陳 浩，賈燕冰，王曉勤，鄭 晉，韓肖清，王金浩

(1.太原理工大學(xué) 電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024；2.山西汾西重工有限責(zé)任公司，太原 030027；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，太原 030012)

受地理位置、資源稟賦影響，我國形成了分別以火電和水電為主的的兩類電源結(jié)構(gòu)。在不同電源結(jié)構(gòu)中，隨著間歇性和波動性輸出特性的風(fēng)電、光伏大量并網(wǎng)，使得電網(wǎng)對快速調(diào)節(jié)服務(wù)的需求大幅增加[1]。同時，負(fù)責(zé)電網(wǎng)在秒級、分鐘級能量平衡的火電、水電的AGC機(jī)組受機(jī)爐跟隨時滯及季節(jié)性豐枯影響，其有限的調(diào)頻容量愈發(fā)難以滿足系統(tǒng)頻率響應(yīng)的速度和精度要求[2]。在需求側(cè)日趨緊張的調(diào)節(jié)資源及尚不完善的輔助服務(wù)“兩個細(xì)則”補(bǔ)償機(jī)制背景下[3-4]，其參與調(diào)頻市場缺乏積極性。而儲能電池因其規(guī)?；l(fā)展及成本的大幅下降，逐漸成為AGC中優(yōu)質(zhì)的資源[5]。

合理的調(diào)頻儲能容量配置是儲能參與調(diào)頻盈利的重要保障，對于鼓勵儲能以合理、可持續(xù)盈利投入到輔助服務(wù)市場起到了基礎(chǔ)性的作用。現(xiàn)階段儲能提供電網(wǎng)調(diào)頻的容量配置方法主要有差額補(bǔ)償法、平抑波動法和經(jīng)濟(jì)性評估法[6]。文獻(xiàn)[7]基于實(shí)測的區(qū)域控制偏差(area control error，ACE)及電網(wǎng)調(diào)頻動態(tài)模型頻譜分析得到儲能資源在調(diào)頻資源容量占比逐漸提高，ACE標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)先增后減，說明儲能容量并非越大越好。文獻(xiàn)[8]基于輔助補(bǔ)償政策及EMD分解策略提出了改善電廠調(diào)頻性能的高低頻分段點(diǎn)及最優(yōu)經(jīng)濟(jì)容量配置；文獻(xiàn)[9]根據(jù)電網(wǎng)能量需求持續(xù)曲線對儲能容量配置進(jìn)行評估；文獻(xiàn)[10]考慮儲能日歷壽命衰減模型，以凈效益最大為目標(biāo)容量配置。上述儲能容量配置方法均能在改善電廠調(diào)頻性能的同時，將經(jīng)濟(jì)性納入規(guī)劃，但其并未從電網(wǎng)側(cè)改善電網(wǎng)頻率性能的宏觀角度對儲能總量給予規(guī)劃。

同時，國內(nèi)儲能在現(xiàn)有的政策及技術(shù)背景下，參與調(diào)頻的模式仍主要是輔助傳統(tǒng)機(jī)組執(zhí)行AGC指令。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有包括山西同達(dá)9 MW/4.5 MWh、內(nèi)蒙古上都18 MW/9 MWh在內(nèi)的儲能調(diào)頻工程在內(nèi)多達(dá)20個項(xiàng)目在2018年投運(yùn)、在建、招標(biāo)[11-12]。區(qū)域市場也從華北、蒙西向南方電網(wǎng)擴(kuò)散，其投資容量在行業(yè)內(nèi)形成2臺300 MW機(jī)組配置9 MW/4.5 MWh的招標(biāo)模式。但隨著已投和在建火-儲聯(lián)合項(xiàng)目日益增多，已有華北能監(jiān)局將調(diào)頻申報(bào)價格擬定為不設(shè)底線的0～12元/MW[13]，山西也由最初的7元/MW申報(bào)價格降到了5元/MW的底線價格，各地日趨激烈的競爭將成為市場常態(tài)。若該市場儲能容量配置僅依據(jù)與傳統(tǒng)機(jī)組比例投建，而未從宏觀層面將區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻需求特征、電源結(jié)構(gòu)特性、工況場景納入考慮，其爆發(fā)性、無序的市場招投標(biāo)將不利于各儲能供應(yīng)商按預(yù)期回收成本。綜上，無論從理論研究還是工程實(shí)際出發(fā)，亟需基于頻率評價指標(biāo)對儲能容量進(jìn)行宏觀規(guī)劃。

因此，本文首先綜合分析了我國以火電和水電為主的兩種電源結(jié)構(gòu)，建立了用于控制區(qū)調(diào)頻仿真的火電、水電模型，并將符合調(diào)頻工況的儲能等效模型納入兩區(qū)域電網(wǎng)仿真；其次利用低通濾波器分解調(diào)頻需求的方法，并結(jié)合水電機(jī)組易受季節(jié)性豐枯影響，構(gòu)建了火、水、儲調(diào)頻任務(wù)分配簡化模型；最后通過基于CPS指標(biāo)的分析，對比各電源結(jié)構(gòu)下CPS改善率，針對不同容量CPS改善率邊際遞減效應(yīng)，確定各電源結(jié)構(gòu)下的儲能容量規(guī)劃。

1 計(jì)及電源結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真模型

為分析在不同電源結(jié)構(gòu)的控制區(qū)域儲能調(diào)頻效用并進(jìn)行容量配置，本文基于經(jīng)典兩區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)AGC仿真模型[14]，提出將圖1所示的水電機(jī)組等值模型納入考量，其不同于火電模型參數(shù)如表1.考慮到二次調(diào)頻易受火電爬坡率、水電豐枯調(diào)頻容量不一致的約束，在上述仿真系統(tǒng)中增設(shè)機(jī)組發(fā)電約束環(huán)節(jié)如圖2。并選擇能夠滿足調(diào)頻需求的儲能一階簡化模型如式(1)。

表1 等值水電機(jī)組部分參數(shù)Table 1 Partial parameters of the equivalent hydropower unit

圖2 發(fā)電機(jī)組約束環(huán)節(jié)Fig.2 Generator set constraint

(1)

式中：Ge(s)表征儲能響應(yīng)延遲傳遞函數(shù)；Te為時間常數(shù)取0.01.為避免儲能調(diào)頻受電量限制，在其功率轉(zhuǎn)換與輸出環(huán)節(jié)之外，添加能量管理環(huán)節(jié)圖3，圖中C0，CN分別是儲能初始參考容量及額定容量。

圖3 儲能電池荷電狀態(tài)等效模型Fig.3 Equivalent model of the state of charge of energy storage battery

依據(jù)前述分析，建立儲能參與二次調(diào)頻的兩區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)等效模型如圖4，并對區(qū)域1配置儲能、水電、火電機(jī)組，各參數(shù)設(shè)置如文獻(xiàn)[14-15]。

2 基于調(diào)頻工況分析的指令分配

本節(jié)基于某省SCADA系統(tǒng)讀取的該省豐水大發(fā)、豐水小發(fā)、枯水大發(fā)、枯水小發(fā)典型日15 min調(diào)頻需求及可調(diào)量分析如表2。其中在確定各機(jī)組可調(diào)節(jié)量時，基于經(jīng)濟(jì)性考量并結(jié)合調(diào)度實(shí)際，做出下述合理簡化：

表2 某省典型工況AGC需求及可調(diào)量Table 2 AGC demand and adjustable amount of typical working conditions in a province MW

1) 豐水期水電機(jī)組優(yōu)先滿功率發(fā)電，系統(tǒng)向下調(diào)時，水電機(jī)組只承擔(dān)額定容量的50%作為下調(diào)容量；

2) 枯水期水電機(jī)組向上爬坡能力有限，系統(tǒng)向上爬坡水電只承擔(dān)下調(diào)量的50%.

從上述數(shù)據(jù)可知，水電爬坡率較快，其單位時間可調(diào)量遠(yuǎn)大于火電，但其易受季節(jié)性影響。基于此，本文制定調(diào)頻策略如圖5，圖中RegA，RegD分別表示調(diào)頻需求中的低頻及高頻信號。

3 基于CPS改善率的儲能容量配置

CPS評價標(biāo)準(zhǔn)是NERC在A1/A2標(biāo)準(zhǔn)缺陷下，基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)推演，以控制頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線功率為目標(biāo)考核控制區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)基于對整個電網(wǎng)頻率的貢獻(xiàn)進(jìn)行評價，從而使得控制目標(biāo)成為整個電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的評價指標(biāo)。我國大部分省級電網(wǎng)均已采用該指標(biāo)對頻率進(jìn)行考核，因此引入該指標(biāo)對儲能在不同電源結(jié)構(gòu)下的容量規(guī)劃具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

CPS1標(biāo)準(zhǔn)是指控制區(qū)在一個時間段內(nèi)， ACE應(yīng)滿足式(2)要求。

(2)

(3)

CPS1=(2-CF)×100% .

(4)

式中：ε是上年度系統(tǒng)實(shí)際頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率偏差的1 min平均值的均方根，Bi是控制區(qū)i的頻率偏差系數(shù)，單位MW/0.1 Hz.

當(dāng)CPS1≥200%，表明AGC調(diào)節(jié)量有助于減少控制區(qū)頻率偏差；當(dāng)100%≤CPS1≤200%，表明控制區(qū)調(diào)節(jié)量不利于頻率偏差降低，但其影響還未超過允許；當(dāng)CPS≤100%，說明AGC偏差已經(jīng)超出了允許值。

CPS2指標(biāo)是指控制區(qū)10 minACE平均值控制在限值L10內(nèi)，滿足式(5)即合格點(diǎn)數(shù)占比不低于90%

XAVG10 min(XACE1 min)≤L10,

(5)

(6)

4 算例

4.1 基于不同場景的儲能調(diào)頻貢獻(xiàn)分析

本節(jié)忽略典型電源結(jié)構(gòu)下控制區(qū)占比較小機(jī)組，以火、水電等值機(jī)分別承擔(dān)AGC指令代表我國北方以火電為主(場景Ⅰ)和西南以水電為主(場景Ⅱ)的兩種電源結(jié)構(gòu)，對同容量的儲能在Ⅰ、Ⅱ場景受到幅值為0.05 pu的階躍負(fù)荷擾動進(jìn)行分析如圖6.

圖6 各機(jī)組跟蹤指令及頻率響應(yīng)效果圖Fig.6 Tracking instructions and frequency response effect diagram of each unit

圖6(a)(b)為未加入儲能的傳統(tǒng)電源響應(yīng)擾動出力及頻率變化圖，場景Ⅱ執(zhí)行調(diào)度指令用時35 s較場景Ⅰ，140 s調(diào)節(jié)速度快了75%，且Ⅱ最大頻率偏差僅為0.013 Hz，是Ⅰ頻率偏差0.032 Hz的40%，說明水電較多的電源區(qū)本身就具有調(diào)速快、抑制頻差的優(yōu)勢。圖(c，d，e，f)分別為場景Ⅰ，Ⅱ加入同等容量儲能參與調(diào)頻后，各機(jī)組出力及頻差變化。顯然因火電受爬坡率限制，配置儲能可充分發(fā)揮其與火電的互補(bǔ)特性，儲能峰值功率達(dá)0.045 pu，比場景Ⅱ0.025 pu高出80%.若用衡量調(diào)頻貢獻(xiàn)的“調(diào)頻里程”計(jì)量，儲能調(diào)頻里程為0.050 2 pu，較場景Ⅱ的0.025 3 pu提高了近1倍。因此可得結(jié)論：依據(jù)不同電源結(jié)構(gòu)規(guī)模儲能配置很有必要，儲能在火電充裕區(qū)貢獻(xiàn)度較水電區(qū)大。

4.2 基于CPS評估的儲能調(diào)頻效用分析

本節(jié)選取某SCADA獲取的省典型日共24 h調(diào)頻指令作為調(diào)頻需求，并將前述CPS評估指標(biāo)用于對儲能配置后調(diào)頻效用分析，因CPS2指標(biāo)均符合要求，這里不再列寫。其中系統(tǒng)總調(diào)頻需求700 MW，將傳統(tǒng)機(jī)組與儲能共同承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)作為基準(zhǔn)場景，而傳統(tǒng)機(jī)組獨(dú)立承擔(dān)調(diào)頻作為對比場景。其中，豐水期水電代表兩場景中水電豐裕的電源結(jié)構(gòu)，其機(jī)組下調(diào)量僅為上調(diào)量的50%，枯水期與之對應(yīng)相同，這里不做贅述。如圖7(a)(b)分別為火電、水電與儲能容量比為0.82∶0.18時，其跟蹤指令運(yùn)行圖。圖8(a)(b)分別為與之對應(yīng)的CPS變化圖。

圖7 各控制區(qū)跟蹤指令運(yùn)行圖Fig.7 Each control area tracking instruction operation diagram

圖8 各控制區(qū)CPS1對比圖Fig.8 Comparison of each control area CPS1

從圖中對比及數(shù)據(jù)分析可得，在兩場景中配置儲能均可改善控制區(qū)域調(diào)頻精度及CPS1指標(biāo)，有利于調(diào)頻性能的提升。其中火電豐裕區(qū)調(diào)節(jié)日平均精度由67.51%提升到85.33%，CPS1日平均值也由200.575%提為200.642%；但水電豐裕區(qū)因其原具有較好的跟蹤效果及較高的CPS1值，其配置儲能改善精度及CPS效用不大，僅當(dāng)豐水期發(fā)生較大負(fù)擾動，水電因其下調(diào)容量有限，儲能可承擔(dān)的調(diào)頻容量才會較大，如圖7(b)中箭頭所指方框部分，在此刻其調(diào)頻精度大幅提升。因此，將儲能配置在水電豐裕區(qū)，其改善該地區(qū)調(diào)節(jié)精度及CPS評估指標(biāo)效用不如火電豐裕地區(qū)，不失一般性，在豐水期，儲能易較多承擔(dān)下調(diào)容量，在枯水期，儲能較多承擔(dān)上調(diào)容量，其季節(jié)性單向充放電將不利于儲能SOC均衡。

4.3 基于CPS評估的不同場景儲能容量配置

基于前述結(jié)論，本節(jié)依據(jù)CPS改善率的邊際效益確定不同場景儲能配置的經(jīng)濟(jì)容量及效用容量。如圖9為配置不同比例儲能各場景CPS1改善情況，圖10所示為CPS1對儲能配置容量的敏感度變化趨勢圖。

圖9 各控制區(qū)配置不同容量儲能CPS變化圖Fig.9 Different capacity energy storage CPS changes in each control area

圖10 各控制區(qū)CPS1對儲能容量敏感度Fig.10 CPS sensitivity of energy storage capacity in each control area

由圖9知，在火電豐裕區(qū)儲能容量占比低于50%時，其CPS指標(biāo)隨儲能容量提高而顯著提升，對比水電豐裕區(qū)CPS較之平緩的特征，說明相同容量的儲能配置在火電豐裕區(qū)可充分發(fā)揮儲能調(diào)節(jié)資源的優(yōu)勢，取得更好的調(diào)節(jié)效果。同時，隨儲能資源占調(diào)頻容量比重提高(水電豐裕區(qū)高于50%、火電豐裕區(qū)高于60%時)，CPS改善效果不再明顯，造成這一現(xiàn)象的原因主要是ACE中含有的高頻分量有限，儲能借助其性能優(yōu)勢完成高頻指令調(diào)節(jié)任務(wù)后，余量將被等同于傳統(tǒng)機(jī)組執(zhí)行任務(wù)，因此產(chǎn)生CPS指標(biāo)趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。因儲能易受其SOC限制，隨著其調(diào)頻容量占比提高，易出現(xiàn)電量受限無法充放電的情形，因此本文建議在水電、火電豐裕區(qū)分別配置調(diào)頻需求的50%、60%作為其效用容量。

由圖10知，各區(qū)域?qū)δ苋萘吭隽康拿舾卸炔煌Ｈ粢?0%調(diào)頻容量增加儲能配置，水電、火電豐裕區(qū)CPS改善幅度最大分別發(fā)生在20%和40%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)閮δ芫哂信c水電類似的調(diào)頻性能，配置較小容量儲能即可彌補(bǔ)水電暫態(tài)斜率下降造成的反調(diào)現(xiàn)象。但因水電機(jī)組本就具有良好的調(diào)頻性能，隨著儲能配置容量增加，并不能體現(xiàn)其性能優(yōu)勢。相反，火電機(jī)組因爬坡率受限，儲能容量從30%提升到40%，承擔(dān)了調(diào)頻任務(wù)中幾乎全部的高頻指令，將大幅改善CPS指標(biāo)，若繼續(xù)增設(shè)儲能，其將不得不承擔(dān)低頻指令，與火電的互補(bǔ)效應(yīng)將逐漸減弱。因此，考慮到目前儲能單位成本仍較昂貴的現(xiàn)狀，文本建議在水電豐裕區(qū)、火電豐裕區(qū)分別配置調(diào)頻需求的20%、40%作為其調(diào)頻經(jīng)濟(jì)容量。

5 結(jié)束語

本文利用CPS評估指標(biāo)、基于不同場景儲能和傳統(tǒng)機(jī)組工況、綜合研判儲能的調(diào)頻需求及仿真效果對比得出以下結(jié)論：配置合理規(guī)模儲能參與AGC控制，有利于改善控制區(qū)頻率性能；不同電源結(jié)構(gòu)的儲能需求具有較大的差異性，有必要依據(jù)不同場景確定儲能容量；依據(jù)控制區(qū)CPS評估指標(biāo)改善效用遞減可針對水電豐裕區(qū)、火電豐裕區(qū)給出適宜的儲能配置總量建議。

考慮到所研究控制區(qū)ACE波動情況的差異性，上述配置容量僅依據(jù)典型日需求波動進(jìn)行分析，其容量配置建議未必適用于其他控制區(qū)，實(shí)際工程還需要結(jié)合各場景火電、水電機(jī)組比例，各機(jī)組調(diào)頻效益收益及儲能成本量化模型具體分析。因此，儲能參與調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性和補(bǔ)償機(jī)制將成為下一步研究的重點(diǎn)。