研究背景

隨著能源日益緊張，新能源并網(wǎng)及儲(chǔ)能技術(shù)將成為未來能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)。我國風(fēng)電裝機(jī)容量為全球第一，但是存在高比例風(fēng)電不能被消納，其中近30%的棄風(fēng)電量是由調(diào)頻問題導(dǎo)致的。

近幾年來，國內(nèi)外已經(jīng)有大量商業(yè)化儲(chǔ)能項(xiàng)目應(yīng)用于輔助服務(wù)領(lǐng)域，美國PJM市場(chǎng)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)安裝量超過了200MW，國內(nèi)在京能石景山熱電廠實(shí)施了國內(nèi)第一個(gè)儲(chǔ)能火電聯(lián)合調(diào)頻商業(yè)化示范項(xiàng)目后，山西也陸續(xù)實(shí)施了多個(gè)同類儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目，這使得儲(chǔ)能調(diào)頻需求和控制策略成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

電網(wǎng)頻率分布大部分在常規(guī)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)（50±0.033Hz）之內(nèi)，而對(duì)于需要調(diào)頻的部分，大多處于死區(qū)邊界附近。造成這一現(xiàn)象的小幅高頻負(fù)荷擾動(dòng)，使得常規(guī)機(jī)組頻繁動(dòng)作參與一次調(diào)頻，為減少對(duì)常規(guī)機(jī)組的磨損，考慮設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)對(duì)一次調(diào)頻死區(qū)附近的頻率波動(dòng)進(jìn)行下調(diào)，盡可能減少常規(guī)機(jī)組的動(dòng)作次數(shù)，從而提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

類似地，可將儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)分為儲(chǔ)能固有死區(qū)和儲(chǔ)能人工頻率死區(qū)。由于儲(chǔ)能精確性高，且其快速響應(yīng)速度為秒級(jí)以下，甚至為毫秒級(jí)，儲(chǔ)能裝置本身的物理死區(qū)非常小，所以認(rèn)為儲(chǔ)能的固有死區(qū)可忽略不計(jì)。

以電池型儲(chǔ)能為例，利用儲(chǔ)能裝置吸收/釋放功率能力的特性（即SoC）來描述越限區(qū)域，其上下限由儲(chǔ)能電池類型決定，在儲(chǔ)能人工死區(qū)與越限區(qū)域內(nèi)，儲(chǔ)能都不參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。不同死區(qū)設(shè)置下的調(diào)頻效果如圖1所示，頻率分布如圖2所示。0.2DB、0.4DB、0.6DB、0.8DB和1.0DB分別對(duì)應(yīng)設(shè)置儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)為火電機(jī)組死區(qū)的20%，40%，60%，80%和儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)與火電機(jī)組死區(qū)相等的情況。

圖1 不同儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)下的頻率偏差曲線

圖2 不同儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)下的頻率分布

為了解決單一控制方法只對(duì)調(diào)頻效果起單一作用問題，充分利用虛擬下垂和慣性控制的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，考慮將二者結(jié)合，并將調(diào)頻工況分為兩種，一類為頻率惡化工況，另一類為頻率回復(fù)工況，當(dāng)|?f |正在增大時(shí)，即在頻率惡化工況下，本文采取虛擬下垂與慣性控制共同作用的方法減小頻率偏差，同時(shí)抑制頻率惡化；當(dāng)|?f |正在減小時(shí)，即在頻率回復(fù)工況下，利用虛擬下垂控制恢復(fù)系統(tǒng)頻率。

同時(shí)考慮SoC反饋的自適應(yīng)控制規(guī)律，以充電為例，要求當(dāng)SoC相對(duì)較好時(shí)，儲(chǔ)能電池以最大速度釋放/儲(chǔ)存電量，優(yōu)先保證調(diào)頻需求；當(dāng)SoC接近飽和或耗盡時(shí)，以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行出力，保證SoC維持在合理范圍內(nèi)；當(dāng)SoC超過規(guī)定范圍時(shí)，停止充放電，本文利用logistic函數(shù)來模擬曲線可通過調(diào)節(jié)其中的參數(shù)可以表征曲線的不同特性，便于后續(xù)將其應(yīng)用于實(shí)踐工程。

為了驗(yàn)證本文所提控制方法的有效性，在MATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中建立仿真模型。模型包含本文所提儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)模塊、儲(chǔ)能控制模式選擇模塊和儲(chǔ)能出力約束模塊，如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻仿真模型示意圖

當(dāng)系統(tǒng)加入60min連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，采用本文方法和對(duì)比方法的調(diào)頻效果如圖4所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)和火電機(jī)組的輸出功率分別如圖5和6所示，調(diào)頻指標(biāo)如表1所示。

圖4 60min連續(xù)擾動(dòng)下頻率偏差曲線

圖5 60min連續(xù)擾動(dòng)下儲(chǔ)能輸出功率曲線

圖6 60min連續(xù)擾動(dòng)下儲(chǔ)能輸出功率曲線

表1 60min連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下電網(wǎng)調(diào)頻指標(biāo)

結(jié)論及展望

本文提出一種考慮儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)的一次調(diào)頻控制方法。該方法考慮儲(chǔ)能參與調(diào)頻的儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)，能夠有效減小常規(guī)火電機(jī)組參與調(diào)頻的輸出功率，在相同擾動(dòng)下相較于對(duì)比方法，在本文擾動(dòng)場(chǎng)景下，常規(guī)機(jī)組參與調(diào)頻次數(shù)由27次減少至11次，明顯改善其頻繁動(dòng)作的問題。

目前對(duì)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻的儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)研究較少，仍然有很大的深掘空間。儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)大小的設(shè)定涉及到儲(chǔ)能和傳統(tǒng)機(jī)組的出力情況，深入研究如何量化儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)和火-儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻間的綜合經(jīng)濟(jì)性關(guān)系，對(duì)未來大規(guī)模新能源并網(wǎng)具有巨大意義。

引用本文

馬智慧, 李欣然, 譚莊熙, 黃際元, 賀悝. 考慮儲(chǔ)能調(diào)頻死區(qū)的一次調(diào)頻控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.

團(tuán)隊(duì)介紹

湖南大學(xué)擁有“國家電能變換與高效節(jié)能國家工程中心”國家級(jí)科研平臺(tái)，擁有“教育部輸變電新技術(shù)工程研究中心”、“湖南省電氣科學(xué)及其應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”等省部級(jí)科研平臺(tái)。擁有“直流輸電系統(tǒng)及其換流/濾波創(chuàng)新研究平臺(tái)”、“電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室”、“FZML負(fù)載實(shí)驗(yàn)?zāi)M加載系統(tǒng)”等高水平的實(shí)驗(yàn)研究基地。擁有PSASP、BPA、PSCAD等先進(jìn)的電網(wǎng)數(shù)字仿真軟件和RTLAB為代表的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可完成針對(duì)實(shí)際大型電網(wǎng)環(huán)境的電力系統(tǒng)潮流、暫態(tài)及小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)功角穩(wěn)定等仿真計(jì)算功能，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合負(fù)荷模型有效性數(shù)字仿真檢驗(yàn)。

擁有包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力雙饋模擬發(fā)電系統(tǒng)各種類型負(fù)荷的微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電特性測(cè)試，同時(shí)該平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)各種類型的微源與儲(chǔ)能裝置聯(lián)合運(yùn)行測(cè)試，為微電源與儲(chǔ)能元件之間的互補(bǔ)性及其協(xié)調(diào)控制提供研究測(cè)試手段；已經(jīng)開發(fā)了功能完善的“含微電源復(fù)雜負(fù)荷建模仿真系統(tǒng)”。

李欣然

湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)工學(xué)博士，博士研究生導(dǎo)師，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行控制與仿真建模；儲(chǔ)能電源仿真建模與控制技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。在“儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用”研究方向，先后主持完成國家863計(jì)劃項(xiàng)目子課題、國家973計(jì)劃項(xiàng)目子課題（參與）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等課題共7項(xiàng)。在儲(chǔ)能電源仿真建模技術(shù)、儲(chǔ)能電源與分布式發(fā)電在配電網(wǎng)中的聯(lián)合規(guī)劃技術(shù)、儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)快速調(diào)頻以及提高電網(wǎng)間歇性新能源發(fā)電消納能力的控制技術(shù)等方面，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，申請(qǐng)授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)、軟件著作權(quán)5項(xiàng)。