学术简报︱电池储能电源参与电网一次调频的自适应控制策略
湖南大学电气与信息工程学院、国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司的研究人员李欣然、崔曦文、黄际元、黎淑娟、孟娅，在2019年第18期《电工技术学报》上撰文，考虑电网频率特性，提出一种基于虚拟惯性和虚拟下垂动态结合的电池储能电源参与电网一次调频的自适应控制策略。
通过分析储能电源虚拟惯性和虚拟下垂两种控制策略对频率特性的影响，提出一种可随频率偏差值和频率偏差变化率变化而自动调整两种调频模式参与调频的分配比例系数的模型，此模型可实现这两种控制策略的优势互补，同时可实现两种调频模式的平滑切换，可有效地避免控制模式直接切换时引起的二次扰动。
基于此模型提出电池储能电源参与电网一次调频的自适应控制策略，结合调频评估指标，确定储能电源的动作深度，进而得出储能电源的功率和容量配置需求。
最后，分别以阶跃扰动工况和连续扰动工况进行验证，并与虚拟下垂和虚拟惯性直接切换的一次调频控制策略进行对比分析，结果表明所提控制策略能以较小的储能电源的容量配置来满足调频评估指标要求并达到较好的调频效果，同时可减小传统机组的备用容量。
随着化石能源的枯竭，风力发电、光伏发电等新能源发电迅速兴起，因其输出功率具有波动性和不确定性的特征，大规模并网发电势必会对电网造成较大的冲击，加大电网调频压力。因此，传统调频电源已不能满足日益提高的电网调频需求，电池储能电源在电网调频中的优势是当今研究的热点。
电池储能电源运用于辅助电网调频，可充分发挥其动作迅速和调节方式灵活的优势，不仅可显著改善电网调频性能，而且能够有效减小传统机组的调频备用。在电池储能电源辅助电网调频的领域中，控制策略是备受关注的理论与实际工程问题，合理的控制策略不仅能够更好地发挥电池储能电源的调频效果，而且能够有效地减小储能电源的容量配置。
电池储能电源辅助电网一次调频的基本控制策略有虚拟惯性控制和虚拟下垂控制，二者的调频效果各有优势。前者可有效抑制最大频率偏差变化率，缓解频率下降的速度；后者则能有效减小稳态频率偏差。
有学者研究出储能电源抑制风电功率的机理模型，为其辅助电网调频奠定理论基础。
有学者基于模型预测算法计算储能出力来平抑风电波动。
有学者将储能电源配合风电机组参与微电网一次调频，使风电机组具有类似同步发电机的一次调频能力，并建立以一次调频备用成本最小为目标的容量配置机会约束规划模型。
有学者分析电池储能电源以虚拟下垂调频模式参与一次调频后的荷电状态（State of Charge, SOC）特点，提出一种完成一次调频后的储能电池SOC重建策略，该策略可提高储能电源的寿命。
有学者分析风电出力特点，提出一种储能电源参与含风电电网的优化下垂控制策略，可有效平抑风电波动。
有学者考虑集中式电池储能电源的特点，结合电池储能电源的容量限制、SOC和电网调频的需求，提出了一种基于储能电池SOC变化的自适应控制策略，根据不同时刻储能电池的SOC，来确定储能电池的虚拟单位调节功率值，从而确定其出力深度。
单一虚拟下垂控制尽管减小了稳态频率偏差，但是不能有效抑制频率的下降速度和减小最大频率偏差变化率。如果采用单一虚拟惯性控制，则只能在频率下降过程中起作用，无法降低稳态频率偏差。因此二者的单独使用都不能合理协调稳态频率偏差与暂态频率下降速度和最大频率偏差变化率之间的矛盾。
有学者提出了一种针对储能电源参与电网一次调频的综合控制模式——频率下降阶段采用虚拟惯性控制，而在随后的频率恢复阶段则采用虚拟下垂控制，二者以最大频率偏差为切换边界。这种综合控制模式一定程度地协调了稳态频率偏差与暂态频率下降速度和最大频率偏差变化率之间的矛盾，但是在出力控制模式切换时造成储能电池从零出力到最大出力的跃变，不仅给电网造成附加的功率和频率变化冲击，而且将降低储能电池的使用寿命。
本文统筹考虑一次调频过程中的频率偏差和频率偏差变化率特征，结合虚拟惯性和虚拟下垂两种模式各自的优势，提出一种确定两种调频模式参与调频的分配比例系数的解析模型，此模型可随频率偏差和频率偏差变化率的变化而优化调整，并实现两种调频模式的平滑切换。
基于此模型提出一种电池储能电源参与一次调频的自适应控制策略，可实现在同一时刻两种控制模式的综合使用，从而改进一次调频效果，减小储能容量配置。利用典型区域电网算例对本文方法进行仿真，证明了其有效性。
图12 一次调频自适应控制策略流程
本文提出的电池储能参与电网一次调频的自适应策略，综合了虚拟惯性和虚拟下垂两种控制策略的优势并克服了其各自的缺陷，相较于简单组合式（直接切换）策略具有显著的优势和更好的控制性能。
1）在频率下降阶段后期，虚拟下垂弥补了虚拟惯性出力不足的缺陷，有效减小了储能电池的功率配置，提高了其容量利用效率，同时也有助于减小同步发电机组的备用容量和电网的最大频率偏差。
2）由于充分利用了虚拟惯性和虚拟下垂对于频率偏差及其变化率的反应能力，有效地平滑了储能电源的出力，减小了储能电源的充/放电深度，可有效地提高储能电源的使用寿命。
3）由于实现了虚拟惯性和虚拟下垂之间的平滑切换，有效地避免了储能电源的控制策略切换对电网的二次冲击，显著提高了电网的暂态稳定质量。
后续工作重点将是如何优化电池储能电源的特性参数（ME、KE），更好地协调储能电池和常规机组的调频出力，以尽量减小电网最大频率偏差、稳态频率偏移，减轻二次调频压力。