儲(chǔ)能電站安全參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化控制策略
張嘉誠, 夏向陽, 鄧子豪, 陳貴全
（長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）
摘要：為安全實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)準(zhǔn)確快速調(diào)頻，對(duì)于系統(tǒng)頻率偏移引起的有功率需求，提出一種考慮荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）、健康狀態(tài)（state of health，SOH）的儲(chǔ)能輔助調(diào)頻自適應(yīng)優(yōu)化控制策略，該策略依據(jù)儲(chǔ)能單元實(shí)時(shí)狀態(tài)決定多組儲(chǔ)能單元參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的最優(yōu)投切情況，在頻率變化初期多組儲(chǔ)能單元考慮健康狀態(tài)共同出力，減小頻率惡化程度；在頻率恢復(fù)期，考慮各儲(chǔ)能單元自身荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)，在保證儲(chǔ)能調(diào)頻效果的同時(shí)，使各儲(chǔ)能單元均處于健康工作狀態(tài)，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。最后搭建了區(qū)域電網(wǎng)一次調(diào)頻模型，通過階躍和連續(xù)擾動(dòng)驗(yàn)證了策略的有效性。
引文信息
張嘉誠, 夏向陽, 鄧子豪, 等. 儲(chǔ)能電站安全參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化控制策略[J]. 中國電力, 2022, 55(2): 19-27.
ZHANG Jiacheng, XIA Xiangyang, DENG Zihao, et al. Optimal control strategy for energy storage power station in primary frequency regulation of power grid[J]. Electric Power, 2022, 55(2): 19-27.
引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)力、光伏等新能源技術(shù)快速發(fā)展[1-2]，大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)因其配置靈活、響應(yīng)速度快，能夠較好地保證新能源供電的平衡性和連續(xù)性[3-5]。儲(chǔ)能技術(shù)作為智能電網(wǎng)領(lǐng)域中關(guān)鍵的組成部分，其發(fā)揮的作用越來越重要[6-8]。國家以及地方關(guān)于儲(chǔ)能方面的政策頻頻出臺(tái)，并且發(fā)展儲(chǔ)能有效帶動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)增長，儲(chǔ)能技術(shù)迎來了高速發(fā)展期[9]。為了保證電網(wǎng)在不同擾動(dòng)下的安全穩(wěn)定，大規(guī)模儲(chǔ)能在電網(wǎng)調(diào)頻中的應(yīng)用是當(dāng)今研究熱點(diǎn)[10-14]。
目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的儲(chǔ)能電站控制策略進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[15]建立了符合調(diào)頻需求的儲(chǔ)能電池模型，提出儲(chǔ)能調(diào)頻輸出功率調(diào)節(jié)模式，并體現(xiàn)了相比傳統(tǒng)機(jī)組的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[16]在下垂控制中采用恒定的下垂系數(shù)，沒有考慮電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）對(duì)儲(chǔ)能輸出功率的影響。當(dāng)前針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能電站輔助電網(wǎng)調(diào)頻的研究多采用定系數(shù)法，連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)可能使儲(chǔ)能單元產(chǎn)生過充過放現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生不可控安全事故，考慮經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)前電池儲(chǔ)能成本較高，對(duì)電池控制不當(dāng)會(huì)影響儲(chǔ)能系統(tǒng)長時(shí)間可持續(xù)發(fā)展。文獻(xiàn)[17-18]均考慮到電池SOC，分別提出變系數(shù)下垂控制與自適應(yīng)下垂控制，更好地調(diào)整電池出力。文獻(xiàn)[19]為緩解擾動(dòng)初期頻率惡化程度，新增虛擬慣性控制，但配合下垂控制僅設(shè)置時(shí)間延遲，一次調(diào)頻效果略有不足?，F(xiàn)有研究都是將儲(chǔ)能系統(tǒng)看作一個(gè)整體進(jìn)行能量調(diào)度，沒有考慮健康狀態(tài)（state of health，SOH）對(duì)電池充放電的影響，缺少對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的考慮，而實(shí)際工程中儲(chǔ)能電站是由多組電池簇并聯(lián)組成。
綜上所述，本文充分考慮電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，針對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的不足，提出一種考慮儲(chǔ)能單元SOC、SOH及多儲(chǔ)能單元組優(yōu)先投切問題并融合虛擬慣性和可變下垂控制的綜合控制策略，在傳統(tǒng)虛擬慣性控制基礎(chǔ)上引入健康因子，根據(jù)SOH調(diào)整出力深度；在估計(jì)電池SOC、SOH的同時(shí)，引入儲(chǔ)能單元組優(yōu)先投切判據(jù)，根據(jù)各儲(chǔ)能單元狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)先排序；以頻率變化率的死區(qū)作為控制策略的切換點(diǎn)，在可變下垂控制的基礎(chǔ)上增加SOH變量。通過提出的控制策略來控制儲(chǔ)能單元組的投切出力，在保證快速響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻的同時(shí)也保證了儲(chǔ)能電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
1 儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻方法
大型儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能單元組數(shù)量較多，常規(guī)儲(chǔ)能電站拓?fù)淙鐖D1所示。
圖1 儲(chǔ)能電站并網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意
Fig.1 Illustration of energy storage power station into the grid
本文將2種控制策略相結(jié)合，虛擬慣性控制一般在負(fù)荷擾動(dòng)初期產(chǎn)生作用，此時(shí)頻率變化率較大，僅靠下垂控制無法快速降低頻率變化率，虛擬慣性控制可快速阻止電網(wǎng)頻率惡化且減小最大頻率偏差。但考慮儲(chǔ)能容量問題，慣性控制不能長時(shí)間作用，在阻止頻率惡化后，采用下垂控制繼續(xù)調(diào)頻，在兼顧儲(chǔ)能荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)的同時(shí)減小頻率穩(wěn)態(tài)誤差?？紤]到儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性，基于儲(chǔ)能單元SOC、SOH的估算，對(duì)各個(gè)儲(chǔ)能單元組進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)評(píng)判，對(duì)各儲(chǔ)能單元進(jìn)行合理的投切。含儲(chǔ)能系統(tǒng)的電網(wǎng)一次調(diào)頻模型可以等效為圖2所示的動(dòng)態(tài)模型。
圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)模型
Fig.2 Dynamic model of energy storage system participating in primary frequency regulation
其中， s 為拉氏算子；KG 為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率；TG、TCH、TRH 分別為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器時(shí)間常數(shù)、汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)、再熱器時(shí)間常數(shù)；FHP 為再熱器增益；ΔPL(s) 為負(fù)荷擾動(dòng)量；ΔPB(s) 為儲(chǔ)能系統(tǒng)出力；圖片為虛擬慣性控制出力；圖片為虛擬下垂控制出力；M 為電網(wǎng)慣性時(shí)間常數(shù)；D 為負(fù)荷阻尼系數(shù)。
根據(jù)以上分析，本文策略在擾動(dòng)初期頻率變化率大時(shí)采用引入健康因子的虛擬慣性控制以減緩頻率惡化速度及惡化程度；在渡過頻率惡化期后采用系數(shù)可變的下垂控制并結(jié)合SOC、SOH估計(jì)對(duì)各儲(chǔ)能單元組進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，將優(yōu)先級(jí)高的儲(chǔ)能單元組投入工作既能保證調(diào)頻效果又能保證儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性。在調(diào)頻死區(qū)外，當(dāng)頻率偏差 Δf＞0(Δf＜0) 時(shí)，若頻率偏差率 dft/dt＞0(dft/dt＜0) 則啟動(dòng)虛擬慣性控制，所有儲(chǔ)能單元同時(shí)出力，迅速阻止頻率進(jìn)一步惡化，若頻率偏差率 dft/dt＜0(dft/dt＞0) 則啟動(dòng)下垂控制，根據(jù)各儲(chǔ)能單元SOC、SOH對(duì)儲(chǔ)能變流器（power conversion system，PCS）選擇投切，2種控制相互配合最終實(shí)現(xiàn)頻率的快速恢復(fù)。
2 儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的控制策略
2.1 改進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)虛擬慣性控制
為維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，中國一般規(guī)定電網(wǎng)頻率偏移為0.2~0.5 Hz或者–0.5~–0.2 Hz[20]，慣性控制在短時(shí)內(nèi)提供大功率支撐電網(wǎng)，可有效緩解頻率變化陡度，改進(jìn)虛擬慣性響應(yīng)可表示為
式中：ΔPit 為t時(shí)刻第i組儲(chǔ)能單元的虛擬慣性響應(yīng)值；Gt 為改進(jìn)虛擬慣性系數(shù)；dft/dt 為t時(shí)刻的頻率變化率；Rs為虛擬慣性控制調(diào)頻死區(qū)。虛擬慣性控制在短時(shí)間作用，對(duì)電池的荷電狀態(tài)影響較小，因此不考慮SOC變化對(duì)其輸出功率的影響。
因傳統(tǒng)虛擬慣性控制可有效抑制頻率擾動(dòng)初期的惡化程度，但是由于維持虛擬慣性控制需要儲(chǔ)能單元輸出大功率支撐，循環(huán)多次會(huì)加速電池老化。本文引入健康因子的概念，結(jié)合考慮電池SOH來調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)慣性出力，改進(jìn)虛擬慣性系數(shù)為
式中：G0 為固定慣性系數(shù)；GH 為關(guān)于SOH的健康因子；SOH,t 為電池t時(shí)刻健康狀態(tài)；SOH,max 和 SOH,min 為電池健康狀態(tài)上下限，分別為1.0, 0.8。
綜上可知，改進(jìn)的儲(chǔ)能電站虛擬慣性控制在電網(wǎng)頻率波動(dòng)初期，通過引入健康因子，所有儲(chǔ)能單元根據(jù)各自SOH調(diào)整出力深度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站向電網(wǎng)持續(xù)快速地注入有功功率，并有效延緩電池容量衰減速度。
2.2 基于電池狀態(tài)估計(jì)的優(yōu)先順序指標(biāo)
大規(guī)模儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能單元分為若干組，分別經(jīng)由PCS并聯(lián)，在實(shí)現(xiàn)調(diào)頻效果的同時(shí)也應(yīng)考慮電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)安全性，為此，本文在對(duì)SOC、SOH估計(jì)的情況下，進(jìn)而對(duì)各個(gè)儲(chǔ)能單元組的動(dòng)作優(yōu)先順序進(jìn)行分級(jí)排序，按照確定的優(yōu)先順序選擇儲(chǔ)能單元組投入工作。
現(xiàn)應(yīng)用工程一般使用安時(shí)積分法進(jìn)行SOH狀態(tài)估計(jì)，但該方法沒有考慮電池多次循環(huán)后內(nèi)部材料的退化、計(jì)算損耗等問題，需要頻繁進(jìn)行校準(zhǔn)。由此，本文加入一種新的SOC和SOH估計(jì)策略，基于電池二階電路模型，對(duì)電池電壓的測(cè)量值和計(jì)算值之間進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，結(jié)合PI控制器，提供更準(zhǔn)確的狀態(tài)估計(jì)值。
總體的估算框圖如圖3所示，其中， V(t) 和 i(t) 為ESS實(shí)際運(yùn)行過程中測(cè)得的電壓電流。然后將 V(t) 與電路模型 Vmodel(t) 提供的值進(jìn)行比較，并由PI1控制器進(jìn)行放大，提供一個(gè)校正項(xiàng)ΔE0，用于估計(jì)空載電壓E0。根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)表的關(guān)系 SOC (E0)來估計(jì) SOC ，再將其與采用庫侖計(jì)數(shù)法得到的 SOC 進(jìn)行比較，經(jīng)過PI2放大誤差，輸出 ΔVRi 作為被用作充電和放電期間模型內(nèi)阻輸出的校正因子，在 SOC 值偏低時(shí)， ΔVRi 表示內(nèi)部電阻 Ri 的增量。
圖3 實(shí)時(shí)SOC和SOH估計(jì)策略
Fig.3 Real-time SOC and SOH estimation strategy
SOH的估計(jì)方法有多種，本文中SOH計(jì)算表示為實(shí)際容量 Ccap 與額定容量 Cn 的比率。
根據(jù)優(yōu)先排序計(jì)算式得到各儲(chǔ)能單元的優(yōu)先系數(shù)，如圖4所示，優(yōu)先系數(shù) K 越大，儲(chǔ)能單元組動(dòng)作優(yōu)先級(jí)別越高；反之，儲(chǔ)能單元組動(dòng)作優(yōu)先級(jí)別越低。若Δf＜0，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收電網(wǎng)功率，則優(yōu)先選擇實(shí)時(shí)SOC較小的儲(chǔ)能單元組；若Δf＞0，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放功率支撐電網(wǎng)，則優(yōu)先選擇實(shí)時(shí)SOC較大的儲(chǔ)能單元組，充放電2種情況均優(yōu)先考慮SOH更好的儲(chǔ)能單元。
為方便下垂系數(shù)的修訂，依據(jù)儲(chǔ)能單元SOC將其荷電狀態(tài)進(jìn)行劃分，SOC,max、SOC,max-s、SOC,min-s、SOC,min分別為儲(chǔ)能單元組的正常工作上限、穩(wěn)定工作上限、穩(wěn)定工作下限和正常工作下限。
圖4 儲(chǔ)能單元優(yōu)先排序示意
Fig.4 Schematic diagram of energy storage unit prioritization
2.3 基于SOC、SOH的儲(chǔ)能系統(tǒng)可變下垂控制
儲(chǔ)能電站輔助調(diào)頻的下垂控制是在下垂特性的基礎(chǔ)上根據(jù)頻率偏差控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功輸出，從而穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。傳統(tǒng)頻率下垂控制策略為
在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上加入SOC、SOH 2個(gè)變量實(shí)現(xiàn)下垂系數(shù)可變，并且結(jié)合對(duì)多組PCS的優(yōu)先投切控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率偏差控制以及使儲(chǔ)能單元維持在健康狀態(tài)。
充放電工況不同SOC、SOH值對(duì)下垂系數(shù)影響為
所提改進(jìn)下垂控制策略根據(jù)不同SOC、SOH實(shí)時(shí)計(jì)算下垂控制系數(shù)來控制儲(chǔ)能單元輸出功率大小。當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能單元根據(jù)自身狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)出力大小，在保證電網(wǎng)頻率需求的同時(shí)盡可能使儲(chǔ)能電池處于健康安全的狀態(tài)。
3 儲(chǔ)能電站參與一次調(diào)頻的綜合控制策略
3.1 調(diào)頻綜合控制策略
在上文討論的控制策略中，各控制的動(dòng)作時(shí)機(jī)和動(dòng)作效果都不相同，為優(yōu)化儲(chǔ)能電站的調(diào)頻效果及保持儲(chǔ)能單元狀態(tài)，提出的優(yōu)化控制策略如圖5所示。以 Δf＞0 ，即儲(chǔ)能系統(tǒng)需要釋放功率支撐電網(wǎng)為例。
圖5 儲(chǔ)能電站參與一次調(diào)頻的綜合控制策略
Fig.5 Integrated control strategy for primary frequency regulation of energy storage power station
（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)頻率 ft 以及各儲(chǔ)能單元的SOC、SOH，參考國內(nèi)關(guān)于調(diào)頻偏差死區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)頻死區(qū) fd=0.033 Hz。當(dāng)實(shí)時(shí)電網(wǎng)頻率與參考電網(wǎng)頻率差值大于 fd 時(shí)，進(jìn)入下一步判斷，否則循環(huán)監(jiān)視。
（2）當(dāng) Δf＞0 且頻率變化率為負(fù) (dft/dt＜0) ，若頻率變化率的絕對(duì)值超過了虛擬慣性控制死區(qū) Rs ，此時(shí)虛擬慣性控制啟動(dòng)，所有儲(chǔ)能單元按照式（1）計(jì)算出力，同時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻。
（3）當(dāng)頻率偏差達(dá)到最大，即 (dft/dt=0) ，此時(shí)進(jìn)入頻率恢復(fù)階段時(shí)，虛擬慣性控制閉鎖。
（4）啟動(dòng)下垂控制之前，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的SOC、SOH值以及式（8）對(duì)各儲(chǔ)能單元進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，將優(yōu)先系數(shù)大的儲(chǔ)能單元投入運(yùn)行，優(yōu)先系數(shù)大則代表該儲(chǔ)能單元的SOC及SOH在所有儲(chǔ)能單元中均處于良好狀態(tài)。在此基礎(chǔ)之上投入運(yùn)行的儲(chǔ)能單元采用系數(shù)可變的下垂控制進(jìn)行有功功率輸出以恢復(fù)電網(wǎng)頻率。
儲(chǔ)能電站充電 (Δf＜0) 時(shí)的控制策略和上述過程類似。
3.2 調(diào)頻評(píng)價(jià)
為了評(píng)價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)用本文策略參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的效果，在分析幅頻特性的基礎(chǔ)上得出時(shí)域評(píng)價(jià)指標(biāo)。
在階躍負(fù)荷擾動(dòng)的工況下，提出4個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)， Δfs 為擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)頻率偏差，代表調(diào)頻的最終效果， Δfm 為最大頻率偏差，代表對(duì)擾動(dòng)的抑制效果；ts 為調(diào)頻完成時(shí)間，代表儲(chǔ)能系統(tǒng)整體響應(yīng)速度， tm 為調(diào)頻峰值時(shí)間，代表儲(chǔ)能慣性響應(yīng)的支撐速度，其值均越小越好。
在連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)的工況下，主要將頻率偏差和荷電狀態(tài)偏差的均方根值作為一次調(diào)頻的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此來反映一次調(diào)頻效果和儲(chǔ)能單元的電量健康。
4 仿真驗(yàn)證
本文所提控制策略以搭建區(qū)域模型為基礎(chǔ)，模擬儲(chǔ)能電站結(jié)構(gòu)加入多組儲(chǔ)能單元進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
系統(tǒng)額定頻率為50 Hz，包括1臺(tái)額定容量為100 MW的傳統(tǒng)火電機(jī)組，3組儲(chǔ)能單元并聯(lián)組成額定容量為3.15 MW/6.33 (MW·h)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其額定電壓為380 V，系統(tǒng)仿真示意如圖6所示，參數(shù)標(biāo)幺值是以額定頻率50 Hz和傳統(tǒng)機(jī)組額定容量作為基準(zhǔn)值。為了說明本方法的適用性，以2種不同工況進(jìn)行分析說明。
圖6 系統(tǒng)仿真示意
Fig.6 System diagram for simulation
4.1 階躍負(fù)荷擾動(dòng)工況
假設(shè)在階躍負(fù)荷擾動(dòng)中A、B、C 3組儲(chǔ)能單元的初始SOC分別為0.9、0.85、0.75，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，加入幅值為0.015標(biāo)幺值的階躍擾動(dòng)，對(duì)比在本文控制策略、定K系數(shù)控制法和無儲(chǔ)能3種不同策略下電網(wǎng)頻率恢復(fù)情況以及各儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)變化情況，結(jié)果如圖7所示。
由圖7 a)可知，因慣性控制作用，本文方法相較其他2組方法對(duì)于擾動(dòng)初期的頻率惡化程度抑制效果明顯，無儲(chǔ)能下降斜率最大，其次是定K法。相較于無儲(chǔ)能來說定K法的頻率最大偏差較小，由于定K法全程采用固定功率對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)頻，其儲(chǔ)能系統(tǒng)因電量快速被耗盡而過早停止運(yùn)行。本文提出的控制策略在頻率偏差及頻率偏差率超過慣性控制和下垂控制的調(diào)頻死區(qū)時(shí)，2種控制策略分別作用，使得系統(tǒng)的最大頻率偏差、頻率下降斜率均最小。為延長電池使用壽命以及考慮儲(chǔ)能電站安全性、經(jīng)濟(jì)性，采用下垂法控制電池放電時(shí)，考慮3組儲(chǔ)能單元的剩余電量，優(yōu)先將處于充電飽和區(qū)域的A組儲(chǔ)能單元投入系統(tǒng)運(yùn)行，其余單元組暫時(shí)停止工作。
圖7 階躍擾動(dòng)下系統(tǒng)響應(yīng)仿真結(jié)果
Fig.7 Simulation results of system response under step disturbance
由圖7 b)可知，在頻率變化初期虛擬慣性控制3組儲(chǔ)能單元同時(shí)投入運(yùn)行；頻率偏差達(dá)到最大值時(shí)，虛擬慣性控制閉鎖啟動(dòng)下垂控制，考慮運(yùn)行工況及各儲(chǔ)能單元狀態(tài)，經(jīng)式（8）計(jì)算，A組儲(chǔ)能單元優(yōu)先級(jí)最高投入運(yùn)行，B、C 2組暫停工作，經(jīng)過1個(gè)周期重新判定，C組仍不參與調(diào)頻，A組切除，B組儲(chǔ)能單元投入運(yùn)行，如此往復(fù)，最終達(dá)到1次調(diào)頻效果。3組儲(chǔ)能單元SOC以均衡的趨勢(shì)下降且均處于健康工作區(qū)內(nèi)。本文綜合策略相較其他方法有明顯優(yōu)勢(shì)，在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中，能更好地發(fā)揮儲(chǔ)能潛力，保持電池容量。
調(diào)頻評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示，由表1可以看出，在階躍負(fù)荷擾動(dòng)工況下，本文方法有效減小了最大頻率偏差和最終的穩(wěn)態(tài)誤差，且到達(dá)穩(wěn)態(tài)誤差的時(shí)間更短。
表1 階躍負(fù)荷擾動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)
Table 1 Evaluation index of step load disturbance
4.2 連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)工況
儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻作用時(shí)間較短，為了使仿真結(jié)果更加明顯，體現(xiàn)本文控制策略的作用效果，故將A組儲(chǔ)能單元初始SOC設(shè)為臨界充電狀態(tài)0.9，B組SOC設(shè)為0.6，C組SOC設(shè)為臨界放電狀態(tài)0.2。因?yàn)閮?chǔ)能輔助電網(wǎng)一次調(diào)頻主要是應(yīng)對(duì)較小幅度的負(fù)荷擾動(dòng)，通常約為負(fù)荷峰值的1%，因此，本文假設(shè)連續(xù)負(fù)荷的變動(dòng)平均幅值為1%~3%。
連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)曲線如圖8 a)所示。不同控制策略下電網(wǎng)頻率偏差曲線如圖8 b)所示，本文所提控制方法下3組儲(chǔ)能單元SOC變化曲線如圖8 c)所示，評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。
圖8 連續(xù)擾動(dòng)下系統(tǒng)響應(yīng)仿真結(jié)果
Fig.8 Simulation results of system response under continuous disturbance
表2 連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)
Table 2 Evaluation index of continuous load disturbance
由圖8 b)可知，在連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下，本文所提控制策略對(duì)比無儲(chǔ)能和采用下垂定K法，頻率偏差的情況明顯降低，更好的保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。由圖8 c)可知，由于A組儲(chǔ)能單元處于臨界放電狀態(tài)，相較于B組放電功率更大，SOC下降更快，C組處于臨界充電狀態(tài)，在系統(tǒng)功率缺額時(shí)不參與工作，僅在系統(tǒng)功率過剩時(shí)投入工作，避免電池出現(xiàn)過放情況，最終各儲(chǔ)能單元組的荷電狀態(tài)均向健康的工作狀態(tài)變化。對(duì)比其他單一儲(chǔ)能單元的控制方法，本文方法考慮實(shí)際工況，更適用于工程應(yīng)用，避免電池過充過放情況發(fā)生的同時(shí)也達(dá)到了較好的調(diào)頻效果，驗(yàn)證了本文控制策略的有效性。
由表2中數(shù)據(jù)可以看出，連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)工況下無儲(chǔ)能調(diào)頻效果最弱，本文策略略優(yōu)于定K法，并且對(duì)于Q指標(biāo)，本文所提方法考慮電池狀態(tài)對(duì)出力深度的影響，仿真結(jié)果顯示較好。由于大量新能源發(fā)電并網(wǎng)，電網(wǎng)頻率擾動(dòng)的次數(shù)更加頻繁，儲(chǔ)能調(diào)頻更應(yīng)在安全的前提下利用好本身能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢(shì)。
5 結(jié)論
運(yùn)用本文所提控制策略，在電網(wǎng)需要時(shí)提供必要的功率輸出，目前所提調(diào)頻策略中，并未考慮其結(jié)構(gòu)中電池簇并聯(lián)運(yùn)行的實(shí)際情況。在調(diào)頻效果相當(dāng)?shù)那闆r下，把延長電池使用壽命作為切入點(diǎn)進(jìn)行研究就顯得尤為重要，本文研究重點(diǎn)也在于此。通過仿真也驗(yàn)證了其有效性。
（1）本文提出的綜合控制策略考慮了儲(chǔ)能電站內(nèi)部儲(chǔ)能單元的并聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，在估計(jì)各個(gè)儲(chǔ)能單元SOC、SOH的基礎(chǔ)上，對(duì)多組儲(chǔ)能單元進(jìn)行投切控制，在保證對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻效果的同時(shí)，使電池盡量處于安全工作區(qū)域中。
（2）所提方法的適用性較好，無論是在階躍擾動(dòng)還是連續(xù)擾動(dòng)下，都能使電網(wǎng)頻率快速的回歸到穩(wěn)態(tài)偏差，保證了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。
（3）在頻率變化初期，為了防止頻率進(jìn)一步惡化，所有儲(chǔ)能單元同時(shí)參與虛擬慣性控制共同出力，頻率偏差變化率下降至慣性控制死區(qū)外后，根據(jù)各儲(chǔ)能單元狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，啟動(dòng)下垂控制，配合各儲(chǔ)能單元進(jìn)行調(diào)頻。充分發(fā)揮儲(chǔ)能電站多儲(chǔ)能單元并列運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。
