黃際元，李欣然，黃繼軍，雷博

(1．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082;2．國(guó)投北部灣發(fā)電有限公司，廣西北海536000)

不同類型儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻的效果比較研究

黃際元1，李欣然1，黃繼軍2，雷博1

(1．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082;2．國(guó)投北部灣發(fā)電有限公司，廣西北海536000)

保持頻率穩(wěn)定是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本要求。未來(lái)，儲(chǔ)能電源將成為電力系統(tǒng)中必不可少的輔助調(diào)頻手段。為比較不同類型儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻的效果，以常用的電池儲(chǔ)能電源(BESS)、電容器儲(chǔ)能電源(CES)和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能電源(SMES)為研究對(duì)象，建立了包含儲(chǔ)能電源的經(jīng)典兩區(qū)域電力系統(tǒng)模型;提出儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻的運(yùn)行模式為有功/無(wú)功功率(PQ)控制;最后，通過(guò)模擬兩種不同的負(fù)荷擾動(dòng)，分析了自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)-BESS、AGC-CES、AGC-SMES和僅含AGC四種組合方式參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制效果;同時(shí)，對(duì)后續(xù)研究工作進(jìn)行展望。

調(diào)頻;儲(chǔ)能電源;電力系統(tǒng)模型;運(yùn)行模式;負(fù)荷擾動(dòng)

1 引言

集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電、大電網(wǎng)互聯(lián)是目前電能生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式。為應(yīng)對(duì)日益緊迫的能源安全和環(huán)境惡化問(wèn)題，我國(guó)政府于2009年11月提出了節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)，確立了積極有序做好風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源的轉(zhuǎn)化利用的思路。然而，因風(fēng)光等間歇性能源發(fā)電出力具有波動(dòng)性和不確定性，其大規(guī)模并網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)頻率穩(wěn)定帶來(lái)重大影響。傳統(tǒng)電網(wǎng)中水電和火電機(jī)組作為主要的調(diào)頻電源，通過(guò)不斷地改變自身出力來(lái)響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化。但是，它們各自具有一定的限制與不足，影響著電網(wǎng)頻率的安全與品質(zhì)?；痣姍C(jī)組響應(yīng)時(shí)滯長(zhǎng)，不適合參與較短周期的調(diào)頻，而水電機(jī)組的調(diào)頻容量易受地域與季節(jié)的制約;參與二次調(diào)頻的火電機(jī)組爬坡速率慢，不能精確跟蹤區(qū)域控制偏差(Area Control Error，ACE)信號(hào);同時(shí)，一、二次調(diào)頻的協(xié)調(diào)配合也尚需加強(qiáng)。因此，如何在間歇性電源高滲透率條件下確保電網(wǎng)頻率穩(wěn)定成為電網(wǎng)面臨的新挑戰(zhàn)之一［1］。儲(chǔ)能電源具有快速響應(yīng)、精確跟蹤的特點(diǎn)，使得其比傳統(tǒng)調(diào)頻手段高效。近年來(lái)，利用大規(guī)模儲(chǔ)能電源取代發(fā)電廠進(jìn)行調(diào)頻，已受到業(yè)界的關(guān)注，準(zhǔn)確評(píng)估儲(chǔ)能電源的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能將是智能電網(wǎng)必須關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。

目前，已有的調(diào)頻仿真一般基于區(qū)域等效方法構(gòu)建的等效模型［2-10］，通過(guò)小負(fù)荷擾動(dòng)分析，研究?jī)?chǔ)能電源參與調(diào)頻對(duì)頻率波動(dòng)和聯(lián)絡(luò)線功率交換的影響。也有相關(guān)學(xué)者對(duì)單一儲(chǔ)能電源的控制策略進(jìn)行了研究，其多采用PI控制，通過(guò)粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)等優(yōu)化控制參數(shù)［4］。研究表明，如果僅采用傳統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制(Load Frequency Control，LFC)時(shí)，即使對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，小負(fù)荷擾動(dòng)仍會(huì)使頻率及聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間。儲(chǔ)能電源引入之后，系統(tǒng)一、二次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)性能都得到較大改善，同時(shí)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率的偏移量減小，累積時(shí)間誤差和聯(lián)絡(luò)線偶然交換累積也均有所降低。同時(shí)，典型儲(chǔ)能電源如蓄電池儲(chǔ)能電源(Battery Energy Storage System，BESS)、電容器儲(chǔ)能電源(Capacitive Energy Storage System，CES)、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能電源(Superconducting Magnetic Energy Storage System，SMES)和飛輪儲(chǔ)能電源(Flywheel Energy Storage System，F(xiàn)ESS)等均采用基于經(jīng)典模型推導(dǎo)出的傳遞函數(shù)模型。例如電池設(shè)備一般采用外特性等效電路［5，6］或一階慣性環(huán)節(jié)［8］來(lái)模擬，電容器設(shè)備通常采用電容和電阻的并聯(lián)電路來(lái)模擬［3，8］，超導(dǎo)磁設(shè)備通過(guò)大電感元件來(lái)模擬［9，10］。

本文以常用的BESS、CES和SMES為研究對(duì)象，建立了包含儲(chǔ)能電源的經(jīng)典兩區(qū)域電力系統(tǒng)模型，針對(duì)儲(chǔ)能電源提出了基于有功/無(wú)功功率(PQ)控制的運(yùn)行模式，就自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)-BESS、AGC-CES、AGC-SMES和僅含AGC這四種組合方式，通過(guò)模擬兩種不同的負(fù)荷擾動(dòng)，分析了不同組合方式參與電網(wǎng)調(diào)頻控制的效果，在此基礎(chǔ)上對(duì)后續(xù)工作進(jìn)行了展望。

2 儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻的方法

本文提出利用有功/無(wú)功功率(PQ)控制作為儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻的運(yùn)行模式。當(dāng)電網(wǎng)頻率越過(guò)動(dòng)作死區(qū)時(shí)，儲(chǔ)能電源因其自動(dòng)化程度高、增減出力靈活、對(duì)負(fù)荷隨機(jī)和瞬時(shí)變化可做出快速反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，會(huì)優(yōu)先參與電網(wǎng)頻率調(diào)整，通過(guò)與傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組有效結(jié)合，參與電網(wǎng)的一、二次調(diào)頻，維持系統(tǒng)頻率于標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。當(dāng)傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組的調(diào)頻功能啟動(dòng)后，儲(chǔ)能電源會(huì)自動(dòng)將出力傳遞給傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組，當(dāng)傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組的調(diào)頻出力完全滿足負(fù)荷擾動(dòng)需求時(shí)，儲(chǔ)能電源自動(dòng)退出調(diào)頻功能。

3 含儲(chǔ)能電源的電力系統(tǒng)調(diào)頻模型

本文中用于研究含儲(chǔ)能電源的兩區(qū)域電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。BESS、CES或SMES分別安裝在各區(qū)域內(nèi)，用于抑制負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)的頻率波動(dòng)。假設(shè)各區(qū)域內(nèi)所有發(fā)電機(jī)G對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷變化具有同調(diào)響應(yīng)特性，故可將其等效為一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行整體建模，從而得到兩區(qū)域系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖1 含儲(chǔ)能電源的兩區(qū)域系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig．1 Two-area power system with energy storage

圖2中，Δfi、ACEi、ΔXgi、ΔPri、ΔPgi分別為第i區(qū)域的頻率偏差、區(qū)域控制偏差、調(diào)速器控制閥位置偏差、再熱器輸出偏差和發(fā)電機(jī)機(jī)械功率輸出偏差; Δfj為第j區(qū)域的頻率偏差;ΔPtie為兩區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線功率偏差;Tgi、Tri、Kri、Tti、Tpi、Kpi和Ri分別為第i區(qū)域的調(diào)速器時(shí)間常數(shù)、再熱器時(shí)間常數(shù)、再熱器增益、汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)、電力系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)、電力系統(tǒng)增益和調(diào)差系數(shù)，α和β為死區(qū)線性化后的參數(shù); Bi、KIi和Ui分別為第i區(qū)域的頻率偏差系數(shù)、積分控制參數(shù)和調(diào)頻控制量;Tij為聯(lián)絡(luò)線同步系數(shù);ΔPdi和ΔPEi分別為第i區(qū)域的負(fù)荷擾動(dòng)和儲(chǔ)能電源出力。儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻的模式主要有兩種，一種以Δfi作為控制信號(hào)，另一種以ACEi作為控制信號(hào)。為方便比較，本文中接入儲(chǔ)能的ACEi信號(hào)取為ACEi= Δfi+ΔPij/Bi［3］。Δfi和Δfj單位為Hz，ΔPtie為標(biāo)幺值，i∈［1，2］，j∈［2，1］且i≠j，具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)文獻(xiàn)［5］。

圖2 含儲(chǔ)能電源的兩區(qū)域系統(tǒng)調(diào)頻數(shù)學(xué)模型Fig．2 Frequency regulation mathematicalmodel for two-area power system with energy storage

4 不同儲(chǔ)能電源模型

本文所指儲(chǔ)能電源系儲(chǔ)能設(shè)備與并網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Power Conversion System，PCS)所構(gòu)成的整體。儲(chǔ)能設(shè)備通過(guò)DC/DC、DC/AC、濾波和變壓器，經(jīng)由公共連接點(diǎn)(Pointof Common Coupling，PCC)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 不同類型儲(chǔ)能電源配置圖Fig．3 Allocation of different types energy storage power supply

4.1 PCS等效模型

在研究?jī)?chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻的仿真過(guò)程中，通常將PCS等效為一階慣性環(huán)節(jié)，具體等效過(guò)程參閱文獻(xiàn)［6］，僅考慮其時(shí)間常數(shù)。

4.2 儲(chǔ)能設(shè)備等效模型

儲(chǔ)能本身一般采用基于經(jīng)典等效電路模型推導(dǎo)出的傳遞函數(shù)模型。本文中，假設(shè)所有儲(chǔ)能電源處于放電狀態(tài)，其容量和功率能滿足所仿真的兩種負(fù)荷擾動(dòng)。三種儲(chǔ)能電源模型將在下文詳細(xì)闡述，具體如下。

(1)BESS模型

BESS模型采用外特性等效電路，具體可參閱文獻(xiàn)［6］，在此基礎(chǔ)上可推得其所對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)模型如圖4所示。

圖4 BESS傳遞函數(shù)模型Fig．4 Transfer function model of BESS

圖4中，TB為時(shí)間常數(shù);為初始電流;ΔVBOC為開(kāi)路電壓增量;ΔVB1為過(guò)電壓增量;RBS為內(nèi)阻; RBT為連接電阻;RBI為過(guò)電勢(shì)電阻;CBI為過(guò)電勢(shì)電容;RBP為自放電內(nèi)阻;CBP為電容;KBf及KBA分別為以Δfi和ACEi為儲(chǔ)能控制信號(hào)時(shí)所對(duì)應(yīng)的控制增益。其數(shù)學(xué)描述如式(1)～式(6)。

(2)CES模型

CES通常以電容和電阻并聯(lián)電路來(lái)等效。在考慮電容及初始電壓的基礎(chǔ)上，引入電壓反饋環(huán)，以使電容上的電壓快速穩(wěn)定，其傳遞函數(shù)模型如圖5所示。

圖5中，TC為時(shí)間常數(shù);Ed0為初始電壓;C為等效電容;R為等效電阻;Kvd為電壓反饋增益;KCf及KCA分別為以Δfi和ACEi為儲(chǔ)能控制信號(hào)時(shí)所對(duì)應(yīng)的控制增益。其數(shù)學(xué)描述如式(7)～式(10)。

圖5 CES傳遞函數(shù)模型Fig．5 Transfer functionmodel of CES

(3)SMES模型

SMES線圈通常用大電感來(lái)模擬。在考慮其自身電感及初始電流的基礎(chǔ)上，引入電流反饋環(huán)，以使線圈上的電流快速穩(wěn)定，其傳遞函數(shù)模型如圖6所示。

圖6 SMES傳遞函數(shù)模型Fig．6 Transfer functionmodel of SMES

圖6中，TS為時(shí)間常數(shù);Id0為初始電流;L為SMES線圈的電感;Kid為電流反饋增益;KSf及KSA分別為以Δfi和ACEi為儲(chǔ)能控制信號(hào)時(shí)所對(duì)應(yīng)的控制增益。其數(shù)學(xué)描述類似CES，可參閱文獻(xiàn)［9，10］，在此不再詳述。

5 仿真研究

為對(duì)比分析這三種類型儲(chǔ)能電源的調(diào)頻性能，仿真中將接入系統(tǒng)的負(fù)荷擾動(dòng)分成兩種工況，工況1取負(fù)荷擾動(dòng)ΔPd1為0.005pu，ΔPd2為0pu;工況2取負(fù)荷擾動(dòng)ΔPd1為0.01pu，ΔPd2為0pu。針對(duì)這兩種工況，仿真中采取AGC-BESS、AGC-CES、AGCSMES和僅含AGC這四種組合方式，針對(duì)工況1，當(dāng)以Δf和ACE分別作為儲(chǔ)能電源控制信號(hào)時(shí)，可得仿真結(jié)果(Δf1、Δf2及ΔPtie曲線)如圖7和圖8所示，相應(yīng)的分析結(jié)果如圖9所示。

圖7 兩區(qū)域含不同類型儲(chǔ)能調(diào)頻結(jié)果(工況1-Δf反饋)Fig．7 Frequency regulation result of two-area power system with different types of energy storage (condition 1-feedback ofΔf)

從圖7和圖8均可看出，當(dāng)系統(tǒng)中僅含AGC機(jī)組時(shí)，確定的負(fù)荷擾動(dòng)下，各區(qū)域Δf1、Δf2及ΔPtie波動(dòng)明顯，而儲(chǔ)能電源參與調(diào)頻之后，波動(dòng)明顯減小，并被控制在較理想的范圍內(nèi)。

針對(duì)三種類型儲(chǔ)能電源與AGC組合，由圖9可知，在加入0.005pu負(fù)荷擾動(dòng)后，AGC-BESS、AGCSMES和AGC-CES組合可使Δf1絕對(duì)值的最大值Δf1．max從0.0187Hz分別減小到0.0105Hz、0.0119Hz和0.0137Hz，使Δf2絕對(duì)值的最大值Δf2．max從0.0233Hz減小到0.0087Hz、0.0113Hz和0.0155Hz，使ΔPtie絕對(duì)值的最大值ΔPtie．max從0.0043pu減小到0.0030pu、0.0033pu和0.0037pu，顯然前兩種組合可更好地抑制Δf1、Δf2及ΔPtie波動(dòng)幅度;簡(jiǎn)言之，AGC-BESS和AGC-SMES相比AGCCES，抑制波動(dòng)幅值效果更優(yōu)，趨于穩(wěn)定的時(shí)間相當(dāng);AGC-BESS及AGC-SMES之間效果相似，相對(duì)來(lái)說(shuō)，AGC-BESS抑制效果更為明顯且趨于穩(wěn)定時(shí)間較小。工況2分析結(jié)果類似，在此不再贅述。

圖8 兩區(qū)域含不同類型儲(chǔ)能調(diào)頻結(jié)果(工況1-ACE反饋)Fig．8 Frequency regulation result of two-area power system with different types of energy storage (condition 1-feedback of ACE)

從圖9也可看出，當(dāng)以Δf或ACE作為反饋信號(hào)時(shí)，抑制Δf1和Δf2的波動(dòng)幅度差別不大，主要區(qū)別體現(xiàn)在圖9(c)所示的ΔPtie抑制效果上。在加入0.005pu負(fù)荷擾動(dòng)后，由圖9(c)可知，當(dāng)以Δf作為反饋信號(hào)時(shí)，AGC-BESS、AGC-SMES和AGC-CES組合可使ΔPtie．max從0.0043pu減小到0.0030pu、0.0033pu和0.0037 pu;當(dāng)以ACE作為反饋信號(hào)時(shí)，其可使ΔPtie．max減小到0.0022pu、0.0023pu和0.0033 pu;在加入0.01 pu負(fù)荷擾動(dòng)后結(jié)果類似，在此不再累述。從而可得結(jié)論:相比Δf反饋，ACE反饋能較大程度減小ΔPtie。

圖9 不同組合下的仿真結(jié)果(工況1)Fig．9 Performance of differentmix of AGC and energy storage(condition 1)

總之，儲(chǔ)能電源的加入，使得Δf1、Δf2及ΔPtie的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間均大幅減小，即提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，且ACE反饋可得到更好的動(dòng)態(tài)性能和最小的超調(diào)量。不足之處在于儲(chǔ)能電源傳遞函數(shù)模型結(jié)構(gòu)相對(duì)理想，其只能反映出BESS、CES和SMES的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作為儲(chǔ)能設(shè)備的一般特性。為使仿真效果更接近實(shí)際工況，需建立更高精度的儲(chǔ)能電源模型。儲(chǔ)能電源參與調(diào)頻性能的優(yōu)劣與控制增益、頻率偏差系數(shù)和PI參數(shù)等密切相關(guān)，因此，如何優(yōu)化這些參數(shù)也顯得至關(guān)重要。

6 結(jié)論

本文通過(guò)在兩區(qū)域電力系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能電源，對(duì)比分析了AGC-BESS，AGC-CES，AGC-SMES和僅含AGC四種組合的調(diào)頻效果，得到以下結(jié)論:

(1)任何儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻，均能使調(diào)頻控制能夠更迅速、精確地滿足調(diào)頻要求，減少了對(duì)傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組的依賴。

(2)基于提出的儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻的有功/無(wú)功功率(PQ)控制運(yùn)行模式，分析可知就不同儲(chǔ)能電源參與調(diào)頻的效果而言，AGC-BESS性能最優(yōu)，AGC-SMES次之，AGC-CES效果最差。

(3)就反饋信號(hào)對(duì)調(diào)頻效果的影響而言，Δf反饋和ACE反饋對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)的抑制效果基本相當(dāng)，但ACE反饋可使聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)大幅降低。

就電力系統(tǒng)分析與控制領(lǐng)域而言，進(jìn)一步的工作應(yīng)當(dāng)包含如下主要方面:①在滿足平抑間歇性電源出力波動(dòng)前提下，儲(chǔ)能電源參與調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題;②儲(chǔ)能電源參與調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，包括參與一次、二次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制，參與實(shí)時(shí)及其深度的選擇等;③儲(chǔ)能電源參與調(diào)頻的分析模型問(wèn)題，這是保證相關(guān)研究結(jié)果與結(jié)論合理性的基礎(chǔ)性工作。儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)調(diào)頻是智能電網(wǎng)建設(shè)面臨的新課題，一系列的理論與技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)行更加深入的研究和更細(xì)致的工作。

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(，cont．on p.71)(，cont．from p.53)

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Com parison of application of different energy storages in power system frequency regulation

HUANG Ji-yuan1，LIXin-ran1，HUANG Ji-jun2，LEIBo1
(1．College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China; 2．SDIC Beibuwan Electric Power Co．Ltd．，Beihai536000，China)

Keeping the frequency stable is the basic requirement for the normal operation of power system．At present，the appropriate energy storage has been promising as an auxiliary resource for power system frequency regulation．In order to compare the effects of differentenergy storage power supplies on the frequency regulation，the classical two-area power system model with the energy storage is proposed in this paper．Three kinds of energy storage are analyzed，including battery energy storage system(BESS)，capacitor energy storage system(CES)and superconductingmagnetic energy storage system(SMES)．Fixed power control(PQ control)is applied in the auxiliary service of ESS in frequency regulation．Two different kinds of the load perturbance analysis are performed to compare four differentmixes of AGC and energy storage，such as automation generator control(AGC)-BESS，the AGCCES，the AGC-SMES and the only AGC．At the same time，the future work is prospected．

frequency regulation;energy storage;power system model;operationalmode;load turbulence

TM73;TM91

A

1003-3076(2015)03-0049-05

2013-10-10

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB215106)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51477043)資助項(xiàng)目

黃際元(1988-)，男，湖南籍，博士研究生，研究方向?yàn)閮?chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及其建模(通信作者);李欣然(1957-)，男，湖南籍，教授，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析控制、負(fù)荷建模。