率輸出特性，響應(yīng)時間和功率密度特性均強(qiáng)于傳統(tǒng)電池，且循環(huán)壽命較長，但成本較高，限制了其應(yīng)用規(guī)模[13]。如果能將超級電容和傳統(tǒng)蓄電池結(jié)合，利用彼此特性進(jìn)行互補(bǔ)運(yùn)行，能有效解決上述問題。目前較為常見的蓄電池和超級電容協(xié)同動作方式是由超級電容承擔(dān)高頻信號，蓄電池承擔(dān)低頻信號[14]。然而電網(wǎng)調(diào)頻過程中，分解后的ACE信號以零點(diǎn)為中心呈正態(tài)分布，低頻功率波動會使蓄電池頻繁切換充放電狀態(tài)，降低電池使用壽命，未能達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的。如何解決蓄電池的使用損耗仍是目前待研究的問題。

本文提出了一種包含蓄電池和超級電容的綜合儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的協(xié)同控制策略，擬根據(jù)兩種不同類型儲能設(shè)備的運(yùn)行和功能特點(diǎn)，進(jìn)行協(xié)同運(yùn)行策略的設(shè)計，期望獲得更好的調(diào)頻效果和經(jīng)濟(jì)性。

1 綜合儲能模型及特征分析

1.1 綜合儲能類型

在目前廣泛應(yīng)用的儲能設(shè)備中，超級電容功率密度大、響應(yīng)速度快、使用壽命長，能夠在極短的時間內(nèi)輸出大量能量，但無法長時間提供功率支撐；蓄電池能量密度大、充放電時間長，但功率密度小、循環(huán)使用壽命較低。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)超級電容和蓄電池各自特征，為獲得更好的調(diào)頻效果，在頻率變化前期使用超級電容器，快速平抑系統(tǒng)功率波動；在頻率變化后期使用蓄電池，來提供持續(xù)性功率支撐。有研究對蓄電池及超級電容等效模型進(jìn)行電路分析及推演，證實(shí)等效模型能準(zhǔn)確體現(xiàn)儲能的充放電特征，并將其應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻[15-16]。

1.2 荷電狀態(tài)及充放電深度

電池荷電狀態(tài)在一定程度上可表示其剩余調(diào)頻能力的大小，在電池工作過程中需考慮電池荷電狀態(tài)。超級電容和蓄電池SOC計算方式相同，其表達(dá)式為：

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 儲能輔助調(diào)頻策略

當(dāng)綜合儲能作為輔助設(shè)備接入電網(wǎng)參與一次調(diào)頻時，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

超級電容和蓄電池通過DC/AC變流器在交流側(cè)并聯(lián)，經(jīng)過功率變換系統(tǒng)（Power Converter System， PCS）、升壓變壓器接入電廠母線，變壓后接入電網(wǎng)。

當(dāng)負(fù)荷擾動發(fā)生時，系統(tǒng)頻率產(chǎn)生偏差，發(fā)電機(jī)組根據(jù)接收到的一次調(diào)頻指令和協(xié)調(diào)控制器發(fā)出的輔助控制信號調(diào)整機(jī)組出力，協(xié)調(diào)控制器依據(jù)一次調(diào)頻指令、機(jī)組出力及儲能系統(tǒng)狀態(tài)反饋得到儲能出力指令信號。隨后，儲能設(shè)備動作，完成一次調(diào)頻。

2.2 儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)模型

當(dāng)綜合儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻時，其系統(tǒng)模型如圖2所示，圖中傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組模塊中各環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型詳見文獻(xiàn)[18]，SC為超級電容，Battery為蓄電池，k1為超級電容功率分配比例系數(shù)，k2為蓄電池功率分配比例系數(shù)。

其中，電網(wǎng)頻率偏差為：

式中：ΔPB為蓄電池輸出功率；ΔPS為超級電容器輸出功率。

系統(tǒng)各參數(shù)具體描述如表2所示。

3 綜合儲能協(xié)同控制策略及評價指標(biāo)

3.1 協(xié)同控制策略設(shè)計

綜合儲能參與調(diào)頻過程中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷擾動時，能量分配控制器根據(jù)儲能處理指令及超級電容狀態(tài)反饋判斷超級電容能否獨(dú)自承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)。若可以，則超級電容動作，蓄電池不動作；若不能，則對超級電容和蓄電池進(jìn)行調(diào)頻能量分配。功率控制器接收到動作信號后，根據(jù)蓄電池的SOC反饋信息，確定蓄電池出力大小。

當(dāng)超級電容和蓄電池均參與系統(tǒng)調(diào)頻時，系統(tǒng)電源有功功率曲線如圖3所示。

由于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組難以平抑負(fù)荷帶來的波動，會產(chǎn)生頻率偏差。根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化確定儲能系統(tǒng)所需輸出功率：

3.2 儲能輸出控制方法

虛擬慣性和虛擬下垂作為目前廣泛使用的儲能參與一次調(diào)頻的出力控制方式，有很好的系統(tǒng)頻率波動抑制作用。其中，虛擬慣性控制可在頻率變化初期有效抑制頻率變化，后期作用效果較小；虛擬下垂控制在頻率變化前期作用效果較小，后期可提供有效功率支撐，減小頻率穩(wěn)態(tài)偏差。

因此，根據(jù)二者各自的優(yōu)勢，對超級電容采用虛擬慣性和虛擬下垂綜合的自適應(yīng)控制策略，在頻率變化初期以虛擬慣性控制為主，放緩頻率變化速度；后期以虛擬下垂為主，改善頻率穩(wěn)態(tài)偏差。具體控制如圖4所示。

超級電容在調(diào)頻中的出力

式中：a1、a2分別為虛擬慣性模式和虛擬下垂模式下的分配比例系數(shù)；Me為超級電容的虛擬慣性系數(shù)；Ke為超級電容虛擬下垂系數(shù)。

根據(jù)慣性響應(yīng)階段和下垂響應(yīng)階段頻率偏差及頻率偏差變化率的特點(diǎn)，設(shè)計慣性響應(yīng)階段比例系數(shù)為：

慣性響應(yīng)階段，由于系統(tǒng)負(fù)荷改變造成頻率偏差，Δf值增大，a1值從1開始逐漸減小，a2值從0開始逐漸增加，且在此變化過程中二者之和恒為1。

下垂響應(yīng)階段比例系數(shù)為：

式中：Δflow為超級電容參與一次調(diào)頻的閾值；Δfmax為電力系統(tǒng)的最大頻率偏差值。下垂響應(yīng)階段，系統(tǒng)頻率偏差已達(dá)到最大值，Δf值減小，a1值從0.5開始逐漸減小至0，a2值從0.5開始逐漸增大為1。

蓄電池僅在下垂響應(yīng)階段參與系統(tǒng)調(diào)頻，同時考慮到自身荷電狀態(tài)的影響較大，采用變系數(shù)下垂控制方式。具體控制框圖如圖5所示。

3.4 一次調(diào)頻流程

綜上所述，在綜合儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻過程中，首先需判斷儲能是否參與電網(wǎng)調(diào)頻；在系統(tǒng)頻率偏差達(dá)到最大值時，根據(jù)電網(wǎng)功率缺額判斷超級電容能否單獨(dú)承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)；當(dāng)確定蓄電池參與調(diào)頻后，計算超級電容和蓄電池出力分配比例，并據(jù)此輸出能量。具體而言，其流程如圖6所示。

4 仿真分析

為驗(yàn)證上述協(xié)調(diào)控制策略的有效性，使用Matlab/Simulink平臺對圖3所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。將綜合儲能系統(tǒng)與單一儲能系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。經(jīng)計算，在800 MW的火電機(jī)組背景下，配置3.6 MW/0.03 MW·h超級電容和10 MW/2.5 MW·h蓄電池為最優(yōu)配置。鑒于傳統(tǒng)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為±0.033 Hz，在此，電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為火電機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)上下限的60%。

1）情況一：電網(wǎng)負(fù)荷突增

考慮到負(fù)荷突增和突減分別對應(yīng)儲能的放電和充電過程，其物理機(jī)理具有相似性。在此，僅考慮負(fù)荷突增時的情況，假設(shè)在10 s時電網(wǎng)負(fù)荷突增0.15 p.u.，電池初始SOC均為0.65，在此過程中儲能設(shè)備通過放電參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。其中，電網(wǎng)頻率偏差曲線如圖7所示，蓄電池和綜合儲能中各儲能設(shè)備輸出曲線和SOC曲線分別如圖8、9所示，調(diào)頻過程中k值變化曲線如圖10所示。

從圖8可知，有儲能參與的系統(tǒng)較無儲能系統(tǒng)而言在最大頻率偏差及穩(wěn)態(tài)頻率偏差上均有所改善。兩種綜合儲能控制下的電網(wǎng)頻率偏差曲線無明顯差別，基本相同。電網(wǎng)分別在12.9 s時達(dá)到最大頻率偏差值，在23 s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)頻率值。

如圖8、9、10可知，系統(tǒng)擾動發(fā)生時，k1為1，僅超級電容輸出功率，其SOC下降速度較快。12.9 s時，因蓄電池前期不動作，導(dǎo)致超級電容SOC明顯低于蓄電池，加上本身的容量差異，超級電容的剩余調(diào)頻能力遠(yuǎn)小于蓄電池。此時蓄電池參與調(diào)頻，超級電容和蓄電池的出力比例根據(jù)剩余調(diào)頻能力進(jìn)行調(diào)整，k1值從1降至0.1左右，超級電容輸出減小，其SOC值下降速度減緩，k2從0增至0.9左右，主要由蓄電池承擔(dān)大部分的調(diào)頻任務(wù)。同時在調(diào)頻過程中k值因兩種儲能設(shè)備剩余調(diào)頻能力在不斷變化而產(chǎn)生微量的調(diào)整。50 s時，傳統(tǒng)控制方式下蓄電池SOC值為0.2，協(xié)同控制方式下蓄電池SOC值為0.23，較傳統(tǒng)控制方式而言放電深度減小了9%。

2）情況二：電網(wǎng)負(fù)荷連續(xù)波動

為近一步驗(yàn)證本文所提策略較傳統(tǒng)綜合儲能控制策略優(yōu)勢，在電網(wǎng)連續(xù)擾動的條件下與無儲能參與、傳統(tǒng)綜合儲能控制方式參與下的調(diào)頻結(jié)果進(jìn)行對比。

如圖11所示，10 s時系統(tǒng)負(fù)荷波動為0.3 p.u.，40 s時降為-0.03 p.u.，70 s時增至0.15 p.u.。系統(tǒng)頻率偏差曲線如圖12所示，綜合儲能傳統(tǒng)控制方式及協(xié)調(diào)控制方式下超級電容和蓄電池SOC曲線如圖13所示，兩種控制方式下ki值變化曲線如圖14所示。

從圖12可以看出，綜合儲能相較無儲能系統(tǒng)在調(diào)頻效果上有明顯改善。在第一段擾動發(fā)生后，有儲能參與的系統(tǒng)儲能可立即動作，為系統(tǒng)提供頻率支撐，在12.9 s時達(dá)到最大頻率偏差-0.024，無儲能參與的系統(tǒng)只能由火電機(jī)組提供頻率支撐，由于火電機(jī)組爬坡速度較慢，前期輸出不足，導(dǎo)致最大頻率偏差較大，為-0.03。同理而言，在第二段擾動發(fā)生后，系統(tǒng)頻率在42.8 s時達(dá)到最大頻率偏差，其中無儲能系統(tǒng)頻率偏差為0.031，綜合儲能系統(tǒng)頻率偏差為0.027，小于無儲能系統(tǒng)。三種情況下穩(wěn)態(tài)頻率偏差無明顯差別。

由圖13可知，在擾動發(fā)生初期，在協(xié)同優(yōu)化過程中，為了減小蓄電池的動作深度和頻次，增加了超級電容的出力比例，承擔(dān)了更多的調(diào)頻任務(wù)，因此協(xié)同控制方式下超級電容SOC下降速度明顯大于傳統(tǒng)控制模式下超級電容SOC的下降速度。10 s擾動發(fā)生時，協(xié)同控制方式下超級電容立即響應(yīng)，蓄電池不動作。13 s左右蓄電池輸出能量，參與調(diào)頻，k1值從1降至0.1，k2值從0增至0.9。40～70 s第二段擾動發(fā)生時，因超級電容剩余調(diào)頻能力可滿足調(diào)頻需求，因此僅超級電容動作，蓄電池處于靜止?fàn)顟B(tài)，超級電容獨(dú)自承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)，減少了蓄電池的動作次數(shù)。經(jīng)計算，綜合儲能協(xié)同控制方式下蓄電池NE值為1298，較傳統(tǒng)控制方式提升了39%。

5 結(jié)論

本文提出一種綜合儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻協(xié)同控制策略，通過理論分析及仿真驗(yàn)證，可得出以下結(jié)論：

1）以綜合儲能調(diào)頻效益最大為目標(biāo)優(yōu)化容量配置，獲得了更好的經(jīng)濟(jì)性。

2）采用虛擬慣性和虛擬下垂的自適應(yīng)控制策略，使得系統(tǒng)頻率在前期變化速度有所減緩、后期更快恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，提升了系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

3） 根據(jù)超級電容和蓄電池響應(yīng)特性的分析，設(shè)計超級電容與蓄電池協(xié)同的調(diào)頻控制策略，可以發(fā)揮超級電容循環(huán)使用次數(shù)大的特點(diǎn)，減小蓄電池充放電次數(shù)，延長使用壽命，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

［1］ 鄭亞先，楊爭林，馮樹海，等.碳達(dá)峰目標(biāo)場景下全國統(tǒng)一電力市場關(guān)鍵問題分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2022，46（01）：1-20.

[2] 黃雨涵，丁濤，李雨婷，等.碳中和背景下能源低碳化技術(shù)綜述及對新型電力系統(tǒng)發(fā)展的啟示[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2021，41（S1）：28-51.

[3] SAPONARA S， SALETTI R， MIHET-POPA L. Hybrid Micro-grids exploiting renewables sources， battery energy storages， and bi-directional converters[J]. Applied Sciences， 2019，9（22）： 2076-3417.

[4] AMIN M R， NEGNEVITSKY M， FRANKLIN E， et al. Application of battery energy storage systems for primay frequency control in power systems with high renewable energy penetration[J]. Energies， 2021， 14（05） ： 1379-1379.

[5] DATTA U， KALAM" A， SHI" J. Battery energy storage system control for mitigating pv penetration impact on primary frequency control and state-of-charge recovery[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy， 2020，11（02）： 746-757.

[6] 李建林，王哲，曾偉，等.百兆瓦級電化學(xué)儲能電站能量管理研究綜述[J].高電壓技術(shù)，2023，49（01）：72-84.

[7] 董旭柱，華祝虎，尚磊，等.新型配電系統(tǒng)形態(tài)特征與技術(shù)展望[J].高電壓技術(shù)，2021，47（09）：3021-3035.

[8] XU B，" SHI Y，" KISCHEN D S，et al. Optimal battery participation in frequency regulation markets[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2018，33（06）：6715-6725.

[9] OMAR N ， MONEM M A ， FIROUZ Y ， et al. Lithium iron phosphate based battery-assessment of the aging parameters and development of cycle life model[J]. Applied Energy， 2014， 113：1575-1585.

[10] 黃際元，李欣然，曹一家，等.考慮儲能參與快速調(diào)頻動作時機(jī)與深度的容量配置方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（12）：454-464.

[11] 羅耀東，田立軍，王垚，等.飛輪儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制策略與容量優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)自動化，2022，46（09）：71-82.

[12] 凌開元，趙樂冰，張新松，等.基于雙儲能系統(tǒng)的主動配電網(wǎng)儲能配置[J].電力自動化設(shè)備，2018，38（05）：171-176.

[13] LIN Y， FU L， XIAO X. Decentralised power distribution and SOC management algorithm for the hybrid energy storage of shipboard integrated power system[J]. IET Generation Transmission amp; Distribution， 2021， 14（01）： 6493-6503.

[14] 程龍， 張方華.用于混合儲能系統(tǒng)平抑功率波動的小波變換方法[J].電力自動化設(shè)備，2021，41（03）：100-104.

[15] TREMBLAY O， DESSAINT L A， DEKKICHE A I. A generic battery model for the dynamic simulation of hybrid electric vehicles[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference， 2007： 284-289.

[16] KUPERMAN A， MELLINCOVSKY M， LERMAN C， et al. Supercapacitor sizing based on desired power and energy performance[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2014， 29（10）： 5399-5401.

[17] 韓曉娟，程成，籍天明，等.計及電池使用壽命的混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化模型[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33（34）：91-97.

[18] 趙熙臨，林震宇，付波，等.預(yù)測優(yōu)化PID方法在含風(fēng)電電力系統(tǒng)AGC中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2019，31（03）：16-22.

Application of a Comprehensive Energy Storage Cooperative ControlMethod in Primary Frequency Modulation

GUI Yue， ZHAO Xilin

（School of Electrical and Electronic Engin.， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China）

Abstract： In view of the variability of operating cost and efficiency of different energy storage types， an integrated energy storage cooperative control method is proposed to meet the economic requirements while improving the grid frequency control effect， which is analyzed in the paper with battery and super-capacitor as examples. Firstly， according to the characteristics of the super-capacitor and battery， the output active power is adjusted by adaptive control and variable coefficient droop control respectively. Then， the frequency modulation benefit of two kinds of energy storage is calculated based on the life-cycle cost. According to that， the capacity allocation is optimized. Based on that， the power distribution mechanism for frequency regulation is designed. The task of frequency regulation is allocated according to the remaining frequency regulation capability of the super-capacitor and the battery. Finally， the simulation results of Matlab/Simulink show that the proposed method is economical and effective in power grid frequency regulation.

Keywords： integrated energy storage; cooperative control; primary frequency modulation; state of charge

［責(zé)任編校： 閆 品］

［收稿日期］ 2022-12-14

［基金項(xiàng)目］ 國家自然科學(xué)基金（61603127）

［第一作者］ 桂 玥（1999-）， 女， 湖北武漢人， 湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生， 研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電。

［通信作者］ 趙熙臨（1969-）， 男， 湖北武漢人， 工學(xué)博士， 湖北工業(yè)大學(xué)教授， 研究方向?yàn)橄到y(tǒng)自動發(fā)電控制。