不同类型储能电源参与电网调频的效果比较研究

黄际元，李欣然，黄继军，雷博

(1．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082;2．国投北部湾发电有限公司，广西北海536000)

不同类型储能电源参与电网调频的效果比较研究

黄际元1，李欣然1，黄继军2，雷博1

(1．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082;2．国投北部湾发电有限公司，广西北海536000)

保持频率稳定是电力系统正常运行的基本要求。未来，储能电源将成为电力系统中必不可少的辅助调频手段。为比较不同类型储能电源参与电网调频的效果，以常用的电池储能电源(BESS)、电容器储能电源(CES)和超导磁储能电源(SMES)为研究对象，建立了包含储能电源的经典两区域电力系统模型;提出储能电源参与电网调频的运行模式为有功/无功功率(PQ)控制;最后，通过模拟两种不同的负荷扰动，分析了自动发电控制(AGC)-BESS、AGC-CES、AGC-SMES和仅含AGC四种组合方式参与电网调频的控制效果;同时，对后续研究工作进行展望。

调频;储能电源;电力系统模型;运行模式;负荷扰动

1 引言

集中发电、远距离输电、大电网互联是目前电能生产、输送和分配的主要方式。为应对日益紧迫的能源安全和环境恶化问题，我国政府于2009年11月提出了节能减排的战略目标，确立了积极有序做好风电、太阳能等可再生能源的转化利用的思路。然而，因风光等间歇性能源发电出力具有波动性和不确定性，其大规模并网会给电网频率稳定带来重大影响。传统电网中水电和火电机组作为主要的调频电源，通过不断地改变自身出力来响应系统频率的变化。但是，它们各自具有一定的限制与不足，影响着电网频率的安全与品质。火电机组响应时滞长，不适合参与较短周期的调频，而水电机组的调频容量易受地域与季节的制约;参与二次调频的火电机组爬坡速率慢，不能精确跟踪区域控制偏差(Area Control Error，ACE)信号;同时，一、二次调频的协调配合也尚需加强。因此，如何在间歇性电源高渗透率条件下确保电网频率稳定成为电网面临的新挑战之一［1］。储能电源具有快速响应、精确跟踪的特点，使得其比传统调频手段高效。近年来，利用大规模储能电源取代发电厂进行调频，已受到业界的关注，准确评估储能电源的经济技术性能将是智能电网必须关注的重要科学问题。

目前，已有的调频仿真一般基于区域等效方法构建的等效模型［2-10］，通过小负荷扰动分析，研究储能电源参与调频对频率波动和联络线功率交换的影响。也有相关学者对单一储能电源的控制策略进行了研究，其多采用PI控制，通过粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)等优化控制参数［4］。研究表明，如果仅采用传统的负荷频率控制(Load Frequency Control，LFC)时，即使对控制参数进行优化，小负荷扰动仍会使频率及联络线功率波动持续较长一段时间。储能电源引入之后，系统一、二次调频的动态性能都得到较大改善，同时频率和联络线功率的偏移量减小，累积时间误差和联络线偶然交换累积也均有所降低。同时，典型储能电源如蓄电池储能电源(Battery Energy Storage System，BESS)、电容器储能电源(Capacitive Energy Storage System，CES)、超导磁储能电源(Superconducting Magnetic Energy Storage System，SMES)和飞轮储能电源(Flywheel Energy Storage System，FESS)等均采用基于经典模型推导出的传递函数模型。例如电池设备一般采用外特性等效电路［5，6］或一阶惯性环节［8］来模拟，电容器设备通常采用电容和电阻的并联电路来模拟［3，8］，超导磁设备通过大电感元件来模拟［9，10］。

本文以常用的BESS、CES和SMES为研究对象，建立了包含储能电源的经典两区域电力系统模型，针对储能电源提出了基于有功/无功功率(PQ)控制的运行模式，就自动发电控制(AGC)-BESS、AGC-CES、AGC-SMES和仅含AGC这四种组合方式，通过模拟两种不同的负荷扰动，分析了不同组合方式参与电网调频控制的效果，在此基础上对后续工作进行了展望。

2 储能电源参与电网调频的方法

本文提出利用有功/无功功率(PQ)控制作为储能电源参与电网调频的运行模式。当电网频率越过动作死区时，储能电源因其自动化程度高、增减出力灵活、对负荷随机和瞬时变化可做出快速反应等优点，会优先参与电网频率调整，通过与传统调频机组有效结合，参与电网的一、二次调频，维持系统频率于标准范围之内。当传统调频机组的调频功能启动后，储能电源会自动将出力传递给传统调频机组，当传统调频机组的调频出力完全满足负荷扰动需求时，储能电源自动退出调频功能。

3 含储能电源的电力系统调频模型

本文中用于研究含储能电源的两区域电力系统结构如图1所示。BESS、CES或SMES分别安装在各区域内，用于抑制负荷扰动时的频率波动。假设各区域内所有发电机G对系统负荷变化具有同调响应特性，故可将其等效为一台机组进行整体建模，从而得到两区域系统数学模型如图2所示。

图1 含储能电源的两区域系统简图Fig．1 Two-area power system with energy storage

图2中，Δfi、ACEi、ΔXgi、ΔPri、ΔPgi分别为第i区域的频率偏差、区域控制偏差、调速器控制阀位置偏差、再热器输出偏差和发电机机械功率输出偏差; Δfj为第j区域的频率偏差;ΔPtie为两区域间联络线功率偏差;Tgi、Tri、Kri、Tti、Tpi、Kpi和Ri分别为第i区域的调速器时间常数、再热器时间常数、再热器增益、汽轮机时间常数、电力系统时间常数、电力系统增益和调差系数，α和β为死区线性化后的参数; Bi、KIi和Ui分别为第i区域的频率偏差系数、积分控制参数和调频控制量;Tij为联络线同步系数;ΔPdi和ΔPEi分别为第i区域的负荷扰动和储能电源出力。储能电源参与电网调频的模式主要有两种，一种以Δfi作为控制信号，另一种以ACEi作为控制信号。为方便比较，本文中接入储能的ACEi信号取为ACEi= Δfi+ΔPij/Bi［3］。Δfi和Δfj单位为Hz，ΔPtie为标幺值，i∈［1，2］，j∈［2，1］且i≠j，具体参数设置见文献［5］。

图2 含储能电源的两区域系统调频数学模型Fig．2 Frequency regulation mathematicalmodel for two-area power system with energy storage

4 不同储能电源模型

本文所指储能电源系储能设备与并网能量转换系统(Power Conversion System，PCS)所构成的整体。储能设备通过DC/DC、DC/AC、滤波和变压器，经由公共连接点(Pointof Common Coupling，PCC)并网结构如图3所示。

图3 不同类型储能电源配置图Fig．3 Allocation of different types energy storage power supply

4.1 PCS等效模型

在研究储能电源参与电网调频的仿真过程中，通常将PCS等效为一阶惯性环节，具体等效过程参阅文献［6］，仅考虑其时间常数。

4.2 储能设备等效模型

储能本身一般采用基于经典等效电路模型推导出的传递函数模型。本文中，假设所有储能电源处于放电状态，其容量和功率能满足所仿真的两种负荷扰动。三种储能电源模型将在下文详细阐述，具体如下。

(1)BESS模型

BESS模型采用外特性等效电路，具体可参阅文献［6］，在此基础上可推得其所对应的传递函数模型如图4所示。

图4 BESS传递函数模型Fig．4 Transfer function model of BESS

图4中，TB为时间常数;为初始电流;ΔVBOC为开路电压增量;ΔVB1为过电压增量;RBS为内阻; RBT为连接电阻;RBI为过电势电阻;CBI为过电势电容;RBP为自放电内阻;CBP为电容;KBf及KBA分别为以Δfi和ACEi为储能控制信号时所对应的控制增益。其数学描述如式(1)～式(6)。

(2)CES模型

CES通常以电容和电阻并联电路来等效。在考虑电容及初始电压的基础上，引入电压反馈环，以使电容上的电压快速稳定，其传递函数模型如图5所示。

图5中，TC为时间常数;Ed0为初始电压;C为等效电容;R为等效电阻;Kvd为电压反馈增益;KCf及KCA分别为以Δfi和ACEi为储能控制信号时所对应的控制增益。其数学描述如式(7)～式(10)。

图5 CES传递函数模型Fig．5 Transfer functionmodel of CES

(3)SMES模型

SMES线圈通常用大电感来模拟。在考虑其自身电感及初始电流的基础上，引入电流反馈环，以使线圈上的电流快速稳定，其传递函数模型如图6所示。

图6 SMES传递函数模型Fig．6 Transfer functionmodel of SMES

图6中，TS为时间常数;Id0为初始电流;L为SMES线圈的电感;Kid为电流反馈增益;KSf及KSA分别为以Δfi和ACEi为储能控制信号时所对应的控制增益。其数学描述类似CES，可参阅文献［9，10］，在此不再详述。

5 仿真研究

为对比分析这三种类型储能电源的调频性能，仿真中将接入系统的负荷扰动分成两种工况，工况1取负荷扰动ΔPd1为0.005pu，ΔPd2为0pu;工况2取负荷扰动ΔPd1为0.01pu，ΔPd2为0pu。针对这两种工况，仿真中采取AGC-BESS、AGC-CES、AGCSMES和仅含AGC这四种组合方式，针对工况1，当以Δf和ACE分别作为储能电源控制信号时，可得仿真结果(Δf1、Δf2及ΔPtie曲线)如图7和图8所示，相应的分析结果如图9所示。

图7 两区域含不同类型储能调频结果(工况1-Δf反馈)Fig．7 Frequency regulation result of two-area power system with different types of energy storage (condition 1-feedback ofΔf)

从图7和图8均可看出，当系统中仅含AGC机组时，确定的负荷扰动下，各区域Δf1、Δf2及ΔPtie波动明显，而储能电源参与调频之后，波动明显减小，并被控制在较理想的范围内。

针对三种类型储能电源与AGC组合，由图9可知，在加入0.005pu负荷扰动后，AGC-BESS、AGCSMES和AGC-CES组合可使Δf1绝对值的最大值Δf1．max从0.0187Hz分别减小到0.0105Hz、0.0119Hz和0.0137Hz，使Δf2绝对值的最大值Δf2．max从0.0233Hz减小到0.0087Hz、0.0113Hz和0.0155Hz，使ΔPtie绝对值的最大值ΔPtie．max从0.0043pu减小到0.0030pu、0.0033pu和0.0037pu，显然前两种组合可更好地抑制Δf1、Δf2及ΔPtie波动幅度;简言之，AGC-BESS和AGC-SMES相比AGCCES，抑制波动幅值效果更优，趋于稳定的时间相当;AGC-BESS及AGC-SMES之间效果相似，相对来说，AGC-BESS抑制效果更为明显且趋于稳定时间较小。工况2分析结果类似，在此不再赘述。

图8 两区域含不同类型储能调频结果(工况1-ACE反馈)Fig．8 Frequency regulation result of two-area power system with different types of energy storage (condition 1-feedback of ACE)

从图9也可看出，当以Δf或ACE作为反馈信号时，抑制Δf1和Δf2的波动幅度差别不大，主要区别体现在图9(c)所示的ΔPtie抑制效果上。在加入0.005pu负荷扰动后，由图9(c)可知，当以Δf作为反馈信号时，AGC-BESS、AGC-SMES和AGC-CES组合可使ΔPtie．max从0.0043pu减小到0.0030pu、0.0033pu和0.0037 pu;当以ACE作为反馈信号时，其可使ΔPtie．max减小到0.0022pu、0.0023pu和0.0033 pu;在加入0.01 pu负荷扰动后结果类似，在此不再累述。从而可得结论:相比Δf反馈，ACE反馈能较大程度减小ΔPtie。

图9 不同组合下的仿真结果(工况1)Fig．9 Performance of differentmix of AGC and energy storage(condition 1)

总之，储能电源的加入，使得Δf1、Δf2及ΔPtie的超调量和调节时间均大幅减小，即提高了系统的响应速度和稳定性，且ACE反馈可得到更好的动态性能和最小的超调量。不足之处在于储能电源传递函数模型结构相对理想，其只能反映出BESS、CES和SMES的结构特点和作为储能设备的一般特性。为使仿真效果更接近实际工况，需建立更高精度的储能电源模型。储能电源参与调频性能的优劣与控制增益、频率偏差系数和PI参数等密切相关，因此，如何优化这些参数也显得至关重要。

6 结论

本文通过在两区域电力系统中加入储能电源，对比分析了AGC-BESS，AGC-CES，AGC-SMES和仅含AGC四种组合的调频效果，得到以下结论:

(1)任何储能电源参与电网调频，均能使调频控制能够更迅速、精确地满足调频要求，减少了对传统调频机组的依赖。

(2)基于提出的储能电源参与电网调频的有功/无功功率(PQ)控制运行模式，分析可知就不同储能电源参与调频的效果而言，AGC-BESS性能最优，AGC-SMES次之，AGC-CES效果最差。

(3)就反馈信号对调频效果的影响而言，Δf反馈和ACE反馈对电网频率波动的抑制效果基本相当，但ACE反馈可使联络线功率波动大幅降低。

就电力系统分析与控制领域而言，进一步的工作应当包含如下主要方面:①在满足平抑间歇性电源出力波动前提下，储能电源参与调频的经济技术性能综合评价问题;②储能电源参与调频的协调控制问题，包括参与一次、二次调频的协调控制，参与实时及其深度的选择等;③储能电源参与调频的分析模型问题，这是保证相关研究结果与结论合理性的基础性工作。储能电源参与电网调频是智能电网建设面临的新课题，一系列的理论与技术问题有待进行更加深入的研究和更细致的工作。

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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

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB215106)、国家自然科学基金(51477043)资助项目

黄际元(1988-)，男，湖南籍，博士研究生，研究方向为储能在电力系统中的应用及其建模(通信作者);李欣然(1957-)，男，湖南籍，教授，博士，研究方向为电力系统分析控制、负荷建模。