电池储能电源参与AGC的控制方式分析

黄亚唯，李欣然，黄际元，谭绍杰

（湖南大学电气信息与工程学院，长沙410082）

电池储能电源参与AGC的控制方式分析

黄亚唯，李欣然，黄际元，谭绍杰

（湖南大学电气信息与工程学院，长沙410082）

针对电池储能电源参与自动发电控制采用区域控制需求信号按固定比例分配的缺陷，提出一种基于区域控制偏差信号分配的储能电源控制方式。该方式直接将区域控制偏差按比例分配给储能电源和常规机组，其中储能电源出力可跟踪频率偏差动态调整。通过两种控制方式的仿真比较和储能电源出力比例系数a的灵敏度分析，就调频效果、储能电源荷电状态、机组出力情况、储能电源容量以及储能电源出力对频率的影响等方面进行了分析。仿真结果表明，所提方法在减少频偏和储能容量等方面具有优势，对于储能电源参与自动发电控制的控制策略具有指导意义。

储能电源；自动发电控制；区域控制需求；荷电状态；控制方式；灵敏度分析

随着风电和光伏的大规模并网[1]，以及传统机组的固有缺陷，调频容量不足的问题日益突出。各种新型储能技术的快速发展，为风电大规模并网背景下的电网频率质量控制提供了新的手段和方向。

保证系统的频率质量最重要的手段之一就是AGC系统。一个完整的AGC控制策略通常包括确定总调节功率的控制策略（即AGC控制器）和总调节功率的指令分配策略两部分[2]。目前其相关研究主要集中于AGC控制器的优化，针对指令分配策略的研究相对较少，而储能电源参与AGC的控制策略则尚处于探索阶段，文献所报道的控制策略主要可分为时间段/频率分解策略、储能优先出力策略和比例分配策略。

时间段/频率分解策略基于连续扰动，将系统所需的平衡功率分解成不同的时间或频段分量，如文献[3]中将平衡功率分为多个时间段，其中由储能电源补偿实时分量，而机组响应更长时间段的分量。文献[4]中提出一种控制策略，将ACE信号经过低通滤波后的高频分量分给储能电源，低频分量分给机组。

储能优先出力策略即储能电源优先满足平衡功率需求，如文献[5]研究了电动汽车在丹麦西部电力系统中参与AGC的效果，其分配策略为由机组补偿AGC信号中电池储能无法满足的部分。文献[6]比较了超导磁储能和超级电容器在参与AGC中的作用，其控制策略均是在负荷扰动出现时就控制储能电源迅速充放电，当机组开始出力以后再逐渐恢复至初始状态。

比例分配策略可分为静态比例分配和动态优化分配。文献[7]提出了一种电动汽车——电网互动V2G（vehicle to grid）参与电网2次调频的控制策略，根据车辆的可用容量按比例分摊总的响应功率。由于静态比例分配方法未考虑储能电源的SOC，许多文献提出动态优化的方法。如文献[8-9]以SOC的保持效果和传统机组的经济出力为目标，对AGC信号在飞轮和水电机组两者之间的分配比例进行动态优化。文献[10]基于可表征储能系统动态AGC可用容量DAA（dynamic available AGC）指标，提出了一种动态分配策略。

从当前研究来看，比较关注的主要是ACE通过机组2次调频控制器转换后的ARR[4]信号分配方式问题，其共同特点是将储能电源与常规机组同等对待。这种分配方式的合理性及其特点，尚缺乏更深入的探讨。本文在对该控制方式进行理论分析的基础上，提出一种使用ACE信号的储能电源控制方式；基于单区域AGC系统和固定比例分配法，与使用ARR信号的常规储能电源控制方式进行了仿真对比。最后通过对储能电源出力比例系数a的灵敏度分析，进行了储能出力对频率影响的比较分析。

1 含电池储能电源的单区域AGC模型

1.1 单区域系统等效模型

系统的AGC响应作为2次调频动作信号，通过调整所选择的发电机的输出来调节系统频率达到目标值。本文以简单的单区域系统表征多机多负荷的等效模型进行分析，控制模式为定频率控制FFC（fixed frequency control）[11]，如图1所示。

在图1中，ΔPf（s）、ΔPs（s）和ΔPL（s）分别为机组1次调频出力、机组2次调频出力和负荷增量；K为机组一次调频单位调节功率；Kp和Ki分别为PI控制器的参数；发电机组模型Gg（s）为调速器和再热汽轮机组的串联模型[12]，如式（1）～式（3）。

火电机组调速器传递函数为

式中：ΔY为汽轮机蒸汽阀的开度变化量；KARR（s）表示ARR信号；TG为调速器时间常数。

汽轮机传递函数为

式中：FHP、FIP和FLP分别为HP、IP、LP 3个涡轮级各自所产生的功率占汽轮机总输出功率的比例；TCH为HP汽室时间常数；TRH为再热器时间常数；TCO为LP交换器附加时间常数。

串联模型传递函数为

图1所示的AGC等效模型含ACE信号处理、区域控制需求计算和区域控制需求分配等3个环节，具体功能如下。

（1）ACE计算处理。计算生成ACE信号并进行预处理。首先根据不同的AGC控制模式计算ACE值。本文采用FFC模式，其计算式为

式中：B是区域的频率偏差系数，为机组和负荷的频率特性系数之和。

在此基础上，可根据需要加入滤波环节和死区环节以减少机组不必要动作。

（2）区域控制需求确定。ACE经过该环节形成的ARR可表征为下发给机组的AGC指令。虽然目前提出了许多优化策略，但PI控制器在AGC中的应用仍十分广泛[2]。

（3）区域控制需求指令分配。在确定了ARR指令后将其通过一定原则分配给各AGC机组或储能电源。

1.2 储能电源等效模型

电池储能电源等效模型如图2所示。其中，ΔPe（s）为电池储能电源出力；Δcontrol（s）为ARR信号中分配给电池储能电源的部分；C0和Cn分别为电池储能电源的初始容量和额定容量；Ge（s）表征储能电源出力延时，即

式中，Te为储能电源出力延时的时间常数。

2 储能电源参与AGC的控制方式分析

2.1 基于ARR信号的控制方式分析

在现有研究中，储能系统参与AGC的控制策略即为ARR信号的分配方式，相应控制框图如图3所示。

图3中，a为储能出力在ARR信号中所占比例系数；（1-a）为机组2次调频出力在ARR信号中所占比例系数。

基于图3，可以推导出机组出力、储能电源出力、负荷功率以及系统频率的增量关系如下。

频率偏差为

机组出力为

储能出力为

从式（7）、（8）中可看出，在暂态过程中，1次调频量和频率偏差的变化基本一致。由于PI环节的存在，储能电源出力的快速特性被部分抑制，并和机组2次调频量一样保持稳步增长。在稳态时，最终由储能电源和机组2次调频量按比例分担负荷增量，机组1次调频量回归至零。

若使用ARR信号作为控制信号，从系统的角度来看，此方法未能很好利用储能的快速响应能力以优化系统性能。更重要的是，从储能电源容量的角度来看，此方法在保持SOC方面的局限性是显而易见。

2.2 基于ACE信号的控制方式分析

为了克服上节所分析的ARR信号分配方式的缺陷，本文提出一种基于ACE信号直接分配的控制方式，其控制框图如图4所示。

从图4中可以看出，该控制方式与基于ARR信号的控制方式不同之处在于储能电源的控制信号没有经过PI环节，直接来自于ACE信号，即储能电源出力与ACE信号呈正比关系，可以即时响应ACE的变化。

频率偏差和机组出力的表达式与第2.1节所提表达式一致，但储能电源出力不再经过PI环节，表达式为

从式（9）中可看出，在暂态过程中，储能电源与随着频率偏差变化而增减出力，并避免了PI控制器的延时影响。在发生同一扰动时，相比基于ARR信号的控制方式，储能电源出力减小，机组1、2次调频量均增加。在稳态时，最终由机组2次调频全部补偿负荷增量，而储能电源出力和1次调频量回归至零。这种控制方式不仅可以保证其快速动作的能力，同时可以使得储能电源自适应地减小SOC变化。

3 储能电源出力对频率的影响

由于储能电源出力的大小本质在于储能电源的分配比例系数a的取值方法，为研究储能出力对频率的影响，本节就两种控制方式下的储能电源的分配比例系数a进行灵敏度分析。

由式（6）～式（8）可以推导出基于ARR信号的控制方式的负荷功率与系统频率的增量关系为

同理可推导出基于ACE信号的控制方式的负荷功率与系统频率的增量关系为

这里分别对式（10）、（11）求储能分配比例a的偏导数，并利用式（10）、（11）化简，即可得两种控制方式下a对频率偏差的灵敏度，即

由式（12）、（13）可推出两种控制方式的无量纲灵敏度[13]，分别为

当发生阶跃扰动时，由式（14）可知，频率偏差经PI环节的值将增大或减小并逐渐稳定。又由于Ge（s）的时间常数小于Gg（s）的时间常数，且频率偏差和负荷增量始终异号，所以Sa1在整个暂态过程中一直为负，并且绝对值先增大后逐渐减小。在稳态时，基于ARR信号的控制方式的Sa1等于0，与a取值无关。当a增大时，Sa1相应增大。

当发生阶跃扰动时，由式（15）可知，第1部分和频率偏差的变化趋势基本一致，第2部分则因为PI环节存在导致其增大或减小并逐渐稳定。由于频率偏差和负荷增量始终异号，Sa2初期小于零，绝对值先增大后减小至零，并最终越过零点越来越大，直至达到稳态。此时，Sa2=a/（1－a）。可以看出，在Sa2过零以后，a越大越加剧频率偏差的增大。

4 仿真验证

设基于ARR信号的控制方式为控制方式-ARR，本文提出的基于ACE信号的控制方式为控制方式-ACE。

仿真参数设置如表1所示[12]。

4.1 两种控制方式的比较

4.1.1 调频效果和储能电源状态比较

设两种控制方式的储能出力分配比例系数a均为50%，储能电源功率容量为50MW/12.5（MW·h）。两种控制方式下的频率偏差，储能出力和储能SOC分别如图5～图7所示。

如图5所示，相比无储能的情况，储能电源参与AGC的两种控制方式均可明显减少频率偏差。相较于控制方式-ARR，使用控制方式-ACE得到的频差峰值更小，达到频差峰值的时间更短，但频率恢复速度更慢。

如图6所示，控制方式-ACE与频率偏差变化趋势成正比，只在频率变化初期出力辅助调频，其出力更快且峰值更小，最终缓慢减小至零。控制方式-ARR则一直保持出力，最终承担了1/2的负荷增量。

如图7所示，控制方式-ARR中的储能SOC近乎直线减小，变化剧烈，而控制方式-ACE中的SOC只在频率下降过程中减小较快，但很快趋于平稳。这是因为控制方式-ACE中储能出力与频率成正比，当频率回落时，储能出力相应减少。

具体指标值如表2所示。

4.1.2 机组出力情况比较

图8为两种控制方式对机组出力影响的情况。与无储能参与的情况相比，两种控制方式都未增加机组出力负担，大大减小了机组出力。两种控制方式对机组1次调频的影响差异主要在达到最大频偏以后。此时控制方式-ACE中机组需承担更多负荷增量，稳定时间较慢。两种控制方式对机组2次调频的影响差异主要在最终的稳态值以及响应速度，控制方式-ARR允许机组拥有更长的响应时间并按比例承担负荷增量，控制方式-ACE则需机组承担更多负荷增量，有利于更高效地利用机组容量。

4.1.3 储能电源容量不充足的影响

以上仿真分析均建立在储能电源容量充足的基础上，需考虑储能电源容量不足的情况。设储能电源容量为50MW/0.833（MW·h），放电时间为30 s。

两种控制方式下的频率偏差对比和储能SOC对比分别如图9和图10所示。由图9和图10中可知，储能容量减小对控制方式-ACE基本没有影响，但对控制方式-ARR的后期调频效果具有较大影响。采用控制方式-ARR时，会因为SOC达到上限而导致储能出力突然跌落至零，从而出现频率再次突然上升的现象，降低调频质量。

从总体来看，基于ACE信号的控制方式在减少最大频偏、减少储能功率和容量需求方面具有优势。其更适用于容量较小的功率型储能电源，能在扰动瞬间进行功率吞吐，可最大程度上减少最大频偏。基于ARR信号的控制方式在快速恢复频率等方面具有优势。其本质是将储能电源当成AGC机组同等的存在，更适用于大规模能量型储能电源，可更长时间支撑机组出力的增减。

4.2 储能出力对频率的影响

设两种控制方式的储能出力分配比例系数a分别为10%、30%、50%、70%和90%。两种方式下的频率偏差曲线和灵敏度曲线分别如图11和图12所示。

如图11所示，当a相同时，控制方式-ACE的最大频差远远小于控制方式-ARR，但稳定速度更慢。当a增大时，两种方式的最大频偏均减小，且到达时间缩短。其中控制方式-ARR对频率稳定时间影响很小，并随着a增加，最大频偏减小更多。控制方式-ACE的储能电源承担的出力在初期随着a增加但之后会随着频差减小，而机组需承担的出力比例却越小，导致频率稳定时间反而大大增加。

从图12中可以看出，Sa1一直小于零，其绝对值先增大后逐渐减小至零。Sa2的绝对值先增大后减小到零，再逐渐增大，最终稳定在a/（1-a）。

当a确定时，|Sa2|增大速度略大于|Sa1|，这意味着在整个调频过程中，在灵敏度达到最大值之前，控制方式-ACE的储能出力对频率影响更大。但|Sa2|减小速度比|Sa1|更快，即对频率的影响减小更快。当a不同时，|Sa1|和|Sa2|随着a增加而增加，即对频率的影响均增大。但Sa2过零后，a的增加反而会加剧频差的增加。当a增加时，两者最大值和Sa2过零的时间增加，达到最大值的时间减小，但均与负荷大小无关。

总体来看，基于ARR信号的控制方式对频率偏差一直具有正面影响，其比例系数a越大越好，但这可能造成SOC越限。当需要考虑储能容量时，可根据灵敏度曲线动态设置比例系数a。基于ACE信号的控制方式在前期与控制方式-ARR类似，但储能电源出力时间更短，从而避免频率稳定时间的增加以及SOC的波动。

5 结论

本文从理论上分析了现有的储能电源参与AGC的常规控制方式的特点，针对其不足提出一种基于ACE信号直接分配的控制方式，就两种控制方式进行了仿真对比。并通过对储能电源出力比例系数a的灵敏度分析，分析了储能电源出力对频率的影响。通过仿真验证，可以得出以下结论。

（1）基于ACE信号的控制方式在快速响应，减少最大频偏、减少储能功率和容量需求等方面具有优势，其代价则是频率调节时间稍长，较适用于容量较小的储能电源以维持SOC，防止过充过放。基于ARR信号的控制方式则更适用于容量较大的储能电源，以保证其控制方式能够实现。

（2）通过对a的灵敏度的仿真分析，发现储能电源出力主要在频率变化初期具有较大的正面影响，储能电源出力越多越有利于抑制频率的变化，随之影响逐渐减小甚至出现反作用，即应减小储能出力。

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Analysisof ControlM ethods for AGC w ith Battery Energy Storage System

HUANGYawei，LIXinran，HUANG Jiyuan，TANShaojie
（College of Electricaland Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Aiming at solving the defects of battery energy storage participating in automation generation control（AGC）by the distribution ofarea regulation requirement（ARR）signalat fixed proportion，a controlmethod for energy storage based on area controlerror（ACE）signal is proposed.The ACE signal is distributed directly into the energy storage and conventional units at fixed proportion，and the energy storage output can be dynamically adjusted by tracking the fre⁃quency deviation.The regulation effect，state of charge（SOC），unitoutput，and the impactofenergy storage capacity and energy storage outputon frequency are analyzed by the comparison of simulations between two controlmethods，as well as the sensitivity analysis of energy storage output factor a.The simulation results show that the proposedmethod hasadvantages in termsof reducing the frequency deviation and improving the energy storage capacity，which is signifi⁃cant for the energy storage controlstrategy participating in AGC.

energy storage power；automation generation control（AGC）；area regulation requirement（ARR）；state of charge（SOC）；controlmethod；sensitivity analysis

TM911

A

1003-8930（2017）03-0083-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.014

黄亚唯（1990—），女，硕士研究生，研究方向为储能系统参与电网调频。Email：hyw_qingxi@126.com

2015-03-11；

2016-06-03

李欣然（1957—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力系统分析控制、负荷建模。Email：lixinran@qq.com

黄际元（1988—）男，博士研究生，研究方向为电池储能系统在电力系统中的建模与应用。Email：hjycm@hnu.edu.cn