王立強(qiáng)，王 琪

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

近年來，隨著風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電項(xiàng)目的逐年增加，電網(wǎng)中的新能源裝機(jī)占比和發(fā)電量也逐漸增大。但是，新能源發(fā)電自身存在的隨機(jī)性和波動(dòng)性，給電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行帶來很大影響，尤其當(dāng)新能源參與調(diào)度運(yùn)行的比例越來越高，電網(wǎng)供電調(diào)節(jié)充裕性和頻率穩(wěn)定性受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2021年，內(nèi)蒙古自治區(qū)提出推廣“新能源+儲(chǔ)能”系統(tǒng)友好型新能源電站，并要求配建儲(chǔ)能規(guī)模原則上不低于新能源項(xiàng)目裝機(jī)量的15%，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與新能源電源的深度融合、聯(lián)合運(yùn)行。儲(chǔ)能作為一種響應(yīng)快速、穩(wěn)定可靠的功率源，給新能源參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻帶來一定的靈活性。

在新能源參與電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)，由于變流器將機(jī)組與電網(wǎng)分離解耦，存在自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量無法直接響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化等問題。同時(shí)，相對(duì)于火電機(jī)組，新能源存在功率波動(dòng)性強(qiáng)、輸出不穩(wěn)定等問題。針對(duì)上述問題，學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究，提出了諸多解決方案。一種典型方案是改進(jìn)現(xiàn)有新能源機(jī)組自身有功功率控制，如風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制，利用機(jī)組轉(zhuǎn)子內(nèi)儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電磁功率注入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻[1]，在額定轉(zhuǎn)速下52 s 可以提供10%的功率輸出，但由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能短時(shí)功率超發(fā)響應(yīng)速度快，在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段可能引發(fā)頻率二次跌落。功率備用控制是使機(jī)組偏離最大功率點(diǎn)運(yùn)行，為頻率調(diào)節(jié)預(yù)留一定的上調(diào)裕度，從經(jīng)濟(jì)性角度會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，發(fā)電效率難以最大化，同時(shí)槳距控制等策略也會(huì)加劇機(jī)械磨損老化，縮短機(jī)組壽命[2-6]。有學(xué)者提出通過附加儲(chǔ)能方式實(shí)現(xiàn)調(diào)頻控制。文獻(xiàn)[7]提出風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合參與調(diào)頻的控制策略，對(duì)比了風(fēng)儲(chǔ)和風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)參與調(diào)頻頻率響應(yīng)特性，風(fēng)儲(chǔ)模式對(duì)于頻率波動(dòng)起到明顯的改善作用。文獻(xiàn)[8]開展了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的控制方法和儲(chǔ)能配置容量研究，并在不同風(fēng)速條件下進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)論表明，研究方法能夠有效降低頻率變化率和頻率最大偏差。文獻(xiàn)[9-10]研究了光儲(chǔ)系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制方法和仿真驗(yàn)證，取得了一些成果。但在上述研究中，儲(chǔ)能多以單一調(diào)頻功能為主，而儲(chǔ)能作為一種響應(yīng)快速、靈活可靠的能源系統(tǒng)，其在功率平抑、調(diào)峰消納等方面同樣具有一定優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)儲(chǔ)能參與新能源波動(dòng)的控制策略進(jìn)行研究，儲(chǔ)能的加入能夠降低傳輸線路的功率波動(dòng)。文獻(xiàn)[13-14]進(jìn)行了儲(chǔ)能在參與電網(wǎng)調(diào)峰方面的研究，主要用于削峰填谷，提高了電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力。

值得注意的是，儲(chǔ)能作為一種電化學(xué)材料介質(zhì)，其自身使用壽命受到荷電狀態(tài)、放電深度、溫度、充放電倍率、能量吞吐量等多種因素影響[15-16]，因此，在儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻應(yīng)用過程中，要兼顧其壽命因素、放電與調(diào)峰需求、儲(chǔ)能與風(fēng)光消納協(xié)調(diào)等多種場(chǎng)景的需要，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的最大效率利用。為此，本文針對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)一體化場(chǎng)站，面向電網(wǎng)調(diào)頻需求，研究了儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的控制策略，將調(diào)頻指令與有功功率自動(dòng)發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）指令進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，優(yōu)先滿足電網(wǎng)調(diào)頻需要；在調(diào)頻儲(chǔ)備與調(diào)峰消納等協(xié)調(diào)上，綜合儲(chǔ)能壽命、消納能力、調(diào)頻響應(yīng)等多種邊界因素，提出儲(chǔ)能參與、光伏配合的協(xié)調(diào)調(diào)頻控制策略，盡可能預(yù)留備用儲(chǔ)能裕度，以提升高比例新能源電力系統(tǒng)的消納能力和并網(wǎng)安全性能。

1 儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻策略

根據(jù)內(nèi)蒙古電網(wǎng)新能源場(chǎng)站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求[17]，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到場(chǎng)站并網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)頻率波動(dòng)時(shí)，需根據(jù)預(yù)設(shè)的一次調(diào)頻曲線，協(xié)調(diào)控制全場(chǎng)的有功出力來實(shí)現(xiàn)新能源場(chǎng)站的一次調(diào)頻控制，并按照有功—頻率下垂特性曲線函數(shù)進(jìn)行有功輸出，公式為：

式中：f為實(shí)際電網(wǎng)頻率；fd為一次調(diào)頻動(dòng)作門檻值；fN為基準(zhǔn)頻率，取50 Hz；P 為一次調(diào)頻動(dòng)作目標(biāo)功率；P0為功率初值；PN為額定功率；δ為新能源場(chǎng)站一次調(diào)頻調(diào)差率。

標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)頻率下擾時(shí)，一次調(diào)頻響應(yīng)限幅不應(yīng)小于場(chǎng)站額定出力的6%；當(dāng)頻率上擾時(shí)，一次調(diào)頻響應(yīng)限幅不應(yīng)小于場(chǎng)站額定出力的10%[17]。風(fēng)光場(chǎng)站一次調(diào)頻門檻值為（50±0.05）Hz，調(diào)差率為3%。按照上述指標(biāo)要求，以儲(chǔ)能單獨(dú)參與調(diào)頻的工作方式為例，其功率需求為：

式中：Pch為儲(chǔ)能充電功率；Pdis為儲(chǔ)能放電功率。

對(duì)于儲(chǔ)能而言，除功率有限制需預(yù)留外，還需考慮充放電深度對(duì)壽命的影響及儲(chǔ)能荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）的電量預(yù)留，一般而言，儲(chǔ)能的SOC工作區(qū)間為20%～80%。

2 調(diào)頻與消納協(xié)調(diào)策略

考慮到儲(chǔ)能具有快速響應(yīng)、控制精度高、輸出靈活等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，還需兼具輸出功率平抑、調(diào)峰及促進(jìn)風(fēng)光消納的作用。功率平抑只是利用濾波算法進(jìn)行小功率的輸出，對(duì)調(diào)頻影響較小；而調(diào)峰、消納等場(chǎng)景需要儲(chǔ)能大功率長時(shí)間的功率響應(yīng)，因此需要策略的重新制定和邊界約束。重新制定的調(diào)頻策略主要包含頻率上擾策略和頻率下擾策略兩個(gè)方面。

頻率上擾策略中，場(chǎng)站隨時(shí)儲(chǔ)備功率下調(diào)裕度。該策略通過降低風(fēng)光功率輸出或儲(chǔ)能充電實(shí)現(xiàn)。考慮到風(fēng)電變槳等機(jī)械部件的響應(yīng)時(shí)間長，該策略主要結(jié)合光伏進(jìn)行策略優(yōu)化。若光伏此時(shí)輸出功率較高，具備一定的降功率能力，則儲(chǔ)能可進(jìn)行大功率充電操作，保證風(fēng)光最大消納利用；若光伏此時(shí)限功率運(yùn)行，降功率后不能夠滿足一次調(diào)頻指標(biāo)，則儲(chǔ)能需根據(jù)光伏狀態(tài)及時(shí)調(diào)整充電功率大小，預(yù)留充電功率裕度。綜上，得到儲(chǔ)能充電的功率控制策略為：

式中：Pmax為儲(chǔ)能最大充電功率；Psolar為光伏發(fā)電功率。

頻率下擾策略中，場(chǎng)站需隨時(shí)儲(chǔ)備功率上調(diào)裕度。該策略通過提升光伏功率輸出或儲(chǔ)能放電實(shí)現(xiàn)。若光伏限功率運(yùn)行，最大可發(fā)功率大于上調(diào)裕度，則光伏可優(yōu)先用于調(diào)頻，儲(chǔ)能可進(jìn)行大功率放電操作，滿足電網(wǎng)頂峰供電需求等；若光伏滿功率運(yùn)行，無可上調(diào)裕度，則儲(chǔ)能需及時(shí)降低允許放電功率大小，預(yù)留放電功率裕度，具體儲(chǔ)能放電的功率控制策略為：

式中：Psmax為光伏最大輸出功率。

另外，光伏由于受到天氣、時(shí)刻的影響較大，夜晚則主要以儲(chǔ)能參與調(diào)頻為主。因此，該控制策略中，對(duì)于消納充電和頂峰供電的功率裕度需滿足：

3 調(diào)頻與AGC的策略

在系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻過程中，可能存在調(diào)頻指令與AGC指令同時(shí)下發(fā)指令的情況，但由于二者響應(yīng)時(shí)間、優(yōu)先級(jí)不同，在動(dòng)作順序上存在差異。標(biāo)準(zhǔn)要求，新能源場(chǎng)站一次調(diào)頻功能與AGC控制相協(xié)調(diào)，即新能源場(chǎng)站有功功率控制目標(biāo)應(yīng)為AGC指令值與一次調(diào)頻響應(yīng)調(diào)節(jié)量的代數(shù)和[17]。當(dāng)電網(wǎng)頻率超出（50±0.1）Hz 時(shí)，新能源一次調(diào)頻功能應(yīng)閉鎖AGC反向調(diào)節(jié)指令。具體的，按照指令下發(fā)的先后順序和調(diào)節(jié)方向可分為以下幾種工況。

3.1 同向調(diào)節(jié)且AGC先動(dòng)作，調(diào)頻后觸發(fā)

該工況指在AGC上調(diào)（下調(diào)）過程中，系統(tǒng)接收到頻率下擾（上擾）指令。當(dāng)系統(tǒng)接收到AGC 上調(diào)（下調(diào)）指令，并在調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)再次接收到頻率下擾（上擾）指令，則系統(tǒng)會(huì)在當(dāng)前AGC的指令基礎(chǔ)上疊加新的有功指令，最終的調(diào)節(jié)目標(biāo)值將為AGC指令值與調(diào)頻目標(biāo)值之和；待調(diào)頻響應(yīng)結(jié)束后，系統(tǒng)恢復(fù)到AGC目標(biāo)值。

3.2 反向調(diào)節(jié)且AGC先動(dòng)作，調(diào)頻后觸發(fā)

該工況指在AGC上調(diào)（下調(diào)）過程中，系統(tǒng)接收到頻率上擾（下擾）指令。當(dāng)系統(tǒng)接收到AGC 上調(diào)（下調(diào)）指令，并在調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)再次接收到頻率上擾（下擾）指令，由于AGC指令與調(diào)頻功率指令相反，按照優(yōu)先級(jí)別，調(diào)頻指令優(yōu)先于AGC指令，則系統(tǒng)首先會(huì)閉鎖當(dāng)前AGC指令響應(yīng)，并在當(dāng)前AGC的響應(yīng)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)頻上擾（下擾）指令的響應(yīng)，最終的調(diào)節(jié)目標(biāo)值為AGC 響應(yīng)值與調(diào)頻目標(biāo)值之和；待調(diào)頻響應(yīng)結(jié)束后，系統(tǒng)恢復(fù)到AGC目標(biāo)值。

3.3 同向調(diào)節(jié)且調(diào)頻先動(dòng)作，AGC后觸發(fā)

該工況指在系統(tǒng)接收到頻率下擾（上擾）指令過程中，系統(tǒng)接收到下發(fā)的AGC 上調(diào)（下調(diào)）指令。當(dāng)系統(tǒng)接收到頻率下擾（上擾）指令，并在調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)再次接收到AGC上調(diào)（下調(diào)）指令，則系統(tǒng)會(huì)在當(dāng)前頻率的指令基礎(chǔ)上疊加新的AGC有功指令，最終的調(diào)節(jié)目標(biāo)值為調(diào)頻目標(biāo)值與AGC 指令值疊加之和；待調(diào)頻響應(yīng)結(jié)束后，系統(tǒng)恢復(fù)到AGC 目標(biāo)值。

3.4 反向調(diào)節(jié)且調(diào)頻先動(dòng)作，AGC后觸發(fā)

該工況指在系統(tǒng)接收到頻率下擾（上擾）指令過程中，系統(tǒng)接收到下發(fā)的AGC 下調(diào)（上調(diào)）指令。當(dāng)系統(tǒng)接收到頻率下擾（上擾）指令，并在調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)再次接收到AGC上調(diào)（下調(diào)）指令，由于調(diào)頻優(yōu)先級(jí)高于AGC，則系統(tǒng)會(huì)閉鎖AGC 指令，最終的調(diào)節(jié)目標(biāo)值僅為調(diào)頻目標(biāo)值；待調(diào)頻響應(yīng)結(jié)束后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)至AGC目標(biāo)值。

4 仿真驗(yàn)證

針對(duì)上述提出的調(diào)頻策略和約束條件，利用RT-LAB 仿真平臺(tái)建立風(fēng)光儲(chǔ)仿真平臺(tái)，對(duì)其策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，建立的仿真系統(tǒng)見圖1。電網(wǎng)部分為等值電源形式，可用于頻率擾動(dòng)信號(hào)的模擬，風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能通過各自箱式變壓器連接至35 kV母線，其中風(fēng)電裝機(jī)容量425 MW，光伏容量75 MW，儲(chǔ)能140 MWh，仿真步長20 us。分別進(jìn)行了風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻仿真、調(diào)頻與AGC 協(xié)調(diào)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了多種工況下控制策略的正確性。

圖1 風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simulation structure diagram of wind-solar-storage system

4.1 頻率階躍擾動(dòng)試驗(yàn)

頻率階躍擾動(dòng)試驗(yàn)主要是通過頻率的固定階躍值進(jìn)行擾動(dòng)，由于頻率變化量固定，可以用來校驗(yàn)調(diào)頻策略的響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)值和偏差等指標(biāo)。首先為保證場(chǎng)站新能源機(jī)組的消納，將場(chǎng)站內(nèi)風(fēng)光機(jī)組運(yùn)行在最大功率跟蹤模式，結(jié)合電網(wǎng)下發(fā)的AGC指令，風(fēng)光的發(fā)電響應(yīng)剩余裕度用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電，考慮到儲(chǔ)能的充電與調(diào)頻的消納協(xié)調(diào)策略，此時(shí)如出現(xiàn)頻率上擾，則需要儲(chǔ)能留有充電裕度進(jìn)行充電，其余額度由光伏進(jìn)行快速降功率指令，以滿足功率下調(diào)要求[18-20]。風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，電網(wǎng)下發(fā)AGC指令為370 MW，此時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)按最大可發(fā)功率進(jìn)行發(fā)電為408 MW，光伏系統(tǒng)發(fā)電70 MW，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，充電功率為108 MW。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，發(fā)生頻率上擾，擾動(dòng)頻率50.22 Hz，持續(xù)時(shí)間18 s。風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)響應(yīng)曲線見圖2。由圖2（a）可見頻率變化情況，風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)頻率初始為50 Hz，在8 s 時(shí)刻頻率擾動(dòng)為50.22 Hz，在26 s 頻率恢復(fù)；圖2（b）為風(fēng)電響應(yīng)曲線，可以看出，風(fēng)電指令和實(shí)發(fā)在頻率擾動(dòng)過程中均未發(fā)生變化，當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)策略需要下調(diào)50 MW 有功，為保證光伏消納，優(yōu)先儲(chǔ)能充電，充電功率達(dá)到額定140 MW，見圖2（d）；其余部分由光伏限功率響應(yīng)，如圖2（c）所示。當(dāng)頻率恢復(fù)后，光伏儲(chǔ)能恢復(fù)到初始狀態(tài)，繼續(xù)跟蹤AGC指令。

圖2 頻率階躍擾動(dòng)試驗(yàn)Fig.2 Frequency step disturbance test

4.2 調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)試驗(yàn)

調(diào)頻與AGC 協(xié)調(diào)試驗(yàn)主要是驗(yàn)證“同向疊加、反向閉鎖”的控制策略，風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)首先運(yùn)行在350 MW，其中風(fēng)電393 MW，光伏66 MW，儲(chǔ)能充電功率109 MW，在48 s 時(shí)刻下發(fā)AGC 指令400 MW。由于風(fēng)電和光伏目前是限功率運(yùn)行，首先進(jìn)行功率指令增加，剩余部分由儲(chǔ)能降低充電功率實(shí)現(xiàn)，在52 s 時(shí)刻出現(xiàn)頻率上擾，如圖3（a）所示。根據(jù)控制策略，由于頻率擾動(dòng)值已超過死區(qū)，需要閉鎖AGC增加指令，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行反向功率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)額度為50 MW，按照光伏、儲(chǔ)能的順序調(diào)節(jié)，響應(yīng)曲線分別如圖3（c）、3（d）所示。風(fēng)機(jī)不參與調(diào)頻響應(yīng)，當(dāng)頻率恢復(fù)時(shí)，繼續(xù)響應(yīng)AGC指令值，保持400 MW功率輸出，如圖3（b）所示。

圖3 調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)試驗(yàn)Fig.3 Coordination test between frequency regulation and AGC

5 結(jié)束語

本文針對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)一體化場(chǎng)站，研究了儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制策略和一次調(diào)頻-有功控制協(xié)調(diào)控制策略?？紤]風(fēng)電、光伏系統(tǒng)發(fā)電特性，綜合儲(chǔ)能壽命、消納能力、調(diào)頻響應(yīng)等多種邊界因素，提出了儲(chǔ)能參與、光伏配合的協(xié)調(diào)調(diào)頻控制策略，一定程度上提升了儲(chǔ)能預(yù)留容量和充放電功率，在保證頻率穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升了風(fēng)光儲(chǔ)電站的調(diào)峰消納能力，延長了儲(chǔ)能使用壽命。仿真結(jié)果表明，文章提出的控制策略能夠有效提升電網(wǎng)的頻率響應(yīng)和安全穩(wěn)定能力。