电池储能电站主动支撑控制策略及其参与电网调频特性分析

李 恺,李振江

(国网山东省电力公司潍坊供电公司,山东 潍坊 261000)

大容量储能系统灵活的吞吐能量可作为一种新型调频稳压手段,特别是具有稳定输出及快速响应的大容量储能,其调频性能与并网技术已成为当前的研究热点。在电池储能技术应用中,采用合适的控制方法可提高电池储能系统的调频性能,降低系统的容量需求。

1 电池储能电站模型及其主动支撑控制策略

1.1 总体结构模型

将多个铅酸蓄电池模块串联起来,再将它们并联起来,即可构建一个高效的电池储能电站。电站的控制架构由电池组、储能电源、电池充电及电力传输组成,采用三阶模型的主动支撑控制系统。图1为电池储能电站的完整控制系统。

图1 电池储能电站的主动支撑控制策略框图Fig.1 Block diagram of active support control strategy of battery energy storage power station

1.2 电池组模型

在电池储能发电站中,以铅酸电池组件为主要能源来源,电池的短时放电模型为:

(1)

式中,UB表示蓄电池组的最终电压;Eb代表蓄电池的开路电压;Ib代表蓄电池的放电电流;Rp是极化电阻;R0是一种电阻,用于限制放电电压;τ0是一个双电层效应的时间常数。当蓄电池处于充电状态时,每个电池模块的额定容量为Qn,在i(t)的放电电流下,电池组荷电状态(state of charge,SOC)的百分比ξSOC会发生变化,从而影响电池性能及使用寿命。

(2)

式中,NS与NP分别为电池组中电池串联与并联个数。

将起点为ξSOC=0时蓄电池组最大电压与最小电压中间点、终点为ξSOC=100%时最大电压处拟合一条蓄电池组ξSOC与开路电压Eb的特性直线,如式(3)所示:

(3)

式中,Umax与Umin分别代表蓄电池组开路电压的最大值及最小值。

1.3 基于同步机标准三阶模型的主动支撑控制

在同步机三阶化模型基础上采用主动支撑控制方法,实现了同步发电机的外特性仿真,使储能电站的励磁、调速等时标与常规机组的自适应调整过程一致。与传统的锁相环控制方式相比,主动支撑控制方式可以使储能变换器的功角调节不再依赖于电网的转矩,从而提高储能电站的并网独立性及抗干扰能力。其中,主动支撑控制策略包括励磁控制器、转速控制器、三阶同步发电机、虚拟子绕组、电压外环、电流内环等。

2 考虑电网调频需求的电池储能电站灵活性分析

2.1 电力系统多时间尺度的调频过程

电力系统结构复杂,包括发、输、变、用等多个环节,具有时间性及空间性两大特征。电力系统的频率调节与电压调节是一个不断扩展的时间尺度,其空间分布表现出复杂的网络特征。电力系统频率自调整过程是一个极其复杂的动态网络问题,对其进行分析、调整及描述,具体体现为以下几方面:时间尺度主要是指秒级、分钟级、小时或天级等时间尺度,其中以几年或十多年为时间尺度,以电力系统的长远规划为中心。几周或数月的时间段主要考虑机组季节性的变化,特别是水电机组,其季节性的负荷波动相当大,具有明显的丰水期和枯水期。还要考虑风电、光伏发电等受自然环境影响较强的情况。以数小时或数日为单位的时间范围,以电力系统的阶段调剂为主要内容;分钟级时间尺度是指电力系统中的一次调频、二次调频及惯性调频,这种时间尺度的主要依据是电力市场的分配及电网需求;在微秒级的时间范围内,主要包含各类电力电子开关装置的进出、频率及电压的微小变化、惯性矩的瞬时变化等。随着电网的互联互通与一体化发展,电网的空间范围变得更加复杂,特别是省级电网之间的互联及大区域互联,令网络结构变得更加复杂,输电线路长度不断增加。因为省网与区域性电网的调频能力存在着很大的差别,故在调频方式上可将其划分为全网调频与区域调频两种。

2.2 电池储能电站的调频灵活性分析

调频必须充分考虑系统的自我调节能力,在不同的时间尺度上为其提供最佳的调频服务。相对于其他调频技术,储能电站具有显著的优势,其安装简单、不受自然环境影响、爬坡速度快、能量吸收及释放灵活、调节性能优越。其中,PCS储能变流器具备先进的主动控制技术,输出特性可达到与同步机相同的水平,令能量缓冲器在极端频率环境中成为最佳的解决方案。

经过多时间尺度的调频研究发现,电池储能电站在参与电网频率调整时必须具备较高的灵活性。为实现这一目标,需从三方面入手:1)确保能源的持续供给(MWh),保证电站的调压及调频能力。2)改变功率输出速度及角度(MW/min),以影响系统性能。3)具有极大的功率输出能力(MW)。为了实现灵活的运行,电池储能电站的输出量可以在一定范围内进行调整,以支持更大规模、更高电压水平的电网,提供辅助的调频服务。

在大型电池储能系统中,其可以在电网频率调节方面发挥重要作用,这种灵活性可以用3个关键指标来衡量:1)储能电站的额定功率代表其性能,即它们的输出功率达到了极限,从而满足储能系统的各种功能要求。2)爬坡速率对于储能电站的运行至关重要,可及时发现电网的变化,从而做出相应的调整,特别是在惯性反应与一次调频阶段,可保证储能系统的稳定性。3)储能电站的额定电量对于确保其能够满足二次调频的需求至关重要,其能够有效反映电站的性能、电站参与电网频率调控的持续时间,令电网能够有效利用储能电站的能源,实现更加稳定的电能资源分布。

3 电池储能电站参与电网频率调控及贡献力分析方法

3.1 电池储能电站参与电网惯性响应及一次调频特性分析

在电力系统中,储能电站发挥着很大的作用,它们通过惯性响应与一次调节两个阶段来实现系统的动态调节。储能电站的静态频率特性有很明显的特点,其与同步发电机十分类似,为了使普通机组能够获得足够的调频输入,可采取一系列措施,如改变每个发电单元的调差系数,增加旋转转子的动能,减少系统的频率波动,从而有效减少一次调频后的系统振荡幅度。储能技术利用惯性反馈技术降低了系统的初始频率,将实际转动单元的惯性与虚拟储能站的惯性相结合,可实现一种全新的控制方法。

当电池储能电站建立并能稳定运行时,就可实现fmeas与SOC的实时监控功能。当电网频率发生剧烈波动时,系统会先检测SOC,确定其是否处于调频工作范围内(SOCmin,SOCmax),如果处于一个合理的范围,则可正常运行。如果超出正常范围,其充电余放电管理系统将被锁定,不允许任何外部干扰。为了确保储能电站的安全运行,在进行fmeas检测时,必须确保其频率处于可接受的范围内。若fmeas未达到(fref2,fref1)的要求,则可以利用同步引擎的动态频率特性及其相关的系统负荷进行一次调频,以确保储能电站的安全运行及可靠性。在判定fmeas超出正常调频范围时,储能电站的静态频率特性将与同步发动机共同分担调频出力,即储能参与到电网的一次调频过程中,储能电站的静态频率特性如图2所示,表达式如下:

图2 储能参与电网中功频特性Fig.2 Energy storage participation in power frequency characteristics of power grid

(4)

当电力系统的频率超过fref1与fref1的上下界限时,电储能站的充电功率将会发生变化,即单位调整能力Kbattery减去频率偏差量,使电力系统从中获得更多的能量。随着电网频率的不断降低,当低于调频的最低点时,由于频率偏差的影响,储能站的放电功率将会达到Kbattery,储能站将会向电网输出大量的能量。

从图2来看,当采用电池储能技术时,频率与整体负荷的变化存在着密切的关联。利用储能技术可随着负荷及频率的变化来自动调节Kbattery,从而提高电网效率。可通过调节Kbattery的斜率来适应不同的负载情况,以提高电网的稳定性。

图3 一次调频特性Fig.3 Primary frequency regulation

(5)

式中,KG表示同步发电机的单位调节功率,KL则表示负荷的单位调节功率。

通过对储能系统正向静态频率特征的分析可知,当储能电站进行一次调频时,其分担的功率ΔPbattery主要取决于系统的频偏与储能电站的调差因子。由于同步发电机转子转速与输出电磁场之间存在着很强的耦合,故储能电站的调频出力与其功率分摊量ΔPG之间存在着一定的反比,当同步发电机转子转速波动较小时,其在一次调频后的频偏就会减小,使储能电站在一次调频中的作用更加明显。

3.2 电池储能电站参与电网一次调频贡献力分析

将储能系统总的调频功率输出值与旋转机组总的调频功率输出值之比定义为电池储能电站参与电网一次频率调节时对常规机组的贡献因子λ,贡献因子表达式如下:

(6)

贡献度因子λ是指电池储能站的调频输出对常规机组的贡献度,通常以ΔPL0作为参考,当储能站在调频输出上的贡献度较低时,储能站对调频输出的贡献度就较高,而常规机组在调频过程中需要分担的调频功率较低,在一次调频后,系统的稳态频率偏差较小;当贡献系数λ较大时,储能电站在参与电网频率调节时,其对常规调频单元的贡献较大,故电网频率稳定度较高,可实现对储能电站的调频贡献力及调频深度的全面调节。

3.3 电池储能电站参与电网二次调频特性分析

二次调频技术具有无差调整的优势,可有效解决频率变化剧烈的问题,使发电单元机组得到重新配置。采用主动支持技术的二次调频系统,可有效改善电池储能电站的运行状态,见图4。

图4 二次调频控制框图Fig.4 Block diagram of the secondary frequency modulation control

在二次调频控制器中,Ksec被激活,在储能电站投入使用后,可根据系统频率变化量的累积来调整ΔPsec,并这一调整过程持续进行,最终令Δf=0,使储能电站可以提供更优质的二次调频服务。二次调频是一个重要的过程,涉及二次调频、下降及阻尼。经过上述步骤,传统的机组可迅速回归正常运行,将转子动量重新调节至不受外界影响的最佳状态,系统频率也将回归至最初的水准,从而达成储能发电厂与用户之间的有效协调。

4 结论

通过研究电池储能电站的能源管理策略及其在电网调频中的作用得出以下结论:采用基于同步机的三阶模型可改善储能变流器的暂态调压能力,使其具备同步机的励磁控制器及调速控制器的标准特性,大大提升储能电站的调频稳压能力。研究发现,通过合理设置储能系统参数,可满足灵活性要求,提供优秀的阻尼特性及惯量特性,使其成为大型新能源并网的有力工具。协同传统机组进行调频,为整个电网带来更加稳定的频率环境。