电池储能系统支撑电力系统频率调控策略研究

郝晓强,刘文宇

(1.山东核电有限公司,山东 海阳 265116;2.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司新能源工程公司技术开发部,吉林 长春 130021)

0 引 言

为响应双碳目标,我国新能源发展势头迅猛[1-3]。截至2021年底,我国新能源发电装机达到7.26×108kW,其中风电3.28×108kW、太阳能发电3.07×108kW,分别连续12年和7年稳居全球首位。新能源发电装机容量增加与火电机组的逐步退出会导致电力系统惯量降低,低惯量电力系统将面临着较高的频率变化率、较大的频率偏差、分布式光伏跳闸、分布式发电机跳闸等挑战。由于系统惯量的降低,南澳发生9.28大停电事故、英国发生8.9大停电事故,给国家经济造成巨大损失。因此,新能源的持续接入导致电网的频率稳定面临巨大挑战,需通过频率主动支撑技术的升级与改造以改善电网频率[4-7]。

储能因为其较强的新能源消纳能力、较长的生命周期和较宽的工作温度带已成为电力系统最有远见意义的频率调节的重要资源[8]。文献[9-10]表明储能因其快速响应和持续的有功输出能力而具有成为优秀的频率辅助服务手段的潜力。现有的储能系统主要分为五类:机械储能、电化学储能、电磁储能、热储能和化学储能。机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等;电化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池;电磁储能包括超级电容器储能和超导储能;热储能是将热能储存在隔热容器的媒介中,适时实现热能直接利用或者热发电;化学储能是指利用氢等化学物作为能量的载体[11-13]。

其中,电池储能系统具有响应快速、性能稳定,控制灵活的技术特点适用于电网调频,而后学者们针对新能源电网,对电池储能如何进行电网频率调节进行了大量研究。

文献[14]研究传统火电机组和储能系统共同参与电网调频的过程并建立模型分析;文献[15]提出采用虚拟下垂控制策略,减缓电网频率下降速度,但并未考虑电池荷电状态(State of Charge,SOC);文献[16]提出同时使用下垂控制和虚拟惯性控制进一步提高电网稳定性;文献[17]提出了一种综合虚拟下垂与虚拟惯性控制的储能一次调频的控制方法,二者结合取得了更好的调频效果;文献[18]提出一种正惯性和负惯性控制策略相结合的方法,有效避免频率恢复阶段电池储能对电网的影响。

综上所述,本文针对电池参与高比例新能源电网频率调节进行研究,设计了下垂控制和加速下垂控制两种控制方法。主要特点如下:

1)调频策略在风电出力突减、风电持续波动的场景下,迅速改变电池发出的有功功率,两种策略均提升了频率最低点并使系统达到新的稳定状态时的频率提高,有利于电网的频率稳定性。

2)在风机大功率突变的场景下,本文提出的策略可以快速对频率偏差做出反应,削减电网中的不平衡量,避免电网发生大幅度震荡,避免电网频率发生二次跌落。

1 含电池储能系统的一次调频模型

1.1 电池模型

目前常用的电池数学模型主要有内阻模型、等效电路模型、遗传算法模型、神经网络模型以及电化学模型。由于等效电路模型结构较为简单,且电池能够体现电阻及电容的部分特征,因此本文选取等效电路模型来模拟电池的动态与静态性能及外特性,图1为电池等效电路模型。电池电动势可表示为

图1 电池等效电路模型Fig.1 Battery equivalent circuit model

(1)

公式中:E为电池内电势;SOC为电池荷电状态;E0为初始内电势;K为极化电压常数;Au为电压变化系数;Bc为电池容量变化系数;Qn为电池额定容量;i(t)为充放电电流;Ct为极化效应系数;Tb为电池温度;SOC(0)为电池荷电状态初值;Nb-s为电池组中电池串联个数。

检测电池当前荷电状态能够对电池的剩余容量进行实时反馈,SOC的大小直接反映了电池的运行状态,即处于过充、过放还是正常运行状态。电流积分法是目前电池管理系统领域中应用较为普遍的SOC估算方法之一,利用电流积分法通过累计电流随时间积分的变化和电池荷电状态初始值可以获得在任意时刻下的SOC,因此电池SOC可以表示为

(2)

公式中:SOC(0)为电池荷电状态初值;Nb-p为电池组中电池并联个数。

1.2 频率响应模型

为了对电力系统一次调频特性进行分析,建立含有电池储能系统频率响应模型。如图2所示,一个计及电池储能模型包含调速器、原动机、负荷的系统一次调频模型:

图2 电池并网系统频率响应模型Fig.2 Frequency response model of battery grid connected system

其中,M为系统等效惯性系数;D为负荷阻尼系数;R为下垂系数;Tt和Tg分别为调速器和原动机的时间常数;Δm为调速器增量;ΔPM为原动机出力变化量;ΔPL为负荷变化量,在大扰动频率事件研究中,通常采用阶跃信号表示;ΔPbat为电池出力变化。

2 电池储能系统参与电网调频策略

电池储能通过双向半桥型直流变流器连接到直流母线上,实现电池充电放电的能量双向流动。

本文提出电池储能参与电网频率调节策略有两种:下垂控制和加速下垂控制。

下垂控制是让储能通过模拟传统同步机调频时的下垂特性来参与频率响应,表达式为

ΔPbat=KD·Δf

(3)

公式中:ΔPbat为电池出力变化量;KD为储能下垂系数;Δf为系统频率变化量。

此时电池出力表达式为

Pbat=P0+KD·Δf

(4)

公式中:Pbat为电池出力;P0为系统扰动发生前出力初始值。

通过公式(3)～公式(4)可以看出,下垂控制实质是储能设备设定的一个比例系数,当检测到频率偏差时,通过变流器向电网输送与频率偏差成比例的有功功率,以此响应电网频率变化。

加速下垂控制对下垂控制进行改进,并未改变其下垂系数而是锁住其频率最大偏差,让ΔPbat始终保持在绝对值最大的值以加速电池出力变化,实现更快速地响应频率变化,此时,电池出力表达式为

Pbat=P0+KD·Δfmax

(5)

图3为两种调频策略示意图。

图3 电池调频策略示意图Fig.3 Schematic diagram of battery frequency regulation strategy

3 仿真分析

为验证本文针对电池储能系统所提出的控制策略的有效性,在MATLAB/SIMULINK中搭建了电池储能并网系统的仿真模型。火电机组主要仿真参数如下:

表1 火电机组参数表Tab.1 Parameter table of thermal power units

风机模型由三相电压源和变流器组成,再由并网逆变器连接到电网。

本文电网为四机两区系统,将一台容量为900 MW的火电机组替换为风电机组。系统仿真结构图如图4所示。

图4 电池储能系统并网仿真结构图Fig.4 Simulation diagram of grid connection of battery energy storage system

3.1 风机突减仿真分析

系统中,火电机组出力分别为0.778、0.787、0.787 p.u.,负荷大小如表2所示。电池出力300 MW,风机在5s时出力突减300 MW,由719 MW阶跃至419 MW,系统频率(检测火电机组3的频率)和电池出力情况如图5所示。

表2 负荷参数表Tab.2 Load parameter table

图5 风机功率突减300 MW的仿真结果图Fig.5 Simulation results of a sudden reduction of 300 MW in wind turbine power

由图5可知,当系统稳定运行时,系统频率基本稳定在60 Hz,当风机出力突减300 MW后,频率会猛然跌落。电池不施加调频策略时,系统频率由于发生暂态过程的震荡,频率二次跌落,而电池施加调频策略后,系统将不会出现频率二次跌落现象,这是由于电池的额外出力使系统中电力不平衡量减少,减弱系统震荡。

三种情景下,系统频率最低点为59.835、59.850、59.850 Hz,最终系统过渡到另一稳定状态,系统频率分别为59.857、59.904、59.930 Hz。下垂控制可以有效改善频率最低点,将频率最低点提升0.015 Hz。系统稳定后,下垂控制将频率稳定在59.904 Hz,相较于无调频策略时提升0.047 Hz,加速下垂控制将频率稳定在59.930 Hz,相较于无调频策略时提升0.073 Hz。综上所述,系统在该种工况下,本文所提出的两种调频策略均能有效改善频率质量,加速下垂控制相较于下垂控制,体现出更优的调频特性。

3.2 风机持续波动仿真分析

该种工况相较于3.1节只改变风机出力状况,风机功率波动、系统频率和电池出力情况如图6所示。

图6 风机功率波动图Fig.6 Simulation diagram of grid connection of battery energy storage system

由图7可知,电网稳定运行时,频率稳定在60 Hz,当风机功率受不可控因素影响,其出力持续缓慢变化时,电网频率随之缓慢变化。

图7 风机功率持续波动的仿真结果图Fig.7 Simulation results of continuous fluctuations in wind turbine power

当电网频率低于60Hz时,加速下垂控制表现更加出色,频率更加贴近60 Hz,一旦频率回升超过60 Hz,加速下垂由于其特性,始终以绝对值最大的频率偏差计算电池出力参考值,导致电池出力并没有减少,所以频率反而发生偏离。而下垂控制的随动特性就不会发生该问题。当频率基本稳定时,电池采用下垂控制和加速下垂控制,频率稳定在59.895 Hz,相较于无调频策略提升0.05 Hz。下垂控制、加速下垂控制均能减缓频率下降速度。

说明本文所提出的两种调频策略依旧对频率起到改善效果,但在风机持续波动的场景下,下垂控制比加速下垂控制更优。

4 结 论

本文针对系统频率的快速调节为电池设计了下垂控制、加速下垂控制两种频率控制策略,在MATLAB/SIMULINK中搭建了含25%风电比例的电池并网系统的仿真模型,仿真结果表明:

1)在风电出力突减、风电持续波动的场景下,本文策略使电池短时间改变其发出的有功功率,提升了频率最低点并使系统达到新的稳定状态时的频率提高。在风电持续波动场景下,还可以减缓频率下降速度。

2)在风电出力突减的场景下,使用相应的控制策略快速削减电网中的不平衡量,避免电网发生大幅度震荡,避免电网频率发生二次跌落。