鄧威，謝煜東，黃際元，唐星祝，向萌

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.重慶大學(xué)，重慶 401331；3.湖南大學(xué)，湖南 長沙 410082)

多類型儲能一次調(diào)頻特性研究

鄧威1，謝煜東2，黃際元3，唐星祝1，向萌1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.重慶大學(xué)，重慶 401331；3.湖南大學(xué)，湖南 長沙 410082)

本文采用區(qū)域等效方法，對系統(tǒng)的傳統(tǒng)頻率響應(yīng)模型進(jìn)行改進(jìn)完善，使其能更真實(shí)地反映實(shí)際電網(wǎng)中各種因素對一次調(diào)頻的影響。針對超級電容、超導(dǎo)磁、電池、飛輪等多類型儲能的運(yùn)行特性，分別構(gòu)建這4種儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的通用模型。結(jié)合典型負(fù)荷擾動(dòng)，通過仿真研究分析儲能荷電狀態(tài) (State of Charge，SOC)非線性約束對調(diào)頻特性的影響及各類型儲能特點(diǎn)。

一次調(diào)頻；多類型儲能；調(diào)頻特性；負(fù)荷擾動(dòng)

目前國內(nèi)參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的機(jī)組主要有火電機(jī)組、水電機(jī)組。國內(nèi)對一次調(diào)頻 (Primary Frequency Regulation，PFR)的研究主要集中在3個(gè)方向:從電網(wǎng)常規(guī)運(yùn)行角度出發(fā)，基于頻率響應(yīng)模型進(jìn)行仿真，進(jìn)而分析網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)對系統(tǒng)一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)特性的影響〔1－3〕；從電網(wǎng)事故角度出發(fā)，基于歷史電網(wǎng)頻率、發(fā)電機(jī)出力及負(fù)荷數(shù)據(jù)分析事故發(fā)生的原因并提出預(yù)防措施〔4－6〕；從單機(jī)并網(wǎng)角度出發(fā)，基于機(jī)組調(diào)頻特性實(shí)驗(yàn)分析機(jī)組的調(diào)頻能力以及相關(guān)參數(shù)設(shè)定〔7－9〕。大量的研究表明，無論是水電調(diào)頻機(jī)組還是火電調(diào)頻機(jī)組，均有其自身的局限與不足，會影響電網(wǎng)頻率的安全與品質(zhì)。如火電機(jī)組響應(yīng)時(shí)滯長不適合參與更短周期的調(diào)頻，受蓄熱制約而存在調(diào)頻量明顯不足，甚至遠(yuǎn)未達(dá)到一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量理論值。而水電機(jī)組的調(diào)頻容量則易受地域與季節(jié)性制約。隨著新能源接入電網(wǎng)的比例不斷提高，現(xiàn)有調(diào)頻手段的不足日益突出，亟需新的調(diào)頻技術(shù)。

大規(guī)模儲能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快及短時(shí)功率吞吐能力強(qiáng)等特點(diǎn)，若能將其與電網(wǎng)的傳統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)相結(jié)合，可作為一次調(diào)頻的有效輔佐手段。國外針對電池、超級電容、超導(dǎo)磁和飛輪等多類型儲能系統(tǒng) (Energy Storage System，ESS)參與電網(wǎng)調(diào)頻，已有了一定的研究和相關(guān)工程應(yīng)用〔10－13〕，但大部分研究和應(yīng)用是針對二次調(diào)頻，在儲能參與一次調(diào)頻能力方面的研究尚不多見。

文中在改進(jìn)系統(tǒng)的傳統(tǒng)頻率響應(yīng) (System Frequency Response，SFR)模型的基礎(chǔ)上，提出了儲能系統(tǒng)模擬機(jī)組一次調(diào)頻下垂控制參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的思路，進(jìn)而得出了更適合描述多類型儲能一次調(diào)頻特性的模型。在考慮儲能荷電狀態(tài) (State of Charge，SOC)非線性約束的影響下，分析了不同類型儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的特性。

1 多類型儲能頻率響應(yīng)模型

在基于系統(tǒng)頻率響應(yīng)研究電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)，通常認(rèn)為同一區(qū)域各發(fā)電機(jī)聯(lián)系緊密，即各發(fā)電機(jī)之間搖擺角變化量為0，忽略網(wǎng)絡(luò)影響，從而同一區(qū)域機(jī)組頻率響應(yīng)相同。因此可以采用線性模型來描述電網(wǎng)調(diào)頻問題，將同一區(qū)域同一類型的發(fā)電機(jī)聚合等效為單機(jī)模型，但保留各機(jī)組原動(dòng)機(jī)－調(diào)速系統(tǒng)獨(dú)立響應(yīng)的特性，其模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頻率響應(yīng)模型結(jié)構(gòu)圖

圖中:ΔPd為全網(wǎng)總負(fù)荷增量；n為發(fā)電機(jī)數(shù)；ΔPg1，ΔPg2，…，ΔPgn為各機(jī)組增發(fā)的機(jī)械功率；Δu1，Δu2，…，Δuun為各機(jī)組二次調(diào)頻的控制增量；Δω為區(qū)域的平均轉(zhuǎn)速偏差，在標(biāo)幺化的情況下等于該區(qū)域的頻率，即Δω＝Δf。

1.1 電網(wǎng)一次調(diào)頻模型

當(dāng)前系統(tǒng)的傳統(tǒng)頻率響應(yīng)模型研究尚存在以下不足之處:①未考慮聯(lián)絡(luò)線傳輸功率極限，因而頻率穩(wěn)定情況下，存在聯(lián)絡(luò)線功率已經(jīng)越限的可能；②未考慮機(jī)組容量以及機(jī)組的一次調(diào)頻最大調(diào)整負(fù)荷限幅。一次調(diào)頻最大調(diào)整負(fù)荷限幅是指電網(wǎng)允許機(jī)組在一次調(diào)頻中調(diào)整的出力，而機(jī)組容量是指機(jī)組自身所剩余的可調(diào)整出力大小。針對上述不足，可通過在Matlab/Simulink中直接使用非線性元件實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率極限的限制，并在模型中設(shè)定機(jī)組容量和最大調(diào)整負(fù)荷限幅，如圖2所示。

圖2 機(jī)組容量和調(diào)整負(fù)荷限幅模塊

圖中:ΔP為根據(jù)頻率偏移和調(diào)差系數(shù)所得出的機(jī)組功率增量；P0為機(jī)組初始功率；PN為機(jī)組額定功率；ΔP′為經(jīng)過模塊修正過的機(jī)組實(shí)際功率增量。常規(guī)機(jī)組參與一次調(diào)頻的控制目標(biāo)是在小負(fù)荷擾動(dòng)情況下盡可能將頻率維持在機(jī)組死區(qū)附近，在電網(wǎng)大故障情況下盡可能緩沖事故對系統(tǒng)頻率的影響，因此要求機(jī)組以最快速度響應(yīng)負(fù)荷需求。文獻(xiàn) 〔7〕中亦提出機(jī)組一次調(diào)頻中不設(shè)置爬坡率限制。本文默認(rèn)機(jī)組爬坡率足夠大從而不會對系統(tǒng)調(diào)頻產(chǎn)生影響。

1.2 多類型儲能一次調(diào)頻模型

電網(wǎng)中的一次調(diào)頻是利用系統(tǒng)固有的負(fù)荷頻率特性及發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器作用來防止系統(tǒng)頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率的調(diào)節(jié)方式。因此，通過模擬發(fā)電機(jī)組根據(jù)頻率偏差和調(diào)差系數(shù)調(diào)整自身出力的方式，可建立儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的基本模型，其出力增量ΔPESS與Δf的數(shù)學(xué)關(guān)系如下所示:

其中RESS和KESS分別稱為儲能系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)和靜態(tài)功頻特性系數(shù)。不同的儲能系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)基本上都是由直流側(cè)部分和并網(wǎng)逆變控制器組成。直流側(cè)部分相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)定輸出的直流源，而通過調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變控制器的輸入，可實(shí)現(xiàn)儲能按指定方式和大小出力。因此，在含有儲能的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型中，儲能系統(tǒng)可以采用一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)來描述其動(dòng)態(tài)特性，其時(shí)間常數(shù)為TESS。儲能系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 儲能系統(tǒng)模型

儲能系統(tǒng)一般分能量型儲能和功率型儲能。能量型儲能以高能量密度為特點(diǎn)，通常放電時(shí)間較長(數(shù)十分鐘到數(shù)小時(shí))，比如大規(guī)模傳統(tǒng)蓄電池及新型電池儲能等。功率型儲能以高功率密度為特點(diǎn)，可在短時(shí)內(nèi)提供大功率輸入輸出，響應(yīng)迅速，容量相對較小，放電時(shí)間較短 (數(shù)秒到數(shù)分鐘)，比如超級電容器、超導(dǎo)磁儲能和飛輪儲能等。在建立能量型和功率型儲能系統(tǒng)的頻率響應(yīng)模型時(shí)，需要根據(jù)各自的特性來確定其KESS，TESS、儲能系統(tǒng)的額定功率以及額定容量。從而可以較為真實(shí)地模擬能量型儲能和功率型儲能的特性及約束。需要注意的是:在仿真計(jì)算中，儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻模型的儲能爬坡率限制數(shù)值較大，對系統(tǒng)調(diào)頻效果幾乎無影響。而實(shí)際運(yùn)行過程中，大部分儲能系統(tǒng)均能在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到出力目標(biāo)，相對于傳統(tǒng)水火電機(jī)組，其出力變化幾乎可看作瞬時(shí)完成，因而爬坡率限制可視仿真要求和實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

以儲能參與2個(gè)區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)的調(diào)頻為例，搭建一個(gè)改進(jìn)的儲能一次調(diào)頻模型，如圖4所示。

圖4 儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻模型圖

其中，各區(qū)域均有1臺再熱火電機(jī)組，區(qū)域1有一種儲能系統(tǒng)接入；ΔPd1，ΔPd2分別為2個(gè)區(qū)域的負(fù)荷擾動(dòng)；ΔPg1，ΔPg2為各機(jī)組的機(jī)械功率變化；ΔXe1，ΔXe2為各機(jī)組的閥門位置變化；ΔPE為儲能系統(tǒng)的出力變化；Δf1，Δf2分別為2個(gè)區(qū)域的頻率偏移。ΔPtie為聯(lián)絡(luò)線功率偏移，其功率方向?yàn)閰^(qū)域1流向區(qū)域2。當(dāng)電網(wǎng)由于負(fù)荷擾動(dòng)而導(dǎo)致頻率波動(dòng)時(shí)，儲能電源因其對負(fù)荷隨機(jī)和瞬間變化可做出快速反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，會優(yōu)先參與電網(wǎng)頻率調(diào)整，通過與傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組有效結(jié)合，維持系統(tǒng)頻率在合格范圍之內(nèi)。當(dāng)傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組調(diào)頻功能完全啟動(dòng)后，儲能系統(tǒng)則自動(dòng)退出調(diào)頻過程。

2 多類型儲能一次調(diào)頻特性仿真

在Matlab/Simulink中搭建上述改進(jìn)的儲能參與2個(gè)區(qū)域互聯(lián)的一次調(diào)頻模型，可仿真分析不同類型儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的特性及SOC非線性約束對頻率響應(yīng)的影響。

2.1 不考慮SOC非線性約束的情形

設(shè)2個(gè)區(qū)域所帶總負(fù)荷大小相同，均為1 000 MW，且以此值為功率基準(zhǔn)值。在僅考慮一次調(diào)頻作用的情況下，設(shè)區(qū)域1負(fù)荷發(fā)生變化量為總負(fù)荷的1%的階躍變化。模型的常規(guī)機(jī)組相關(guān)參數(shù)與參考文獻(xiàn) 〔10〕中的參數(shù)相同，各機(jī)組均留有0.1 p.u.調(diào)頻容量，一次調(diào)頻最大調(diào)整負(fù)荷限幅為0.08 p.u，聯(lián)絡(luò)線功率傳輸極限為0.1 p.u，各儲能系統(tǒng)模型參數(shù)的設(shè)置見表1。在不考慮SOC非線性約束影響下，采用文中提出的模型對各類型儲能參與一次調(diào)頻進(jìn)行仿真。其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)和聯(lián)絡(luò)線功率變化量動(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖5所示。

表1 各儲能模型參數(shù)設(shè)置

圖5 不考慮非線性約束的階躍負(fù)荷擾動(dòng)仿真結(jié)果圖

仿真結(jié)果表明，隨著儲能靜態(tài)功頻特性系數(shù)設(shè)置的上升，儲能出力增加，系統(tǒng)一次調(diào)頻結(jié)束后的暫穩(wěn)態(tài)頻差隨之減小，聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差波動(dòng)也減小，但系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間增長。在實(shí)際情況下，任何一種儲能都受到其額定功率、容量和SOC的限制，因而只有考慮了以上三者的限制，才能更貼近地模擬儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的特性和影響。

2.2 考慮SOC非線性約束的情形

在與2.1小節(jié)同樣的仿真設(shè)置，并考慮SOC非線性約束的影響下進(jìn)行仿真，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)、聯(lián)絡(luò)線功率變化量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、各儲能系統(tǒng)SOC的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 考慮非線性約束的階躍負(fù)荷擾動(dòng)仿真結(jié)果圖

仿真結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，各儲能均能迅速響應(yīng)，有效地抑制頻率和聯(lián)絡(luò)線交換功率的波動(dòng)。在擾動(dòng)發(fā)生的初期，由超級電容、飛輪儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的效果更好，2個(gè)區(qū)域的頻率和聯(lián)絡(luò)線交換功率的波動(dòng)較小，系統(tǒng)達(dá)到暫穩(wěn)態(tài)后的頻差較??；由電池和超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)參與頻率調(diào)整的區(qū)域暫穩(wěn)態(tài)頻差略大一些，這主要是由于前2種功率型儲能在短時(shí)提供了更多的電能平衡負(fù)荷需求。但由于受到容量限制，超級電容和飛輪儲能系統(tǒng)的SOC變化劇烈，在擾動(dòng)的后期，超級電容甚至因 SOC越限停止工作，因而負(fù)荷再次轉(zhuǎn)移到了常規(guī)機(jī)組，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的再次波動(dòng)，從而暫穩(wěn)態(tài)被破壞，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。文中超級電容的SOC限制取值較為理想，在國內(nèi)，為了延長超級電容的使用壽命，其SOC允許波動(dòng)范圍可能更小，因而暫穩(wěn)態(tài)可能更快被打破。

上述仿真中的階躍負(fù)荷擾動(dòng)僅可用于模擬實(shí)際電網(wǎng)中的大事故狀況。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，對于一次調(diào)頻需要平衡的主要是連續(xù)的小負(fù)荷擾動(dòng)，因而只采用階躍負(fù)荷擾動(dòng)來研究調(diào)頻特性尚不夠全面。因此本文截取了部分實(shí)際風(fēng)電數(shù)據(jù)來模擬這種擾動(dòng)。如圖7所示，該風(fēng)電功率波動(dòng)時(shí)長為100 s。

圖7 實(shí)際的風(fēng)電出力波動(dòng)

用該風(fēng)電數(shù)據(jù)替代模型中的階躍負(fù)荷擾動(dòng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。

圖8 考慮非線性約束連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)仿真結(jié)果圖

上述針對風(fēng)電波動(dòng)功率的仿真結(jié)果表明，超級電容、飛輪儲能系統(tǒng)在平抑連續(xù)小負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)更具優(yōu)勢，其SOC長時(shí)越限的可能性減小，從而能在更長時(shí)間范圍內(nèi)為電網(wǎng)提供快速有效的一次調(diào)頻服務(wù)。

綜上所述，雖然能量型儲能 (如電池)的輔助調(diào)頻效果不如功率型儲能 (如超導(dǎo)磁、超級電容和飛輪)，但其技術(shù)最為成熟，具備較大的容量，可以長時(shí)充放電。在任何擾動(dòng)下，其SOC變化最小，相應(yīng)的調(diào)頻效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)機(jī)組，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。諸如超級電容、飛輪等功率型儲能短時(shí)的大功率輸入輸出特點(diǎn)，使其能迅速平抑本區(qū)域擾動(dòng)，抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)，但其較大的功率和較小的容量會導(dǎo)致SOC變化太快，在電網(wǎng)故障情況下難以長時(shí)支撐電網(wǎng)頻率。因而在后續(xù)工作中需要進(jìn)一步研究一次調(diào)頻中儲能系統(tǒng)和常規(guī)機(jī)組的配合方式，確保儲能工作在浮充電狀態(tài)，從而也有利于延長儲能的壽命。

3 小結(jié)

文中對系統(tǒng)的傳統(tǒng)頻率響應(yīng)模型中尚存的不足進(jìn)行了改進(jìn)。在分析多類型儲能出力特性的基礎(chǔ)上，建立了儲能模擬傳統(tǒng)機(jī)組下垂特性出力的一次調(diào)頻模型，并進(jìn)而提出了儲能參與2個(gè)區(qū)域互聯(lián)的一次調(diào)頻模型，該模型可以計(jì)及區(qū)域內(nèi)各臺機(jī)組和不同儲能系統(tǒng)非線性約束的影響。通過仿真計(jì)算，分析了SOC非線性約束對不同儲能系統(tǒng)一次調(diào)頻特性的影響，以及能量型儲能和功率型儲能各自的優(yōu)勢和應(yīng)用場景。

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Research on primary frequency regulation characteristics of multi-type energy storage system

DENG Wei1，XIE Yu-dong2，HUANG Ji-yuan3，TANG Xing-zhu1，XIANG Meng1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Chongqing University，Chongqing 401331，China；3.Hunan University，Changsha 410082，China)

Based on area equivalent method，this paper has modified system frequency response model to reflect the influence of various factors of grid on primary frequency regulation.For super capacitor energy storage，super magnetic energy storage，battery energy storage and flywheel energy storage，this paper has proposed a general model with flexible parameter settings to depict their corresponding characteristics.Based on typical load perturbation，the impact of nonlinear factors like state of charge (SOC)on frequency regulation characteristics is analyzed and the characteristics of multi-type energy storage are studied.

primary frequency regulation；multi-type energy storage；frequency regulation characteristics；load perturbation

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.001

TM76

A

1008-0198(2015)01-0001-04

鄧威(1983)，男，湖南婁底人，博士，主要從事智能電網(wǎng)、電壓無功優(yōu)化控制方面的研究。

2014-08-12