储能电池参与电网二次调频参数优化

常 康，周 天，张海宁，刘韶峰

（1.南瑞集团有限公司/国网电力科学研究院有限公司，江苏南京 211106；2.国网青海省电力公司，青海西宁 810008）

随着新型电力能源的不断发展，电力资源已成为人们生产生活不可缺少的资源。因此，电力资源应用范围越来越广，相应地也出现了一些问题，特别是大规模的电网机组出现了不稳定性[1-2]。对此，储能电池与电网的组合应用技术得到了广泛关注[3]。

目前，为了使储能电池与电网机组达到更高的适配度，以实现对电网频率调整进行更精准的控制，可以对储能电池进行二次调频。二次调频的过程会存在一定的信息误差，为了增强储能电池二次调频过程的稳定性与准确性，根据储能电池的相关特性，结合信号分解方法与IMF 模态函数对储能电池参与电网二次调频的过程进行了相关参数优化，进一步增强储能电池的电网频率调整能力，从整体上提高储能电池与电网机组的调频处理能力与电力能源控制能力。

1 参数提取优化

储能电池参与电网二次调频关系到储能电池的负载量、电源容量以及电池功率等多个方面，需要综合储能电池的多方面特征进行参数修正与优化[4-5]。基于稳定的电网需求场景，根据储能电池容量、效益等方面对储能电池参与电网二次调频参数优化进行分析研究。

参数检测首先需要对储能电池自身的原始参数进行检测提取，因此，对储能电池进行参数优化需要先优化电池参数提取功能。储能电池并网示意图如图1 所示。

图1 储能电池并网示意图

考虑到储能电池自身的特殊性，根据电池性能特征调整匹配的电网动态参数，然后通过ACE 信号分解方法对储能电池参数提取功能频域进行分频段控制，并利用经验模态分解法对储能电池参数提取功能进行调频优化，分解出各部分具体的参数信息以及不同频段下的参数变化，通过计算机系统的数据运算程序计算其线性相关程度[6-7]。进行参数提取优化的过程，主要使用IMF 模态函数对不同类型信号和不同频域的信号进行模态采集与提取优化，主要过程如下：

式（1）中，SACE(t)表示储能电池局部参数t的ACE信号；IIMF.i()

t表示该部分参数的本征模态函数；m表示本征模态函数的总体数量；rn(t)表示函数的残余分量。通过该公式能够得到储能电池参数经过IMF 函数运算后的信号尺度与信号特征，再通过信号分解运算能够得到电池局部参数的ACE 信号表示情况，且能够根据频率差异具体划分为不同类别的子信号。然后进行参数提取的二次调频优化效果检测，如式（2）所示：

式（2）中，PE、PG分别表示在i时刻储能电池的电源容量与出力频率；q表示此时电网的信号序列长度。根据该公式能够对储能电池信号采集与参数提取结果进行检测，防止因信号干扰导致信息采集出现失误，影响整体调频优化效果[8-9]。

2 参数分析优化

在参数提取优化后，需要利用电网参数模拟仿真和信号分解算法对参数数据进行分析过程优化。在传统的储能电池参数和电网模拟数据的基础上，结合参数提取过程优化调整对参数分析过程进行信号分解与性能优化[10-12]。根据传统机能电源的放电功率和电网频域相关情况调整参数分析指标数据，并将利用参数提取过程获取的信号信息数据与数据分析规则相结合，再利用ACE 方法进行信号分解。电池储能单体元件数字模型如图2 所示。

图2 电池储能单体元件数字模型

由于提高了对储能电池经济效益方面的检测标准，在参数分析过程中也增加了经济效益检测评估环节[13-15]。在对参数数据进行了常规的信号分解与数据分析后，运用以下公式对各参数调频的经济效益进行评估检测：

式（3）中，NRES表示参与二次调频的储能电池总体效益值；Ry表示总体年效益。效益评估涉及到多方面问题，不只包括经济效益，还涉及到储能电池二次调频后投入使用对电网容量、能源消耗、效率调整等方面带来的影响。因此，年效益指标的设定需根据具体的储能电池应用环境和原始效益进行参考设定。

3 参数处理优化

储能电池参数处理过程是二次调频过程中的重要环节，需要对数据信息处理程序进行技术优化。首先根据获取到的各部分调频参数对储能电池容量和电网经济技术指标形成一个完整的认知，然后根据储能电池的承担情况进行具体的技术调整[16]。参数处理优化流程如图3 所示。

图3 参数处理优化流程

将储能电池放置于模拟电网频域仿真环境获取到此时电网模型的ACE 信号数值，进行ACE 信号分解运算，得到各参数的本征模态函数分量。然后根据储能电池的负荷能力范围，选取对应的函数分量，在负荷范围内尽可能选取最高值的频域信号分量，低值的分量自动匹配分给传统的电源机能。然后根据调频通用方法进行局部参数调频处理，并根据经济效益检测指标进行效益评估，选取最适合的调频配置结果。区域电网调频动态模型如图4 所示。

图4 区域电网调频动态模型

根据储能电池参与二次调频过程中的各部分参数指标及优化调整的情况，对调频过程中的数据处理技术进行相应的调整优化。具体的技术参数调整需要根据对应的储能电池参数设定和二次调频参与的部分指标数据进行设置，因此，可以利用通用的储能电池二次调频技术评估程序进行参数处理技术评估检测，其公式如下：

式（4）中，PE、PG分别表示i时刻储能电池与电源机能的容量与出力频率；P表示参数数据ACE 信号的序列长度。根据该公式能够对储能电池二次调频的参数数据处理技术效果进行检测评估，发现调频过程中的问题并及时上报调整，以便储能电池二次调频的顺利进行。同时，结合经济效益评估程序对参数处理过程的效益进行评估，并根据评估结果对参数处理优化结果进行调整修正。

4 实验研究

对储能电池的二次调频参数优化方法进行高效性评估是检验二次调频是否成功的重要过程。首先，对储能电池的应用环境和电网参数进行基本条件获取，然后，利用模态电网模型进行仿真实验，获取关于二次调频的部分参数调整前后的数据变化情况，并通过对比分析检验调频后的参数是否与电网频域和电源机能更匹配。

主要针对储能电池参与电网二次调频参数优化前后的结果进行仿真实验与对比分析。设置实验参数如表1 所示。

表1 实验参数

根据上述参数进行实验，采用传统的储能电池与电网组合在适当的场景配置中运行参数提取检测，在此基础上进行储能电池的二次调频，并结合ACE 信号分解算法，在同一场景条件下进行优化参数提取检测。通过对参数信号数据的分解与分析，对调频数据参数信息进行综合提取、分析、处理，并通过相应的评估程序，检验调频效果是否符合应用与效益要求。

在储能电池与电网的组合工况检测方面，通过计算机检测程序，对仿真实验中的传统电网机组与调频后的储能电池机组的阶跃扰动进行检测。频率偏差实验结果如图5 所示。

图5 频率偏差曲线

实验结果表明，经过二次调配后的储能电池机组的电网频率变化偏差较低，而且储能电池的出力一直处于较为稳定的状态；而传统的电池机组频率变化偏差较大，电池出力较小，且恢复能力较弱。

同时，进行储能电池应急处理情况的实验，结果如图6 所示。

图6 储能处理曲线

分析实验结果可知，在应急调频情况下，储能电池反应速度更快，反应灵敏度更高，能够直接接收参数信息的传输，并且参数处理与分析的过程更快，结果更准确，相比于传统的电池机组整体效率更高，与电网频域的适配性更高。

进行储能电池机组连续扰动实验，用干扰信号对电池电网的调频机组进行连续的信号干扰。不同方法的抗干扰对比结果如图7 所示。

图7 抗干扰性效果对比

图7 中，抗干扰系数越高，说明调频参数优化的抗干扰效果越好。实验结果表明，在连续的信号干扰情况下，参数优化后的储能电池在调频方面具有更强的处理能力，能够使频率调整偏差保持在极小的范围内，相比于传统电池机组具有较强的稳定性和数据处理精准性。

5 结束语

针对当前储能电池二次调频存在的问题进行了分析，结合信号分解方法与IMF 模态函数对储能电池二次调频的参数提取、分析与处理进行了优化调整，并加入了相应的评估程序对处理结果进行检测选取。然后根据储能电池的实际应用场景进行了仿真实验，结果表明，相比于传统的电网机组，储能电池具有更强的调频处理能力，在面对连续信号干扰时调频偏差较低，比传统的电网机组更稳定、更精准。对储能电池参与电网二次调频参数优化进行的研究对储能电池调频的相关领域具有一定的参考作用，有利于推动储能电池与电网设施的更新发展。