分布式储能参与电网频率控制技术研究综述

李天岳，叶 鹏，姜竹楠，孙 峰，李 平

（1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司 电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

为了打造高效、清洁的能源系统，积极响应低碳能源时代下的能源结构转型策略，越来越多的可再生能源接入电网。由于风电机组对电网几乎表现零惯性，多数新型能源的大规模并网会给电网稳定运行和保证频率质量带来新的挑战。电网频率表征了机组发电功率与负荷需求的平衡关系，保证电网频率稳定是维护电网安全的一项重要任务［1］。传统的大型火电与水电机组的发电设备均为机械器件，在发电过程中会因旋转而产生机械损耗，制约着自动发电控制（automatic generation control，AGC）系统保持电网功率平衡的质量，影响电网的安全。相比于传统火电和水电机组，分布式储能因其性能稳定，对电网的频率变化可以发生快速响应等特点，可以解决传统发电机组反应慢且效率不高的问题，在参与电网调频方面具有很大的优势。有学者统计，分布式储能的调频效果相当于1.7 倍水电机组的调频效果，更是燃煤机组调频效果的20倍以上［2］，该组数据体现了分布式储能在调频市场中的重要地位。

调频市场一直被业界忽视，而储能在参与电力系统调频中拥有着巨大的潜力，调频市场空间巨大［3］。分布式储能技术在开发利用可再生能源中起着至关重要的作用。适合调频的储能主要包括超级电容储能、电化学储能（如铅酸电池、Li 电池、液流电池和钠硫电池）以及抽水储能等。总体来看分布式储能参与电网调频的充放电周期很短，为秒至分钟级，而电化学电池储能技术的响应速度几乎均是毫秒至秒级，配置成本也相对于物理储能较低，再加上其爬坡能力强、控制精准的特点，更适合用作电力系统的调频［4］。

目前，20 多个国家在建的或正式启动的MW级储能调频应用项目共有100 多项。我国各类储能系统调频示范工程如表1 所示。全球MW 级调频累计装机容量及项目数量情况如图1、图2所示。从图中可以看出，美国在储能项目数量和装机容量上处于世界领先地位，意大利、德国、英国、日本和韩国近几年的发展也比较迅速，中国则以相对平稳的速度发展该类项目［5］。截至2018 年底，我国国内已经投运了40 MW 的储能调频项目共计6 个，与美国不同，我国的储能调频项目一般都投运于火电厂中，不具备独立储能电站参与电网的调频服务［6］。中国电科院张北风光储基地电池储能电站、南方电网深圳宝清电池储能电站、上海漕溪能源转换综合展示基地以及北京石景山热电厂锂电池储能电网调频系统较为领先，为大容量储能示范工程。但是，由于我国对于独立的储能电站参与电网调频的调度经验尚且不足，储能电站投资成本问题以及分布式储能参与调频的控制策略尚待进一步优化等原因，使得我国在储能参与调频领域内尚处于初步与示范阶段，下一步应该考虑如何利用好储能的高效性来实现其与传统电源完美结合，并应用于电力系统中。储能在电力行业的应用也越来越广泛，收到业界重视。

图2 全球MW级调频用储能累计项目个数

表1 部分我国储能系统调频示范工程

图1 全球MW级调频用储能累计装机容量

1 分布式储能参与调频的必要性及可行性

1.1 必要性问题

从传统电源及局域电网的频率特性角度可以很好地证明储能参与调频的必要性。火电机组因响应时滞长、调频速度较慢而不适合参与短周期调频，且参与二次调频会受爬坡速率等因素影响，使得火电机组调频能力很弱，长期使用火电机组调频会使机组磨损严重，并且增加运营的成本以及废料的排放，影响调频质量；核电机组常处于满载工作状态，突然改变出力并不现实；水电机组的调频容量会受季节以及地域问题的影响。在我国能源结构体系中，火电机组占比最大，水电机组次之。预计到2020 年底，核电与水电容量均可达到20%，火电容量可达到60%，火电机组比重依旧最大，火电机组在未来一定时间内依旧会处于电网调频的主要位置。

风电能源因其波动性与不确定性，使其大规模接入电网后会大大增加电网的调频压力。国内外学者为了研究储能参与调频的必要性问题，从风电的波动特性等内容方面研究了风电并网带来的负面因素，并对这种因素给电网调频带来的影响进行了评估。文献［7］通过计算风电爬坡率的大小，统计出风电波动功率所占比例，并运用经验模态分解对功率进行了划分，研究了不同频段功率的特性以及其对电网频率的影响程度。文献［8］通过仿真分析了风电场并网位置差异对电网频率的影响，研究了不同的风事件对电网频率所产生的影响，并将其分为了4 大类，提出电网应具有灵活性爬坡能力以及爬坡容量来应对风事件对电网产生的负面影响。文献［9］基于配网可靠性算法研究了各种类型隔离设备对频率的影响，并利用模型预测控制器（model predictive control，MPC）来确定储能接入电网后对联络线功率带来的正面影响。

从研究现状来看，必要性问题的研究依旧存在以下问题：风电因其强随机性致使对风电功率预测误差较大，无法深入得出其对电网频率质量的影响；尚未深入研究风电等新能源在电网中的比例情况对电网频率的影响，从而较难确定分布式储能参与调频的最佳场景。

1.2 可行性问题

目前，在可行性问题的研究上，通常从3个方面进行分析：技术性能、经济性能及调频控制模式［10］。

1）技术性能方面

分布式储能拥有着响应速度快、控制精确以及双向调节的能力。在计及储能的区域电网调频模型中，设火电机组的爬坡速率为4% p.u./min，则20 MW 的储能电池与187.5 MW 的火电机组调频能力等效［11］，这也证实了储能调频与传统电源相比，其最大的优势即为高效性。当电网对调频的需求越大时，储能调频的高效性就越凸显。分布式储能既可以作为负荷，又可以作为电源，使其调频跟踪曲线与指令曲线几乎实现了趋势完全一致，可以节省系统中的备用容量，从而再次实现高效。

2）经济性能方面

储能调频的经济性能远超于削峰填谷，调频潜力很大。文献［12］从投资成本的角度论述了现今美国电力行业对储能的年平均投资是火电机组的2.7～4.7倍，但调频效果却可以带来10～20倍的高效益，加之未来的储能在成本上会有一定缩小的趋势，在电网中投入一定容量的储能会带来长远的经济利益。文献［13］同样从投资成本以及经济效益的角度分析了钠硫电池、铅酸电池等多种储能方式参与电网应用所对应的经济性，并指出储能在一定的容量范围内，会在一次调频的市场中展现出其重要的地位。

3）调频控制模式

文献［14］针对传统电源的下垂特性完成电网的一次调频建模，指出二次调频是在ACE 信号控制其充放电下实现的，大容量储能可以有效跟进频率的变化来完成响应，而小容量储能可以显著地调节与改善电网联络线上的功率，提高功率水平与质量。

2 计及分布式储能系统的区域电网调频模型

2.1 区域电网调频动态模型

目前，国内外在区域电网模型的搭建上，一般都采用区域等效方法来进行区域电网以及传统电源特性的描述，即用传递函数的形式代替电网元件模型，进而完成仿真。文献［15］分析了含有储能系统的区域电网模型，如图3 所示。该模型主要由ACE 信号计算及处理模块、控制器模块、调速器及涡轮机模型、惯性和负荷阻尼模型、负荷扰动信号模块等组成。

图3 储能系统仿真模型

2.2 计及储能荷电状态（SOC）的分布式储能模型

电池储能系统由电池储能设备、功率转换系统（power conversion system，PCS）及滤波环节构成［16］，模型如图4 所示。该模型由4 个模块组成：PCS环节、响应延时-时间转换环节、电池储能设备模型环节及限幅环节。其中，Pbell_ref代表理论功率需求；Preq为经过PSC 环节以及响应延时-时间转换环节之后的功率需求；TPCS代表PCS 环节的时间常数；TDB代表响应延时-时间转换环节的时间常数；TS为系统实际运行时间与模型仿真时间之间的转换系数分别为经过电池储能电源后的有功功率和荷电状态；PBESS和SSOC分别为系统实际输出的功率及荷电状态。为了分析储能在调频中的动态特性，普遍将传递函数模型设定为一阶控制环节与增益的乘积。

现在缺少与实际应用高度匹配的模型，有些模型过多考虑仿真元件本身的动态特性而导致模型复杂，在实际生产中难以应用，生产成本较高；有些模型又过多重视电网侧的行为而忽视元件本身的动态属性，致使模型偏于简单。未来模型搭建方向必然会是既满足电网调频仿真的需要，又能精准地反应不同储能自身性质对仿真结果所带来的影响。

3 分布式储能参与调频的策略研究

3.1 储能调频系统的容量配置

我国的储能调频工程目前仍处于示范阶段，从电网的整体运行的角度来看，如何真正地从机制层面分析储能系统参与电网调频是目前的关键研究方向。因此，在计及储能的调频场景中，分析容量配置是必不可少的。准确地确定储能调频系统的容量配置，应先统计当地电网频率的历史偏差值并计算控制信号值，根据频率偏差数值确定分布式储能的调频特性，再确定储能系统的一次调频与频率偏差数值之间、二次调频与区域控制偏差值（Area Control Error，ACE）之间的关系，从而计算出储能参与调频的最佳容量［17］。配置容量流程如图5所示。

图5 配置容量流程

为了研究一次调频中的容量配置问题，文献［18］将频率偏差的均方根值与绝对最大值作为两项容量配置的指标，研究风电作为负荷时储能系统对电网频率偏差及联络线功率的影响。文献［19］通过研究11 周的频率特点，采取SOC 控制回路及调频死区使得储能荷电状态达到一个稳定理想的范围内，从而确定需要配置的容量，也在一定程度上增大了储能电池的使用寿命。文献［20］主要探究了如何使储能系统容量达到最小化，利用了储能实时叠加额外充放电的思想，减小控制信号偏离零均值的负面影响。文献［21］提出一种考虑储能参与快速调频动作时机与深度的容量配置方法，将惯性控制与下垂控制进行了结合，对负荷扰动初期的频率偏差值以及系统最大频率偏差值都起到了一定的改善作用。在储能参与二次调频的容量问题中，文献［22］将调度中心的调频信号分为高频与低频两个部分，从而确定储能系统的调频容量与爬坡容量。

3.2 储能调频的经济性评估

经济性评估是现实生产中最重要的一个环节，主要是通过搭建经济运行模型，构建可以达到经济最优的目标函数来对容量配置实现一个约束作用，即利用容量配置结果来分析该容量储能在协助传统机组参与调频所带来的直接经济效益，并反过来约束与修正参与调频的储能容量配置方法，以实现容量配置的最优化。文献［17］提到目前国内外普遍使用的储能调频的经济性评估算式，该式考虑了净效益限值、储能电站不同寿命时长所对应的成本与效益等问题。

储能调频的经济性评估算式为

式中，PNET为净效益现值，一般以其为经济最优目标函数，为最大值时可实现容量配置的经济最优化；NRES为效益现值；CLCC为成本现值；PCAPACITY为日备用功率效益；PENERGY为日调频电量效益；N为一年的调频时长；TLCC和r分别为全寿命周期和折现率；CS为储能年总成本，包括总投资、运行与维护、报废处理成本。

文献［23］基于线性规划的成本效益模型，将目标函数定为储能的容量以及调频所需的最小功率，提出了一种满足经济最优化的容量配置策略，并在英国某50 MW 的风电站进行了试验，在保证调频质量的基础上实现了该风电场的最大经济效益。目前，在调频中选择分布式储能容量时，还存在一定的问题，大多研究都是基于理论分析，在实际生活中是否可行还需要一定的时间来验证，且普遍的处理方法都是将风电等效为负荷，在选择容量时，一定会存在误差。国内外学者对于储能调频的经济性评估算式还未达到一致，现有的公式较为复杂。

3.3 储能参与调频的控制策略

为了缓解系统调频容量不充足以及调频效果不理想等问题，需要一种合理、科学的储能参与电网调频的控制技术。在现今的控制策略中，多数策略都是针对一次调频的理论方法，在实际生产中应用较少，而国内对于储能参与二次调频的研究也尚待深入。参与二次调频策略的核心思路在于利用二次规划的方法求解所设定的目标函数，进而才能实现对各负荷需求功率的分配。

文献［15］提出了一种计及储能荷电状态的快慢速调频资源协调控制策略，借助分布式储能参与调频的高精度、高速度的特点，让其优先承担AGC的工作任务，从而在整体上能够提高电网调频的精度与速度，降低传统电源在调频中的地位，可以减小传统水火机组的调节容量来实现高效调频。该策略考虑了储能达到深度充放电过渡过程影响调频质量的问题，指出常规机组需对调节起到能量支撑作用来协助频率调节工作。在控制死区内ACE的数值会发生反复震荡，增大常规机组的磨损，不应在死区内对机组进行控制调节，而这种调频需求恰好与储能的跟踪速率快的特点吻合，从而实现在控制死区内考虑储能SOC 的优化控制。分布式储能控制信号输出如下所示：

当储能荷电状态达到一定条件时，储能系统才会对调频进行响应，否则储能系统会保持其原来状态，不会进行充电或放电。在全面考虑到参与调频的各类电源技术特性的基础上，文献［24］提出了分布式储能与传统机组相互协调响应AGC 任务指令的双层控制策略，提出了双层控制框架。仿真结果表明，使用双层控制策略既可以降低调频成本，又可以减小系统频率的偏差。在负荷突然扰动的情况下，相较于无储能控制策略，使用双层控制策略时最大频率偏差值减小了66.4%；在负荷持续扰动的情况下，使用该策略最大频率偏差值减小了21.8%。通过上下两层体系之间的相互融合，实现了规模化储能与传统机组之间的协调优化运行。

其他学者也从分配调频信号、模糊控制、短期负荷预测、能量转换率最大化等角度分析了分布式储能参与调频的控制策略。文献［25］以飞轮储能为例，提出了一种基于二次规划法对调频信号进行合理分配的控制策略，在提高调频效率的基础上保证了飞轮储能的使用寿命。文献［26］使用了模糊控制算法对参与调频的各种储能电池进行了合理地功率分配，并估算出其对电网频率改善的效果大小。文献［27］提出了一种基于超短期风电预测功率的新型储能平抑风波控制策略，并证实了粒子群算法优化控制策略参数的可行性，提高了电网的调频质量。文献［28］提出了基于储能电池能量转换效率最大化的电池储能参与二次调频的功率分配策略，该策略可以提高储能的运行效率，降低不必要的损失成本，同时也可以延长储能电站的使用寿命，对储能参与二次调频的研究有着非常重要的意义。

4 结语

由全世界MW 级储能调频项目的数据可以发现，我国分布式储能参与电网调频工程方面与美国以及欧洲各国相比还存在一定的差距，国外对于此研究方向的基础理论分析较多，国内对于基础知识的研究尚待深入。为了打造健全、高效的调频系统，今后的工作研究在以下几个方面需要进一步深入：

1）分布式储能参与电网调频的应用场景问题：应结合储能电源自身的响应特性以及系统对机组调频的需求进行调频场景的划分，并给出划分指标，从而提出基于储能自身特性因素与经济最优化的储能参与调频的必要性与可行性分析指标。

2）储能系统参与电网调频的控制策略问题：在充分考虑风电、分布式储能及传统水火电机组的技术经济特性的前提下，如何保证所有电源能够良好地协调运行，仍是当今学者们所面临的最为重要的问题。此外，还需研究储能在一次、二次调频协联控制技术中的应用，保证二者良好地协调运行并实现储能电源高效率调频，实现优势最大化。

3）储能参与电网调频仿真模型问题：未来模型搭建一定既能满足电网调频仿真的需要，又能精准地反应不同储能自身性质对仿真结果所带来的影响。储能在电力系统中的应用越来越广泛，同样也会给调频市场的发展和电网辅助服务补偿机制带来一定的价值与意义。