电池储能参与电网一次调频的优化综合控制策略

孟高军， 张 峰， 赵 宇， 吴 田， 马福元

(1. 南京工程学院，江苏 南京 210000；2. 浙江省太阳能利用及节能技术重点实验室，浙江 杭州 311121；3. 浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121)

1 引言

随着化石能源的枯竭和环境污染问题日益严重，大规模开发利用风能、太阳能等可再生能源是实现能源可持续发展、满足能源消费需求、改善环境质量的有效途径[1]。

然而新能源发电出力具有随机性和波动性，当大规模接入电网时，会产生功率波动等问题，使得电力系统有功出力与负荷之间动态不平衡，导致系统频率偏差，对电力系统的安全稳定带来严峻的挑战[2,3]。

维持电力系统频率稳定是电力系统运行的基本要求，由于新能源机组自身不具备调频能力，因此需要配备其他形式的备用容量设备进行新能源并网条件下的电网调频任务。传统火电调频机组受机械特性的影响，响应速度慢，且受蓄热的制约，难以满足一次调频需求[4]。储能(特别是电化学储能)具有调频速度快，容量可调等特点，作为一种新的调频手段已经引起广泛关注，而如何使得电池储能系统更加高效地满足电网一次调频需求则成为当前研究的热点问题[5-7]。

文献[8]针对储能电池参与电网调频提出了一种下垂控制策略，按照固定的下垂系数调节储能电池出力，可以实现功率的快速调节，具有较好的调频效果；文献[9]进一步提出了一种基于虚拟下垂控制的储能电池解决电网频率稳定，并验证了下垂控制策略的稳态效果；但所提控制策略均未考虑对系统动态特性、调频需求及储能电池SOC的变化与限制。文献[10]虽考虑了储能电池的SOC，但仍采用了固定功率处理参与电网频率的调节策略。而现有考虑SOC的策略研究中，文献[11]提出了一种储能自适应控制策略，在电动汽车并网充电时，在满足用户充电需求的前提下，可根据功率状况和SOC状态为电网灵活提供频率调节服务，但上述研究主要针对电动汽车充电需求的分散式储能电池，而如何根据集中式储能电池SOC特点充分发挥其辅助电网调频性能具有十分重要的意义。

综上，本文在考虑电网实际调频需求的基础上，提出了一种计及储能电池SOC反馈的参与电网一次调频控制策略。首先，本文分析了BESS参与一次调频的功率控制目标；随后在考虑电池的SOC基础上，给出了不同荷电状态下的控制策略下垂系数自适应优化与均衡调节控制方法，随后，综合调频需求与电池SOC状态考虑，提出了一种兼顾调频需求和SOC的BESS综合控制策略。最后基于MATLAB平台，仿真验证了所提综合控制策略的有效性。

2 BESS控制结构与电网调频需求分析

当电力系统中负荷突然发生变化时，会导致系统中有功功率出现不平衡，引发系统频率变化。当BESS参与一次调频时，就是为电力系统提供功率支撑，以功率变化量来补偿频率的变化量，以达到抑制系统的频率偏差变化，实现电网系统稳定运行的目的。

当前，储能参与电力系统一次调频的方式主要是模拟同步发电机组下垂控制与惯性响应，根据频率偏差，通过改变功率输出来稳定系统频率。

因此含虚拟惯性控制和下垂控制的BESS功率响应表达式如式(1)所示[12]：

(1)

式中，KBESS为下垂控制系数，KBESS<0；Δf为电网频率偏差；Kine为虚拟惯性系数，Kine<0；dΔf/dt为频率变化率。

电力系统频率波动状况复杂，对于BESS的调频控制有着不同的需求，因此，需要根据频率偏差Δf将调频需求进行区域划分，针对不同的区域采取不同的调节方式进行调频以满足电网调频需求。对于传统火电机组调频，通常设置机组转速±2 r/min为一次调频死区，根据式(2)可得一次调频的频率死区为0.033 Hz。

(2)

式中，n为转速；p为发电机转机极对数。在电池储能参与一次调频过程中，为避免电池频繁充放电，延缓设备老化，因此本文中也将储能电池的一次调频死区设置为0.033 Hz。

同时根据我国电力系统发展规模对频率偏差的要求，本文将频率偏差在0.033～0.2 Hz范围内设为正常调节I、II区；将频率偏差大于0.2 Hz区域设为紧急调节区。

因此，为更好控制电池充放电状态，将KBESS分为Kch、Kdisch及Kmax，Kch、Kdisch分别对应为充电状态、放电状态下的下垂控制的单位调节功率值，Kmax为储能电池可达到的最大单位调节功率值。针对电网频率差Δf不同的调节区域，对应的控制方案如下：

当│Δf│≤0.033 Hz时，处于调频死区，为了减缓设备老化，避免不必要的频繁动作，BESS暂不提供调频服务，即ΔPref_BESS=0。

当0.033 Hz<Δf≤0.2 Hz时，处于正常调节I区，电网频率高于额定频率，BESS需进入充电模式，减缓频率升高。

(3)

当-0.2 Hz<Δf≤-0.033 Hz时，处于正常调节II区，电网频率低于额定频率，BESS需进入放电模式，为电网提供功率支持。

(4)

当│Δf│>0.2 Hz时，处于紧急调频区，BESS应以最大额定输出功率进行调节，即KBESS=Kmax，以确保电网频率偏差尽快进行调整，使电力系统在最短的时间内达到新的稳定状态，即：

(5)

综上，BESS参与一次调频控制的下垂出力系数KBESS与频率偏差Δf之间的函数关系如式(6)所示。

(6)

3 基于SOC反馈的改进型下垂控制策略

目前，在传统的基于虚拟惯性的下垂控制中，BESS在为电力系统提供调节功率时，通常采用固定单位调节功率值参与一次调频，由于目前储能的容量相对于大电网而言仍是非常有限的，长期采用Kmax向电网充放电，在频繁动作过程中，易导致电池长期处于过充过放状态[13]。

此外，配置的大容量储能系统通过由多个并联BESS子系统组成，受各个BESS中电池制作工艺和初始电量的影响，导致每个BESS子系统存在SOC不均衡的问题。在实际参与调频过程中，各个子系统均采用统一下垂控制方式进行充放电，则放电模式下SOC较低或充电模式下SOC较高的储能系统会提前退出调频过程，剩余储能系统必须强制超额出力，容易出现过充过放，该状况会缩短系统中部分储能系统的使用寿命[14]。

为此本文提出了一种基于SOC的改进型下垂控制策略，对BESS的下垂出力进行自适应调整，同时，引入均衡因子，协调BESS系统之间的功率输出，以提高多并联BESS参与电力系统调频的整体性能。

3.1 BESS可变下垂控制自适应优化

δSOC是反映电池状态值的物理量，储能电池SOC在t时刻的值δSOC(t)的计算公式为：

(7)

式中，δSOC(t)为储能电池的实时荷电状态；δSOC(0)为储能电池初始荷电状态；ΔP为输出有功功率。

从电池寿命考虑，首先需要对电池的SOC的值进行约束，即：

δSOC,min≤δSOC(t)≤δSOC,max

(8)

当储能电池的SOC越过规定的合理区间时，电池必须要退出调频过程，采用其他有关设备进行系统的频率调节。在储能电池SOC状态处于正常区间时，可以考虑在SOC过高或者过低时，适当减少BESS出力，形成一种基于SOC的可变下垂调节策略，一方面可以使得BESS更好地维持SOC，减缓其性能衰减，延长其寿命，另一方面也可以有效地避免储能在SOC越限时，对电网稳定性产生的不利影响，实现对BESS能量的优化管理。

首先，储能电池SOC分区示意图如图1所示，将BESS划分为7个SOC区间，分别设定δSOC,max、δSOC,high+、δSOC,high-、δSOC,low-、δSOC,low+和δSOC,min。

图1 储能电池SOC分区示意图

其次，在考虑SOC的基础上，采取自适应动态调节的方式对BESS的调节系数KBESS进行优化，确定最佳的充电深度，满足调频目标，具体方式如下所述。

(1)当δSOC(t)>δSOC,max或δSOC(t)<δSOC,min时，为避免BESS越限充放电，暂不提供调频服务，停止出力。

(2)当δSOC,low-≤δSOC(t)≤δSOC,high-时，BESS容量充足，以最大单位调节系数Kmax进行充电或放电。

Kch=Kdisch=Kmax

(9)

(3)当δSOC,min≤δSOC(t)<δSOC,low-时，在充分考虑系统调频需求的基础上，依据储能电池的SOC，对KBESS进行自适应调节。BESS充电模式下，Kch=Kmax；BESS放电模式下Kdisch的取值如式(10)、式(11)所示，即：

δSOC,min≤δSOC(t)≤δSOC,low+时

(10)

δSOC,low+<δSOC(t)<δSOC,low-时

(11)

(4)当δSOC,high-<δSOC(t)≤δSOC,max时，在BESS处于放电模式下，Kdisch=Kmax；充电模式下，Kch的取值如式(12)、式(13)所示，即：

δSOC,high+≤δSOC(t)≤δSOC,max时

(12)

δSOC,high-<δSOC(t)<δSOC,high+时

(13)

3.2 BESS内部电池SOC均衡策略

此外，针对系统中参与一次调频的多个BESS在充放电过程中存在SOC不均衡的问题，本文在对下垂控制调节系数KBESS自适应优化基础上，引入均衡因子G，对参与一次调频的BESS的SOC进行均衡化处理,将均衡因子G以乘法的关系加入到下垂控制中。即：

(14)

均衡因子G表达式为：

(15)

式中，δSOC,i为各个BESS的SOC状态值；δSOC,ave为系统内所有参与一次调频的BESS的平均荷电状态值；n为幂次级；kSOC为荷电状态调节系数。

在放电模式下，对于δSOC较高的BESS，平衡因子G较大，对储能电池的放电速度起到加速作用，放出较多的电量；δSOC较低的BESS，平衡因子G较小，起到减速作用，放出较少的电量。充电模式下，作用反之。通过均衡因子的作用，对系统内参与一次调频的BESS承担调频需求进行了再次的合理分配，有效避免部分BESS因SOC状态不足提前退出调频，给剩余储能系统增加调频压力，并有效抑制了一部分储能的过充过放，对储能电池自恢复阶段起到了良好的促进作用，实现了BESS中SOC均衡。

4 BESS参与一次调频的综合控制策略

根据上述分析，综合电网调频偏差Δf与储能电池SOC因素考虑，提出了BESS参与一次调频的综合优化控制方法，结构如图2所示，运行策略如下：

图2 BESS参与一次调频的综合控制方法

(1)当电网频率差-0.2 Hz≤Δf<-0.033 Hz，需要BESS作为电源提供出力，抑制频率下降。对BESS自身而言，当其荷电状态δSOC,min≤δSOC(t)<δSOC,low-时，根据式(10)、式(11)计算所得Kdisch出力，当荷电状态处于δSOC,low-≤δSOC(t)≤δSOC,max时，采用Kmax进行出力。同时根据荷电状态计算均衡因子，协调BESS之间的功率输出。

(2)当电网频率差0.033 Hz<Δf≤0.2 Hz，需要BESS作为负荷吸收多余电量，抑制频率抬升。对BESS自身而言，当其荷电状态δSOC,min≤δSOC(t)≤δSOC,high-时，采用Kmax吸收电量。当荷电状态处于δSOC,high-<δSOC(t)≤δSOC,max时，BESS按照式(12)、式(13)所计算的Kch吸收电量。同时根据BESS的荷电状态计算均衡因子，协调BESS之间的功率吸收。

(3)当电网频率差|Δf|>0.2 Hz时，且δSOC,min<δSOC(t)<δSOC,max时，BESS处于紧急调频区，所有参与调频的BESS均以Kmax对电网进行充放电，以维持系统稳定，确保系统安全为第一目标。

(4)BESS不参与调频状态

当|Δf|≤0.033 Hz时，电网频率稳定，BESS不参与一次调频。

(5)BESS无法参与调频

当荷电状态δSOC(t)<δSOC,min或δSOC(t)>δSOC,max，BESS参与调频效果有限且对自身寿命造成不利影响，此时，不参与调频。

5 仿真分析

本文选取某地电网作为研究对象，在Matlab/Simulink平台中搭建其仿真模型，其一次调频仿真模型如图3所示。

图3 一次调频仿真模型简图

机组容量为100 MW，储能容量为1 MW/1 MW·min，设两个储能子单元。以额定频率与机组额定容量为基准值进行标幺化。储能最大单位调节功率Kmax为12，机组单位调节功率KG为20。TG、TCH、TRH和FHP分别为调速器时间常数、汽轮机时间常数、再热器时间常数和再热器增益，取值分别为0.08 s、0.3 s、10 s与0.5；M和D为电网惯性时间常数和负荷阻尼系数，标幺值10和1。

为说明所提控制策略的有效性，分别针对阶跃负荷和连续负荷2种典型扰动工况进行仿真分析。

(1)阶跃负荷扰动

采用本文所提综合控制方法、定下垂控制法、线性下垂控制法以及无储能进行分析，在工况下的系统加入Pload=0.015 pu的负荷扰动。

采用不同控制方法下的频率调整变化曲线如图4所示，初始值δSOC=0.5的BESS在对应控制策略下的SOC变化曲线如图5所示。

图4 幅值为0.015的负荷扰动频率调整过程

图5 调频过程BESS的SOC变化

综合图4与图5可知，其中无储能参与的系统频率下降最大，且在稳态恢复阶段，频率稳态偏差也最大。定下垂系数法对频率的响应效果最好，但是完全未考虑到自身的SOC，导致后期电量用尽，反而造成了频率的突然跌落。变下垂系数法的SOC维持效果是最佳的，但是对频率变化的抑制效果较差，暂态频率跌落较大，没有从一次调频的实际需求出发。本文的方法综合考虑了系统的一次调频需求与储能自身保持SOC的需要，在频率破坏初期起到了较为有效的抑制作用，并随着系统频率的恢复，储能进入自身荷电状态保持状态，使得自身的SOC也处于一个较高的水平，未出现过充过放现象。

本文引入均衡因子的综合控制方法与未引入均衡因子的可变下垂控制自适应控制的一次调频效果对比以及SOC变化情况分别如图6与图7所示。

图6 考虑均衡与未考虑均衡下的频率变化

图7 考虑均衡与未考虑均衡下的SOC变化

引入均衡因子与未引入均衡因子的一次调频效果基本一致。在δSOC变化方面，引入均衡因子的储能系统，δSOC处于较高水平的储能单元出力较多，荷电状态下降快，δSOC处于较低水平的储能单元出力较少，荷电状态下降慢，二者逐渐趋于一致，既有效地维持了低荷电状态的储能单元SOC水平，避免其提前放电完毕，退出调频，造成频率的突然跌落，或使剩余储能超额出力，影响储能寿命，又充分发挥了状态良好的储能单元的工作效率。

(2)连续负荷扰动

在工况系统中加入如图8所示的一段连续的扰动。通过仿真可得系统频率变化与初始值δSOC=0.5和δSOC=0.35的两个储能单元SOC变化趋势分别如图9、图10所示。

图8 10 min的连续随机扰动

图9 连续扰动下的频率变化

图10 本文控制策略下的储能单元SOC变化

如图9所示，在本文的控制策略下，系统的频率偏差维持在了所规定的数值内，并且在放电过程中，如图10所示，在均衡因子的影响下，各储能单元协调出力，SOC状态逐渐趋于均衡化，呈现较好的一致性。

6 结论

本文提出一种兼顾电网调频需求与电池SOC状态的BESS参与一次调频的综合控制策略。在不同的调频区间与不同的储能电池SOC状态下，实现BESS的出力优化控制，既有效地实现了不同频率偏差区间的频率调节，又解决了储能电池的过充过放问题，并合理协调了系统中参与一次调频的BESS的功率输出，提高了整体利用效率，延长了BESS的循环寿命，为未来对BESS参与电力系统频率调节有效的研究奠定了一定的理论基础。