楊德健 王 鑫 嚴干貴 金恩淑 金朝陽

計及調頻死區(qū)的柔性風儲聯(lián)合頻率控制策略

楊德健1王 鑫1嚴干貴1金恩淑1金朝陽2

（1. 現代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室（東北電力大學） 吉林 132012 2. 電網智能化調度與控制教育部重點實驗室（山東大學） 濟南 250061）

針對風電機組與儲能系統(tǒng)頻繁參與電力系統(tǒng)調頻帶來的機械疲勞及循環(huán)使用壽命的問題，提出一種計及調頻死區(qū)的柔性風儲聯(lián)合頻率控制策略。首先，構建含風儲調頻死區(qū)的系統(tǒng)頻率響應模型，明晰調頻死區(qū)變化對電網頻率的動態(tài)影響；其次，通過人工設置調頻死區(qū)，確定風儲系統(tǒng)調頻動作時機及限制其調頻深度，將受擾系統(tǒng)的頻率響應階段分為無響應區(qū)、風機響應區(qū)、風儲過渡區(qū)和儲能響應區(qū)，同時風機在考慮有效旋轉動能的基礎上參與調頻，平抑電網頻率波動；然后，通過設置風儲過渡區(qū)可有效緩解風機退出調頻帶來的機械疲勞問題，儲能裝置在荷電狀態(tài)約束的條件下參與調頻，遏制電網頻率突變；最后，利用大擾動激勵法，在連續(xù)變動風速場景下驗證了所提策略的有效性。

調頻死區(qū) 風儲系統(tǒng) 頻率控制 電力系統(tǒng)控制 高比例風電聯(lián)網

0 引言

隨著“碳達峰，碳中和”戰(zhàn)略的持續(xù)推進，可再生能源在電力系統(tǒng)中的裝機容量比重不斷攀升[1]，以風電為代表的可再生能源機組通過電力電子器件聯(lián)網，對外呈現近“零”慣量、弱抗擾能力的外特性，其大規(guī)模接入電網勢必會造成系統(tǒng)慣量整體下降及調頻能力降低的問題[2-4]。為推動構建新型電力系統(tǒng)，要求風電場配置一定容量的儲能裝置[5]，如何利用現有的風儲調頻資源提升電網頻率穩(wěn)定性是亟須解決的關鍵問題。

雙饋電機組（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）通過電力電子器件并網，其控制器帶寬較大，能迅速響應頻率波動，且轉子蘊含的動能可作為頻率支撐的能量來源[6]。文獻[7]提出計及風機有效動能的頻率控制方法，在大擾動下使風機充分利用轉子動能參與調頻，提高頻率穩(wěn)定性；文獻[8]分析了不同控制參數下的風機調頻性能；文獻[9]通過頻率響應區(qū)間分段，實現了風機頻率響應過程中轉子動能的合理優(yōu)化分布。然而風機中蘊含的動能是有限的，過度利用將會導致傳動系統(tǒng)機械應力增加，甚至風機失速，加劇系統(tǒng)頻率失穩(wěn)。

儲能系統(tǒng)（Energy Storage System, ESS）作為優(yōu)質的調頻電源，面對不同擾動時可充分發(fā)揮其動作迅速、調頻方式靈活的優(yōu)勢[10]。文獻[11]利用儲能優(yōu)質的調頻能力平抑風速變動引起的頻率波動；文獻[12]考慮儲能的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC），設置權重因子，提出儲能調頻策略；文獻[13]考慮儲能調頻死區(qū)，基于logistic函數約束儲能功率輸出，避免SOC耗盡或飽和現象的發(fā)生。但上述儲能控制策略重點在提升頻率動態(tài)支撐能力，忽略了儲能頻繁充放電帶來循環(huán)使用壽命降低的問題[14]。

目前，風機、儲能系統(tǒng)單獨參與電力系統(tǒng)一次調頻具有一定局限性，國內外學者針對風儲協(xié)同調頻開展了深入研究。文獻[15]提出了一種利用ESS補償風電場慣性的控制策略，通過對DFIG和ESS的協(xié)調控制，減小風機轉速恢復引起的二次頻率跌落；文獻[16]提出了一種計及儲能荷電狀態(tài)的反饋控制策略，以優(yōu)化風電場、ESS及同步發(fā)電機調頻功率的分配；文獻[17]將ESS用于動態(tài)補償風電場慣量，使風電場迅速響應系統(tǒng)的頻率變化,增強系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性；文獻[18]提出了短時尖峰功率由風電承擔，穩(wěn)態(tài)功率由儲能承擔的風儲協(xié)同頻率控制策略，但在不同場景下難以準確劃分尖峰和穩(wěn)態(tài)功率。上述風儲調頻策略只從風儲自身控制策略的角度出發(fā)，控制過程較為復雜，并沒有綜合考慮風儲自身特性及控制策略之間的協(xié)調配合。

針對上述問題，本文提出一種計及調頻死區(qū)的柔性風儲聯(lián)合調頻控制策略。首先，建立含風儲調頻死區(qū)的頻率響應表達式，分析風儲調頻死區(qū)變化對電網頻率動態(tài)特性的影響，結合風機與ESS的物理約束特性，確定先風機后儲能調頻的時序控制思想；其次，提出一種既能減小風機轉子動能釋放深度、延長儲能裝置使用壽命，又能靈活調整調頻深度、有效抑制系統(tǒng)頻率波動的計及調頻死區(qū)的柔性時序風儲聯(lián)合調頻策略；最后，基于EMTP-RV搭建了含風儲電力系統(tǒng)仿真模型，驗證所提頻率控制策略的有效性。

1 調頻死區(qū)對電網頻率的動態(tài)影響分析

同步發(fā)電機組的一次調頻死區(qū)是指工頻附近對轉速變化不響應區(qū)域，主要包含機械固有物理死區(qū)和人工設定死區(qū)[13]。機械固有死區(qū)產生的原因為同步機組調速器物理死區(qū)和隨動系統(tǒng)的不準確度；人工設定死區(qū)是人為設定的頻率偏差，其目的是減少機組的調頻動作，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定[19]。

典型的兩種死區(qū)設置方式如圖1所示。b為調頻死區(qū)邊界；負荷調整精度較低的火電機組采用第一種死區(qū)設置方式（調控精度不高）；能精準控制輸出功率的調頻裝置采用第二種設置方式（調控精度較高）[13]。

圖1 典型死區(qū)設置方式

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)等值降階頻率響應模型如圖2所示，其中，為電網慣性時間常數；為負荷等效阻尼系數；G為火電機組單位調節(jié)功率；RH為原動機再熱時間常數；HP為原動機高壓缸做功比例；G為火電機組調速器時間常數；ΔG()為火電機組調頻出力；ΔL為擾動功率；Δ為系統(tǒng)頻率偏差；g()為機組傳遞函數；為拉式算子。

圖2 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)等值簡化頻率響應模型

由圖2可得傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的頻率響應為

計及同步機組調頻死區(qū)時，式（1）可整理為

若DFIG與ESS系統(tǒng)采用下垂控制參與系統(tǒng)一次調頻，含風儲調頻的電力系統(tǒng)頻率模型如圖3所示。其中，B為儲能的虛擬下垂控制系數；W為風電機組的虛擬下垂控制系數；B()為儲能電池傳遞函數；W()為DFIG的傳遞函數；ΔB()為ESS調頻出力[12]；ΔW()為DFIG調頻出力[20]；W為風電機組動作時間常數；eq為風機等值加速時間常數；為風機功率跟蹤系數；B為儲能系統(tǒng)的動作時間常數。

結合圖3，若火電、風電與儲能的調頻死區(qū)相同時，計及調頻死區(qū)的風儲系統(tǒng)頻率響應表達式為

其中，ΔG()、ΔW()、ΔB()為

結合式（3）與式（4）可知，電網頻率偏差與風儲調頻系數、調頻死區(qū)等參數密切相關。通過設定適當的W與B可以有效地減少頻率偏差，提升系統(tǒng)調頻能力。風儲調頻系統(tǒng)采用不同人工設置死區(qū)時，其調頻動作的時機與調頻深度存在差異，縮小風儲調頻死區(qū)可有效地減小電網頻率波動。

DFIG利用轉子動能參與調頻，受其穩(wěn)定運行約束影響，可利用動能有限，過于深入釋放轉子動能（過度調頻）導致風能利用率降低，傳動系統(tǒng)機械應力突增，轉速降低甚至會造成轉速失穩(wěn)[18]；ESS憑借精確跟蹤、快速響應和雙向調節(jié)等優(yōu)點，在調頻方面擁有較好的響應速度和精度，但其頻繁地充放電將加速電氣老化，減少電池壽命，甚至會造成母線電壓劇烈波動、電容值快速下降、電容鼓包或者爆漿、電氣絕緣破壞等危險[21]。因此，綜合考慮風儲系統(tǒng)的物理特性，通過合理設置調頻死區(qū)，確定其參與調頻的動作時機及限制其調頻深度，提出既能有效抑制系統(tǒng)頻率波動，又能避免風機過度調頻、延長儲能裝置使用壽命的分頻控制策略。

2 計及調頻死區(qū)的風儲柔性調頻的策略

基于上述分析思路，參考同步發(fā)電機組死區(qū)設置思想（同步發(fā)電機組采用小的調頻死區(qū)參與一次調頻，使用大的調頻死區(qū)響應大擾動的電網頻率變化[22]），構建了一種計及調頻死區(qū)的柔性時序風儲聯(lián)合頻率控制策略，其調頻特性曲線如圖4所示。圖4中，ΔW為風機退出調頻時刻的頻率偏差；ΔW為風機調頻死區(qū)邊界；ΔB為ESS調頻邊界；ΔWC_min、ΔWD_max分別為風機在低頻和高頻階段的增發(fā)功率限幅值；ΔBC_min與ΔBD_max分別為儲能在低頻和高頻階段增發(fā)功率的限幅值。

為避免ESS頻繁參與調頻，在電網頻率偏差小時僅由風機參與調頻，利用有限的旋轉動能抑制頻率波動；隨著頻率偏差逐漸增大，風機逐步退出調頻，儲能承擔后期調頻任務。擾動期間，風儲系統(tǒng)采用下垂控制的調頻增發(fā)功率Δ為

圖4 計及調頻死區(qū)的風儲聯(lián)合調頻特性曲線

式中，Δ為頻率偏差；ΔW()與ΔB()分別為風機和ESS的調頻增發(fā)功率；ΔWC()、ΔWD()、ΔBC()與ΔBD()分別為風機與ESS分別在高頻和低頻階段的增發(fā)功率；WC、WD、BC與BD分別為風機與儲能在高頻和低頻階段的調頻系數。

根據系統(tǒng)頻率變化過程進行劃分，受擾后電網頻率響應可分為四個階段：無響應區(qū)（0～1, Δ=0），風機響應區(qū)（1～2, ΔΔW()），風儲過渡區(qū)（2～3, ΔΔW()+ΔE()）和儲能響應區(qū)（4～, ΔΔE()），如圖5（低頻階段）所示，ΔW為風機退出調頻時系統(tǒng)頻率。下面分別對不同區(qū)域調頻策略進行詳細闡述。

圖5 風儲調節(jié)過程

2.1 風機響應區(qū)

DFIG的旋轉動能如式（6）所示，其可釋放與存儲的旋轉動能受風機轉速影響存在差異。

式中，DFIG為風機中儲存的旋轉動能；DFIG為DFIG轉動慣量；r為DFIG轉速。

考慮到風機正常運行時的轉速約束，風機中可釋放與存儲的旋轉動能Δrel、Δsto分別表示為

式中，min、max分別為DFIG的最小、最大轉速。

式（7）和式（8）意味著當前轉子轉速體現風機可調頻的有功能力，是風機在確保自身穩(wěn)定的前提下，可利用參與調頻的轉子動能?？紤]風機轉速約束，本文提出了計及DFIG有效旋轉動能的調頻策略，即將DFIG調頻系數與其轉子旋轉動能建立耦合關系，其表達式為

式中，為電網頻率性能調節(jié)因子。

式（9）、式（10）中，DFIG根據轉子轉速當前狀態(tài)，靈活調節(jié)控制系數，約束調頻輸出功率。當風機中無調頻有功后，即低頻階段轉子轉速達到最小限幅值及高頻階段轉速達到最大極限值，考慮到風機的安全運行，控制增益變?yōu)榱?，風機自動退出調頻，實現風機調頻功率柔性輸出的目的。

2.2 風儲過渡區(qū)域

考慮到風機與儲能調頻切換階段，風機退出調頻，造成調頻有功突變，在風機層面造成風機機械疲勞問題；在系統(tǒng)層面，屬于“舊力”（風機）已去，而“新力”（儲能）未生階段，會加大系統(tǒng)的功率缺額，致使機械疲勞及頻率跌落。為此，本文提出風機平滑退出調頻的控制策略，其表達式為

式中，ΔW0為調頻邊界（儲能系統(tǒng)參與調頻死區(qū)）時風機輸出的調頻出力；Δ為令風機退出調頻時長；0為系統(tǒng)頻率到達調頻邊界時刻。

式（11）中，當頻率到達調頻邊界時ΔW0在設定時間內平滑衰減至零，實現風機自動平滑切換回最大功率跟蹤控制（Maximum Power Point Tracking, MPPT），避免有功突變引起的風機機械疲勞問題，弱化/抑制風儲調頻系統(tǒng)切換期間引起的頻率變動。

2.3 儲能響應區(qū)

ESS循環(huán)使用壽命與充放電深度、循環(huán)次數、運行溫度等因素密切相關[21]。ESS調頻階段，當儲能SOC過小時，若仍強制儲能裝置輸出調頻功率，會對其壽命造成不可逆的危害。構建儲能調頻策略時，計及儲能裝置SOC約束可有效避免過充電和過放電現象，儲能調頻功率為

式中，BD=BC，均為比例系數B，用于調節(jié)儲能的調頻性能；SOC0為儲能裝置SOC初值；SOCmin、SOCmax分別為儲能裝置SOC的最小、最大值。

式（12）、式（13）中的第二項意味著ESS的有效充、放電深度，ESS根據當前自身SOC狀態(tài)靈活調節(jié)調頻功率：在頻率跌落時，ESS增加調頻功率，隨著放電深度的增加，SOC逐漸下降；反之，ESS吸收功率使SOC增加。若SOC接近極限值時，調頻功率逐步減少為零，維持SOC在合理的范圍內，避免ESS因充放電過深造成的損傷。B越大，ESS增發(fā)功率越大，調頻效果越好，需要注意的是，B設定時需要考慮使ESS在良好的狀態(tài)下提供頻率支撐并消除因風機退出調頻造成的有功缺額。

本文利用一次函數構建風儲儲能系統(tǒng)的調頻參數，一是因其構建簡單，容易在硬件上實現；二是面對不同的工程需求，通過調節(jié)控制參數可以實現輸出不同變化程度的調頻增量，對后期儲能系統(tǒng)的工程應用具有一定意義。

本文提出計及調頻死區(qū)的柔性時序風儲聯(lián)合調頻策略，通過對風機與儲能調頻死區(qū)的分段設置，實現風儲系統(tǒng)時序調頻的目的：在頻率偏差小時僅由風機調頻，平抑頻率波動，避免儲能頻繁充放電現象，延長其使用壽命；隨著頻率偏差逐漸增大，風機逐步退出調頻，儲能承擔后期調頻任務，避免風機過度參與調頻造成的機械疲勞及風機失速問題。此外，風機與儲能系統(tǒng)根據自身狀態(tài)與頻率波動靈活調整調頻深度，實現柔性風儲聯(lián)合調頻的目的，其控制框圖如圖6所示。圖中，sys為系統(tǒng)當前頻率，nom為標準頻率。

圖6 計及調頻死區(qū)的柔性風儲聯(lián)合頻率控制框圖

不同電力系統(tǒng)在不同運行場景下電力系統(tǒng)的慣量響應能力及調頻能力存在差異，在面對頻率擾動時，將造成不同的系統(tǒng)頻率偏差。本文提出的方法在面對多種電力系統(tǒng)場景、擾動引起的不同頻率偏差時，均可根據系統(tǒng)頻率偏差切換頻率響應設備，實現風儲系統(tǒng)分段時序調頻的目的，緩解儲能頻繁充放電，延長其使用壽命；避免風力利用轉子動能，調頻深度過大而造成的風機失速問題。

3 仿真分析

為驗證所提控制策略的有效性，本文基于EMTP-RV仿真平臺搭建了一個含不同風電滲透率的IEEE 14節(jié)點仿真系統(tǒng)進行驗證。仿真系統(tǒng)包含一臺DFIG聚合風電場配置儲能功率/容量40MW/6MW·h、5臺同步發(fā)電機組及容量為600MW的靜負荷，如圖7所示。

為緩解風儲系統(tǒng)頻繁調頻造成壽命降低及機械疲勞問題，參考同步機調頻死區(qū)設置，DFIG和ESS調頻死區(qū)分別設置為| Δ|＜0.01Hz和|Δ|＜0.2Hz。設定為46.6，Δ設為5s，B設為300。

考慮實際運行時，風速波動是造成頻率波動的主要擾動因素，在整個仿真中將變動風速貫穿其中，風速曲線如圖8所示，在仿真過程130s切除同步機SG2作為大功率擾動激勵。分別在僅風機、僅儲能與風儲柔性調頻策略下驗證本文提出策略的有效性，具體算例設置和調頻策略分別見表1和表2。本文主要針對風儲的一次調頻策略，暫未考慮風儲二次調頻的影響，因此同步發(fā)電機組脫機擾動后，系統(tǒng)頻率未恢復至工頻。

圖7 仿真系統(tǒng)模型

圖8 隨機風速

表1 算例設置

Tab.1 Case settings

表2 調頻策略設置

Tab.2 Frequency regulation strategy settings

3.1 不同擾動的仿真分析

不同擾動造成的電網頻率偏差致使各策略調頻性能存在差異，本節(jié)在同步機組有功出力損失不同的情況下驗證提出策略的有效性。

3.1.1 算例1：風電滲透率24%，有功損失50MW

算例1仿真結果如圖9所示，在60～130s期間，受到風速變化影響，無調頻控制策略的最大正向和負向頻率偏差分別為0.21Hz和0.19Hz；130s受同步機脫機影響，電網頻率最低點跌落到59.40Hz。

圖9 算例1仿真結果

在僅風速變動期間，策略2能有效抑制頻率波動，其中正向、負向最大頻率偏差分別降低了0.06Hz、0.04Hz，主要因為風機通過轉子釋放動能參與調頻；在同步機脫機后，頻率最低點提升到59.54Hz，其原因是風機增加了調用轉子動能的深度，調頻增發(fā)功率最大達到24.62MW，導致傳動系統(tǒng)扭距角突增至0.41°，機械應力增加，同時轉速最低到達0.79(pu)，存在風機失速的風險。

在僅風速變動階段與同步機組脫機場景下，策略3通過儲能的充放電實現與策略2幾乎一樣的調頻性能。但在風速變動引起的頻率小波動時，ESS淺充淺放6次參與調頻，頻繁充放電現象的長時間累積勢必會降低儲能裝置的使用壽命。

風儲系統(tǒng)采用策略4時，面對僅風速變動時，在風機調頻下，頻率未超過儲能調頻死區(qū)，能夠避免儲能頻繁參與調頻，有利于其循環(huán)使用壽命；同步機脫機后，頻率跌落出儲能調頻死區(qū)，通過設立風儲過渡區(qū)，風機平滑退出調頻，恢復到MPPT運行模式。此外，電網頻率最低點比策略3高0.02Hz，這是因為風儲短暫同時參與調頻，最大調頻功率比策略3多6.41MW；隨后ESS單獨承擔調頻任務，保持策略3調頻的優(yōu)良特性，同時避免風機因轉速過低造成失速的風險。策略4儲能SOC比策略3的SOC低0.12%，但對ESS的影響不大。

風儲系統(tǒng)采用策略5時，在僅風速變動時，風儲系統(tǒng)同時參與調頻，正向、負向最大頻率偏差分別降低到0.12Hz、0.10Hz，雖然可以有效地平抑頻率波動，然而，與策略3類似，ESS淺充淺放6次，其頻繁充放電現象的長時間累積勢必會降低儲能裝置的使用壽命。在面對脫機擾動時，風機調頻深度增加，雖然頻率最低點提高0.08Hz，但是傳動系統(tǒng)扭距角突增至0.42°，增加風機轉軸機械疲勞，且風機轉速隨風速波動降低至0.79(pu)，增加了風機失速的風險。

3.1.2 算例2：風電滲透率24%，有功損失80MW

風速變動區(qū)間，風儲調頻系統(tǒng)采用策略2、策略3、策略4與策略5具有類似的調頻效果，然而策略3與策略5中儲能系統(tǒng)的頻繁充放電現象不利于自身使用壽命。

同步機組脫機區(qū)間，策略2、策略3、策略4與策略5頻率最低點分別為：59.30Hz、59.35Hz、59.36Hz、59.46Hz，相比算例1，策略2、策略3、策略4、策略5最大增發(fā)調頻出力分別增加9.4MW、9.97MW、12.36MW、16.17MW，使調頻效果得到不同程度的提高，算例2仿真結果如圖10所示。策略2隨受擾動增大，釋放更多轉子動能參與調頻，使轉速最低點到達0.77(pu)，加大風機失速的風險；策略5中風機扭距角突增至0.44°, 轉速最低點降低至0.78(pu)，仍存在算例1中風機機械疲勞增加，轉速大幅降低的問題；策略4保持了在算例1下優(yōu)質的調頻能力，即在實現與其他策略相似的調頻效果的基礎上，同時減少風機調頻深度及儲能系統(tǒng)頻繁充放電現象。

圖10 算例2仿真結果

3.2 不同風電滲透率的仿真分析

風電滲透率是影響風機調頻性能的重要因素，本文通過增加一個風電場替代同步發(fā)電機SG5實現高比例風電滲透模型。結合算例2和算例3研究不同風電滲透率下各控制策略的調頻性能。

3.2.1 算例3：風電滲透率40%，有功損失80MW

隨風電滲透率增加，系統(tǒng)慣量降低，盡管各策略保持了低滲透率下的調頻能力，但策略2風機失速風險、策略3儲能壽命降低及策略5的問題并沒有改善，而策略4中風儲系統(tǒng)仍能通過時序控制靈活調整調頻深度、有效抑制系統(tǒng)頻率波動，減小最大頻率偏差，減小風機轉子動能釋放深度及儲能裝置充放電循環(huán)次數，算例3仿真結果如圖11所示。

4 結論

綜合考慮風儲系統(tǒng)的物理特性，通過人工設置風儲調頻死區(qū)，規(guī)定風儲參與調頻的動作時機與限制調頻深度，提出既能減小風機轉子動能釋放深度、延長儲能裝置使用壽命，又能靈活調整調頻深度、有效抑制系統(tǒng)頻率波動的柔性風儲聯(lián)合調頻控制策略。本文的特色與創(chuàng)新點如下：

1）基于計及調頻死區(qū)的風儲電力系統(tǒng)頻率響應模型得出合理設置調頻死區(qū)，能有效減小系統(tǒng)頻率波動；根據風機與儲能自身動態(tài)特性，確定先風機后儲能的調頻時序控制思想。

2）考慮風儲自身特性，提出風儲柔性時序頻率控制策略，將受擾系統(tǒng)的頻率響應階段分為：無響應區(qū)、風機響應區(qū)、風儲過渡區(qū)、儲能響應區(qū)。仿真結果表明，本文所提策略在不同風機滲透率及不同擾動下，均可發(fā)揮風儲時序控制的優(yōu)勢：緩解儲能頻繁充放電，延長其使用壽命；避免風力利用轉子動能，調頻深度過大，造成的風機失速問題。

本文初探基于不同人工設定調頻死區(qū)的柔性風儲聯(lián)合頻率控制策略，通過分頻時序控制，規(guī)定風機與儲能系統(tǒng)參與調頻的動作時機與約束調頻深度，提出既能減小風機轉子動能釋放深度、延長儲能裝置使用壽命，又能靈活調整調頻深度、有效抑制系統(tǒng)頻率波動的柔性風儲聯(lián)合調頻控制策略；風儲同時參與調頻可以有效提升系統(tǒng)調頻能力。未來的工作將主要考慮儲能系統(tǒng)的使用壽命、風機機械疲勞及調頻性能，提出更加經濟的風儲協(xié)同調頻策略。

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Flexible Frequency Regulation Scheme of DFIG embed Battery Energy Storage System Considering Deadbands

Yang Dejian1Wang Xin1Yan Gangui1Jin Enshu1Jin Zhaoyang2

（1. Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology Ministry of Education Northeast Electric Power University Jilin 132012 China 2. Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control of Ministry of Education Shandong University Jinan 250061 China）

Doubly-fed induction generator (DFIG) can take part in system frequency regulation (SFR) by releasing its kinetic energy of rotor, but the available kinetic energy is limited. DFIG excessive involvement in SFR would lead to the reduction of wind energy utilization, the sudden increase of mechanical stress, and even the instability of DFIG; as a high quality source of frequency regulation, energy storage system (ESS) has the advantages of fast throughput power and flexible control capability, but the frequently charging and discharging of ESS accelerates its electrical aging and reduces its service life.

Aiming at issues of the mechanical stress and service life of DFIG and ESS, this paper addresses a flexible frequency regulation scheme of DFIG-embed ESSs based on the artificial deadbands. Firstly, this paper established a frequency response model taking into account the frequency deadbands regulation of the DFIG-embed ESS, and further analyzed the influences of the artificial deadbands on the system frequency dynamics; secondly, the artificial deadbands was used to ensure the activation and limit the depth of the frequency regulation of the DFIG-embed ESS, the frequency response process of the disturbed system was divided into: no response band, response band of DFIG, transaction band of DFIG and ESS, and response band of ESS. DFIG participates in SFR to mitigate the grid frequency fluctuations considering the rotational kinetic energy available from the DFIG, the issues of mechanical stress caused by sudden power change of the DFIG is alleviated during transaction band of DFIG and ESS; ESS provides SFR function to arrest the grid frequency variation taking into account the condition of state-of-charge constraints. Finally, power system model with various wind power penetrations and disturbances was modeled based on an EMTP-RV to investigate the effectiveness of the proposed a flexible SFE scheme of DFIG-embed battery energy storage system.

Simulation results on the different SFR schemes illustrate that, in the case of only fluctuating wind speed, the maximum positive frequency deviation and maximum negative frequency deviation are respectively 0.21Hz and 0.19Hz; when the system only uses ESS to take part in SFR, the maximum positive frequency deviation and maximum negative frequency deviation are reduced to 0.15Hz, 0.15Hz, respectively; but ESS performs six shallow charges and discharges (which has potential to adversely influence on the service life of ESS for a long period); when the system uses the frequency regulation strategy proposed in this paper, the system achieves the similar frequency regulation performance as ESS frequency regulation. In the case that the synchronous machine is offline, when the system only uses DFIG to take part in SFR, the frequency nadir is raised to 59.54Hz, but DFIG excessive involvement in SFR to cause drivetrain torque angle uprush to 0.41 deg. and the lowest rotor speed drops to 0.79(pu); when the system uses the frequency regulation strategy proposed in this paper, DFIG and ESS take part in SFR by using the reasonable setting of the deadbands, the frequency nadir is raised to 59.42Hz. In the case of a large disturbance with a high wind penetration level, the proposed frequency regulation strategy could achieve the similar SFR performances with other strategies, e.g. reduces the DFIG frequency regulation depth and relieves the ESS frequently charging and discharging phenomenon.

The following conclusions can be drawn from the simulation analysis: the sequent frequency regulation control strategy of DFIG and ESS is realized by using the reasonable setting of the deadbands, which can effectively avoid the excessive frequency regulation of DFIG, and alleviate the phenomenon of reducing the service life of ESS caused by frequent charging and discharging.

Frequency regulation deadbands, DFIG-embed energy storage system, frequency control, power system control, high wind power integrated power system

TM614

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220978

東北電力大學博士科研啟動基金資助項目（BSJXM-2021209）。

2022-05-31

2022-10-03

楊德健 男，1990年生，博士，講師，研究方向為風力發(fā)電機并網控制技術。E-mail：dejian@ntu.edu.cn

王 鑫 男，1999年生，碩士研究生，研究方向為風力發(fā)電并網控制技術。E-mail：wangxin_0106@163.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）