研究背景

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

近幾年來，國內外已經有大量商業(yè)化儲能項目應用于輔助服務領域，美國PJM市場儲能調頻系統安裝量超過了200MW，國內在京能石景山熱電廠實施了國內第一個儲能火電聯合調頻商業(yè)化示范項目后，山西也陸續(xù)實施了多個同類儲能調頻項目，這使得儲能調頻需求和控制策略成為當前研究熱點。

論文方法及創(chuàng)新點

電網頻率分布大部分在常規(guī)機組一次調頻死區(qū)（50±0.033Hz）之內，而對于需要調頻的部分，大多處于死區(qū)邊界附近。造成這一現象的小幅高頻負荷擾動，使得常規(guī)機組頻繁動作參與一次調頻，為減少對常規(guī)機組的磨損，考慮設置儲能調頻死區(qū)對一次調頻死區(qū)附近的頻率波動進行下調，盡可能減少常規(guī)機組的動作次數，從而提高發(fā)電機組運行的經濟性。

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

以電池型儲能為例，利用儲能裝置吸收/釋放功率能力的特性（即SoC）來描述越限區(qū)域，其上下限由儲能電池類型決定，在儲能人工死區(qū)與越限區(qū)域內，儲能都不參與電網一次調頻。不同死區(qū)設置下的調頻效果如圖1所示，頻率分布如圖2所示。0.2DB、0.4DB、0.6DB、0.8DB和1.0DB分別對應設置儲能調頻死區(qū)為火電機組死區(qū)的20%，40%，60%，80%和儲能調頻死區(qū)與火電機組死區(qū)相等的情況。

圖1 不同儲能調頻死區(qū)下的頻率偏差曲線

圖2 不同儲能調頻死區(qū)下的頻率分布

為了解決單一控制方法只對調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)勢互補，考慮將二者結合，并將調頻工況分為兩種，一類為頻率惡化工況，另一類為頻率回復工況，當|?f |正在增大時，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，同時抑制頻率惡化；當|?f |正在減小時，即在頻率回復工況下，利用虛擬下垂控制恢復系統頻率。

同時考慮SoC反饋的自適應控制規(guī)律，以充電為例，要求當SoC相對較好時，儲能電池以最大速度釋放/儲存電量，優(yōu)先保證調頻需求；當SoC接近飽和或耗盡時，以適當的系數進行出力，保證SoC維持在合理范圍內；當SoC超過規(guī)定范圍時，停止充放電，本文利用logistic函數來模擬曲線可通過調節(jié)其中的參數可以表征曲線的不同特性，便于后續(xù)將其應用于實踐工程。

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

圖3 儲能參與電網一次調頻仿真模型示意圖

當系統加入60min連續(xù)負荷擾動時，采用本文方法和對比方法的調頻效果如圖4所示，儲能系統和火電機組的輸出功率分別如圖5和6所示，調頻指標如表1所示。

圖4 60min連續(xù)擾動下頻率偏差曲線

圖5 60min連續(xù)擾動下儲能輸出功率曲線

圖6 60min連續(xù)擾動下儲能輸出功率曲線

表1 60min連續(xù)負荷擾動下電網調頻指標

結論及展望

本文提出一種考慮儲能調頻死區(qū)的一次調頻控制方法。該方法考慮儲能參與調頻的儲能調頻死區(qū)，能夠有效減小常規(guī)火電機組參與調頻的輸出功率，在相同擾動下相較于對比方法，在本文擾動場景下，常規(guī)機組參與調頻次數由27次減少至11次，明顯改善其頻繁動作的問題。

目前對儲能參與電網調頻的儲能調頻死區(qū)研究較少，仍然有很大的深掘空間。儲能調頻死區(qū)大小的設定涉及到儲能和傳統機組的出力情況，深入研究如何量化儲能調頻死區(qū)和火-儲聯合調頻間的綜合經濟性關系，對未來大規(guī)模新能源并網具有巨大意義。

引用本文

馬智慧, 李欣然, 譚莊熙, 黃際元, 賀悝. 考慮儲能調頻死區(qū)的一次調頻控制方法[J]. 電工技術學報, 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.

團隊介紹

湖南大學擁有“國家電能變換與高效節(jié)能國家工程中心”國家級科研平臺，擁有“教育部輸變電新技術工程研究中心”、“湖南省電氣科學及其應用重點實驗室”等省部級科研平臺。擁有“直流輸電系統及其換流/濾波創(chuàng)新研究平臺”、“電力系統動態(tài)模擬實驗室”、“FZML負載實驗模擬加載系統”等高水平的實驗研究基地。擁有PSASP、BPA、PSCAD等先進的電網數字仿真軟件和RTLAB為代表的半實物仿真實驗平臺，可完成針對實際大型電網環(huán)境的電力系統潮流、暫態(tài)及小擾動電壓穩(wěn)定和暫態(tài)功角穩(wěn)定等仿真計算功能，能夠實現綜合負荷模型有效性數字仿真檢驗。

擁有包括光伏發(fā)電系統、風力雙饋模擬發(fā)電系統各種類型負荷的微網實驗研究平臺，可實現風力發(fā)電、光伏發(fā)電特性測試，同時該平臺還可以實現各種類型的微源與儲能裝置聯合運行測試，為微電源與儲能元件之間的互補性及其協調控制提供研究測試手段；已經開發(fā)了功能完善的“含微電源復雜負荷建模仿真系統”。

李欣然

湖南大學電氣與信息工程學院教授，電力系統及其自動化專業(yè)工學博士，博士研究生導師，享受國務院政府特殊津貼專家。主要研究方向為電力系統運行控制與仿真建模；儲能電源仿真建模與控制技術及其在電力系統中的應用等。在“儲能技術及其在電力系統中的應用”研究方向，先后主持完成國家863計劃項目子課題、國家973計劃項目子課題（參與）、國家自然科學基金面上項目、湖南省自然科學基金重點項目等課題共7項。在儲能電源仿真建模技術、儲能電源與分布式發(fā)電在配電網中的聯合規(guī)劃技術、儲能電源參與電網快速調頻以及提高電網間歇性新能源發(fā)電消納能力的控制技術等方面，發(fā)表學術論文30余篇，申請授權發(fā)明專利10余項、軟件著作權5項。