孟高軍， 張 峰， 趙 宇， 吳 田， 馬福元

(1. 南京工程學院，江蘇 南京 210000；2. 浙江省太陽能利用及節(jié)能技術重點實驗室，浙江 杭州 311121；3. 浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 311121)

1 引言

隨著化石能源的枯竭和環(huán)境污染問題日益嚴重，大規(guī)模開發(fā)利用風能、太陽能等可再生能源是實現能源可持續(xù)發(fā)展、滿足能源消費需求、改善環(huán)境質量的有效途徑[1]。

然而新能源發(fā)電出力具有隨機性和波動性，當大規(guī)模接入電網時，會產生功率波動等問題，使得電力系統有功出力與負荷之間動態(tài)不平衡，導致系統頻率偏差，對電力系統的安全穩(wěn)定帶來嚴峻的挑戰(zhàn)[2,3]。

維持電力系統頻率穩(wěn)定是電力系統運行的基本要求，由于新能源機組自身不具備調頻能力，因此需要配備其他形式的備用容量設備進行新能源并網條件下的電網調頻任務。傳統火電調頻機組受機械特性的影響，響應速度慢，且受蓄熱的制約，難以滿足一次調頻需求[4]。儲能(特別是電化學儲能)具有調頻速度快，容量可調等特點，作為一種新的調頻手段已經引起廣泛關注，而如何使得電池儲能系統更加高效地滿足電網一次調頻需求則成為當前研究的熱點問題[5-7]。

文獻[8]針對儲能電池參與電網調頻提出了一種下垂控制策略，按照固定的下垂系數調節(jié)儲能電池出力，可以實現功率的快速調節(jié)，具有較好的調頻效果；文獻[9]進一步提出了一種基于虛擬下垂控制的儲能電池解決電網頻率穩(wěn)定，并驗證了下垂控制策略的穩(wěn)態(tài)效果；但所提控制策略均未考慮對系統動態(tài)特性、調頻需求及儲能電池SOC的變化與限制。文獻[10]雖考慮了儲能電池的SOC，但仍采用了固定功率處理參與電網頻率的調節(jié)策略。而現有考慮SOC的策略研究中，文獻[11]提出了一種儲能自適應控制策略，在電動汽車并網充電時，在滿足用戶充電需求的前提下，可根據功率狀況和SOC狀態(tài)為電網靈活提供頻率調節(jié)服務，但上述研究主要針對電動汽車充電需求的分散式儲能電池，而如何根據集中式儲能電池SOC特點充分發(fā)揮其輔助電網調頻性能具有十分重要的意義。

綜上，本文在考慮電網實際調頻需求的基礎上，提出了一種計及儲能電池SOC反饋的參與電網一次調頻控制策略。首先，本文分析了BESS參與一次調頻的功率控制目標；隨后在考慮電池的SOC基礎上，給出了不同荷電狀態(tài)下的控制策略下垂系數自適應優(yōu)化與均衡調節(jié)控制方法，隨后，綜合調頻需求與電池SOC狀態(tài)考慮，提出了一種兼顧調頻需求和SOC的BESS綜合控制策略。最后基于MATLAB平臺，仿真驗證了所提綜合控制策略的有效性。

2 BESS控制結構與電網調頻需求分析

當電力系統中負荷突然發(fā)生變化時，會導致系統中有功功率出現不平衡，引發(fā)系統頻率變化。當BESS參與一次調頻時，就是為電力系統提供功率支撐，以功率變化量來補償頻率的變化量，以達到抑制系統的頻率偏差變化，實現電網系統穩(wěn)定運行的目的。

當前，儲能參與電力系統一次調頻的方式主要是模擬同步發(fā)電機組下垂控制與慣性響應，根據頻率偏差，通過改變功率輸出來穩(wěn)定系統頻率。

因此含虛擬慣性控制和下垂控制的BESS功率響應表達式如式(1)所示[12]：

(1)

式中，KBESS為下垂控制系數，KBESS<0；Δf為電網頻率偏差；Kine為虛擬慣性系數，Kine<0；dΔf/dt為頻率變化率。

電力系統頻率波動狀況復雜，對于BESS的調頻控制有著不同的需求，因此，需要根據頻率偏差Δf將調頻需求進行區(qū)域劃分，針對不同的區(qū)域采取不同的調節(jié)方式進行調頻以滿足電網調頻需求。對于傳統火電機組調頻，通常設置機組轉速±2 r/min為一次調頻死區(qū)，根據式(2)可得一次調頻的頻率死區(qū)為0.033 Hz。

(2)

式中，n為轉速；p為發(fā)電機轉機極對數。在電池儲能參與一次調頻過程中，為避免電池頻繁充放電，延緩設備老化，因此本文中也將儲能電池的一次調頻死區(qū)設置為0.033 Hz。

同時根據我國電力系統發(fā)展規(guī)模對頻率偏差的要求，本文將頻率偏差在0.033～0.2 Hz范圍內設為正常調節(jié)I、II區(qū)；將頻率偏差大于0.2 Hz區(qū)域設為緊急調節(jié)區(qū)。

因此，為更好控制電池充放電狀態(tài)，將KBESS分為Kch、Kdisch及Kmax，Kch、Kdisch分別對應為充電狀態(tài)、放電狀態(tài)下的下垂控制的單位調節(jié)功率值，Kmax為儲能電池可達到的最大單位調節(jié)功率值。針對電網頻率差Δf不同的調節(jié)區(qū)域，對應的控制方案如下：

當│Δf│≤0.033 Hz時，處于調頻死區(qū)，為了減緩設備老化，避免不必要的頻繁動作，BESS暫不提供調頻服務，即ΔPref_BESS=0。

當0.033 Hz<Δf≤0.2 Hz時，處于正常調節(jié)I區(qū)，電網頻率高于額定頻率，BESS需進入充電模式，減緩頻率升高。

(3)

當-0.2 Hz<Δf≤-0.033 Hz時，處于正常調節(jié)II區(qū)，電網頻率低于額定頻率，BESS需進入放電模式，為電網提供功率支持。

(4)

當│Δf│>0.2 Hz時，處于緊急調頻區(qū)，BESS應以最大額定輸出功率進行調節(jié)，即KBESS=Kmax，以確保電網頻率偏差盡快進行調整，使電力系統在最短的時間內達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，即：

(5)

綜上，BESS參與一次調頻控制的下垂出力系數KBESS與頻率偏差Δf之間的函數關系如式(6)所示。

(6)

3 基于SOC反饋的改進型下垂控制策略

目前，在傳統的基于虛擬慣性的下垂控制中，BESS在為電力系統提供調節(jié)功率時，通常采用固定單位調節(jié)功率值參與一次調頻，由于目前儲能的容量相對于大電網而言仍是非常有限的，長期采用Kmax向電網充放電，在頻繁動作過程中，易導致電池長期處于過充過放狀態(tài)[13]。

此外，配置的大容量儲能系統通過由多個并聯BESS子系統組成，受各個BESS中電池制作工藝和初始電量的影響，導致每個BESS子系統存在SOC不均衡的問題。在實際參與調頻過程中，各個子系統均采用統一下垂控制方式進行充放電，則放電模式下SOC較低或充電模式下SOC較高的儲能系統會提前退出調頻過程，剩余儲能系統必須強制超額出力，容易出現過充過放，該狀況會縮短系統中部分儲能系統的使用壽命[14]。

為此本文提出了一種基于SOC的改進型下垂控制策略，對BESS的下垂出力進行自適應調整，同時，引入均衡因子，協調BESS系統之間的功率輸出，以提高多并聯BESS參與電力系統調頻的整體性能。

3.1 BESS可變下垂控制自適應優(yōu)化

δSOC是反映電池狀態(tài)值的物理量，儲能電池SOC在t時刻的值δSOC(t)的計算公式為：

(7)

式中，δSOC(t)為儲能電池的實時荷電狀態(tài)；δSOC(0)為儲能電池初始荷電狀態(tài)；ΔP為輸出有功功率。

從電池壽命考慮，首先需要對電池的SOC的值進行約束，即：

δSOC,min≤δSOC(t)≤δSOC,max

(8)

當儲能電池的SOC越過規(guī)定的合理區(qū)間時，電池必須要退出調頻過程，采用其他有關設備進行系統的頻率調節(jié)。在儲能電池SOC狀態(tài)處于正常區(qū)間時，可以考慮在SOC過高或者過低時，適當減少BESS出力，形成一種基于SOC的可變下垂調節(jié)策略，一方面可以使得BESS更好地維持SOC，減緩其性能衰減，延長其壽命，另一方面也可以有效地避免儲能在SOC越限時，對電網穩(wěn)定性產生的不利影響，實現對BESS能量的優(yōu)化管理。

首先，儲能電池SOC分區(qū)示意圖如圖1所示，將BESS劃分為7個SOC區(qū)間，分別設定δSOC,max、δSOC,high+、δSOC,high-、δSOC,low-、δSOC,low+和δSOC,min。

圖1 儲能電池SOC分區(qū)示意圖

其次，在考慮SOC的基礎上，采取自適應動態(tài)調節(jié)的方式對BESS的調節(jié)系數KBESS進行優(yōu)化，確定最佳的充電深度，滿足調頻目標，具體方式如下所述。

(1)當δSOC(t)>δSOC,max或δSOC(t)<δSOC,min時，為避免BESS越限充放電，暫不提供調頻服務，停止出力。

(2)當δSOC,low-≤δSOC(t)≤δSOC,high-時，BESS容量充足，以最大單位調節(jié)系數Kmax進行充電或放電。

Kch=Kdisch=Kmax

(9)

(3)當δSOC,min≤δSOC(t)<δSOC,low-時，在充分考慮系統調頻需求的基礎上，依據儲能電池的SOC，對KBESS進行自適應調節(jié)。BESS充電模式下，Kch=Kmax；BESS放電模式下Kdisch的取值如式(10)、式(11)所示，即：

δSOC,min≤δSOC(t)≤δSOC,low+時

(10)

δSOC,low+<δSOC(t)<δSOC,low-時

(11)

(4)當δSOC,high-<δSOC(t)≤δSOC,max時，在BESS處于放電模式下，Kdisch=Kmax；充電模式下，Kch的取值如式(12)、式(13)所示，即：

δSOC,high+≤δSOC(t)≤δSOC,max時

(12)

δSOC,high-<δSOC(t)<δSOC,high+時

(13)

3.2 BESS內部電池SOC均衡策略

此外，針對系統中參與一次調頻的多個BESS在充放電過程中存在SOC不均衡的問題，本文在對下垂控制調節(jié)系數KBESS自適應優(yōu)化基礎上，引入均衡因子G，對參與一次調頻的BESS的SOC進行均衡化處理,將均衡因子G以乘法的關系加入到下垂控制中。即：

(14)

均衡因子G表達式為：

(15)

式中，δSOC,i為各個BESS的SOC狀態(tài)值；δSOC,ave為系統內所有參與一次調頻的BESS的平均荷電狀態(tài)值；n為冪次級；kSOC為荷電狀態(tài)調節(jié)系數。

在放電模式下，對于δSOC較高的BESS，平衡因子G較大，對儲能電池的放電速度起到加速作用，放出較多的電量；δSOC較低的BESS，平衡因子G較小，起到減速作用，放出較少的電量。充電模式下，作用反之。通過均衡因子的作用，對系統內參與一次調頻的BESS承擔調頻需求進行了再次的合理分配，有效避免部分BESS因SOC狀態(tài)不足提前退出調頻，給剩余儲能系統增加調頻壓力，并有效抑制了一部分儲能的過充過放，對儲能電池自恢復階段起到了良好的促進作用，實現了BESS中SOC均衡。

4 BESS參與一次調頻的綜合控制策略

根據上述分析，綜合電網調頻偏差Δf與儲能電池SOC因素考慮，提出了BESS參與一次調頻的綜合優(yōu)化控制方法，結構如圖2所示，運行策略如下：

圖2 BESS參與一次調頻的綜合控制方法

(1)當電網頻率差-0.2 Hz≤Δf<-0.033 Hz，需要BESS作為電源提供出力，抑制頻率下降。對BESS自身而言，當其荷電狀態(tài)δSOC,min≤δSOC(t)<δSOC,low-時，根據式(10)、式(11)計算所得Kdisch出力，當荷電狀態(tài)處于δSOC,low-≤δSOC(t)≤δSOC,max時，采用Kmax進行出力。同時根據荷電狀態(tài)計算均衡因子，協調BESS之間的功率輸出。

(2)當電網頻率差0.033 Hz<Δf≤0.2 Hz，需要BESS作為負荷吸收多余電量，抑制頻率抬升。對BESS自身而言，當其荷電狀態(tài)δSOC,min≤δSOC(t)≤δSOC,high-時，采用Kmax吸收電量。當荷電狀態(tài)處于δSOC,high-<δSOC(t)≤δSOC,max時，BESS按照式(12)、式(13)所計算的Kch吸收電量。同時根據BESS的荷電狀態(tài)計算均衡因子，協調BESS之間的功率吸收。

(3)當電網頻率差|Δf|>0.2 Hz時，且δSOC,min<δSOC(t)<δSOC,max時，BESS處于緊急調頻區(qū)，所有參與調頻的BESS均以Kmax對電網進行充放電，以維持系統穩(wěn)定，確保系統安全為第一目標。

(4)BESS不參與調頻狀態(tài)

當|Δf|≤0.033 Hz時，電網頻率穩(wěn)定，BESS不參與一次調頻。

(5)BESS無法參與調頻

當荷電狀態(tài)δSOC(t)<δSOC,min或δSOC(t)>δSOC,max，BESS參與調頻效果有限且對自身壽命造成不利影響，此時，不參與調頻。

5 仿真分析

本文選取某地電網作為研究對象，在Matlab/Simulink平臺中搭建其仿真模型，其一次調頻仿真模型如圖3所示。

圖3 一次調頻仿真模型簡圖

機組容量為100 MW，儲能容量為1 MW/1 MW·min，設兩個儲能子單元。以額定頻率與機組額定容量為基準值進行標幺化。儲能最大單位調節(jié)功率Kmax為12，機組單位調節(jié)功率KG為20。TG、TCH、TRH和FHP分別為調速器時間常數、汽輪機時間常數、再熱器時間常數和再熱器增益，取值分別為0.08 s、0.3 s、10 s與0.5；M和D為電網慣性時間常數和負荷阻尼系數，標幺值10和1。

為說明所提控制策略的有效性，分別針對階躍負荷和連續(xù)負荷2種典型擾動工況進行仿真分析。

(1)階躍負荷擾動

采用本文所提綜合控制方法、定下垂控制法、線性下垂控制法以及無儲能進行分析，在工況下的系統加入Pload=0.015 pu的負荷擾動。

采用不同控制方法下的頻率調整變化曲線如圖4所示，初始值δSOC=0.5的BESS在對應控制策略下的SOC變化曲線如圖5所示。

圖4 幅值為0.015的負荷擾動頻率調整過程

圖5 調頻過程BESS的SOC變化

綜合圖4與圖5可知，其中無儲能參與的系統頻率下降最大，且在穩(wěn)態(tài)恢復階段，頻率穩(wěn)態(tài)偏差也最大。定下垂系數法對頻率的響應效果最好，但是完全未考慮到自身的SOC，導致后期電量用盡，反而造成了頻率的突然跌落。變下垂系數法的SOC維持效果是最佳的，但是對頻率變化的抑制效果較差，暫態(tài)頻率跌落較大，沒有從一次調頻的實際需求出發(fā)。本文的方法綜合考慮了系統的一次調頻需求與儲能自身保持SOC的需要，在頻率破壞初期起到了較為有效的抑制作用，并隨著系統頻率的恢復，儲能進入自身荷電狀態(tài)保持狀態(tài)，使得自身的SOC也處于一個較高的水平，未出現過充過放現象。

本文引入均衡因子的綜合控制方法與未引入均衡因子的可變下垂控制自適應控制的一次調頻效果對比以及SOC變化情況分別如圖6與圖7所示。

圖6 考慮均衡與未考慮均衡下的頻率變化

圖7 考慮均衡與未考慮均衡下的SOC變化

引入均衡因子與未引入均衡因子的一次調頻效果基本一致。在δSOC變化方面，引入均衡因子的儲能系統，δSOC處于較高水平的儲能單元出力較多，荷電狀態(tài)下降快，δSOC處于較低水平的儲能單元出力較少，荷電狀態(tài)下降慢，二者逐漸趨于一致，既有效地維持了低荷電狀態(tài)的儲能單元SOC水平，避免其提前放電完畢，退出調頻，造成頻率的突然跌落，或使剩余儲能超額出力，影響儲能壽命，又充分發(fā)揮了狀態(tài)良好的儲能單元的工作效率。

(2)連續(xù)負荷擾動

在工況系統中加入如圖8所示的一段連續(xù)的擾動。通過仿真可得系統頻率變化與初始值δSOC=0.5和δSOC=0.35的兩個儲能單元SOC變化趨勢分別如圖9、圖10所示。

圖8 10 min的連續(xù)隨機擾動

圖9 連續(xù)擾動下的頻率變化

圖10 本文控制策略下的儲能單元SOC變化

如圖9所示，在本文的控制策略下，系統的頻率偏差維持在了所規(guī)定的數值內，并且在放電過程中，如圖10所示，在均衡因子的影響下，各儲能單元協調出力，SOC狀態(tài)逐漸趨于均衡化，呈現較好的一致性。

6 結論

本文提出一種兼顧電網調頻需求與電池SOC狀態(tài)的BESS參與一次調頻的綜合控制策略。在不同的調頻區(qū)間與不同的儲能電池SOC狀態(tài)下，實現BESS的出力優(yōu)化控制，既有效地實現了不同頻率偏差區(qū)間的頻率調節(jié)，又解決了儲能電池的過充過放問題，并合理協調了系統中參與一次調頻的BESS的功率輸出，提高了整體利用效率，延長了BESS的循環(huán)壽命，為未來對BESS參與電力系統頻率調節(jié)有效的研究奠定了一定的理論基礎。