面向電網(wǎng)二次調(diào)頻的多類型儲能集成控制策略及經(jīng)濟性評估
作者：邢超 1 肖家杰 2李培強 2 奚鑫澤 1毛志宇 3郭祺 2涂春鳴 2
單位：1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院； 2. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院； 3. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院
引用：邢超, 肖家杰, 李培強, 等. 面向電網(wǎng)二次調(diào)頻的多類型儲能集成控制策略及經(jīng)濟性評估[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(10): 3265-3274.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0430
摘 要 針對電網(wǎng)二次調(diào)頻場景，提出了延長使用壽命的電池儲能集成控制策略并對多類型儲能進行經(jīng)濟性評估，以提高調(diào)頻經(jīng)濟性。首先，基于區(qū)域控制偏差(area control error，ACE)控制搭建電池儲能-常規(guī)機組參與電網(wǎng)二次調(diào)頻模型，發(fā)揮儲能頻率快速響應(yīng)特性。隨后，將電池儲能系統(tǒng)劃分為充放電不同特性的兩部分進行集成，并提出獨立跟蹤調(diào)頻功率策略，減小調(diào)頻過程中頻繁充放電對電池壽命的影響以延長使用壽命。最后，擬合出多類型電池壽命曲線，并構(gòu)建基于雨流計數(shù)法的電池儲能壽命評估模型和全壽命周期成本模型，對比分析多類型電池儲能集成控制下的經(jīng)濟性。基于實際負(fù)荷擾動的算例表明：所提集成控制策略可以有效延長調(diào)頻場景下電池儲能使用壽命，采用鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池進行集成控制時，使用壽命分別延長了數(shù)倍；壽命周期成本顯著降低。
關(guān)鍵詞 二次調(diào)頻；雙電池集成控制；雨流計數(shù)法；全壽命周期；使用壽命
為響應(yīng)國家“雙碳”號召，可再生能源近年來發(fā)展迅速，顯著削弱了電網(wǎng)慣量支撐能力。此外，可再生能源輸出隨機波動性也給電網(wǎng)調(diào)頻帶來巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)常規(guī)機組參與調(diào)頻時，會產(chǎn)生額外機械損耗和碳排放，且頻率響應(yīng)時滯長，難以勝任新型電力系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)。而儲能的發(fā)展為此提供了技術(shù)支撐，其快速響應(yīng)能力可較好緩解可再生能源并網(wǎng)帶來的調(diào)頻壓力，但目前儲能種類較多且價格和出力特性各異，因此，選擇合適的電池類型和集成控制方式以減小調(diào)頻過程中壽命損耗并提高經(jīng)濟性成為研究熱點。
目前已有學(xué)者在該領(lǐng)域做了研究。文獻[6]對電網(wǎng)二次調(diào)頻ACE信號進行分解，由儲能承擔(dān)高頻功率，低頻功率則由常規(guī)機組承擔(dān)；文獻[7]提出計及電池儲能荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的自適應(yīng)調(diào)頻控制策略，并引入模糊控制和回歸函數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)電池儲能出力；文獻[8]分析了常規(guī)機組調(diào)頻死區(qū)，為了充分發(fā)揮儲能精確、快速響應(yīng)特性，將儲能調(diào)頻死區(qū)設(shè)置在常規(guī)機組死區(qū)內(nèi)來約束其出力；文獻[9]構(gòu)建了常規(guī)火電機組實時出力增量預(yù)測模型，并提出火電-飛輪儲能協(xié)同調(diào)頻控制策略，實現(xiàn)不同負(fù)荷擾動工況下飛輪儲能自適應(yīng)調(diào)整，優(yōu)化儲能與常規(guī)機組出力；但以上研究均通過減小電池儲能出力來改善其壽命，無法兼顧調(diào)頻效果。對電池儲能來說，影響壽命的主要因素包括循環(huán)次數(shù)和放電深度(depth of discharge，DOD)。為了減小頻繁充放電切換對電池壽命的影響，雙電池儲能模式應(yīng)運而生，在配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定及平抑風(fēng)電波動等場景已有研究，結(jié)果顯示該模式可以減少電池儲能等效循環(huán)次數(shù)，然而，雙電池儲能模式在調(diào)頻場景下鮮有研究。此外，考慮到電池儲能種類繁多且成本和運行特性差異較大，因此，在調(diào)頻場景下選用合適的電池類型可以提高經(jīng)濟性。
綜上所述，目前研究中均已優(yōu)化儲能出力以改善其壽命，無法兼顧調(diào)頻效果。且多類型電池特性和經(jīng)濟性各異，尚需結(jié)合調(diào)頻場景特性和電池儲能控制模式，確定合適電池類型以提升經(jīng)濟性。對此，本工作提出了電網(wǎng)二次調(diào)頻場景下的雙電池儲能集成控制策略，并對多類型電池儲能經(jīng)濟性進行了分析與評估。首先搭建了基于ACE控制的電池儲能-常規(guī)機組參與電網(wǎng)二次調(diào)頻模型，充分發(fā)揮儲能頻率快速響應(yīng)特性。然后將電池儲能系統(tǒng)劃分不同充放電特性的兩部分進行集成控制，獨立跟蹤調(diào)頻功率以延長使用壽命，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合多類型電池壽命曲線，構(gòu)建基于雨流計數(shù)法的電池儲能壽命評估模型和壽命周期成本模型，評估多類型電池儲能調(diào)頻經(jīng)濟性。最后基于實際負(fù)荷擾動數(shù)據(jù)驗證了所提策略有效性及分析了多類型電池儲能經(jīng)濟性。
1 電池儲能-常規(guī)機組二次調(diào)頻模型
1.1 常規(guī)火電機組等效調(diào)頻模型
本工作采用受外界影響較小且容量較大的火電機組進行調(diào)頻，參與電網(wǎng)調(diào)頻時，需要綜合考慮延時系數(shù)、爬坡率、功率及容量的約束，由調(diào)速器和汽輪機將系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率偏差信號轉(zhuǎn)化為常規(guī)機組的有功出力，其等效調(diào)頻模型的傳遞函數(shù)表示為：
式中，Tg為調(diào)速器時間常數(shù)；Trh、Thp和Tch分別為再熱器時間常數(shù)、再熱器增益和汽輪機時間常數(shù)。
1.2 電池儲能等效調(diào)頻模型
電池儲能響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的速度快、精度高，參與調(diào)頻時通常采用一階慣性環(huán)節(jié)進行等效，其傳遞函數(shù)表示為：
式中，Tb為電池儲能時間常數(shù)。
為了反映電池儲能任一時刻調(diào)頻余量，引入荷電狀態(tài)SOC進行表征，以k時刻為例，表示為：
式中，?t為一個功率指令采樣周期；P(k)為k時刻電池儲能的功率指令；SOC(k)為第k個采樣點。
1.3 電池儲能輔助常規(guī)火電機組二次調(diào)頻模型
參與電網(wǎng)二次調(diào)頻時，本工作采用自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)模式，在火電機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)產(chǎn)生的不平衡功率信號Ace(s)由電池儲能和火電調(diào)頻機組共同承擔(dān)，并且按照一定原則進行分配，其控制模型如下：
式中，β為頻率偏差系數(shù)；Δf(s)為系統(tǒng)頻率偏差；ΔPg(s)為火電調(diào)頻機組承擔(dān)的ACE信號；ΔPb(s)為電池儲能承擔(dān)的ACE信號；a為電池儲能ACE分配系數(shù)，1-a為火電機組ACE分配系數(shù)，根據(jù)電池儲能與常規(guī)機組調(diào)頻容量確定。
當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差時，為使電池儲能快速響應(yīng)ACE信號，本工作僅對火電機組采用PI控制，使其參與電網(wǎng)一、二次調(diào)頻，電池儲能僅參與二次調(diào)頻，火電機組和電池儲能的響應(yīng)功率Pg(s)、Pb(s)表示為：
式中，Kp、Ki為PI控制參數(shù)；Kg為火電機組一次調(diào)頻單位功率調(diào)節(jié)系數(shù)。
根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷擾動Pl、火電調(diào)頻機組響應(yīng)功率Pg和電池儲能響應(yīng)功率Pb，可得到電網(wǎng)實時頻率偏差如式(9)，代入式(7)和式(8)可得式(10)。區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻框圖如圖1。
圖1 電池儲能輔助常規(guī)機組參與區(qū)域系統(tǒng)二次調(diào)頻模型
式中，D、M分別為負(fù)荷阻尼系數(shù)與火電機組轉(zhuǎn)動慣量。
2 面向電網(wǎng)二次調(diào)頻的電池儲能集成控制策略
負(fù)荷擾動通常具有隨機性，使頻率在參考頻率上下波動，電池儲能參與調(diào)頻時需頻繁充放電切換，進而增加其等效循環(huán)次數(shù)，對壽命影響較大。因此，為了減小該影響，提出了面向二次調(diào)頻的雙電池儲能集成控制策略，將電池儲能系統(tǒng)劃分為不同充放電特性的兩部分，分別獨立承擔(dān)充放電調(diào)頻任務(wù)，當(dāng)某電池儲能組SOC達到設(shè)定限值時，切換兩電池儲能組充放電模式，具體過程如下。
步驟1：確定電池儲能運行SOC范圍。可根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的測試數(shù)據(jù)及儲能壽命衰減方法，以該模式下壽命延長效果最優(yōu)得到。本工作記最佳放電深度為DOD，則電池儲能運行SOC邊界可表示為：
式中，SOCmax為電池儲能運行SOC上界；SOCmin為電池儲能運行SOC下界。
步驟2：確定充放電電池儲能跟蹤功率。當(dāng)由式(8)確定的Pb(s)>0時，由放電儲能組執(zhí)行，充電儲能組備用；反之，當(dāng)Pb(s)<0時，由充電儲能組執(zhí)行，放電儲能組備用。此外，考慮電池儲能組額定功率和SOC約束，以k時刻為例，充/放電電池儲能組功率可表示為：
式中，Pch(k)、Pdi(k)為k時刻電池儲能充電、放電功率；Pbn為電池儲能系統(tǒng)額定功率，Sbn為電池儲能系統(tǒng)額定容量，因運行過程中獨立跟蹤功率指令，因此兩電池儲能組充放電功率和容量均為電池儲能系統(tǒng)的一半；η為電池儲能組工作效率。
步驟3：兩電池儲能組充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)充電儲能組SOC達SOCmax或放電儲能組SOC達SOCmin時，轉(zhuǎn)換兩電池儲能組充放電狀態(tài)，進入下一充放電周期。且當(dāng)充/放電儲能組因額定功率或SOC約束不能完成本次功率指令時，由放/充電儲能組補償剩余部分，具體如下。
（1）充電儲能組先達SOCmax且未完成本次充電功率指令，此時放電儲能組補償功率和SOC更新表示為：
（2）放電儲能組先達SOCmin且未完成本次放電功率指令，此時充電儲能組補償功率和SOC更新表示為：
3 多類型電池儲能壽命測算及經(jīng)濟性評估模型
為了評估多類型電池儲能二次調(diào)頻場景下應(yīng)用雙電池集成模式的經(jīng)濟性，針對各類型電池儲能特性分別建立壽命評估模型及全壽命周期成本模型。
3.1 多類型電池儲能壽命評估模型
對于電池儲能來說，放電深度和循環(huán)次數(shù)是影響運行壽命的主要因素，且循環(huán)次數(shù)與DOD呈函數(shù)關(guān)系。根據(jù)多類型電池儲能(鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池)工程測試所得DOD和循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系，見表1，采用五階多項式進行擬合。DOD-N函數(shù)關(guān)系如式(19)，擬合的多項式系數(shù)和曲線如表2和圖2。
表1 不同DOD下循環(huán)次數(shù)N
表2 擬合多項式系數(shù)
圖2 電池循環(huán)次數(shù)與放電深度的關(guān)系
由于電池儲能參與二次調(diào)頻過程中DOD是實時變化的，為與測試數(shù)據(jù)形式相統(tǒng)一，進行有效對比以獲得實際運行壽命，首先采用雨流記數(shù)法統(tǒng)計不同DOD下循環(huán)次數(shù)，并利用等效循環(huán)壽命法和DOD-N關(guān)系曲線將不同DOD下循環(huán)次數(shù)折算到DOD=1下循環(huán)次數(shù)并求和，然后與DOD=1下測試循環(huán)次數(shù)進行比對，得到電池儲能實際運行壽命Tnb為：
式中，N1為DOD=1下的循環(huán)次數(shù)；Nz為不同DOD下折算后的循環(huán)次數(shù)。
超級電容、飛輪儲能和超導(dǎo)磁儲能等功率型池儲能受DOD影響較小，影響其壽命的主要因素為充放電次數(shù)，且功率型儲能能量成本高，因此不適于采用雙儲能運行模式，故后續(xù)對比中僅考慮單一功率型儲能。根據(jù)其實際的日充放電次數(shù)估算其使用壽命，設(shè)一年運行t天，其實際運行壽命Tgb為：
式中，Ngmax為功率型儲能壽命周期最大充放電次數(shù)；Ngrreal為功率型儲能日實際充放電次數(shù)。
3.2 基于全壽命周期成本的電池儲能經(jīng)濟評估模型
全壽命周期成本模型是指儲能系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi)，所產(chǎn)生的費用總和，包括：投資成本、置換成本、輔助設(shè)備成本、運行維護成本、報廢處理成本和回收殘值。本工作利用費用現(xiàn)值法，假設(shè)電池儲能的總使用周期為T年，基準(zhǔn)折現(xiàn)率為I，模型的具體內(nèi)容包括電池儲能容量配置模型和電池儲能全壽命周期成本評估模型。
3.2.1 電池儲能容量配置模型
電池儲能功率配置原則為運行周期內(nèi)滿足最大功率指令需求，表示為：
式中，k0為起始時刻；ki、kj分別為運行周期內(nèi)的功率最大和最小時刻。
電池儲能容量配置原則為運行周期內(nèi)避免其運行于過充過放，可根據(jù)電池儲能的累積能量曲線求得，表示為：
式中，E0為電池儲能初始能量；E(k)為k時刻電池儲能累積能量。
3.2.2 全壽命周期成本評估模型
（1）儲能投資成本
式中，Cbpinv為儲能單位功率投資成本；Cbsinv為儲能單位容量投資成本。
（2）儲能置換成本
式中，Cbpre為儲能單位功率置換成本；m為T年內(nèi)儲能置換次數(shù)；(P/F,I,L)為一次支付現(xiàn)金系數(shù)。
（3）輔助設(shè)備成本
式中，Cbpbop為儲能單位功率輔助成本；Csbop為儲能單位容量輔助成本。
（4）電池儲能運行維護成本
式中，Cbpom為儲能單位功率運維成本；Cbsom為儲能單位電量運維成本；Wb(k)為儲能年充放電量；(P/A,I,T)為等額分付現(xiàn)值系數(shù)。
（5）報廢處理成本
式中，Cbpscr為儲能單位功率報廢處理成本；Cbsscr為儲能單位容量報廢處理成本。
（6）回收殘值
式中，γbres為儲能回收殘值率。
綜上所述，儲能系統(tǒng)壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的總成本如式(33)。
本工作提出的儲能系統(tǒng)參與二次調(diào)頻全壽命周期成本評估流程如圖3所示。
圖3 電池儲能參與二次調(diào)頻的模型與全壽命周期成本評估過程
4 仿真分析
基于圖3的區(qū)域電網(wǎng)二次調(diào)頻模型進行仿真分析，常規(guī)機組調(diào)頻備用容量為40 MW，電池儲能系統(tǒng)容量配置為40 MW/30 MWh，即雙電池集成控制時兩電池均為20 MW/15 MWh。DOD設(shè)為0.8，SOC初始值為0.5，其余參數(shù)見表3，均以100 MW為基準(zhǔn)進行標(biāo)幺化。以某區(qū)域電網(wǎng)連續(xù)24 h負(fù)荷擾動數(shù)據(jù)為研究對象，采樣間隔為1 min，負(fù)荷擾動曲線如圖4所示。
表3 仿真參數(shù)
圖4 24 h負(fù)荷擾動
4.1 儲能輔助常規(guī)調(diào)頻機組參與電網(wǎng)二次調(diào)頻仿真分析
首先對儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻效益進行驗證。電網(wǎng)頻率變化、儲能出力及單儲能SOC曲線如圖5～圖7所示。
圖5 系統(tǒng)頻率變化
圖6 儲能出力
圖7 單儲能SOC變化
圖5為無儲能和有儲能參與調(diào)頻時電網(wǎng)頻率變化。分析可知，儲能參與調(diào)頻時比無儲能時調(diào)頻效果更好，其原因在于儲能相較于常規(guī)火電調(diào)頻機組，具備較快的頻率變化響應(yīng)能力，可快速抑制頻率跌落。圖6和圖7為儲能調(diào)頻功率和單儲能跟蹤功率指令時SOC。當(dāng)以本工作容量配置模型進行配置時，儲能可跟蹤調(diào)頻指令以補償系統(tǒng)不平衡功率，且能夠滿足SOC運行約束。
從數(shù)據(jù)角度分析見表4，儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻時最大正向頻率偏差為0.0182 Hz，最小反向頻率偏差為-0.0224 Hz，頻率偏差絕對值平均值為0.0041 Hz，相較于無電池儲能，調(diào)頻指標(biāo)分別提升了45.97%、46.93%和42.35%。
表4 無儲能和有儲能下的調(diào)頻指標(biāo)
4.2 雙電池儲能集成控制策略仿真分析
由第2節(jié)分析可知，對于電池儲能來說，雙電池集成控制可減小頻繁充放電對電池壽命的影響。本工作對3種常見的電池儲能(鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池)采用雙電池集成控制以跟蹤調(diào)頻功率指令，并與3種功率型儲能(超級電容、飛輪儲能、超導(dǎo)磁儲能)調(diào)頻經(jīng)濟性作對比分析。雙電池儲能出力、SOC曲線、充放電狀態(tài)切換標(biāo)志如圖8～圖10所示，根據(jù)壽命評估模型統(tǒng)計的等效循環(huán)次數(shù)及循環(huán)壽命見表5、表6。
圖8 兩電池儲能組的有功出力曲線
圖9 兩電池儲能組的SOC變化曲線
圖10 充放電狀態(tài)切換標(biāo)志位
表5 3種能量型電池儲能的循環(huán)次數(shù)
表6 3種能量型電池儲能的使用壽命
由圖8～圖10可知，當(dāng)A電池儲能放電補償負(fù)向負(fù)荷擾動時，B電池儲能充電補償正向負(fù)荷擾動，在A/B電池儲能達到SOC邊界時，A電池儲能切換為充電模式，B電池儲能切換為放電模式，避免了頻繁充放電切換，且滿足每組電池的功率約束和可用充放電容量約束。同時，兩電池組之間充放電狀態(tài)的切換可使得電池能接近最優(yōu)DOD運行(如0～300、600～1200 min等時段)，進而充分利用其循環(huán)壽命，延長了電池的使用壽命。
從數(shù)據(jù)角度進行分析見表5和表6，采用雙電池集成控制模式時，3種電池儲能等效循環(huán)次數(shù)均小于單電池控制，鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池的等效循環(huán)次數(shù)分別減少了76.6%、80.1%、25.1%；等效使用壽命分別延長了4.27、5.06和1.35倍，且雙電池集成控制模式下，鋰電池平均使用壽命明顯優(yōu)于鉛酸電池和鎳氫電池，為846.4 d。
4.3 基于雙電池集成控制的多類型儲能調(diào)頻經(jīng)濟性評估
首先根據(jù)式(21)計算功率型儲能運行壽命，見表7。為了減小置換次數(shù)向上取整帶來的成本誤差，形成有效對比，本工作以10年為壽命周期。計算的多類型儲能置換次數(shù)如圖11所示。分析可知，功率型儲能因壽命較長，其置換次數(shù)要小于電池儲能。相較單電池控制，采用雙電池集成控制時可以明顯減少電池儲能置換次數(shù)。
表7 3種功率型電池儲能的等效使用壽命
圖11 多類型儲能置換次數(shù)
從經(jīng)濟角度進行對比，各類型儲能經(jīng)濟參數(shù)見表8，基于3.2節(jié)儲能全壽命周期成本模型，可得到單電池控制和雙電池集成控制下鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池，單電池控制下超級電容、飛輪儲能和超導(dǎo)磁儲能的調(diào)頻成本，見表9。
表8 多類型電池儲能的經(jīng)濟性參數(shù)
表9 多類型電池儲能的成本對比
由表9可知，雙電池集成控制時各類型電池的調(diào)頻成本均小于單電池控制，分析其原因在于雙電池功率和容量初始投資成本與單電池相同，但雙電池集成控制下各類型電池置換次數(shù)顯著減少，使全壽命周期成本評估下置換成本和報廢成本減小。由于各類型電池儲能成本不一，雙電池集成控制下鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池壽命周期調(diào)頻成本和分別為8.088×108元、3.727×108元和7.170×108元，較單電池分別減少了48.1%、70.3%和19.2%，且其調(diào)頻成本均優(yōu)于功率型儲能。此外，雙電池集成控制模式下，采用鉛酸電池的調(diào)頻經(jīng)濟性最佳，其成本為3.727×108元。
5 結(jié)論
針對儲能參與電網(wǎng)二次調(diào)頻場景，提出一種雙電池儲能集成控制策略，并構(gòu)建壽命評估和壽命周期成本模型對多類型電池儲能調(diào)頻經(jīng)濟性和適應(yīng)性進行評估。通過算例分析得出以下結(jié)論。
（1）所提雙電池儲能集成控制策略使得電池能夠運行于最佳放電深度，有效減小了電池壽命損耗，顯著延長其使用壽命，相較單電池控制，鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池的使用壽命分別延長了數(shù)倍。
（2）建立儲能全壽命周期成本模型統(tǒng)一從經(jīng)濟層面對多類型儲能調(diào)頻適應(yīng)性進行了有效對比。采用單儲能調(diào)頻時，超級電容調(diào)頻成本最低，其調(diào)頻經(jīng)濟性最好。采用雙電池集成控制時，相較單電池控制，鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池在全壽命周期內(nèi)成本顯著降低，且鉛酸電池調(diào)頻成本最低，其調(diào)頻經(jīng)濟性最佳。
