基于模糊分区的储能参与电网调频控制策略研究

刘思奇，叶 鹏，李浩洋，关多娇

（沈阳工程学院a.电力学院；b.能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）

对传统电网而言，利用常规机组（火电、水电机组）即可满足其调频需求。然而，随着新能源发电的介入，电网频率波动的不稳定性加强，波形畸变、闪变和三相不平衡等缺陷加剧［1］，人们对电能质量的要求进一步提升。这促使储能参与辅助电网侧调频的发展。对于传统机组而言，火电机组调频存在响应延迟（受爬坡率束缚）、不能频繁启停、供暖季需保留出力等因素；水电机组调频存在丰水期基本无下调能力、枯水期主要用于调峰、可控地区受限等因素：二者调频能力上的短板就需要引入储能来进行优化。储能装置具有响应速度较快、功率跟踪精确、响应过程处于浮充电状态、对储能使用寿命影响小、爬坡速度快等优点［2-3］。

关于储能参与调频调峰研究的主体大都从经济性和技术性两方面出发。经济性最优是实现配置容量较小、性价比较高的储能辅助调频；技术性最优是实现计及储能自身指标的AGC（Automatic Generation Control，AGC）控制策略辅助调频。文献［4］从经济层面入手，考虑机组降损和延缓投资等因素，通过建立含BESS 的储能收益模型，得到储能配置的最优经济方案。文献［5-6］从储能充放电行为、实时能量管理等方面入手，提高了需求侧储能的可行性。文献［7］提出一种基于自适应均衡技术的分布式储能聚合模型及评估方法，可实现储能资源的高效利用。文献［8］以储能容量配置、经济性评估及控制策略对储能参与调频进行了综述。文献［9］设计一种分层SOC（Sate of Charge，SOC）的估计方法，验证了储能参与调频后的AGC优化响应。

针对尚无一种有效的协调控制策略来控制分布式储能参与电网调频响应的问题，本文提出一种计及储能荷电状态和区域控制偏差（Area Control Error，ACE）的分区协调控制策略。该策略先对SOC 和ACE 进行动态分区，然后将其与4 种不同紧急程度的调频状态相结合，接着通过模糊控制将分区协调控制策略优化成模糊分区协调控制策略。将该策略生成的模糊控制器加入到含储能的区域电网调频模型中，并在MATLAB/Simulink 中仿真建模，验证了基于模糊分区协调控制策略的储能有助于抑制区域电网的频率波动，缩短调频响应时间。与传统模型相比，该模型得到的调频效果更好，使整个环节调频能力更优。

1 含储能的区域电网调频模型

储能参与电网调频流程如图1所示。

图1 储能参与电网调频流程

电网调频由AGC 系统进行控制，是一种以严格的信息采集传递为基础的高层控制技术手段［3］。AGC的工作部分共包括3个环节：

1）计划跟踪环：通过终端系统、SCADA等将采集来的数据链路传输至AGC 系统，由接下来的环节完成调频响应，并在调频响应完成后继续跟踪频率变化，做进一步的优化调节。

2）区域调节控制环：由AGC 系统分析整合采集到的数据，计算出区域控制偏差量，同时参考计划值和各机组的有功出力约束，按经济最优分配原则生成各机组的调频指令。

3）机组控制环：由数据链路将生成的调频指令传达至各机组，采取相应动作。

上述调频流程中包含两种频率变量：区域间频率偏差Δf和联络线上频率偏差Δftie。

1.1 区域电网调频模型

目前，国内外含储能的区域电网调频模型较多应用的是两区域互联模型。其优点是各区域的调频动作既独立又互联，可以模拟整个互联电网有功电力的瞬间平衡［3］；缺点是模型简单，未区分不同规模和电压等级的电网，且所用电源模型已无法充分描述现代新型机组特性［10］。模型中的两区域间通过联络线传递功率，过程如下：整个系统在接收含ACE 的调频指令后开始动作，各区域完成各自区域内的调频响应；当某一区域的调节无法满足其需求时，由互联区域的剩余功率传输至该区域进行补救，从而完成调节。功率传递式为

式中，B1、B2为区域的频率偏差系数；ΔP12和ΔP21为联络线上的传输功率；PACE为各区域恢复频率偏差所需的有功功率。

储能参与的区域电网调频模型如图2所示。

图2 两区域互联模型

图2 中，利用传递函数模块模拟常规机组出力：以调速器时间常数Tg、汽轮机时间常数Tt、再热器增益Kr、再热器时间常数τr为系数的各传递函数分别对应调速器、汽轮机和再热器，整体对应常规机组环节；以电网的负荷阻尼系数D、电网的惯性时间常数M为系数的传递函数对应转子和惯性负荷模块。

TBC 控制方式在模型中通常以PI 控制器实现。因此，在机组控制环节前通常设置一个PI控制器。本文采取的是PID 控制器，其特点是比例环节用以对调频做出实时响应，着重“现在”；积分环节用以完善比例环节中的静态误差，着重“过去”；微分环节用以跟踪下一时刻的变化趋势和动态特性，着重“未来”［11］。PID 模块表示为

式中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

1.2 储能模型

目前，较常用于辅助区域电网调频的是飞轮储能、电池储能和超级电容储能等。文献［5］通过对不同类型储能技术参数的对比，得出技术性、经济性较优的储能设备为电池储能和飞轮储能。本文采取的是电池储能设备。从技术性、经济性出发，衡量电池储能的技术指标有电池容量、荷电状态、电池倍率、循环使用寿命、放电深度、电池电压、电池内阻等。

不考虑储能电池内部的化学反应，仅以电池容量、荷电状态、电池倍率3 个指标作为考虑。储能电池模型应包含以下模块［12］：

1）储能荷电状态限制模块

式中，SOC(k)为当前时段储能的荷电状态；SOC(k-1)为上一时段储能荷电状态；C为储能电池额定容量；PE为储能充/放时的调节功率；η为转换效率。

2）出力限制模块

式中，PEi为AGC 发出的储能调频指令的功率，代表第i个储能；Prat为储能电池额定功率。

3）倍率转换模块

式中，ξ为储能电池本身充/放电倍率特性系数；ηE为经逆变器等装置后折算的效率。

综上，储能模型如图3所示。

图3 储能环节模型

2 含储能的电网调频协调控制策略

2.1 分区协调控制策略

在含储能的区域电网调频模型中，储能电池和常规机组间出力关系为

式中，|PACE|为电网所需平衡ACE 的有功功率；|Pess|为储能实时调节功率；|Pgen|为常规机组有功出力。

综合储能荷电状态约束和区域电网区域控制偏差控制指标，提出一种计及储能SOC 的ACE 分区控制方法。对SOC和ACE状态分区的意义在于计入SOC状态的ACE可以结合储能的实时荷电状态来实现调整调频指令和出力，可以避免SOC 超出自身约束去调节与其调节方向不一致的ACE 区域，从而避免电池储能过充/放以延缓电池使用寿命。

目前，AGC 调频的紧急程度主要分为调频死区、正常调节区、次紧急调节区和紧急调节区［3］。基于以上4 种AGC 调频状态，定义am为不同紧急程度下的区域控制偏差动作点，下标m包含如下定义：azo为零动作点；±amin为正、负最小动作点；±amid为正、负常规动作点；±amax为正、负紧急动作点。定义sn为不同紧急程度下的荷电状态动作点，下标n包含如下定义：smin为最小荷电点；slow为低荷电点；sshc为浅充荷电点；smid为荷电中点；sshd为浅放荷电点；shigh为高荷电点；smax为最大荷电点。其中，|amin|=0.1，|amax|=0.9，|azo|=0 和|amid|=0.5；smin=10%，smax=90%（为防止储能过充放），slow=20%，sshc=40%，smid=50%，sshd=60%和shigh=80%。am和sn状态分区情况如图4所示。

图4 分布式储能am和sn的状态分区

图4中，箭头代表调频过程中SOC状态和系统频率的走向。由图4可知，ACE调节区间与SOC调节区间正相反：Δf＜0时，ACE位于负区间，系统频率下降，有功功率缺额，电池储能应尽量处于较高荷电状态，储能放电（Pess＞0）；Δf＞0时，ACE位于正区间，系统频率上升，有功功率冗余，电池储能应尽量处于较低荷电状态，储能充电（Pess＜0）。因此，对式（6）做进一步补充，如式（7）所示。

对SOC和ACE的动态分区协调控制如下：

1）调频死区

此时，常规机组无法动作，储能处于自适应调整状态，SOC应尽量位于浅充浅放区［13-14］。

2）正常调节区

此时，电网所需平衡ACE的有功功率并不大，可由火电机组的一次调频承担。对应储能电池充放电状态表达式为

式中，p(s)为储能的充/放功率函数。

3）次紧急调节区

此时，电网所需平衡ACE的有功功率略大，由火电机组和储能共同承担。因储能响应速度较快，由储能优先调节。对应储能电池充放电状态表达式为

4）紧急调节区

此时，电网所需平衡ACE的有功功率很大，将由电池储能协调火电机组尽可能出力，并将系统情况及时上报，必要时做紧急干预。对应储能电池充放电状态表达式为

储能的充/放功率函数p(s)表达式为

式中，C为储能的额定容量；C∑为所有储能的总额定容量；Prat为储能的额定功率；A为储能的自适应因子；A0为储能的自适应初等因子；d为储能的自分配系数；f(s)为储能的即刻荷电状态的运行函数。

综上，当给出ACE所处区间状态时，保证电池储能在上述对应范围内出力，能够在较大程度上延缓电池使用寿命，提高储能调节能力。

2.2 模糊分区协调控制策略

综合文献［15］所述，模糊控制具有强鲁棒特性，属于非线性控制范畴，适用于非线性系统，且常用于对LFC、TBC 等控制方式的优化。因此，提出一种结合动态分区的模糊分区控制方法，通过模糊分区对SOC、ACE和电池储能实时调节功率Pess进行模糊化，并通过模糊推理、解模糊化得到模糊控制的推理结果，同时生成储能模糊控制器，对整个协调控制环节进行优化。

在模糊控制中同样对输入变量SOC和ACE划分为7个模糊集为（NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL），即（负大，负中，负小，正零，正小，正中，正大），论域区间为［0，1］。输出变量Pess的模糊集同样按该策略划分，其论域区间为［0，1］。SOC隶属度函数采用trapmf，ACE和Pess隶属度函数采用trapmf 和trimf，如图5所示。

图5 SOC、ACE和Pess隶属度函数

制定的模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊规则控制表

按照上述模糊规则控制，通过centroid 模糊化处理所得的储能控制的推理结果如图6 所示，并生成模糊控制器。

图6 模糊规则控制结果

3 仿真分析

3.1 仿真参数设置

采用储能电池参与区域电网调频模型，以额定频率50 Hz 为基准进行标幺制。调速器、涡轮机、电池储能、电力系统等环节选取的参数如表2所示。

表2 仿真参数设置

表2（续）

根据图1 和图2 在MATLAB/Simulink 中搭建模型并进行仿真。

3.2 仿真分析

以阶跃信号作为负荷扰动，设计常规不考虑分区控制和考虑分区协调控制策略下的4 种情况。4种工况下的频率波动情况如图7 所示，频率偏差量和调节时间如表3所示。

图7 4种工况下的频率波动情况

表3 频率偏差量和调节时间

由图7、表3 可以看出，对于仅用常规机组调频，在施加扰动后，其频率偏差量很大（最大达到2.707 Hz），调节时间也较长（最长调节时间为29.04 s）。在储能设备参与调频后，频率偏差量和调节时间得到了很大程度上的缓解（最大频率偏差为1.046 Hz 左右，调节时间缩短至7.385 s 左右），证明了储能参与调频后技术上的优越性。在基于分区协调控制下，储能参与调频相较于无分区控制时，频率偏差量和调节时间都略有加大（最大频率偏差量增加至1.05 Hz 左右，调节时间约增加一倍）。这是由于计入SOC和ACE分区约束后，储能减少了过充/放次数，相对延长了循环寿命，故调频能力略有下降，但是下降的幅度较小。在添加了模糊控制器后，频率偏差量和调节时间得以缩短，且与无分区控制时的数据相对比较相近（最大频率偏差量约为1 Hz左右，调节时间约在17 s），证明模型得到了优化。基于模糊分区控制的分布式储能协调机组调频，能很好地减小频率控制偏差，缩短调频响应时间，并能根据储能的SOC 状态规划储能出力，在一定程度上延长了储能的循环使用寿命，避免了储能的过充/放。

4 结语

针对尚无一种有效的协调控制策略来控制分布式储能参与电网调频响应的问题，本文开展了相关控制策略的研究，提出分布式储能参与电网调频的分区协调控制策略和模糊分区协调控制策略。通过仿真验证表明：基于分区协调控制策略和模糊分区协调控制策略下的储能具有较好的调频能力，能有效抑制频率波动，缩短调频时间，提高常规机组调频能力，延缓常规机组的损耗与迭代，可作为今后储能参与电网调频时制定规则的参考。