羅海榮，張慶平，徐帆，吳子衿，張爽

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川 750011）

0 引言

隨著全球能源的日益緊張，在全球范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)和利用可再生能源，減少化石能源的使用，逐步向以清潔能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的理念得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛認(rèn)可[1]。然而以風(fēng)能、太陽(yáng)能為主的可再生能源隨機(jī)性與間歇性較強(qiáng)，且難以預(yù)測(cè)，當(dāng)其大規(guī)模并網(wǎng)后會(huì)對(duì)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定帶來(lái)顯著影響，因本身往往不具備調(diào)頻能力，所以加重了整個(gè)電網(wǎng)的調(diào)頻負(fù)擔(dān)[2]。目前我國(guó)電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻任務(wù)主要由火電機(jī)組來(lái)承擔(dān)，但火電機(jī)組在參與調(diào)頻過(guò)程中，存在著響應(yīng)速度慢，在跟蹤調(diào)頻指令的過(guò)程中表現(xiàn)吃力等問(wèn)題，且由于火電機(jī)組其自身特性，頻繁調(diào)頻對(duì)其安全性和經(jīng)濟(jì)性都將造成巨大影響，極大地?fù)p耗其壽命，故需要引入儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助火電機(jī)組調(diào)頻[3]。目前常用的儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)類(lèi)型劃分為能量型以及功率型[4]。能量型儲(chǔ)能的循環(huán)壽命較短、響應(yīng)速度相對(duì)較低、初始投資成本低，但具有較高的能量密度，主要有蓄電池儲(chǔ)能、燃料電池等；相反功率型儲(chǔ)能循環(huán)壽命較長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、初始投資成本高，但容量相對(duì)較低，主要有超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能等。

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)參與到火電機(jī)組的二次調(diào)頻中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量的相關(guān)研究，Marcos等[5]提出一種根據(jù)瞬時(shí)爬坡率和能量持續(xù)曲線(xiàn)來(lái)計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的方法。Holmberg 等[6]提出一種根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)頻率的波動(dòng)來(lái)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的方法。CHO 等[7]使用由鋰離子電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。DATTA 等[8]提出一種在負(fù)荷波動(dòng)初期及區(qū)域控制偏差功率較大時(shí)參與調(diào)頻，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后儲(chǔ)能系統(tǒng)逐漸退出運(yùn)行的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方法。牛陽(yáng)等[9]使用鉛酸電池和全釩液流電池來(lái)建立儲(chǔ)能系統(tǒng)，并對(duì)其容量進(jìn)行了優(yōu)化。陳吉玲[10]采用壓縮空氣來(lái)輔助火電系統(tǒng)調(diào)頻，并分析了不同儲(chǔ)能系統(tǒng)容量對(duì)調(diào)頻效果的影響。孫冰瑩等[11]使用多目標(biāo)粒子群算法優(yōu)化了儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力。謝小榮等[12]介紹了北京石景山2 MW/0.5（MW·h）的鋰電池調(diào)頻工程,該儲(chǔ)能系統(tǒng)采用恒定充放時(shí)間以及滿(mǎn)補(bǔ)償出力，結(jié)果表明，提高了整體系統(tǒng)24%的調(diào)頻效果。崔楊等[13]從經(jīng)濟(jì)性方面提出一種計(jì)及需求響應(yīng)與火儲(chǔ)深度調(diào)峰定價(jià)策略的電力系統(tǒng)雙層優(yōu)化方法。賈燕冰[14]等使用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法，從經(jīng)濟(jì)性方面出發(fā)，優(yōu)化了儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置。陳麗娟等[15]根據(jù)AGC 考核指標(biāo)，優(yōu)化了儲(chǔ)能系統(tǒng)配置。黎淑娟等[16]使用鈦酸鋰電池，優(yōu)化了儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)中突發(fā)情況的能力。丁冬等[17]基于火電機(jī)組調(diào)頻能力的理論計(jì)算和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻工作原理，提出一種儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置方法。綜上所述,目前儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助火電機(jī)組調(diào)頻的研究主要基于電網(wǎng)頻率波動(dòng)和經(jīng)濟(jì)性等方面分析儲(chǔ)能電池容量配置方法,尚未基于機(jī)組二次調(diào)頻性能提升指標(biāo)深入研究混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化方法。

本文采用由飛輪和鋰離子電池儲(chǔ)能陣列組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)輔助火電機(jī)組二次調(diào)頻:首先,介紹組成各儲(chǔ)能陣列的50 kW/50（MW·h）飛輪儲(chǔ)能單元模型以及250 kW/500（MW·h）的鋰離子電池單元模型和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析其充放電特性; 然后,基于小波包分解（wavelet packet decomposition，WPD）方法，提出一種各儲(chǔ)能陣列充放電指令分配方法;其次，以火電機(jī)組二次調(diào)頻綜合指標(biāo)提高兩倍為目標(biāo)，提出一種混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化方法；最后，根據(jù)某額定裝機(jī)容量250 MW的火電機(jī)組實(shí)際輸出功率數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模型開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證提出的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化方法。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)特性分析

根據(jù)文獻(xiàn)[18]建立250 kW/50（MW·h）的飛輪儲(chǔ)能單元模型和250 kW/500（MW·h）的鋰離子電池儲(chǔ)能單元模型。由于單個(gè)儲(chǔ)能單元的容量不足以滿(mǎn)足火電機(jī)組二次調(diào)頻的需求，故將若干個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元與若干個(gè)鋰離子電池儲(chǔ)能單元通過(guò)DC/AC 變流器并聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)飛輪儲(chǔ)能陣列和一個(gè)鋰離子電池儲(chǔ)能陣列，再由飛輪儲(chǔ)能陣列和鋰離子電池儲(chǔ)能陣列組成一個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)建立的飛輪儲(chǔ)能單元以及鋰離子電池儲(chǔ)能單元模型進(jìn)行充放電特性仿真分析。如圖2所示，對(duì)飛輪儲(chǔ)能單元與鋰離子電池儲(chǔ)能單元都給定目標(biāo)功率信號(hào)Pref。其中，飛輪儲(chǔ)能單元的響應(yīng)時(shí)間為0.019 s，穩(wěn)態(tài)時(shí)間為0.02 s，鋰離子電池儲(chǔ)能單元的響應(yīng)時(shí)間為1.46 s，穩(wěn)態(tài)時(shí)間為1.91 s。兩者的穩(wěn)態(tài)誤差均在0.01%之下。

圖2 儲(chǔ)能單元充放電控制動(dòng)態(tài)性能

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法

2.1 AGC綜合性能調(diào)頻指標(biāo)

火電機(jī)組二次調(diào)頻效果主要從調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)精度這三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)，火電系統(tǒng)AGC綜合調(diào)頻指標(biāo)的計(jì)算公式[19]如下：

式中：k1為調(diào)節(jié)速率；k2為響應(yīng)時(shí)間；k3為調(diào)節(jié)精度。為了避免機(jī)組響應(yīng)AGC 指令時(shí)過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)超調(diào)節(jié)，當(dāng)k1大于5時(shí)，按照5來(lái)計(jì)算。

2.2 儲(chǔ)能陣列充放電指令分配方法

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參與火電機(jī)組二次調(diào)頻的具體方式為機(jī)組從電網(wǎng)調(diào)度收到自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control,AGC）指令，通過(guò)火電機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)共同作用響應(yīng)AGC 指令。由于火電機(jī)組響應(yīng)速度較慢，儲(chǔ)能系統(tǒng)利用自身響應(yīng)速度快的特性先彌補(bǔ)短時(shí)間內(nèi)機(jī)組出力與AGC 指令間的功率差值。隨著火電機(jī)組功率逐漸上升能夠滿(mǎn)足響應(yīng)AGC 指令，儲(chǔ)能系統(tǒng)出力逐漸降低，從而確保儲(chǔ)能系統(tǒng)和火電機(jī)組聯(lián)合出力與AGC 指令保持一致，故混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電指令為火電機(jī)組功率與AGC 指令的差值。得到的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電指令作為一種典型的含間歇信號(hào)的非平穩(wěn)、非線(xiàn)性信號(hào)，傳統(tǒng)的低通濾波方法對(duì)其處理效果較差。

WPD方法在處理非平穩(wěn)突變信號(hào)上具有良好的局部化和多分辨率特性，更加適用于電網(wǎng)調(diào)頻指令信號(hào)分析[20],故本文采用WPD 方法處理混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電指令，提出一種儲(chǔ)能陣列充放電指令分配方法：通過(guò)WPD將充放電指令分解為高頻分量與低頻分量，其中低頻分量分配給鋰離子電池儲(chǔ)能陣列，高頻分量分配給飛輪儲(chǔ)能陣列。

在WPD 中，信號(hào)被分解成低頻信號(hào)(低通濾波)和高頻信號(hào)(高通濾波)，而后到下一層將近似信號(hào)和細(xì)節(jié)信號(hào)再一次分解。小波包分解公式如式(2)所示，各頻帶重構(gòu)公式如式(3)所示：

式中：a為高通濾波器系數(shù)；b為低通濾波器系數(shù)；d為小波包分解系數(shù)；n為分解層數(shù)；j為頻帶節(jié)點(diǎn)號(hào)。k=M/2j，表示第j層的頻帶個(gè)數(shù)，M為時(shí)間序列S的采樣點(diǎn)數(shù)。

以三層小波包分解為例，其分解結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小波包分解樹(shù)

圖3中(0,0)為傳感器采集到的初始信號(hào)。信號(hào)在進(jìn)行WPD 后，被分解為低頻信號(hào)(1,0)和高頻信號(hào)(1,1)，接著再對(duì)得到的信號(hào)進(jìn)行分解，重復(fù)三次后，得到的各子信號(hào)的頻率排序按照頻率的高低依次排序。小波包分解后每層信號(hào)頻段帶寬見(jiàn)式（4）。

式中：fs為信號(hào)采樣頻率；n為小波包分解層數(shù)。

2.3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化方法

將充放電指令通過(guò)WPD 分解后分配給飛輪儲(chǔ)能陣列與鋰離子電池儲(chǔ)能陣列的功率信號(hào)視為儲(chǔ)能陣列各自的額定功率，再考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率以及荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電需求電量Ef計(jì)算公式為

式中：n=[1,2,…N]，N為采樣數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；pf[n]為飛輪儲(chǔ)能單元充放電功率；ηd為放電效率；ηc為充電效率；SOCmax、SOCmin為儲(chǔ)能SOC 上下限值；fs為采樣頻率；SOCref為儲(chǔ)能陣列初始SOC；Erated,f即為配置的儲(chǔ)能電量。

設(shè)定飛輪儲(chǔ)能陣列的儲(chǔ)能上限為85%，儲(chǔ)能下限為15%，初始SOC 為60%；鋰離子電池儲(chǔ)能陣列的儲(chǔ)能上限為85%，儲(chǔ)能下限為15%，鋰離子電池儲(chǔ)能陣列初始SOC 為60%，飛輪儲(chǔ)能陣列和鋰離子電池儲(chǔ)能陣列的放電效率為90%，充電效率為90%[18]。

在一段調(diào)頻周期內(nèi)往往存在著多個(gè)AGC 指令，目前大部分的研究都選擇讓儲(chǔ)能系統(tǒng)功率完全匹配這一調(diào)頻周期內(nèi)的全部AGC指令與機(jī)組功率差值。如果將目標(biāo)設(shè)置為將二次調(diào)頻效果提升為原先的兩倍，并不需要儲(chǔ)能系統(tǒng)功率完全與AGC 指令與機(jī)組功率的差值相匹配，儲(chǔ)能系統(tǒng)只需減少機(jī)組功率和AGC 指令之間的差值，使機(jī)組功率到達(dá)AGC 指令所需的時(shí)間變短，就能將二次調(diào)頻效果提升兩倍及以上。在此控制目標(biāo)下，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率大于AGC指令與機(jī)組功率差值的絕對(duì)值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)完全彌補(bǔ)這兩者之間的差值；當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率小于AGC指令與機(jī)組功率差值的絕對(duì)值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大化出力，減少AGC指令與機(jī)組功率差值，相差的部分由火電機(jī)組來(lái)彌補(bǔ)；當(dāng)機(jī)組功率上升到儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率大于AGC指令與機(jī)組功率差值的絕對(duì)值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略又變回儲(chǔ)能系統(tǒng)完全彌補(bǔ)這兩者之間的差值，且隨著兩者之間差值的減少而減少。

如圖4所示，在上述控制策略下，儲(chǔ)能系統(tǒng)只需要將機(jī)組功率與AGC 指令相差最大的調(diào)頻區(qū)間的調(diào)頻效果提升二倍，就能將整個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)的調(diào)頻效果全部提高至二倍以上。由式(1)可知，對(duì)綜合調(diào)頻指標(biāo)影響最大的參數(shù)為k1，當(dāng)一個(gè)區(qū)間內(nèi)的k1提升到最大值時(shí)，綜合調(diào)頻指標(biāo)也能達(dá)到最大值。故以此為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建遺傳算法，以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率作為遺傳算法的個(gè)體，以找出將k1提升為最大值時(shí)的最小混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率為目標(biāo)，設(shè)定適應(yīng)性函數(shù)，得式(7)：

式中：P1為機(jī)組跨出響應(yīng)死區(qū)時(shí)的功率；P2為機(jī)組到達(dá)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)的功率；Pb為機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率，一般為機(jī)組容量的0.015/min；PE為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量；PA為該時(shí)間段的機(jī)組平均調(diào)節(jié)功率。

通過(guò)該算法，得到滿(mǎn)足將k1提升到最大值的最小儲(chǔ)能系統(tǒng)功率，從而算出所需儲(chǔ)能單元個(gè)數(shù)，通過(guò)式(5)、式(6)算出滿(mǎn)足電量需求的最小儲(chǔ)能單元個(gè)數(shù)，從而計(jì)算出能同時(shí)滿(mǎn)足容量和電量的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置，具體流程如圖4所示。

圖4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方法

3 實(shí)例分析

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參與火電機(jī)組二次調(diào)頻的方式如圖5所示。

圖5 火電機(jī)組-混合儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)工作原理

火電機(jī)組和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)將各自的出力測(cè)量信號(hào)輸送至測(cè)控裝置，測(cè)控裝置將其輸送給遠(yuǎn)動(dòng)裝置，遠(yuǎn)動(dòng)裝置再將其合并成出力反饋，輸送到電網(wǎng)調(diào)度EMS處，電網(wǎng)調(diào)度生成AGC指令，輸送回遠(yuǎn)動(dòng)裝置；遠(yuǎn)動(dòng)裝置再將其輸送給機(jī)組和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)測(cè)控系統(tǒng)將機(jī)組出力信號(hào)輸送給混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，產(chǎn)生混合儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻指令；之后混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在通過(guò)高壓廠(chǎng)用變壓器后接入電廠(chǎng)高壓母線(xiàn)，完成二次調(diào)頻動(dòng)作。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不改變?cè)袡C(jī)組接線(xiàn)方式，只需高壓廠(chǎng)用變壓器、高壓廠(chǎng)用電系統(tǒng)設(shè)備滿(mǎn)足儲(chǔ)能系統(tǒng)接入要求，可充分利用原有設(shè)備，故可靠性高、造價(jià)較低、施工簡(jiǎn)單[21]。

如圖6所示，選取某額定裝機(jī)容量250 MW的火電機(jī)組某日0：00 ～12：00 的12 h 輸出功率數(shù)據(jù)。計(jì)算得到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電指令如圖7所示，使用WPD 方法對(duì)充放電指令進(jìn)行分解，獲得飛輪和鋰離子電池儲(chǔ)能陣列的充放電指令。

圖7 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電指令

經(jīng)過(guò)WPD 分解后的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電指令如圖8所示，鋰離子電池儲(chǔ)能陣列的最大電量變化為放電2 145（kW·h），飛輪儲(chǔ)能陣列的最大電量變化為91（kW·h）。根據(jù)提出的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法可得：需要鋰離子電池儲(chǔ)能單元10個(gè)，組成一個(gè)2.5 MW/5 000（kW·h）的鋰離子電池儲(chǔ)能陣列；飛輪儲(chǔ)能單元5 個(gè)，組成一個(gè)1.25 MW/250（kW·h）的飛輪儲(chǔ)能陣列；兩者共同組成一個(gè)3.75 MW/5 250（kW·h）的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的容量為該火電機(jī)組額定容量的1.5%。

圖8 WPD分解后的各儲(chǔ)能陣列充放電指令

使用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參與火電機(jī)組二次調(diào)頻，調(diào)頻效果如圖9所示。

圖9 火電機(jī)組-混合儲(chǔ)能輸出功率與AGC指令對(duì)比

加入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，相比于原火電機(jī)組輸出功率，可以發(fā)現(xiàn)：火電機(jī)組-混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率到達(dá)AGC 指令的響應(yīng)速度更快，功率波動(dòng)也更小。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC變化如圖10所示。鋰離子電池儲(chǔ)能陣列SOC在17.34%～70.04%之間變化，飛輪儲(chǔ)能陣列SOC在23.88%～76.93%之間變化。根據(jù)WPD功率分配方法設(shè)置的各儲(chǔ)能陣列在這個(gè)時(shí)間段沒(méi)有超出設(shè)定的容量上下限，證明了提出的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化方法的有效性。

圖10 各儲(chǔ)能陣列SOC變化對(duì)比

選取上述數(shù)據(jù)中機(jī)組跨出響應(yīng)死區(qū)的調(diào)節(jié)周期，分別計(jì)算他們未加入儲(chǔ)能系統(tǒng)和使用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的二次調(diào)頻綜合指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 二次調(diào)頻綜合指標(biāo)對(duì)比

加入3.75 MW/5 250 kW·h 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，火電機(jī)組-混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合調(diào)頻系數(shù)最低提升2.06 倍，最高提升3.78 倍，平均提升了2.58 倍，表明提出的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置方法滿(mǎn)足提高火電機(jī)組二次調(diào)頻能力2倍的目標(biāo)。

4 結(jié)論

1）建立了基于飛輪儲(chǔ)能單元及鋰離子電池儲(chǔ)能單元控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并對(duì)儲(chǔ)能單元的充放電性能特性進(jìn)行了分析。

2）根據(jù)電網(wǎng)調(diào)頻指令信號(hào)的特性，基于WPD方法，以火電機(jī)組二次調(diào)頻綜合性能指標(biāo)提高兩倍為目標(biāo)，提出了一種混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化方法。

3）根據(jù)某火電廠(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模型開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，其中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量為火電機(jī)組額定容量的1.5%。火電機(jī)組-混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的二次調(diào)頻綜合指標(biāo)最低提升2.06倍，最高提升3.78倍，平均提升2.58倍，驗(yàn)證了提出的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化方法的有效性。