儲(chǔ)能電站安全參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化控制策略
張嘉誠(chéng), 夏向陽(yáng), 鄧子豪, 陳貴全
（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）
摘要：為安全實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)準(zhǔn)確快速調(diào)頻，對(duì)于系統(tǒng)頻率偏移引起的有功率需求，提出一種考慮荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）、健康狀態(tài)（state of health，SOH）的儲(chǔ)能輔助調(diào)頻自適應(yīng)優(yōu)化控制策略，該策略依據(jù)儲(chǔ)能單元實(shí)時(shí)狀態(tài)決定多組儲(chǔ)能單元參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的最優(yōu)投切情況，在頻率變化初期多組儲(chǔ)能單元考慮健康狀態(tài)共同出力，減小頻率惡化程度；在頻率恢復(fù)期，考慮各儲(chǔ)能單元自身荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)，在保證儲(chǔ)能調(diào)頻效果的同時(shí)，使各儲(chǔ)能單元均處于健康工作狀態(tài)，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。最后搭建了區(qū)域電網(wǎng)一次調(diào)頻模型，通過(guò)階躍和連續(xù)擾動(dòng)驗(yàn)證了策略的有效性。
引文信息
張嘉誠(chéng), 夏向陽(yáng), 鄧子豪, 等. 儲(chǔ)能電站安全參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化控制策略[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(2): 19-27.
ZHANG Jiacheng, XIA Xiangyang, DENG Zihao, et al. Optimal control strategy for energy storage power station in primary frequency regulation of power grid[J]. Electric Power, 2022, 55(2): 19-27.
引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)力、光伏等新能源技術(shù)快速發(fā)展[1-2]，大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)因其配置靈活、響應(yīng)速度快，能夠較好地保證新能源供電的平衡性和連續(xù)性[3-5]。儲(chǔ)能技術(shù)作為智能電網(wǎng)領(lǐng)域中關(guān)鍵的組成部分，其發(fā)揮的作用越來(lái)越重要[6-8]。國(guó)家以及地方關(guān)于儲(chǔ)能方面的政策頻頻出臺(tái)，并且發(fā)展儲(chǔ)能有效帶動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，儲(chǔ)能技術(shù)迎來(lái)了高速發(fā)展期[9]。為了保證電網(wǎng)在不同擾動(dòng)下的安全穩(wěn)定，大規(guī)模儲(chǔ)能在電網(wǎng)調(diào)頻中的應(yīng)用是當(dāng)今研究熱點(diǎn)[10-14]。
目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的儲(chǔ)能電站控制策略進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[15]建立了符合調(diào)頻需求的儲(chǔ)能電池模型，提出儲(chǔ)能調(diào)頻輸出功率調(diào)節(jié)模式，并體現(xiàn)了相比傳統(tǒng)機(jī)組的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[16]在下垂控制中采用恒定的下垂系數(shù)，沒(méi)有考慮電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）對(duì)儲(chǔ)能輸出功率的影響。當(dāng)前針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能電站輔助電網(wǎng)調(diào)頻的研究多采用定系數(shù)法，連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)可能使儲(chǔ)能單元產(chǎn)生過(guò)充過(guò)放現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生不可控安全事故，考慮經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)前電池儲(chǔ)能成本較高，對(duì)電池控制不當(dāng)會(huì)影響儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間可持續(xù)發(fā)展。文獻(xiàn)[17-18]均考慮到電池SOC，分別提出變系數(shù)下垂控制與自適應(yīng)下垂控制，更好地調(diào)整電池出力。文獻(xiàn)[19]為緩解擾動(dòng)初期頻率惡化程度，新增虛擬慣性控制，但配合下垂控制僅設(shè)置時(shí)間延遲，一次調(diào)頻效果略有不足?，F(xiàn)有研究都是將儲(chǔ)能系統(tǒng)看作一個(gè)整體進(jìn)行能量調(diào)度，沒(méi)有考慮健康狀態(tài)（state of health，SOH）對(duì)電池充放電的影響，缺少對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的考慮，而實(shí)際工程中儲(chǔ)能電站是由多組電池簇并聯(lián)組成。
綜上所述，本文充分考慮電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，針對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的不足，提出一種考慮儲(chǔ)能單元SOC、SOH及多儲(chǔ)能單元組優(yōu)先投切問(wèn)題并融合虛擬慣性和可變下垂控制的綜合控制策略，在傳統(tǒng)虛擬慣性控制基礎(chǔ)上引入健康因子，根據(jù)SOH調(diào)整出力深度；在估計(jì)電池SOC、SOH的同時(shí)，引入儲(chǔ)能單元組優(yōu)先投切判據(jù)，根據(jù)各儲(chǔ)能單元狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)先排序；以頻率變化率的死區(qū)作為控制策略的切換點(diǎn)，在可變下垂控制的基礎(chǔ)上增加SOH變量。通過(guò)提出的控制策略來(lái)控制儲(chǔ)能單元組的投切出力，在保證快速響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻的同時(shí)也保證了儲(chǔ)能電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
1 儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻方法
大型儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能單元組數(shù)量較多，常規(guī)儲(chǔ)能電站拓?fù)淙鐖D1所示。
圖1 儲(chǔ)能電站并網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意
Fig.1 Illustration of energy storage power station into the grid
本文將2種控制策略相結(jié)合，虛擬慣性控制一般在負(fù)荷擾動(dòng)初期產(chǎn)生作用，此時(shí)頻率變化率較大，僅靠下垂控制無(wú)法快速降低頻率變化率，虛擬慣性控制可快速阻止電網(wǎng)頻率惡化且減小最大頻率偏差。但考慮儲(chǔ)能容量問(wèn)題，慣性控制不能長(zhǎng)時(shí)間作用，在阻止頻率惡化后，采用下垂控制繼續(xù)調(diào)頻，在兼顧儲(chǔ)能荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)的同時(shí)減小頻率穩(wěn)態(tài)誤差?？紤]到儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性，基于儲(chǔ)能單元SOC、SOH的估算，對(duì)各個(gè)儲(chǔ)能單元組進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)評(píng)判，對(duì)各儲(chǔ)能單元進(jìn)行合理的投切。含儲(chǔ)能系統(tǒng)的電網(wǎng)一次調(diào)頻模型可以等效為圖2所示的動(dòng)態(tài)模型。
圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)模型
Fig.2 Dynamic model of energy storage system participating in primary frequency regulation
其中， s 為拉氏算子；KG 為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率；TG、TCH、TRH 分別為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器時(shí)間常數(shù)、汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)、再熱器時(shí)間常數(shù)；FHP 為再熱器增益；ΔPL(s) 為負(fù)荷擾動(dòng)量；ΔPB(s) 為儲(chǔ)能系統(tǒng)出力；圖片為虛擬慣性控制出力；圖片為虛擬下垂控制出力；M 為電網(wǎng)慣性時(shí)間常數(shù)；D 為負(fù)荷阻尼系數(shù)。
根據(jù)以上分析，本文策略在擾動(dòng)初期頻率變化率大時(shí)采用引入健康因子的虛擬慣性控制以減緩頻率惡化速度及惡化程度；在渡過(guò)頻率惡化期后采用系數(shù)可變的下垂控制并結(jié)合SOC、SOH估計(jì)對(duì)各儲(chǔ)能單元組進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，將優(yōu)先級(jí)高的儲(chǔ)能單元組投入工作既能保證調(diào)頻效果又能保證儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性。在調(diào)頻死區(qū)外，當(dāng)頻率偏差 Δf＞0(Δf＜0) 時(shí)，若頻率偏差率 dft/dt＞0(dft/dt＜0) 則啟動(dòng)虛擬慣性控制，所有儲(chǔ)能單元同時(shí)出力，迅速阻止頻率進(jìn)一步惡化，若頻率偏差率 dft/dt＜0(dft/dt＞0) 則啟動(dòng)下垂控制，根據(jù)各儲(chǔ)能單元SOC、SOH對(duì)儲(chǔ)能變流器（power conversion system，PCS）選擇投切，2種控制相互配合最終實(shí)現(xiàn)頻率的快速恢復(fù)。
2 儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的控制策略
2.1 改進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)虛擬慣性控制
為維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，中國(guó)一般規(guī)定電網(wǎng)頻率偏移為0.2~0.5 Hz或者–0.5~–0.2 Hz[20]，慣性控制在短時(shí)內(nèi)提供大功率支撐電網(wǎng)，可有效緩解頻率變化陡度，改進(jìn)虛擬慣性響應(yīng)可表示為
式中：ΔPit 為t時(shí)刻第i組儲(chǔ)能單元的虛擬慣性響應(yīng)值；Gt 為改進(jìn)虛擬慣性系數(shù)；dft/dt 為t時(shí)刻的頻率變化率；Rs為虛擬慣性控制調(diào)頻死區(qū)。虛擬慣性控制在短時(shí)間作用，對(duì)電池的荷電狀態(tài)影響較小，因此不考慮SOC變化對(duì)其輸出功率的影響。
因傳統(tǒng)虛擬慣性控制可有效抑制頻率擾動(dòng)初期的惡化程度，但是由于維持虛擬慣性控制需要儲(chǔ)能單元輸出大功率支撐，循環(huán)多次會(huì)加速電池老化。本文引入健康因子的概念，結(jié)合考慮電池SOH來(lái)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)慣性出力，改進(jìn)虛擬慣性系數(shù)為
式中：G0 為固定慣性系數(shù)；GH 為關(guān)于SOH的健康因子；SOH,t 為電池t時(shí)刻健康狀態(tài)；SOH,max 和 SOH,min 為電池健康狀態(tài)上下限，分別為1.0, 0.8。
綜上可知，改進(jìn)的儲(chǔ)能電站虛擬慣性控制在電網(wǎng)頻率波動(dòng)初期，通過(guò)引入健康因子，所有儲(chǔ)能單元根據(jù)各自SOH調(diào)整出力深度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站向電網(wǎng)持續(xù)快速地注入有功功率，并有效延緩電池容量衰減速度。
2.2 基于電池狀態(tài)估計(jì)的優(yōu)先順序指標(biāo)
大規(guī)模儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能單元分為若干組，分別經(jīng)由PCS并聯(lián)，在實(shí)現(xiàn)調(diào)頻效果的同時(shí)也應(yīng)考慮電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)安全性，為此，本文在對(duì)SOC、SOH估計(jì)的情況下，進(jìn)而對(duì)各個(gè)儲(chǔ)能單元組的動(dòng)作優(yōu)先順序進(jìn)行分級(jí)排序，按照確定的優(yōu)先順序選擇儲(chǔ)能單元組投入工作。
現(xiàn)應(yīng)用工程一般使用安時(shí)積分法進(jìn)行SOH狀態(tài)估計(jì)，但該方法沒(méi)有考慮電池多次循環(huán)后內(nèi)部材料的退化、計(jì)算損耗等問(wèn)題，需要頻繁進(jìn)行校準(zhǔn)。由此，本文加入一種新的SOC和SOH估計(jì)策略，基于電池二階電路模型，對(duì)電池電壓的測(cè)量值和計(jì)算值之間進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，結(jié)合PI控制器，提供更準(zhǔn)確的狀態(tài)估計(jì)值。
總體的估算框圖如圖3所示，其中， V(t) 和 i(t) 為ESS實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中測(cè)得的電壓電流。然后將 V(t) 與電路模型 Vmodel(t) 提供的值進(jìn)行比較，并由PI1控制器進(jìn)行放大，提供一個(gè)校正項(xiàng)ΔE0，用于估計(jì)空載電壓E0。根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)表的關(guān)系 SOC (E0)來(lái)估計(jì) SOC ，再將其與采用庫(kù)侖計(jì)數(shù)法得到的 SOC 進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PI2放大誤差，輸出 ΔVRi 作為被用作充電和放電期間模型內(nèi)阻輸出的校正因子，在 SOC 值偏低時(shí)， ΔVRi 表示內(nèi)部電阻 Ri 的增量。
圖3 實(shí)時(shí)SOC和SOH估計(jì)策略
Fig.3 Real-time SOC and SOH estimation strategy
SOH的估計(jì)方法有多種，本文中SOH計(jì)算表示為實(shí)際容量 Ccap 與額定容量 Cn 的比率。
根據(jù)優(yōu)先排序計(jì)算式得到各儲(chǔ)能單元的優(yōu)先系數(shù)，如圖4所示，優(yōu)先系數(shù) K 越大，儲(chǔ)能單元組動(dòng)作優(yōu)先級(jí)別越高；反之，儲(chǔ)能單元組動(dòng)作優(yōu)先級(jí)別越低。若Δf＜0，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收電網(wǎng)功率，則優(yōu)先選擇實(shí)時(shí)SOC較小的儲(chǔ)能單元組；若Δf＞0，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放功率支撐電網(wǎng)，則優(yōu)先選擇實(shí)時(shí)SOC較大的儲(chǔ)能單元組，充放電2種情況均優(yōu)先考慮SOH更好的儲(chǔ)能單元。
為方便下垂系數(shù)的修訂，依據(jù)儲(chǔ)能單元SOC將其荷電狀態(tài)進(jìn)行劃分，SOC,max、SOC,max-s、SOC,min-s、SOC,min分別為儲(chǔ)能單元組的正常工作上限、穩(wěn)定工作上限、穩(wěn)定工作下限和正常工作下限。
圖4 儲(chǔ)能單元優(yōu)先排序示意
Fig.4 Schematic diagram of energy storage unit prioritization
2.3 基于SOC、SOH的儲(chǔ)能系統(tǒng)可變下垂控制
儲(chǔ)能電站輔助調(diào)頻的下垂控制是在下垂特性的基礎(chǔ)上根據(jù)頻率偏差控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功輸出，從而穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。傳統(tǒng)頻率下垂控制策略為
在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上加入SOC、SOH 2個(gè)變量實(shí)現(xiàn)下垂系數(shù)可變，并且結(jié)合對(duì)多組PCS的優(yōu)先投切控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率偏差控制以及使儲(chǔ)能單元維持在健康狀態(tài)。
充放電工況不同SOC、SOH值對(duì)下垂系數(shù)影響為
所提改進(jìn)下垂控制策略根據(jù)不同SOC、SOH實(shí)時(shí)計(jì)算下垂控制系數(shù)來(lái)控制儲(chǔ)能單元輸出功率大小。當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能單元根據(jù)自身狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)出力大小，在保證電網(wǎng)頻率需求的同時(shí)盡可能使儲(chǔ)能電池處于健康安全的狀態(tài)。
3 儲(chǔ)能電站參與一次調(diào)頻的綜合控制策略
3.1 調(diào)頻綜合控制策略
在上文討論的控制策略中，各控制的動(dòng)作時(shí)機(jī)和動(dòng)作效果都不相同，為優(yōu)化儲(chǔ)能電站的調(diào)頻效果及保持儲(chǔ)能單元狀態(tài)，提出的優(yōu)化控制策略如圖5所示。以 Δf＞0 ，即儲(chǔ)能系統(tǒng)需要釋放功率支撐電網(wǎng)為例。
圖5 儲(chǔ)能電站參與一次調(diào)頻的綜合控制策略
Fig.5 Integrated control strategy for primary frequency regulation of energy storage power station
（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)頻率 ft 以及各儲(chǔ)能單元的SOC、SOH，參考國(guó)內(nèi)關(guān)于調(diào)頻偏差死區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)頻死區(qū) fd=0.033 Hz。當(dāng)實(shí)時(shí)電網(wǎng)頻率與參考電網(wǎng)頻率差值大于 fd 時(shí)，進(jìn)入下一步判斷，否則循環(huán)監(jiān)視。
（2）當(dāng) Δf＞0 且頻率變化率為負(fù) (dft/dt＜0) ，若頻率變化率的絕對(duì)值超過(guò)了虛擬慣性控制死區(qū) Rs ，此時(shí)虛擬慣性控制啟動(dòng)，所有儲(chǔ)能單元按照式（1）計(jì)算出力，同時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻。
（3）當(dāng)頻率偏差達(dá)到最大，即 (dft/dt=0) ，此時(shí)進(jìn)入頻率恢復(fù)階段時(shí)，虛擬慣性控制閉鎖。
（4）啟動(dòng)下垂控制之前，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的SOC、SOH值以及式（8）對(duì)各儲(chǔ)能單元進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，將優(yōu)先系數(shù)大的儲(chǔ)能單元投入運(yùn)行，優(yōu)先系數(shù)大則代表該儲(chǔ)能單元的SOC及SOH在所有儲(chǔ)能單元中均處于良好狀態(tài)。在此基礎(chǔ)之上投入運(yùn)行的儲(chǔ)能單元采用系數(shù)可變的下垂控制進(jìn)行有功功率輸出以恢復(fù)電網(wǎng)頻率。
儲(chǔ)能電站充電 (Δf＜0) 時(shí)的控制策略和上述過(guò)程類似。
3.2 調(diào)頻評(píng)價(jià)
為了評(píng)價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)用本文策略參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的效果，在分析幅頻特性的基礎(chǔ)上得出時(shí)域評(píng)價(jià)指標(biāo)。
在階躍負(fù)荷擾動(dòng)的工況下，提出4個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)， Δfs 為擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)頻率偏差，代表調(diào)頻的最終效果， Δfm 為最大頻率偏差，代表對(duì)擾動(dòng)的抑制效果；ts 為調(diào)頻完成時(shí)間，代表儲(chǔ)能系統(tǒng)整體響應(yīng)速度， tm 為調(diào)頻峰值時(shí)間，代表儲(chǔ)能慣性響應(yīng)的支撐速度，其值均越小越好。
在連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)的工況下，主要將頻率偏差和荷電狀態(tài)偏差的均方根值作為一次調(diào)頻的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此來(lái)反映一次調(diào)頻效果和儲(chǔ)能單元的電量健康。
4 仿真驗(yàn)證
本文所提控制策略以搭建區(qū)域模型為基礎(chǔ)，模擬儲(chǔ)能電站結(jié)構(gòu)加入多組儲(chǔ)能單元進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
系統(tǒng)額定頻率為50 Hz，包括1臺(tái)額定容量為100 MW的傳統(tǒng)火電機(jī)組，3組儲(chǔ)能單元并聯(lián)組成額定容量為3.15 MW/6.33 (MW·h)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其額定電壓為380 V，系統(tǒng)仿真示意如圖6所示，參數(shù)標(biāo)幺值是以額定頻率50 Hz和傳統(tǒng)機(jī)組額定容量作為基準(zhǔn)值。為了說(shuō)明本方法的適用性，以2種不同工況進(jìn)行分析說(shuō)明。
圖6 系統(tǒng)仿真示意
Fig.6 System diagram for simulation
4.1 階躍負(fù)荷擾動(dòng)工況
假設(shè)在階躍負(fù)荷擾動(dòng)中A、B、C 3組儲(chǔ)能單元的初始SOC分別為0.9、0.85、0.75，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，加入幅值為0.015標(biāo)幺值的階躍擾動(dòng)，對(duì)比在本文控制策略、定K系數(shù)控制法和無(wú)儲(chǔ)能3種不同策略下電網(wǎng)頻率恢復(fù)情況以及各儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)變化情況，結(jié)果如圖7所示。
由圖7 a)可知，因慣性控制作用，本文方法相較其他2組方法對(duì)于擾動(dòng)初期的頻率惡化程度抑制效果明顯，無(wú)儲(chǔ)能下降斜率最大，其次是定K法。相較于無(wú)儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)定K法的頻率最大偏差較小，由于定K法全程采用固定功率對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)頻，其儲(chǔ)能系統(tǒng)因電量快速被耗盡而過(guò)早停止運(yùn)行。本文提出的控制策略在頻率偏差及頻率偏差率超過(guò)慣性控制和下垂控制的調(diào)頻死區(qū)時(shí)，2種控制策略分別作用，使得系統(tǒng)的最大頻率偏差、頻率下降斜率均最小。為延長(zhǎng)電池使用壽命以及考慮儲(chǔ)能電站安全性、經(jīng)濟(jì)性，采用下垂法控制電池放電時(shí)，考慮3組儲(chǔ)能單元的剩余電量，優(yōu)先將處于充電飽和區(qū)域的A組儲(chǔ)能單元投入系統(tǒng)運(yùn)行，其余單元組暫時(shí)停止工作。
圖7 階躍擾動(dòng)下系統(tǒng)響應(yīng)仿真結(jié)果
Fig.7 Simulation results of system response under step disturbance
由圖7 b)可知，在頻率變化初期虛擬慣性控制3組儲(chǔ)能單元同時(shí)投入運(yùn)行；頻率偏差達(dá)到最大值時(shí)，虛擬慣性控制閉鎖啟動(dòng)下垂控制，考慮運(yùn)行工況及各儲(chǔ)能單元狀態(tài)，經(jīng)式（8）計(jì)算，A組儲(chǔ)能單元優(yōu)先級(jí)最高投入運(yùn)行，B、C 2組暫停工作，經(jīng)過(guò)1個(gè)周期重新判定，C組仍不參與調(diào)頻，A組切除，B組儲(chǔ)能單元投入運(yùn)行，如此往復(fù)，最終達(dá)到1次調(diào)頻效果。3組儲(chǔ)能單元SOC以均衡的趨勢(shì)下降且均處于健康工作區(qū)內(nèi)。本文綜合策略相較其他方法有明顯優(yōu)勢(shì)，在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中，能更好地發(fā)揮儲(chǔ)能潛力，保持電池容量。
調(diào)頻評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示，由表1可以看出，在階躍負(fù)荷擾動(dòng)工況下，本文方法有效減小了最大頻率偏差和最終的穩(wěn)態(tài)誤差，且到達(dá)穩(wěn)態(tài)誤差的時(shí)間更短。
表1 階躍負(fù)荷擾動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)
Table 1 Evaluation index of step load disturbance
4.2 連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)工況
儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻作用時(shí)間較短，為了使仿真結(jié)果更加明顯，體現(xiàn)本文控制策略的作用效果，故將A組儲(chǔ)能單元初始SOC設(shè)為臨界充電狀態(tài)0.9，B組SOC設(shè)為0.6，C組SOC設(shè)為臨界放電狀態(tài)0.2。因?yàn)閮?chǔ)能輔助電網(wǎng)一次調(diào)頻主要是應(yīng)對(duì)較小幅度的負(fù)荷擾動(dòng)，通常約為負(fù)荷峰值的1%，因此，本文假設(shè)連續(xù)負(fù)荷的變動(dòng)平均幅值為1%~3%。
連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)曲線如圖8 a)所示。不同控制策略下電網(wǎng)頻率偏差曲線如圖8 b)所示，本文所提控制方法下3組儲(chǔ)能單元SOC變化曲線如圖8 c)所示，評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。
圖8 連續(xù)擾動(dòng)下系統(tǒng)響應(yīng)仿真結(jié)果
Fig.8 Simulation results of system response under continuous disturbance
表2 連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)
Table 2 Evaluation index of continuous load disturbance
由圖8 b)可知，在連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)下，本文所提控制策略對(duì)比無(wú)儲(chǔ)能和采用下垂定K法，頻率偏差的情況明顯降低，更好的保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。由圖8 c)可知，由于A組儲(chǔ)能單元處于臨界放電狀態(tài)，相較于B組放電功率更大，SOC下降更快，C組處于臨界充電狀態(tài)，在系統(tǒng)功率缺額時(shí)不參與工作，僅在系統(tǒng)功率過(guò)剩時(shí)投入工作，避免電池出現(xiàn)過(guò)放情況，最終各儲(chǔ)能單元組的荷電狀態(tài)均向健康的工作狀態(tài)變化。對(duì)比其他單一儲(chǔ)能單元的控制方法，本文方法考慮實(shí)際工況，更適用于工程應(yīng)用，避免電池過(guò)充過(guò)放情況發(fā)生的同時(shí)也達(dá)到了較好的調(diào)頻效果，驗(yàn)證了本文控制策略的有效性。
由表2中數(shù)據(jù)可以看出，連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)工況下無(wú)儲(chǔ)能調(diào)頻效果最弱，本文策略略優(yōu)于定K法，并且對(duì)于Q指標(biāo)，本文所提方法考慮電池狀態(tài)對(duì)出力深度的影響，仿真結(jié)果顯示較好。由于大量新能源發(fā)電并網(wǎng)，電網(wǎng)頻率擾動(dòng)的次數(shù)更加頻繁，儲(chǔ)能調(diào)頻更應(yīng)在安全的前提下利用好本身能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢(shì)。
5 結(jié)論
運(yùn)用本文所提控制策略，在電網(wǎng)需要時(shí)提供必要的功率輸出，目前所提調(diào)頻策略中，并未考慮其結(jié)構(gòu)中電池簇并聯(lián)運(yùn)行的實(shí)際情況。在調(diào)頻效果相當(dāng)?shù)那闆r下，把延長(zhǎng)電池使用壽命作為切入點(diǎn)進(jìn)行研究就顯得尤為重要，本文研究重點(diǎn)也在于此。通過(guò)仿真也驗(yàn)證了其有效性。
（1）本文提出的綜合控制策略考慮了儲(chǔ)能電站內(nèi)部?jī)?chǔ)能單元的并聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，在估計(jì)各個(gè)儲(chǔ)能單元SOC、SOH的基礎(chǔ)上，對(duì)多組儲(chǔ)能單元進(jìn)行投切控制，在保證對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻效果的同時(shí)，使電池盡量處于安全工作區(qū)域中。
（2）所提方法的適用性較好，無(wú)論是在階躍擾動(dòng)還是連續(xù)擾動(dòng)下，都能使電網(wǎng)頻率快速的回歸到穩(wěn)態(tài)偏差，保證了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。
（3）在頻率變化初期，為了防止頻率進(jìn)一步惡化，所有儲(chǔ)能單元同時(shí)參與虛擬慣性控制共同出力，頻率偏差變化率下降至慣性控制死區(qū)外后，根據(jù)各儲(chǔ)能單元狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，啟動(dòng)下垂控制，配合各儲(chǔ)能單元進(jìn)行調(diào)頻。充分發(fā)揮儲(chǔ)能電站多儲(chǔ)能單元并列運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。
