中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：本文在儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制方法中考慮了儲(chǔ)能電池的調(diào)頻死區(qū)，為充分發(fā)揮儲(chǔ)能快速、精準(zhǔn)響應(yīng)在電網(wǎng)調(diào)頻中的潛力，將儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)的界限設(shè)置在常規(guī)機(jī)組死區(qū)的范圍內(nèi)，有效改善電網(wǎng)頻率質(zhì)量，并避免常規(guī)機(jī)組參與調(diào)頻的頻繁動(dòng)作。
通過(guò)分析虛擬下垂與虛擬慣性控制對(duì)電網(wǎng)頻率的影響，提出一種將二者合理結(jié)合的控制方法，依據(jù)系統(tǒng)調(diào)頻需求，選擇相應(yīng)的控制策略，以實(shí)現(xiàn)兩種控制策略的協(xié)調(diào)運(yùn)行及優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；為了約束儲(chǔ)能功率輸出，對(duì)虛擬下垂與虛擬慣性控制采用基于logistic函數(shù)的自適應(yīng)控制規(guī)律，從而避免SoC（SoC，State of Charge）耗盡或飽和現(xiàn)象的發(fā)生。
研究背景
隨著能源日益緊張，新能源并網(wǎng)及儲(chǔ)能技術(shù)將成為未來(lái)能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)。我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量為全球第一，但是存在高比例風(fēng)電不能被消納，其中近30%的棄風(fēng)電量是由調(diào)頻問(wèn)題導(dǎo)致的。
近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量商業(yè)化儲(chǔ)能項(xiàng)目應(yīng)用于輔助服務(wù)領(lǐng)域，美國(guó)PJM市場(chǎng)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)安裝量超過(guò)了200MW，國(guó)內(nèi)在京能石景山熱電廠實(shí)施了國(guó)內(nèi)第一個(gè)儲(chǔ)能火電聯(lián)合調(diào)頻商業(yè)化示范項(xiàng)目后，山西也陸續(xù)實(shí)施了多個(gè)同類儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目，這使得儲(chǔ)能調(diào)頻需求和控制策略成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。
論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)
電網(wǎng)頻率分布大部分在常規(guī)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)（50±0.033Hz）之內(nèi)，而對(duì)于需要調(diào)頻的部分，大多處于死區(qū)邊界附近。造成這一現(xiàn)象的小幅高頻負(fù)荷擾動(dòng)，使得常規(guī)機(jī)組頻繁動(dòng)作參與一次調(diào)頻，為減少對(duì)常規(guī)機(jī)組的磨損，考慮設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)對(duì)一次調(diào)頻死區(qū)附近的頻率波動(dòng)進(jìn)行下調(diào)，盡可能減少常規(guī)機(jī)組的動(dòng)作次數(shù)，從而提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
類似地，可將儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)分為儲(chǔ)能固有死區(qū)和儲(chǔ)能人工頻率死區(qū)。由于儲(chǔ)能精確性高，且其快速響應(yīng)速度為秒級(jí)以下，甚至為毫秒級(jí)，儲(chǔ)能裝置本身的物理死區(qū)非常小，所以認(rèn)為儲(chǔ)能的固有死區(qū)可忽略不計(jì)。
以電池型儲(chǔ)能為例，利用儲(chǔ)能裝置吸收/釋放功率能力的特性（即SoC）來(lái)描述越限區(qū)域，其上下限由儲(chǔ)能電池類型決定，在儲(chǔ)能人工死區(qū)與越限區(qū)域內(nèi)，儲(chǔ)能都不參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。不同死區(qū)設(shè)置下的調(diào)頻效果如圖1所示，頻率分布如圖2所示。0.2DB、0.4DB、0.6DB、0.8DB和1.0DB分別對(duì)應(yīng)設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)為火電機(jī)組死區(qū)的20%，40%，60%，80%和儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)與火電機(jī)組死區(qū)相等的情況。
圖1 不同儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)下的頻率偏差曲線
圖2 不同儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)下的頻率分布
為了解決單一控制方法只對(duì)調(diào)頻效果起單一作用問(wèn)題，充分利用虛擬下垂和慣性控制的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，考慮將二者結(jié)合，并將調(diào)頻工況分為兩種，一類為頻率惡化工況，另一類為頻率回復(fù)工況，當(dāng)|f |正在增大時(shí)，即在頻率惡化工況下，本文采取虛擬下垂與慣性控制共同作用的方法減小頻率偏差，同時(shí)抑制頻率惡化；當(dāng)|f |正在減小時(shí)，即在頻率回復(fù)工況下，利用虛擬下垂控制恢復(fù)系統(tǒng)頻率。
同時(shí)考慮SoC反饋的自適應(yīng)控制規(guī)律，以充電為例，要求當(dāng)SoC相對(duì)較好時(shí)，儲(chǔ)能電池以最大速度釋放/儲(chǔ)存電量，優(yōu)先保證調(diào)頻需求；當(dāng)SoC接近飽和或耗盡時(shí)，以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行出力，保證SoC維持在合理范圍內(nèi)；當(dāng)SoC超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，停止充放電，本文利用logistic函數(shù)來(lái)模擬曲線可通過(guò)調(diào)節(jié)其中的參數(shù)可以表征曲線的不同特性，便于后續(xù)將其應(yīng)用于實(shí)踐工程。
為了驗(yàn)證本文所提控制方法的有效性，在MATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中建立仿真模型。模型包含本文所提儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)模塊、儲(chǔ)能控制模式選擇模塊和儲(chǔ)能出力約束模塊，如圖3所示。
圖3 儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻仿真模型
當(dāng)系統(tǒng)加入60min連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，采用本文方法和對(duì)比方法的調(diào)頻效果如圖4所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)和火電機(jī)組的輸出功率分別如圖5和6所示，調(diào)頻指標(biāo)如表1所示。
圖4 60min連續(xù)擾動(dòng)下頻率偏差曲線
圖5 60min連續(xù)擾動(dòng)下儲(chǔ)能輸出功率曲線
圖6 60min連續(xù)擾動(dòng)下儲(chǔ)能輸出功率曲線
表1 60min連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下電網(wǎng)調(diào)頻指標(biāo)
結(jié)論及展望
本文提出一種考慮儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)的一次調(diào)頻控制方法。該方法考慮儲(chǔ)能參與調(diào)頻的儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)，能夠有效減小常規(guī)火電機(jī)組參與調(diào)頻的輸出功率，在相同擾動(dòng)下相較于對(duì)比方法，在本文擾動(dòng)場(chǎng)景下，常規(guī)機(jī)組參與調(diào)頻次數(shù)由27次減少至11次，明顯改善其頻繁動(dòng)作的問(wèn)題。
目前對(duì)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻的儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)研究較少，仍然有很大的深掘空間。儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)大小的設(shè)定涉及到儲(chǔ)能和傳統(tǒng)機(jī)組的出力情況，深入研究如何量化儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)和火-儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻間的綜合經(jīng)濟(jì)性關(guān)系，對(duì)未來(lái)大規(guī)模新能源并網(wǎng)具有巨大意義。
引用本文
馬智慧, 李欣然, 譚莊熙, 黃際元, 賀悝. 考慮儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)的一次調(diào)頻控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(10): 2102-2115. Ma Zhihui, Li Xinran, Tan Zhuangxi, Huang Jiyuan, He Li. Integrated Control of Primary Frequency Regulation Considering Dead Band of Energy Storage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 2102-2115.
