作者特稿：考虑储能调频死区的一次调频控制方法
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
本文在储能参与电网调频的控制方法中考虑了储能电池的调频死区，为充分发挥储能快速、精准响应在电网调频中的潜力，将储能调频死区的界限设置在常规机组死区的范围内，有效改善电网频率质量，并避免常规机组参与调频的频繁动作。
通过分析虚拟下垂与虚拟惯性控制对电网频率的影响，提出一种将二者合理结合的控制方法，依据系统调频需求，选择相应的控制策略，以实现两种控制策略的协调运行及优势互补；为了约束储能功率输出，对虚拟下垂与虚拟惯性控制采用基于logistic函数的自适应控制规律，从而避免SoC（SoC，State of Charge）耗尽或饱和现象的发生。
► DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.181932 ◀
随着能源日益紧张，新能源并网及储能技术将成为未来能源战略的重要一环。我国风电装机容量为全球第一，但是存在高比例风电不能被消纳，其中近30%的弃风电量是由调频问题导致的。
近几年来，国内外已经有大量商业化储能项目应用于辅助服务领域，美国PJM市场储能调频系统安装量超过了200MW，国内在京能石景山热电厂实施了国内第一个储能火电联合调频商业化示范项目后，山西也陆续实施了多个同类储能调频项目，这使得储能调频需求和控制策略成为当前研究热点。
电网频率分布大部分在常规机组一次调频死区（50±0.033Hz）之内，而对于需要调频的部分，大多处于死区边界附近。造成这一现象的小幅高频负荷扰动，使得常规机组频繁动作参与一次调频，为减少对常规机组的磨损，考虑设置储能调频死区对一次调频死区附近的频率波动进行下调，尽可能减少常规机组的动作次数，从而提高发电机组运行的经济性。
类似地，可将储能调频死区分为储能固有死区和储能人工频率死区。由于储能精确性高，且其快速响应速度为秒级以下，甚至为毫秒级，储能装置本身的物理死区非常小，所以认为储能的固有死区可忽略不计。
以电池型储能为例，利用储能装置吸收/释放功率能力的特性（即SoC）来描述越限区域，其上下限由储能电池类型决定，在储能人工死区与越限区域内，储能都不参与电网一次调频。不同死区设置下的调频效果如图1所示，频率分布如图2所示。0.2DB、0.4DB、0.6DB、0.8DB和1.0DB分别对应设置储能调频死区为火电机组死区的20%，40%，60%，80%和储能调频死区与火电机组死区相等的情况。
图1 不同储能调频死区下的频率偏差曲线
图2 不同储能调频死区下的频率分布
为了解决单一控制方法只对调频效果起单一作用问题，充分利用虚拟下垂和惯性控制的优势互补，考虑将二者结合，并将调频工况分为两种，一类为频率恶化工况，另一类为频率回复工况，当|∆f |正在增大时，即在频率恶化工况下，本文采取虚拟下垂与惯性控制共同作用的方法减小频率偏差，同时抑制频率恶化；当|∆f |正在减小时，即在频率回复工况下，利用虚拟下垂控制恢复系统频率。
同时考虑SoC反馈的自适应控制规律，以充电为例，要求当SoC相对较好时，储能电池以最大速度释放/储存电量，优先保证调频需求；当SoC接近饱和或耗尽时，以适当的系数进行出力，保证SoC维持在合理范围内；当SoC超过规定范围时，停止充放电，本文利用logistic函数来模拟曲线可通过调节其中的参数可以表征曲线的不同特性，便于后续将其应用于实践工程。
为了验证本文所提控制方法的有效性，在MATLAB/Simulink仿真实验平台中建立仿真模型。模型包含本文所提储能调频死区模块、储能控制模式选择模块和储能出力约束模块，如图3所示。
图3 储能参与电网一次调频仿真模型示意图
当系统加入60min连续负荷扰动时，采用本文方法和对比方法的调频效果如图4所示，储能系统和火电机组的输出功率分别如图5和6所示，调频指标如表1所示。
图4 60min连续扰动下频率偏差曲线
图5 60min连续扰动下储能输出功率曲线
图6 60min连续扰动下储能输出功率曲线
表1 60min连续负荷扰动下电网调频指标
本文提出一种考虑储能调频死区的一次调频控制方法。该方法考虑储能参与调频的储能调频死区，能够有效减小常规火电机组参与调频的输出功率，在相同扰动下相较于对比方法，在本文扰动场景下，常规机组参与调频次数由27次减少至11次，明显改善其频繁动作的问题。
目前对储能参与电网调频的储能调频死区研究较少，仍然有很大的深掘空间。储能调频死区大小的设定涉及到储能和传统机组的出力情况，深入研究如何量化储能调频死区和火-储联合调频间的综合经济性关系，对未来大规模新能源并网具有巨大意义。
马智慧, 李欣然, 谭庄熙, 黄际元, 贺悝. 考虑储能调频死区的一次调频控制方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(10): 2102-2115. Ma Zhihui, Li Xinran, Tan Zhuangxi, Huang Jiyuan, He Li. Integrated Control of Primary Frequency Regulation Considering Dead Band of Energy Storage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 2102-2115.
团队介绍
湖南大学拥有“国家电能变换与高效节能国家工程中心”国家级科研平台，拥有“教育部输变电新技术工程研究中心”、“湖南省电气科学及其应用重点实验室”等省部级科研平台。拥有“直流输电系统及其换流/滤波创新研究平台”、“电力系统动态模拟实验室”、“FZML负载实验模拟加载系统”等高水平的实验研究基地。拥有PSASP、BPA、PSCAD等先进的电网数字仿真软件和RTLAB为代表的半实物仿真实验平台，可完成针对实际大型电网环境的电力系统潮流、暂态及小扰动电压稳定和暂态功角稳定等仿真计算功能，能够实现综合负荷模型有效性数字仿真检验。
拥有包括光伏发电系统、风力双馈模拟发电系统各种类型负荷的微网实验研究平台，可实现风力发电、光伏发电特性测试，同时该平台还可以实现各种类型的微源与储能装置联合运行测试，为微电源与储能元件之间的互补性及其协调控制提供研究测试手段；已经开发了功能完善的“含微电源复杂负荷建模仿真系统”。
李欣然
湖南大学电气与信息工程学院教授，电力系统及其自动化专业工学博士，博士研究生导师，享受国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向为电力系统运行控制与仿真建模；储能电源仿真建模与控制技术及其在电力系统中的应用等。在“储能技术及其在电力系统中的应用”研究方向，先后主持完成国家863计划项目子课题、国家973计划项目子课题（参与）、国家自然科学基金面上项目、湖南省自然科学基金重点项目等课题共7项。在储能电源仿真建模技术、储能电源与分布式发电在配电网中的联合规划技术、储能电源参与电网快速调频以及提高电网间歇性新能源发电消纳能力的控制技术等方面，发表学术论文30余篇，申请授权发明专利10余项、软件著作权5项。