呂力行，陳少華，張小白，龐 濤，黃崇鑫

（1.浙江浙能電力股份有限公司蕭山發(fā)電廠，浙江 杭州 311251；2.南瑞集團(tuán)有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 211106；3.南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210023）

傳統(tǒng)調(diào)頻資源在應(yīng)對變化速度快、波動幅度大的負(fù)荷時(shí)存在自身局限，不利于電力系統(tǒng)調(diào)頻品質(zhì)進(jìn)一步提升，因此亟需協(xié)調(diào)配置調(diào)節(jié)速度快、控制靈活的調(diào)頻資源[1-2]。隨著電化學(xué)儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，電池儲能從小容量分散式應(yīng)用逐漸向大容量規(guī)?；尤氚l(fā)展。儲能系統(tǒng)通過控制電池充放電來滿足電網(wǎng)調(diào)頻需求[3]。與水電機(jī)組、火電機(jī)組等傳統(tǒng)調(diào)頻電源相比，規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)具有調(diào)節(jié)速度快、調(diào)頻指令跟蹤精確、功率雙向調(diào)節(jié)等優(yōu)勢，在調(diào)頻領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[4]。

針對規(guī)?；姵貎δ軈⑴c電網(wǎng)二次調(diào)頻問題，國內(nèi)外已開展了一系列研究工作。文獻(xiàn)[5]針對模型參數(shù)不確定性及通信延時(shí)問題提出了兩層模型預(yù)測控制方法，用于控制分布式電池儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)二次調(diào)頻；文獻(xiàn)[6]針對電網(wǎng)故障情況下的功率平衡需求，推導(dǎo)了用于大電網(wǎng)調(diào)控的規(guī)?；姵貎δ苷{(diào)頻的控制模型，并基于響應(yīng)曲線法優(yōu)化PI控制器參數(shù)；文獻(xiàn)[7]基于Logistic回歸函數(shù)構(gòu)建了儲能自適應(yīng)調(diào)頻和儲能自恢復(fù)2種工況的出力控制規(guī)律，用于解決系統(tǒng)調(diào)頻需求和儲能恢復(fù)需求間的協(xié)調(diào)配合問題；文獻(xiàn)[8]結(jié)合系統(tǒng)頻率偏差大小和儲能SOC，基于模糊控制方法平滑儲能系統(tǒng)出力；文獻(xiàn)[9]考慮了儲能和傳統(tǒng)機(jī)組在調(diào)節(jié)速度和容量上的差異，提出了實(shí)現(xiàn)儲能和傳統(tǒng)機(jī)組協(xié)調(diào)互補(bǔ)的二次調(diào)頻策略；文獻(xiàn)[10]根據(jù)不同調(diào)頻需求與電池儲能系統(tǒng)SOC水平，確定模型預(yù)測控制策略中的輸出加權(quán)矩陣和約束，從而形成電池儲能系統(tǒng)的最優(yōu)控制變量。上述研究將儲能系統(tǒng)等效成一個調(diào)頻電源參與電力系統(tǒng)二次調(diào)頻，未考慮儲能站內(nèi)各組儲能單元的協(xié)調(diào)控制，特別是SOC一致性控制問題。

文獻(xiàn)[11]指出，儲能站內(nèi)各組儲能單元SOC保持一致具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如：實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)調(diào)頻容量最大化，保持儲能高效健康運(yùn)行，以及防止各電池儲能單元不均衡老化等。針對如何保持規(guī)?；姵貎δ苷緝?nèi)各組儲能單元SOC一致性問題，文獻(xiàn)[12]將各組儲能單元SOC偏差引入優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)中，并通過求解最優(yōu)功率分配策略實(shí)現(xiàn)各組儲能單元SOC一致。雖然該方法可保證各儲能單元SOC一致，但由于求解優(yōu)化模型耗時(shí)較長，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。文獻(xiàn)[13]將擾動觀測器和有限時(shí)間分布式協(xié)同算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了儲能站層的功率跟蹤及儲能站內(nèi)各儲能單元SOC一致。但是，該控制策略忽略了上層區(qū)域調(diào)頻需求（area regulation requirement，ARR）和儲能站整體SOC之間的協(xié)調(diào)配合問題，易導(dǎo)致儲能站SOC偏離預(yù)設(shè)運(yùn)行區(qū)間。

為兼顧電力系統(tǒng)調(diào)頻需求和儲能站SOC自恢復(fù)需求，同時(shí)保證儲能站內(nèi)各組儲能單元SOC一致，本文提出了考慮儲能站SOC的二次調(diào)頻分層協(xié)調(diào)控制策略。在區(qū)域控制中心層，根據(jù)ARR所在區(qū)間和電池儲能站整體的SOC，將調(diào)頻功率合理分配給電池儲能站和傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組，在實(shí)現(xiàn)二次調(diào)頻目標(biāo)的同時(shí)保證儲能站的SOC盡可能地維持在預(yù)設(shè)區(qū)間；在儲能站層，采用分布式協(xié)同控制算法，實(shí)現(xiàn)儲能站調(diào)節(jié)功率指令跟蹤，并確保各組儲能單元SOC趨于一致。最后，通過系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，對本文控制策略進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

1 含規(guī)?；姵貎δ芏握{(diào)頻模型

1.1 電池儲能參與二次調(diào)頻概述

規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)通常由多組電池儲能單元并列構(gòu)成，每組儲能單元由電池、功率變換器（power converter system，PCS）和升壓變壓器組成（圖1）。

圖1 規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of large-scale battery energy storage (BES) system

電力系統(tǒng)二次調(diào)頻又稱為電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制（load frequency control，LFC），其通過對電力系統(tǒng)中的調(diào)頻電源出力進(jìn)行二次調(diào)整，實(shí)現(xiàn)有功電源出力與負(fù)荷平衡，從而達(dá)到恢復(fù)系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率的目的[14]。目前，大規(guī)模電網(wǎng)主要采用分區(qū)控制模式，區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度中心的二次調(diào)頻軟件通過實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)頻率及區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線偏差，計(jì)算出區(qū)域控制偏差（area control error，ACE），將ACE信號按照預(yù)定的控制規(guī)則計(jì)算出二次調(diào)頻功率下發(fā)給轄區(qū)內(nèi)的調(diào)頻機(jī)組和儲能電站執(zhí)行。儲能站能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）在收到二次調(diào)頻功率指令后，通過協(xié)調(diào)儲能站內(nèi)各儲能單元實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功率跟蹤，參與區(qū)域調(diào)度中心的二次頻率控制。

1.2 負(fù)荷頻率控制等值模型

典型的規(guī)?；姵貎δ軈⑴c負(fù)荷頻率控制的兩區(qū)域互聯(lián)模型如圖2所示。圖2中，每個區(qū)域的傳統(tǒng)調(diào)頻電源用1臺等值的非再熱式火電機(jī)組表示，其動態(tài)模型包括調(diào)速器、汽輪機(jī)、區(qū)域等值發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)模型。規(guī)?；瘍δ茈娬灸Ｐ蛣t由n套儲能單元簡化模型構(gòu)成，每套儲能單元的動態(tài)模型包括功率輸出響應(yīng)以及儲能電量狀態(tài)的傳遞函數(shù)模型。

圖2 含規(guī)?；姵貎δ艿膬蓞^(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)LFC等值模型Fig.2 The equivalent model of two-area interconnected power system with large-scale battery energy storage for LFC

在圖2所示的負(fù)荷頻率控制模型中，規(guī)?；姵貎δ苣Ｐ椭饕▋δ苷緝?nèi)各組儲能單元的動態(tài)模型和控制策略模型。針對規(guī)模化電池儲能參與二次調(diào)頻的問題，考慮到每組電池單元在PCS控制下可快速精確地跟蹤參考功率指令，各組儲能電池單元的實(shí)際功率輸出對參考功率指令的動態(tài)響應(yīng)過程用一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行描述[13]：

儲能電池存儲電量與充放電功率密切相關(guān)，若不計(jì)儲能電池的充電與放電損耗，每組儲能電池的剩余電量與充放電功率的動態(tài)關(guān)系如下[13]：

式中：Ei(t0)為第i組儲能單元在初始t0時(shí)刻的電量，kW·h；PBESi為儲能充放電功率，大于0表示放電，反之表示充電。

荷電狀態(tài)（SOC）是電池所剩電量的相對度量，定義為電池剩余電量Ei(t)與額定電量Emax之比，即SSOCi(t)=Ei(t)/Emax。其中，SSOCi(t)=0表示電池放完電，SSOCi(t)=1表示電池充滿電?；谏鲜鯯OC定義，將式(2)左右兩邊同時(shí)除以Emax，可得：

式中SSOCi(t0)為初始t0時(shí)刻的SOC。

總體上，含規(guī)?；姵貎δ艿亩握{(diào)頻與傳統(tǒng)二次調(diào)頻相比具有如下特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)調(diào)頻策略時(shí)需加以考慮：

1）相對于傳統(tǒng)機(jī)組，規(guī)模化儲能電站的響應(yīng)時(shí)間更短，在設(shè)計(jì)調(diào)頻功率分配策略時(shí)，需結(jié)合系統(tǒng)調(diào)頻需求充分利用儲能站的調(diào)節(jié)優(yōu)勢；

2）規(guī)?；瘍δ茈娬镜某浞烹娙萘坑邢?，一旦處于深度充放電狀態(tài)，其調(diào)頻支撐能力將大幅衰減，調(diào)頻功率分配策略應(yīng)考慮儲能站的電量狀態(tài)自恢復(fù)問題；

3）儲能電站由多組儲能電池單元構(gòu)成，在儲能站層面須考慮由各組電池儲能單元協(xié)同完成區(qū)域控制中心下發(fā)的調(diào)頻功率跟蹤問題；

4）為保持電池儲能站高效健康運(yùn)行，須考慮儲能站內(nèi)各組電池儲能單元的SOC一致性控制問題。

2 電池儲能參與二次調(diào)頻控制策略

規(guī)?；姵貎δ軈⑴c電力系統(tǒng)二次調(diào)頻的能力受到電池容量及電池SOC限制，長時(shí)間持續(xù)放電（或充電）會使電池存儲的電量耗竭（或蓄滿），而電池儲能系統(tǒng)在耗竭或蓄滿狀態(tài)下只能進(jìn)行單向調(diào)頻，參與調(diào)頻的能力大大削弱。因此，在區(qū)域控制中心層，電力系統(tǒng)二次調(diào)頻要充分考慮電池儲能與傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)節(jié)特性差異，合理分配二次調(diào)頻功率需求。在電池儲能站層，考慮到規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)由多套電池儲能單元構(gòu)成，須對電池儲能系統(tǒng)整體的SOC進(jìn)行統(tǒng)一管理，并保持每套儲能單元的SOC一致，從而最大化利用電池儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，避免某些儲能單元因深度充放電而停止運(yùn)行。

2.1 區(qū)域控制層級的二次調(diào)頻控制策略

在區(qū)域控制中心層，電力系統(tǒng)二次調(diào)頻通常根據(jù)ARR（或ACE）的大小來劃分調(diào)節(jié)區(qū)間，一般包括調(diào)節(jié)死區(qū)、正常調(diào)節(jié)區(qū)、緊急調(diào)節(jié)區(qū)[13]3個區(qū)間。本文將根據(jù)ARR所處的調(diào)節(jié)區(qū)間以及規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)整體的SOC水平，協(xié)調(diào)控制傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組和儲能。

2.1.1 緊急調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)快速響應(yīng)控制

當(dāng)ARR在緊急調(diào)節(jié)區(qū)域時(shí)，二次調(diào)頻的首要目標(biāo)是利用區(qū)域內(nèi)調(diào)頻電源容量快速地減小ACE，并將調(diào)頻需求恢復(fù)到正?？刂茀^(qū)內(nèi)。由于電池儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度較快，在緊急控制區(qū)內(nèi)最大化利用儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)容量，不足部分由傳統(tǒng)機(jī)組分擔(dān)。因此，在緊急控制區(qū)內(nèi)，儲能和傳統(tǒng)機(jī)組的功率分配策略為

2.1.2 正常調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制

若ARR處在正常調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)，說明當(dāng)前參與二次調(diào)頻電源的備用較為充裕且ACE相對較小。在此情形下，區(qū)域控制中心可根據(jù)不同調(diào)頻電源特性，協(xié)調(diào)分配二次調(diào)頻功率需求。本文提出的傳統(tǒng)機(jī)組與電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)分配策略基本思路如下。

1）電池儲能系統(tǒng)SOC在預(yù)先設(shè)定的正常運(yùn)行區(qū)間工況 儲能系統(tǒng)被視為基本調(diào)頻電源，根據(jù)容量大小按比例分配調(diào)頻需求，兼顧各電源參與調(diào)頻的公平性。

2）電池儲能系統(tǒng)SOC偏離正常運(yùn)行區(qū)間工況若二次調(diào)頻方向有利于恢復(fù)儲能SOC，則儲能按其最大功率容量執(zhí)行調(diào)頻任務(wù)，剩余調(diào)頻需求由傳統(tǒng)機(jī)組承擔(dān)；若二次調(diào)頻方向不利于恢復(fù)儲能SOC，則儲能不參與二次調(diào)頻，調(diào)頻任務(wù)全部由傳統(tǒng)機(jī)組承擔(dān)。

基于上述分析，在正常調(diào)節(jié)區(qū)的儲能與傳統(tǒng)機(jī)組的功率分配策略為

2.1.3 調(diào)節(jié)死區(qū)內(nèi)儲能SOC自恢復(fù)控制

為避免頻繁調(diào)節(jié)，當(dāng)ARR處在調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)，區(qū)域控制中心通常不再調(diào)整各調(diào)頻機(jī)組的功率參考值。但是，在儲能參與二次調(diào)頻場景下，考慮到儲能不能長時(shí)間單向參與調(diào)頻，須將儲能SOC恢復(fù)到理想工作區(qū)間，為下一階段參與二次調(diào)頻服務(wù)做好準(zhǔn)備。因此，在調(diào)節(jié)死區(qū)內(nèi)，儲能SOC恢復(fù)策略一方面要快速將儲能SOC恢復(fù)到正常運(yùn)行區(qū)間，另一方面要避免引起ACE增大而跳出調(diào)節(jié)死區(qū)。

2.2 儲能站層級的儲能單元SOC一致性控制策略

上層區(qū)域控制中心根據(jù)二次調(diào)頻需求以及儲能站SOC水平制定相應(yīng)功率分配策略（式(4)—式(6)），并將二次調(diào)頻功率指令下給發(fā)傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組和儲能電站執(zhí)行。下層儲能站接收到二次調(diào)頻指令后，快速協(xié)調(diào)站內(nèi)各組儲能單元出力實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功率跟蹤，并保證各組儲能單元SOC一致，以提高儲能系統(tǒng)的綜合運(yùn)行效率。為此，本節(jié)采用分布式協(xié)同控制方法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化儲能電站的功率跟蹤和各儲能單元SOC一致收斂2個目標(biāo)。

2.2.1 儲能電池單元的動態(tài)模型

對于每組儲能電池單元而言，其功率調(diào)節(jié)慣性時(shí)間常數(shù)TBESi較短（毫秒級），而儲能系統(tǒng)在響應(yīng)二次調(diào)頻的調(diào)節(jié)周期較長（數(shù)秒至數(shù)分鐘）。因此，在規(guī)?；姵貎δ芟到y(tǒng)動態(tài)模型中，可忽略各儲能單元的慣性時(shí)間常數(shù)TBESi，近似認(rèn)為

儲能單元SOC與充放電功率的關(guān)系（式(3)）可用一階動態(tài)方程表示，即對式(3)求導(dǎo)可得

為動態(tài)調(diào)整各組儲能單元功率輸出，在每組儲能單元的功率參考信號前插入理想積分器(1/s)，則儲能單元的充放電功率與積分器輸入信號的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系可表示為

式中：uBESi(t)表示積分器的輸入信號。定義新變量SBESi(t)=–3 600EmaxSsoc,i(t)，每組儲能單元的動態(tài)特性可用二階積分模型表示：

每一組儲能單元的動態(tài)用式(9)描述，由多組儲能單元構(gòu)成的規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)可視作由多個二階積分動態(tài)構(gòu)成的多智能體系統(tǒng)。這樣，可采用多智能體系統(tǒng)理論中的分布式協(xié)同控制算法實(shí)現(xiàn)多組電池儲能單元的SOC一致收斂。

2.2.2 儲能系統(tǒng)分布式協(xié)同控制算法

在多智能體系統(tǒng)理論中，各智能體之間的通信網(wǎng)絡(luò)通常用圖G={V,E,A}表示。其中：V={v1,v2,…,vn}表示n個節(jié)點(diǎn)的集合；E=V×V表示邊的集合，即通信鏈路的集合；A=[aij]∈Rn×n是用來描述節(jié)點(diǎn)與邊關(guān)系的鄰接矩陣，aij為邊的權(quán)重。在無向圖中，(vj,vi)=(vi,vj)，aij＞0表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j可以相互傳遞信息，aij=0表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間無通信連接[15]。

為使規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)跟蹤區(qū)域控制中心下發(fā)的調(diào)頻指令，本文在儲能電站EMS層設(shè)計(jì)1個編號為0的二階領(lǐng)導(dǎo)智能體，其模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和更新儲能電站整體的參考功率跟蹤狀況和SOC水平，其動態(tài)模型如下：

圖3 儲能站領(lǐng)導(dǎo)智能體模型結(jié)構(gòu)Fig.3 The model structure of leader agent at BES station

式中：PBES,ref(t)表示t時(shí)刻區(qū)域控制中心下發(fā)給儲能電站的二次調(diào)頻參考功率，PBES(t)表示t時(shí)刻儲能電站并網(wǎng)點(diǎn)處的實(shí)測功率，K0為正增益系數(shù)。

由式(10)可以看出，領(lǐng)導(dǎo)智能體將根據(jù)功率跟蹤偏差實(shí)時(shí)調(diào)整PBES0(t)和SBES0(t)，并下發(fā)給站內(nèi)各組儲能單元執(zhí)行。

由儲能站EMS層的領(lǐng)導(dǎo)智能體和各組儲能單元的追隨智能體構(gòu)成的領(lǐng)導(dǎo)追隨（leader-following）多智能體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)Si(t)=S0(t)和PBESi(t)=PBES0(t)一致收斂的分布式協(xié)同控制算法如下[16]：

式中：aij表示通信鄰接矩陣A的元素，這里取aij=1表示第i和第j個智能體存在通信連接，aij=0表示彼此之間無通信；sgn(·)表示符號函數(shù)；λ1、λ2、λ3是正增益常數(shù)。

分布式協(xié)同控制算法（式(11)）對于通信拓?fù)涞囊笫牵瑑δ苷綞MS層的信息至少可以通過1條通信路徑到達(dá)任意一組儲能單元，即通信拓?fù)涫沁B通的。例如：由儲能站EMS層領(lǐng)導(dǎo)智能體（編號0）和4個儲能單元追隨智能體（編號1—4）構(gòu)成的多智能體系統(tǒng)，其不同的通信拓?fù)浼捌湎鄳?yīng)的鄰接矩陣如圖4所示。

圖4 多智能體系統(tǒng)的通信拓?fù)浼捌溧徑泳仃嘑ig.4 The communication topology of the multi-agent system and its adjacency matrix

圖4 中單向箭頭表示儲能站EMS層的領(lǐng)導(dǎo)智能體向站內(nèi)的某些儲能單元下發(fā)信息SBES0和PBES0，雙向箭頭表示相鄰儲能單元之間相互傳遞自身的信息SBESi和PBESi。圖4a)鏈?zhǔn)酵ㄐ磐負(fù)浜蛨D4b)網(wǎng)狀通信拓?fù)渚鶟M足連通性要求，而圖4c)由于存在信息孤島不滿足連通性要求。需要說明的是，不同的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，算法收斂速度不同。一般通信拓?fù)湓骄o密，算法的收斂速度越快，但通信成本會相應(yīng)增加。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還須在算法收斂速度和通信成本之間加以權(quán)衡。分布式協(xié)同控制算法（式(11)）除要求通信拓?fù)浔３诌B通性外，各正增益常數(shù)λ1、λ2、λ3還需滿足一定條件。關(guān)于分布式協(xié)同控制算法實(shí)現(xiàn)一致性跟蹤的充要條件可參考文獻(xiàn)[15-18]，此處不再贅述。綜上所述，規(guī)模化電池儲能參與二次調(diào)頻控制策略的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1）區(qū)域控制中心量測系統(tǒng)頻率偏差Δf和連聯(lián)絡(luò)線控制偏差ΔPtie，計(jì)算出區(qū)域控制偏差δACE，并利用PI控制器整定出區(qū)域調(diào)頻功率需求ΔPR；

2）區(qū)域控制中心根據(jù)|ΔPR|的大小來判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的調(diào)節(jié)區(qū)間（緊急調(diào)節(jié)區(qū)、正常調(diào)節(jié)區(qū)和調(diào)節(jié)死區(qū)）；

3）結(jié)合儲能站的SOC，若系統(tǒng)處在緊急調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)，采用功率分配策略（式(4)）；若在正常調(diào)節(jié)區(qū)，采用功率分配策略（式(5)）；若在調(diào)節(jié)死區(qū)，則采用功率分配策略（式(6)）；

6）儲能站內(nèi)各組電池儲能單元量測自身狀態(tài)信息（SBESi和PBESi），并將這2個信號發(fā)送給與之相鄰的儲能單元；

7）每組儲能單元利用分布式協(xié)同控制算法（式(11)）進(jìn)行充放電控制，最終通過n組儲能單元協(xié)同實(shí)現(xiàn)儲能站功率跟蹤目標(biāo)，即PBES=PBES,ref，以及SOC一致性收斂目標(biāo)，即SSOC1=SSOC2=…=SSOCn。

3 算例仿真試驗(yàn)

3.1 仿真系統(tǒng)及控制策略參數(shù)

利用軟件MATLAB/Simulink搭建本文提出的考慮規(guī)模化電池儲能SOC一致性的二次調(diào)頻分層控制系統(tǒng)模型，并采用如圖2所示的兩區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)模型進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為1 000 MW，兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)參數(shù)見表1。在區(qū)域1和區(qū)域2中，傳統(tǒng)機(jī)組的二次調(diào)頻容量均為100 MW（0.1 pu）。區(qū)域1和區(qū)域2基于ARR的調(diào)節(jié)分區(qū)情況為：|ΔPR|≤0.005 pu設(shè)置為調(diào)節(jié)死區(qū)，0.005 pu≤|ΔPR|≤0.08 pu設(shè)置為正常調(diào)節(jié)區(qū)，0.08 pu＜|ΔPR|設(shè)置為緊急調(diào)節(jié)區(qū)。

表1 兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of two-area interconnected power system

區(qū)域1的儲能站（編號0）與12組儲能單元間的通信拓?fù)湟约胺抡婺Ｐ涂驁D如圖5所示。每組儲能單元的最大充放電功率為2 MW，最大存儲電量為2.5 MW·h，因此儲能站整體的最大充放電功率為12×2 MW=24 MW，最大存儲電量為12×2.5 MW·h= 30 MW·h。儲能功率調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)TBES=0.01 s，儲能SOC正常工作區(qū)間設(shè)定為（0.3,0.7）。二次調(diào)頻控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定為：區(qū)域1和區(qū)域2的PI控制器參數(shù)為kp=0.16、ki=0.48，儲能站領(lǐng)導(dǎo)智能體積分系數(shù)K0=0.15，分布式協(xié)同控制算法參數(shù)為λ1=5、λ2=10、λ3=1。

圖5 含電池儲能站的區(qū)域1仿真模型框圖Fig.5 Simulation model diagram of Area 1 with BES station

3.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

3.2.1 小負(fù)荷擾動工況

區(qū)域1內(nèi)設(shè)定小負(fù)荷擾動曲線如圖6所示。假設(shè)第1~12組儲能單元的初始SOC依次為51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 區(qū)域1內(nèi)小負(fù)荷擾動曲線Fig.6 The mall load disturbance curve in Area 1

由圖7可以看出：發(fā)生小負(fù)荷擾動時(shí)，系統(tǒng)頻率偏差、ACE在1 min內(nèi)恢復(fù)至0，可滿足聯(lián)絡(luò)線和頻率偏差控制（tie-line and frequency bias control，TBC）模式的性能要求；儲能站實(shí)際出力可準(zhǔn)確、快速地跟蹤二次調(diào)頻功率指令。需要的說明是，在初始階段（0～5 min）存在的跟蹤誤差主要是在調(diào)節(jié)各儲能單元的SOC過程中產(chǎn)生的，如果各儲能單元的初始SOC相同，則不會產(chǎn)生上述功率跟蹤誤差。根據(jù)圖7中各儲能單元SOC響應(yīng)曲線可知，經(jīng)過5 min左右調(diào)節(jié)時(shí)間，各儲能單元的SOC一致收斂。并且，在60 min調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)，本文的二次調(diào)頻功率分配策略保證了儲能站SOC維持在正常運(yùn)行范圍，提高了儲能站持續(xù)參與二次調(diào)頻的能力。

圖7 小負(fù)荷擾動工況下系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.7 Dynamic response curves of the system under small load disturbance

3.2.2 大負(fù)荷擾動工況

設(shè)定大負(fù)荷擾動曲線如圖8所示。正、反向最大負(fù)荷擾動分別達(dá)到0.12、–0.12 pu。假設(shè)第1~12組儲能單元的初始SOC依次為20%、22%、24%、26%、

圖8 大負(fù)荷擾動曲線Fig.8 The large load disturbance curve

28%、30%、32%、34%、36%、38%、40%、42%。實(shí)驗(yàn)測試中，將本文二次調(diào)頻策略與不考慮儲能SOC的情況進(jìn)行對比分析。不考慮儲能SOC的二次調(diào)頻策略為：在區(qū)域控制中心層，根據(jù)儲能站和傳統(tǒng)機(jī)組容量大小按比例分配二次調(diào)頻功率需求；在儲能站層，將二次調(diào)頻任務(wù)平均分配給12組儲能單元。

大負(fù)荷擾動工況下，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9a)可以看出，在大負(fù)荷擾動（–0.12 pu）發(fā)生時(shí)刻（t=30 min），瞬時(shí)最大頻率偏差達(dá)到0.25 Hz，區(qū)域控制偏差達(dá)到0.17 pu，在本文控制策略作用下，經(jīng)過1 min左右，頻率偏差和區(qū)域控制偏差恢復(fù)至0；從儲能站出力曲線來看，儲能實(shí)際功率輸出能夠快速準(zhǔn)確跟蹤區(qū)域控制中心下發(fā)的二次調(diào)頻功率指令；在正向大負(fù)荷擾動發(fā)生時(shí)段（20~30 min）和反向大負(fù)荷擾動發(fā)生時(shí)段（40~50min），儲能站功率按最大容量輸出給予電網(wǎng)頻率支撐；由各組儲能單元SOC曲線可以看出，經(jīng)過10 min左右，各儲能單元的SOC趨于一致。

對比圖9a)和圖9b)可知：

圖9 大負(fù)荷擾動工況下系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)Fig.9 Dynamic response curves of the system under large load disturbance

1）從儲能站SOC響應(yīng)曲線看，不考慮儲能SOC的控制策略在大擾動發(fā)生后持續(xù)放電，在25~30 min，1、2、3號儲能單元由于深度放電限制（低于5%）而停止放電。相比之下，本文策略不僅使儲能站內(nèi)各組儲能單元一致收斂，而且更好地維持了各儲能單元的SOC。

2）從儲能站出力響應(yīng)曲線看，不考慮儲能SOC的控制策略在25~30 min期間，由于1、2、3號儲能單元相繼停止放電，使得儲能站功率出現(xiàn)了最大0.006 pu的功率跟蹤誤差。而本文策略能夠自主恢復(fù)儲能單元的SOC，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的功率跟蹤目標(biāo)。

3）從系統(tǒng)頻率偏差和區(qū)域控制偏差的響應(yīng)曲線看，2種二次調(diào)頻策略性能相近，這主要是因?yàn)榉抡鏈y試系統(tǒng)中負(fù)荷擾動沒有超過總的調(diào)頻容量，不考慮儲能SOC的控制策略出現(xiàn)的0.006 pu功率跟蹤誤差最終由傳統(tǒng)機(jī)組來彌補(bǔ)。如果傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組已無調(diào)頻容量，那么儲能站的調(diào)頻功率跟蹤誤差勢必引起系統(tǒng)頻率偏差和區(qū)域控制偏差。

從總體上來看，本文的二次調(diào)頻策略能夠保證儲能站內(nèi)各組儲能單元SOC運(yùn)行在較好的水平，有效防止儲能單元SOC越限而停止運(yùn)行，最大化利用儲能站的調(diào)頻容量以支撐系統(tǒng)的頻率恢復(fù)。

4 結(jié) 論

1）本文控制策略可使系統(tǒng)頻率偏差、區(qū)域控制偏差在大擾動（最大負(fù)荷擾動達(dá)到0.12 pu）情況下在1 min內(nèi)調(diào)整至0，儲能電站總功率在4 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)無差跟蹤，儲能站內(nèi)12組儲能單元的SOC（最大相差24%）在10 min內(nèi)達(dá)到一致收斂。該策略達(dá)到了二次調(diào)頻目標(biāo)，保證了儲能電站SOC在設(shè)定的運(yùn)行區(qū)間，從而提高了儲能電站持續(xù)參與二次調(diào)頻的能力。另外，利用分布式協(xié)同控制算法實(shí)現(xiàn)了儲能站內(nèi)各組儲能單元SOC一致收斂，不僅有利于電池儲能系統(tǒng)高效健康運(yùn)行，還有助于評估計(jì)算儲能站整體的電量水平。

2）本文策略主要適用于由相同電池類型構(gòu)成的集中式規(guī)模化電池儲能參與電力系統(tǒng)二次調(diào)頻場景，對于由大量分布式電池儲能（電池儲能參數(shù)不同、安裝地域分散）聚合而成的規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)，其參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的相關(guān)策略還有待深入研究。