储能电池参与电力系统二次调频控制策略研究
基于灵敏度分析的储能电池参与二次调频控制策略
基于灵敏度分析的储能电池参与二次调频控制策略李欣然;黄际元;陈远扬;黎淑娟;欧阳璐璐【摘要】针对储能电池参与电网二次调频,基于灵敏度分析,提出了一种综合区域控制误差(ACE)信号分配模式和传统的区域控制需求(ARR)信号分配模式优点的控制策略.首先,针对ACE和ARR信号分配模式,在复频域中利用灵敏度原理分析含储能电池参与二次调频的区域电网频率特性,据此提出确定储能电池动作时机及调节模式的方法;计及时域中储能电池的能量限制和传统电源的爬坡速率限制,依据动态调频容量指标,提出确定储能电池动作深度的方法;最后形成考虑动作时机与深度的储能电池控制策略,并给出相应的实现流程.结合实际电网的阶跃扰动工况进行仿真证明,结果表明该策略不仅能较大程度地改善电网调频以及储能电池运行的性能,而且充分利用各调频电源的技术优势.%A control strategy of battery energy storage system (BESS) is proposed for secondary frequency regulation (SFR). This strategy integrates the advantages of the area control error (ACE) and traditional area regulation requirement (ARR) signal distribution modes. Regarding the two signal distribution modes, the frequency characteristics of regional grids involving BESS are analyzed in complex frequency domain by the sensitivity theory. Thereafter a method to determine the action moments and control modes of BESS is presented. Taken into account the energy limitation of BESS and the ramping constraints of conventional generators in the time domain, a method to determine the action depth of BESS is put forward based on the dynamic available AGC (DAA) indices. Finally, the control strategy of BESS considering its action moments and depth is proposed, and thecorresponding implementation process is given. The simulations of step disturbance case from an actual power system are carried out. The results show that the proposed strategy can largely improve the performance of frequency regulation and BESS operation, and can take advantages.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2017(032)012【总页数】10页(P224-233)【关键词】储能电池系统;调频;调节模式;灵敏度分析;控制策略【作者】李欣然;黄际元;陈远扬;黎淑娟;欧阳璐璐【作者单位】湖南大学电气与信息工程学院长沙 410082;国网湖南省电力公司长沙供电分公司长沙 410015;国网湖南省电力公司长沙 410007;湖南大学电气与信息工程学院长沙 410082;国网湖南省电力公司长沙供电分公司长沙 410015【正文语种】中文【中图分类】TM732Keywords：Battery energy storage system (BESS), frequency regulation, regulation modes, sensitivity analysis, control strategy间歇式电源出力具有波动性和不确定性，且绝大多数间歇式电源不具备惯性，其大规模并网后会使电网惯性减小，进而给电网调频带来压力。
风光储联合发电系统调频控制策略研究
第41卷第1期2013年1月Vol．41No．1 Jan．2013风光储联合发电系统调频控制策略研究李鹏，黄越辉，许晓艳，刘德伟，马烁（中国电力科学研究院，北京100192）摘要：针对风光储联合发电系统的运行特点，基于分段调频控制的理念，提出了一种风光储联合发电系统参与电力系统二次调频的控制策略。
该控制策略根据区域控制偏差ACE就调频控制的紧急程度进行划分，在不同控制区域使用不同的有功控制方式，实现对联合发电系统出力的精细化控制，最大程度利用风电及光伏发电，保障储能电池SOC运行在合理范围。
仿真分析验证了所提调频控制策略的可行性、有效性及经济性。
关键词：风光储联合发电系统；调频控制策略；充放电控制；有功功率作者简介：李鹏（1985-），男，硕士，工程师，研究方向为新能源发电调度运行与控制技术。
中图分类号：TM761文献标志码：A文章编号：1001-9529（2013）01-0144-04基金项目：国家科技支撑计划项目（2011BAA07B03）；国家电网公司科技项目Research of Frequency Control Strategy for Wind-PV-Storage Power Generation SystemLI Peng，HUANG Yue-Hui，XU Xiao-Yan，LIU De-Wei，MA Shuo（China Electric Power Research Institute，Beijing100192，China）Abstract：This paper proposes a control strategy of the wind-PV-storage power generation system taking part in second control of power system based on partition frequency control considering operating characteristics of the wind-PV-stor-age power generation system．This control strategy distinguishes different emergency degree of frequency control ac-cording to area control error（ACE），utilizes different active power control mode in different control area，exerts de-tailed control on the joint generating system，reduces the limitation on wind power and solar power and guarantees the SOC operating within reasonable limits．Simulation analysis verifies the feasibility，effectiveness and economy of the proposed strategy．Key words：wind-PV-storage power generation system；frequency control；strategy；charge and discharge control；ac-tive powerFoundation items：The National Key Technology R＆D Program of the Ministry of Science and Technology （2011BAA07B03）目前，对于风电、光伏发电以及储能技术已有较多研究［1-7］，但就以上3个单元的联合运行控制技术的研究才刚刚起步。
储能参与调频的控制策略
储能参与调频的控制策略储能技术在电力系统调频方面起到了至关重要的作用。
调频是指在实时电力系统中，根据电力需求的变化，及时调整发电和负荷以保持电力系统的频率稳定。
传统的调频方法主要通过发电机组的自动调节器来控制，但随着可再生能源的快速发展，特别是风电和太阳能等不可控能源的大规模接入电力系统，传统的调频方法已经无法满足需求。
储能技术作为一种新兴的可调度资源，具备快速响应、高效可控、灵活性强等特点，因此被广泛应用于电力系统的调频控制中。
储能参与调频的控制策略有多种，下面将介绍几种常见且有效的控制策略。
首先，基于电能储存的调频控制策略。
电能储存技术包括蓄电池、超级电容器、储热、抽水蓄能等多种形式。
这些储能装置可以通过控制充放电过程来调节电力系统的供需平衡，从而实现调频控制。
比如，当系统频率下降时，储能装置可以迅速输出电能，增加系统有功输出，提高系统频率；当系统频率上升时，储能装置可以吸收过剩电能，减少系统有功输出，降低系统频率。
这种调频控制策略具有响应速度快、调控精度高的优点，能够有效缓解系统频率的波动。
其次，基于能量管理系统的调频控制策略。
能量管理系统是一种通过对电力系统的负荷和发电资源进行优化调度，以实现供需平衡的控制系统。
其中，储能装置作为一种可调度的能量源，在能量管理系统中扮演了重要的角色。
通过合理的能量管理策略，可以实现对储能装置的充放电控制，以满足电力系统的调频需求。
例如，在低负荷时段，通过充电储能装置，以备用电源的形式储存电能；在高负荷时段，通过放电储能装置，以调节电力系统供需平衡。
这种调频控制策略基于对电力系统的长期和短期负荷预测，并结合储能装置的性能特点，通过优化调度策略来实现调频控制。
再次，基于市场机制的调频控制策略。
随着电力市场的发展，特别是分布式能源的普及，储能参与调频控制的市场机制也越来越成熟。
通过建立适当的市场机制，可以激励储能装置的调度参与调频控制。
市场机制可以通过设定合理的价格信号，引导储能装置根据电力系统需求进行充放电。
参与电网调频的储能系统运行控制策略研究
参与电网调频的储能系统运行控制策略研究I. 概要随着全球能源转型的加速，可再生能源的大规模并网和电力系统的深度调度已成为电力行业面临的重大挑战。
储能技术作为一种新兴的解决方案，可以有效地平衡电网的供需关系，提高电力系统的稳定性和可靠性。
其中参与电网调频的储能系统具有重要的战略地位，可以在电力市场中发挥关键作用。
本研究旨在探讨参与电网调频的储能系统运行控制策略，以实现其在电力市场中的高效、安全和稳定运行。
首先通过对国内外相关文献的综述，分析了当前储能技术的发展趋势和市场需求；其次，针对参与电网调频的储能系统的特点，提出了一种基于模型预测控制(MPC)的运行控制策略；通过仿真实验验证了所提出策略的有效性和可行性。
本研究的研究内容和方法将为电力行业提供有益的参考和借鉴，有助于推动储能技术在电力市场的广泛应用和推广。
A. 储能技术在电力系统中的应用现状和发展趋势电化学储能技术是当前储能领域的主流技术，主要包括锂离子电池、钠硫电池、铅酸蓄电池等。
这些储能技术具有较高的能量密度、循环寿命长、环境友好等优点，已经成功应用于家庭侧、商业侧和电网侧等多种场景。
然而电化学储能技术的成本仍然较高，且存在一定的安全隐患，需要进一步降低成本和提高安全性。
机械储能技术主要包括抽水蓄能(Pumped Storage Hydroelectricity, PSH)和压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage, CAES)等。
这些技术具有较大的容量、较长的使用寿命和较低的环境影响，已经在一些地区得到了广泛应用。
然而机械储能技术的建设和运行成本较高，且对地理条件和环境要求较高，限制了其在更大范围内的应用。
热能储存与利用技术主要包括高温热储热泵、地源热泵等。
这些技术通过将热量储存起来，可以在需要时进行释放，从而实现对电力系统的调峰填谷作用。
近年来热能储存与利用技术在建筑节能、工业余热回收等领域得到了广泛应用，但在电力系统中的应用尚处于初级阶段。
分析及电池储能调频控制策略综述
分析及电池储能调频控制策略综述摘要：随着新能源在电网中的占比不断升高，且新能源的输出功率具有随机波动性，降低了电力系统频率的稳定，对电网调频提出更高要求。
由于传统火电机组调频能力不足。
电池储能系统响应迅速、能量可双向流动，是优质的调频资源。
因此在新能源并网规模不断增加、电网频率更加复杂多变情况下，储能系统参与调频方式成为研究热点。
关键词：电池储能；二次调频；成本优化；多目标进化算法引言随着能源转型的不断推进，电化学储能调频已逐渐成为主流的调频方式。
以可再生能源为主体基金项目：北京市自然科学基金项目资助(21JC0026)；国网江西省电力有限公司科技项目资助(52182020008K)的新型电力系统建设部署使得可再生能源出力占比增大，电力电子设备应用增多，强波动性、间歇性的可再生能源持续增长，系统转动惯量将持续下降，造成电力实时平衡难度的进一步增大。
进而，传统调频方式的固有缺陷也慢慢地显露出来，可再生能源的出力是间断性的，并且具有很强的波动性，所以系统频率变化很厉害，这就要求系统有很强的调节能力和响应速度，但传统调频系统无法满足。
电化学储能作为一种新的调频方式，能够弥补电网调频容量的不足，而已有的电池模型还不能完全反应电池特性，因此需要对储能电池进行更精准的建模与仿真。
1储能模型在对储能参与调频研究的仿真分析时，需构建含储能电池的区域电网调频模型。
目前，常用于电网调频的储能电池模型为一阶惯性模型和戴维南等效电路模型，前者结构简单且便于仿真计算，但其无法精确地描述储能电池工作时的内部参数变化和自身的动态性能；后者虽能模拟储能电池的动态性能，但不能满足二次调频研究中的时间尺度需求。
故本文提出一种适用于电网调频的储能电池模型，该模型由功率转换系统（powerconversionsystem，PCS）环节、响应延时-时间转换环节和输出判断环节构成。
2调频调频与调峰本质上并没有明显的区别，仅是时间尺度不同，调峰是小时级的而调频是分钟级的，频率信号直接反映了电力供需情况，供大于求时频率上升，反之频率下降。
储能电池辅助火电机组二次调频的设计与应用
储能电池辅助火电机组二次调频的设计与应用赵 磊1 王明明2 崔进波3 咸秀超4（1中国电建集团核电工程有限公司 2.国网山东省电力公司经济技术研究院3.山东电力工程咨询院有限公司4.山东电力工程咨询院有限公司）摘 要：为充分利用电池储能在辅助火电机组二次调频中的优势，对电池储能参与火电机组二次调频的设计方案进行设计与优化。
以山东某电厂为例，针对储能系统在二次调频方面的优势，分析储能辅助火电机组二次调频的过程和原理，在此基础上对电池储能辅助该火电机组二次调频的建设方案进行了设计。
文中分析了控制策略对二次调频效果的影响，选取基于区域控制偏差（Area Control Error，ACE）信号的控制策略。
根据政策文件对项目的收益进行了分析，证明该设计方案可以大幅提高二次调频性能，且经济性良好。
关键词：储能电池；二次调频；控制策略；补偿收益0 引言随着近些年风电和光伏等新能源接入电网容量的迅速增加，其间歇式发电的特性导致电网对调节容量的需求增加，而新能源发电自身又不具备参与频率调节的功能，原有传统机组则需要承担这些新能源发电带来的调频任务。
以山东电网为例，目前电网二次调频主要依靠火电机组。
火电机组具有响应时滞长、机组爬坡速率慢的特性。
如果频繁进行大范围的调节，一方面会对机组设备造成影响，不利于机组的稳定和经济运行；另一方面，机组进行的超低排放改造也在一定程度上限制了火电机组的调节速率，降低了调节性能。
电化学储能电池系统辅助火电机组进行二次调频，具有响应时间短（<100ms）、调节速度快（空载至满载的调节时间<20ms）、调节精度高的特点。
储能辅助火电机组二次调频既可以提高火电机组调节性能，也能显著减少电网所需调频备用容量。
而且由于电池储能系统响应速度快、运行灵活，可以在满足系统调频需求的同时产生动态效益。
本文针对电池储能辅助火电机组二次调频的特性，基于山东省某火力发电厂储能调频项目，研究储能辅助火电机组二次调频的配置、控制及工程建设方案，并对其经济性进行分析。
储能参与调频的控制策略
储能参与调频的控制策略引言：随着新能源发电装机容量的不断增加，新能源发电的波动性也越来越明显，调频能力的需求也日益增加。
储能作为一种灵活的能量储存方式，可以有效地解决新能源发电的波动性问题，并参与到调频市场中。
本文旨在探讨储能参与调频的控制策略，包括储能的应用场景、调频控制策略选择、提高储能参与调频的效果等方面。
一、储能的应用场景储能作为一种灵活的能量储存方式，可以在多个应用场景中进行调频控制。
主要包括以下几个方面：1. 新能源发电平滑输出：储能可以通过吸纳多余的新能源发电并在需要时释放出来，从而实现新能源发电平滑输出，提高供电可靠性。
2. 调度储能响应频率：当系统频率发生变化时，储能可以快速地响应并注入或吸收电能，从而调整系统的频率，提高电网的稳定性。
3. 无功补偿：储能可以对电网进行无功补偿，控制无功功率的流动，提高电网的功率因数和电压质量。
4. 负荷调节：储能可以根据电网和用户的需求，通过充放电实现对负荷的调节，平衡电力供需关系。
二、调频控制策略选择储能参与调频需要选择合适的控制策略。
主要的控制策略有两种：1. 基于功率的控制策略基于功率的控制策略是通过控制储能系统的充、放电功率实现对电网频率的调节。
具体包括以下几个方面：- 频率短期偏差：当系统频率发生变化时，储能可以根据频率的偏差大小来控制其充放电功率，从而调节系统的频率。
- 频率功率均衡：储能可以根据系统频率的变化情况，通过充放电的功率调整，使得系统频率尽量接近基准频率，并保持一个合理的功率均衡。
- 跟网技术：储能可以通过跟网技术实现对电网频率的调控，具体包括速率上升、速率下降等。
这样可以有效地减缓频率的变化速度，提高电网的稳定性。
2. 基于状态的控制策略基于状态的控制策略是通过控制储能系统的状态（电流、电压、SOC等）来实现对电网频率的调节。
具体包括以下几个方面：- 频率-状态一体化：储能可以根据系统频率的变化情况和储能系统的状态信息，通过状态调整来控制电网频率，实现频率和状态的一体化。
储能电池参与电力系统二次调频控制策略研究
储能电池参与电力系统二次调频控制策略研究随着风力和光伏发电等新能源发电大规模并网,其弱惯性、波动性和不确定性对电网安全与稳定运行带来了一系列影响,常规调频机组爬坡速率低、响应速度慢等固有缺陷已经难以满足电网的调频需求,引入更加优质的调频资源来提高电网调频能力具有迫切的现实工程意义。
近年来,以电化学电池为代表的储能电池技术迅速发展,其在电力系统中的规模化应用正在快速增加。
由于电池储能电源快速响应、精确跟踪的特性,配合常规调频机组参与电网调频可以有效改善系统调频效果。
本文在系统地总结储能电池参与电网二次调频研究现状、明确其存在的主要问题的基础上,围绕储能电池辅助常规火电机组参与电网二次调频,在控制方式、仿真模型、出力设计、控制策略四个方面展开研究。
从电力系统频率调整的原理出发,阐述了电力系统负荷及常规电源的频率特性;基于常规机组二次调频过程的分析,对储能电池参与电网二次调频的控制方式进行选择与论证,构建了储能电池参与电力系统二次调频的控制框图。
分析了当前常用的储能电池仿真模型及其特点、电网二次调频的功率需求特点和储能电池参与二次调频的出力特征,论述了适用于二次调频的仿真模型要求及常用电池储能电源模型存在的主要问题;在剖析电池储能电源的内部结构组成及其参与二次调频的内在协调响应过程的基础上,提出了满足电网调频要求的电池储能电源等效仿真模型,进而构建了含电池储能电源的两区域互联电网频率响应模型。
为了解决电网调频需求和储能电池恢复需求之间的协调配合问题,实现储能电池和常规机组的优势互补,在研究电网区域控制偏差(area control error,ACE)与调频剩余容量关系的基础上,将储能电池运行状态划分为自恢复工况、调频工况和综合工况三种典型工作模式;利用Logistic回归函数的特性,提出了一种电池储能电源辅助火电机组参与二次调频的综合控制策略,实现了储能电池调频出力自适应调整和电池自恢复需求的有机统一,即提高了储能电池容量利用率,又能够有效改善调频效果。
探析储能系统参与电网调频控制技术
设计应用探析储能系统参与电网调频控制技术黄婕（长沙航空职业技术学院，湖南长沙目前，储能系统参与电网调频控制是其继调峰之后非常具有潜力的发展方向，但传统的调频控制技术已经无法促进储能系统的高效运行，其作用远远达不到预期的目标。
基于这一情况，多角度分析了储能系统参与电网调频控制的相关问题，为电网调频控制技术的发展，为电力行业的进步提供一定的帮助。
Research on Energy Storage System Participating in Power Grid Frequency ModulationControl TechnologyHUANG JieChangsha Institute of Aeronautical Technology，Changshaenergy storage system’s participation in power grid frequency modulation control is a potentialbut traditional frequencypromote the efficient operation of energy storage system，its role is far from the expected goal.Based on this situation· １７２ ·一、二次调频控制信号一、二次调频机组出力（p u ）一次调频控制信号：f一次调频机组二次调频机组0.0350.0250.015-0.005-0.0050.020-0.02-0.04-0.06-0.08二次调频控制信号：ACE（a）控制信号050100150200050100150200（b）机组出力t/st/s图1 调频应用控制信号及机组出力对于这个问题，可以通过如下方式进行处理。
首先，在完成一次调频动作之后对二次调频进行屏蔽。
其次，在二次调频计算中纳入一次调频量，也就是在协调控制系统中直接在机组的负荷设定中加入一次调频的调节量。
基于模糊控制和SOC自恢复储能参与二次调频控制策略
CUI Hongfen1, YANG Bo1, JIANG Ye2, TAN Zhuangxi2, CUI Dai3, LI Peiqiang2 (1. China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Nanjing 210003, China; 2. Hunan University, Changsha 410082, China;
3. State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd., Shenyang 110000, China)
Abstract: Through the analysis of advantages and disadvantages of ACE signal and ARR signal based on battery energy storage participating in AGC, an integrated control method is proposed and the timing and depth of switch are also defined. That is when the system frequency being deteriorated, the|f | is large, according to the fuzzy control theory, smoothing the output depth of the energy storage battery is based on the SOC. When the system is in good condition and the |f | is small, to make full use of the remaining capacity of traditional generator in secondary frequency regulation, the storage need doing self adaptive modification of SOC. With the definition of the evaluation indicators, it uses Matlab/Simulink to participate in the secondary frequency regulation of energy grid and selects a typical continuous disturbance in simulation. Compared with the traditional strategy, the results show that the proposed method has advantages in terms of reducing the frequency deviation and steady frequency deviation. Compared to the ARR-based control method, the capacity and power requirements of the energy storage battery are smaller; compared to the ACE-based control method, the frequency modification effect is better and the utilization rate of the conventional generator is higher. This control strategy can promote the secondary frequency regulation ability.
储能参与电网二次调频控制策略仿真分析
储能参与电网二次调频控制策略仿真分析
常青青
【期刊名称】《电工技术》
【年(卷),期】2024()2
【摘要】“碳达峰、碳中和”目标下,可再生能源在一次能源中的占比日益增大。
应用大规模储能系统参与电网辅助调频将有效解决可再生能源大规模并网带来的频率波动问题。
首先建立了参与调频的储能模型并在此基础上搭建了含储能系统的电网调频模型,接着提出了一种基于模糊控制的计及ACE和储能电池SOC的控制策略,最后在MATLAB中搭建了仿真模型并分别在阶跃扰动和连续随机扰动工况下验证了所提控制策略的可行性。
【总页数】4页(P66-68)
【作者】常青青
【作者单位】国网滨海县供电公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM727
【相关文献】
1.基于灵敏度分析的储能电池参与二次调频控制策略
2.规模化储能参与下的电网二次调频优化控制策略
3.考虑调频死区与荷电状态的储能参与电网一次调频控制策略
4.储能参与百色区域电网AGC调频仿真分析
5.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
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V2G参与电网调峰和调频控制策略研究的开题报告
V2G参与电网调峰和调频控制策略研究的开题报告一、研究背景及意义：随着电力系统规模不断扩大和分布式可再生能源的迅猛发展，电力市场已从传统的中央控制向去中心化、市场化方向发展。
未来电力系统将面临着更多的挑战：能源的大规模储存，智能化的需求响应以及更高精度的发电与负荷预测等方面。
为了解决电力系统中的问题，电动汽车作为新兴的储能设备，成为了一个有潜力的解决方案。
在电动汽车的大规模普及过程中，车辆对于电力系统而言成为了一个集中的储能装置。
在车辆停放的时候，它们的电池可以和电网进行双向充放电，这个被称作V2G技术。
V2G技术正成为电力系统中一个重要的控制策略，可以提供灵活的解决方案，使电力系统变得更加智能化、可靠、高效。
V2G技术可以将车辆电池作为储能装备用于电力系统中使用。
当电力系统需要调节负荷时，通过发送信号，V2G技术可以控制车辆的充放电操作。
车辆可以将储存的电量向电网销售或者从电网购买电量。
这将使车辆在整个电网中发挥作用，为双方提供更多的灵活性和收益。
二、研究内容：1. V2G技术与电力系统调峰、调频的关系2. 基于V2G技术的电力市场3. V2G参与电网调峰、调频控制策略4. 电动汽车出行行为对于V2G及电力系统的影响针对以上研究内容，具体进行以下研究：1. 研究V2G技术与电力系统调峰、调频的关系，探讨V2G技术可以为电力系统提供哪些价值，如何在调峰、调频方面发挥作用。
2. 研究基于V2G技术的电力市场，分析电动汽车对于市场的影响，对于电力市场的规划和运营提出具体建议。
3. 研究V2G参与电网调峰、调频控制策略，研究V2G技术如何参与电网调峰、调频，探讨V2G技术的可行性和实用性。
4. 研究电动汽车出行行为对于V2G及电力系统的影响，探讨车辆停放时间、路线规划等因素如何影响V2G技术的应用效果，为实现V2G技术的最大化提供精准的建议。
三、研究方法：1. 文献研究方法。
对于V2G技术与电力系统调峰、调频的关系、电力市场规划和运营等需在相关领域内进行前期研究，对于已有的相关文献进行整理与分析，对于V2G的复杂性，筛选出最有价值的文献并具体分析。
储能辅助电网参与调频的控制策略研究
第41卷第2期Vol.41㊀No.2重庆工商大学学报(自然科学版)J Chongqing Technol &Business Univ(Nat Sci Ed)2024年4月Apr.2024储能辅助电网参与调频的控制策略研究黄㊀荣,郭家虎安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南232001摘㊀要:目的研究储能电站在风光发电情况下保持电力系统稳态的调节原理与方法,并在此基础上设计了一种虚拟同步发电机三级模型用有源支持控制方式辅助火电机组维持电网频率稳定的主动支撑控制策略㊂方法利用储能电池快速响应的特性,建立储能系统,对储能换流器的控制进行改进,在传统的控制架构的基础上改进为在电压中加入虚拟阻抗的外环调节器和基于准PR 控制器的电流内环控制,深入分析控制策略的原理和同步发电机的对应关系㊂结果随着新能源渗透率越来越高,在储能电站并网参与频率调节的情况下,频率波动的次数变少㊂结论控制方法可以给新能源发电系统带来一定的惯性和阻尼,从而增强了系统的稳定性,并且证明了储能电站参与电网调频的必要性和可实施性,为储能电站的分布和储能电池的容量配置提供了一定的实际的参考意义㊂关键词:主动支撑;虚拟同步发电机;储能系统;储能换流器中图分类号:TM743㊀㊀文献标识码:A ㊀㊀doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2024.0002.002㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-11-07㊀修回日期:2023-03-15㊀文章编号:1672-058X(2024)02-0009-09基金项目:电力传输与功率变换控制教育部重点实验室开放课题资助(2020AC01).作者简介:黄荣(1997 ),男,安徽宿州人,硕士研究生,从事储能研究.引用格式:黄荣,郭家虎.储能辅助电网参与调频的控制策略研究[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2024,41(2):9 17.HUANG Rong GUO Jiahu.Research on the control strategy of energy storage system assisting grid in regulating frequency J .Journal of Chongqing Technology and Business University Natural Science Edition 2024 41 2 9 17.Research on the Control Strategy of Energy Storage System Assisting Grid in Regulating Frequency HUANG Rong GUO JiahuSchool of Electrical and Information Engineering Anhui University of Science &Technology Anhui Huainan 232001 ChinaAbstract Objective The regulation principles and methods of energy storage power plants to maintain the steady state of the power system in the case of wind and solar power generation were investigated and on this basis an active support control strategy of virtual synchronous generator three-level model assisting thermal power units to maintain the frequency stability of the grid with active support control was designed.Methods Using the characteristics of the fast response of energy storage batteries an energy storage system was established to improve the control of the energy storage converter.The conventional control architecture was improved by adding an outer-loop regulator with virtual impedance in the voltage and introducing a current inner-loop control based on a quasi-PR controller.The principle of the control strategy and the correspondence of the synchronous generator were analyzed in depth.Results With the increasing penetration of new energy into the grid the number of frequency fluctuations becomes less when energy storage power stations are connected to the grid to participate in frequency regulation.Conclusion This control method can bring a certain amount of inertia and damping to the new energy power generation system thereby enhancing the stability of the system.It also provides the necessity and feasibility of energy storage stations participating in grid frequency modulation and provides a certain practical reference significance for the distribution of energy storage stations and the capacity allocation of energy storage batteries.Keywords active support virtual synchronous generator energy storage system energy storage converter1㊀引㊀言最近几年,随着全球经济的快速发展,与之相伴的全球气候变暖㊁传统能源匮乏等问题也愈演愈烈[1-2],在此背景需求下,风能㊁光能等可再生能源受到了广泛重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷的关注,为降低环境污染等问题带来的影响,传统的发电机组逐渐被新能源所代替,由于其具有波动性等特点,虽然缓解了传统能源稀缺等问题,但也对电网的稳定运行带来了挑战㊂由于新能源渗透率越来越高,而新能源无法直接并网,需要通过电力电子设备才能间接并网,但是设备不具备惯量等特性,从而为电网的稳定运行带来了挑战㊂储能系统应运而生,又因为传统机组其本身的内在的缺点,比如响应速度慢,输出精度低,设备容易磨损等,会降低其调频效果,而能量存储系统自身的特点是:响应速度快㊁跟踪精度高㊁能够实现能量的双向控制,所以在储能系统的辅助下火电机组参与调频的控制方法得到了广泛的应用[5-6]㊂储能系统是储能电池接入电网的关键设备,对于储能电池的控制策略并不是直接对电池进行控制,而是间接对储能电池并网所用到的电力电子设备进行控制,其控制方式主要有下垂控制(DROOP控制)和虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制等㊂其中VSG控制以模拟同步发电机的外部特征为主,将传统发电机的机械和电气的控制结构嵌入并网逆变器的控制算法中,改善储能换流器(Power Conversion System,PCS)的外特性[7-8]㊂文献[9]提出了以同步机三阶模型为基础的主动支撑控制策略,从而增强了储能变流器并网时暂态电压的稳定性,但是所提出的模型较为复杂,模拟的速度较为缓慢㊂文献[10]在VSG的基础上进行改进,利用VSG技术集成了储能系统自身的制约以及调频时虚拟惯量的变异特征,对控制参数进行了最优设计,并给出了最优的控制方法㊂但是对于储能系统只考虑了一台,与实际情况有一定偏差㊂文献[11]将二阶同步发电机的本体模型引入VSG控制模型中,并设计了VSG 的有功-频率㊁无功-电压功控制器,获得了能够实现一次调频调压,并具有同步发电机惯性的结果和VSG的阻尼算法,对于储能系统的多机并联没有考虑进去,与实际情况有一定的偏差㊂文献[12]利用Runge-Kutta 算法对VSG的瞬态稳定性进行了分析,提出从限制截断角度和其时间两方面进行优化,但计算比较繁琐㊂文献[13]对VSG技术在微电网中的应用进行研究,完成了VSG的机械方程㊁电磁暂态方程以及初级频率调压方程,并基于模型对VSG算法搭建了控制架构框图㊂文献[17]中的逆变器在并网的控制策略的基础上加入了模型预测,提高了电流的跟踪精度,使得弱电网实现平滑并网,但缺乏对于逆变器本身控制策略的改进㊂在上述理论的基础之上,根据同步发电机的数学模型,通过模拟其励磁控制原理及结构,并且与储能系统的VSG二阶模型相结合,建立起具有暂态电压调节过程的VSG的三阶模型,在VSG三阶模型的基础上,提出了一种以VSG三阶模型为基础,用于辅助火电机组维持电网频率以及并网电压稳定的主动支撑控制策略,从而使策略不但具备了调频的功能,同时也具有了调压的作用,增加了电力系统的惯量与阻尼特性,提高了系统的稳定性,改善了系统的频谱特征㊂2㊀基础原则2.1㊀同步发电机的工作原理2.1.1㊀有功-频率控制原理同步发电机的有功-频率控制原理主要是指在调速系统的作用下,通过改变进气量或者进水量,使得输出的机械功率和电磁功率相等,进而使得频率逐渐恢复到额定值,从而达到调频的目的[14]㊂同理,当负荷在某一时刻突然减少时,与上述操作相反,使得输入的机械功率减少即可,具体如图1所示㊂图1㊀同步发电机的有功-频率特性曲线Fig.1㊀The active-frequency characteristic curveof the synchronous generator曲线又被称为功率-频率静态特性曲线,由图1可知若发电机初始化运行a点,此时频率是f1,发电机输出的电磁功率为P1,则当负荷突然减少时,电磁功率减少,对应图中的点P2,频率升高为f2点,体现出了同步发电机的垂度调整控制特性,由此可以得同步发电机多用途的功频稳态方程:P0-P r=-K r(ω0-ωr)(1)其中:P0为额定机械功率,P r为发电机的电磁功率,K r 为频率调节系数,ω0为系统的额定角速度,ωr为系统当前的角速度㊂方程体现了当系统角速度或者频率发生变化时系统输出的有功功率也会随之变化㊂2.1.2㊀无功-电压控制原理电压同频率都是衡量电能质量的重要指标,要想维持电压恒定,就需要保证发出的无功功率等于在维持的某个电压消耗的无功功率,此时需要在发电机中加入无功-电压控制环节,也就是所谓的励磁控制器,进而维持端电压的稳定,从而达到调压的目的㊂如图2所示㊂01第2期黄荣,等:储能辅助电网参与调频的控制策略研究图2㊀同步发电机的无功-电压特性曲线Fig.2㊀Reactive -voltage characteristic curve of thesynchronous generator由图2可知,当发电机初始化运行在a 点,此时端电压为U 1,发电机输出的无功功率为Q 1,当系统中的负荷突然减少时,电压会增加至U 2,此时励磁电流减少,此时无功功率减少至Q 2,过程体现出了同步发电机的无功-电压特性,如式(2)所示:Q 0-Q r =-K b (U 0-U r )(2)其中:Q 0为额定无功功率,Q r 为实际的无功功率,K b 为该特性的下垂系数,U 0为发电机的额定电压,U r 为实际工作时的电压㊂2.1.3㊀相关三阶模型从文献[16]中可以得出三阶的同步发电机如下模型:u d =x q i q -r a i du q =E ᶄq -x ᶄd i d -r a iqpT ᶄd 0E q =E f -E ᶄq -(x d -x ᶄd )i d T J d ω/d t =T m -E ᶄq i q -(x ᶄd -x q )i d i q []d δ/d t =ω-1ìîíïïïïïïïï(3)其中:u d 为直轴的定子电压,u q 为交轴的定子电压,x q 为定子交轴绕组的标幺值,p =d /d t 为对时间的导数算子,i d 和i q 为直㊁交轴电流,T ᶄd 0为时间常数,ω为角速度,T m 为机械转矩,T e 为电磁转矩,δ为功角,E ᶄq 和E q 分别为交轴暂态电动势和稳态电动势,x ᶄd 和x d 分别为直轴瞬变电抗和同步电抗,r a 为定子各相绕组的电阻,E f 为定子励磁电动势,T J 为同步发电机组的惯性时间常数㊂2.2㊀VSG 的整体结构由于研究主要是利用VSG 技术对逆变器的控制策略进行优化,所以需要研究储能系统并入电网中的VSG 结构,以及在稳定状态下与同步发电机的等值电路的一一对应关系,具体如图3所示㊂图4通过比较储能系统并网变流器的主电路拓扑结构和稳态下的同步发电机等效回路,可以发现e a ㊁e b ㊁e c 为PCS 的中点电压,模拟同步发电机的电势E q ,r 1为等效电阻,L 1为滤波电感,分别相当于同步发电机的同步电感和定子电阻,u a ㊁u b ㊁u c 为电容电压,相当于同步发电机端电压U g ㊂通过二者的比较,发现了二者之间的相似和对应关系,为后续VSG 三阶模型的建立提供了可能㊂图3㊀稳态下的同步发电机等效回路Fig.3㊀Equivalent loop of synchronous generator in steadystate图4㊀储能系统通过VSG 技术并网结构模型Fig.4㊀Grid-connected structure model of energy storagesystem through VSG technology11重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷3㊀主动支撑控制策略的优化设计以VSG三阶模型为基础,结合储能系统保持电力系统的调频㊁调压能力的支撑控制策略,对同步发电机的外部特征进行了严格的模拟,使得储能电站的虚拟调速系统和虚拟励磁系统的时间尺度与同步发电机的调节时间尺度相一致,使得控制策略与传统锁相环的控制策略相比增加了主动性和抗干扰性,主要是因为PCS的功角控制不再依赖于电网的角速度㊂其模型包括虚拟励磁控制器,虚拟调速控制器,VSG三阶模型以及底层控制模型㊂3.1㊀储能电站模型构造在提出储能电站的控制策略之前,首先要对其进行分析,建立相应的模型㊂所谓电站就是首先将a个储能电池串联,形成一个电池模块,再将b个电池模块串联构成一个电池柜,再将m个电池柜并联构成一个存储系统,最终并联n个储能系统便构成一个存储电能的电站,所以对于储能电站的模型构建实际上就是对储能电池模型的构建㊂对于储能电池的选择多种多样,主要以铅酸电池和锂电池为主,由于铅酸电池的寿命较短,体积较大,而锂电池具有效率高,循环寿命长且无污染等特点,使得锂电池更具有发展前景,因此选择锂电池进行研究,阐述储能电池模型构造㊂在进行调频时,储能系统的调频的一般模型不能反映出其内部的调频特征㊂并不适用于调频,为了解决这一问题,国外开始逐步采用戴维南等效电路模型,模型又分为Ⅰ型和Ⅱ型,Ⅰ型虽然解决了上述问题,但是电网调频不能将其输出模式与其状态相关联,也不能应用于电网频率调整,而Ⅱ型在蓄电池中,电流被用来作为一个控制信号,并且考虑了蓄电池中的SOC对开路电压的影响,便可解决Ⅰ型带来的问题,其戴维南等效电路模型Ⅱ型如图5所示㊂图5㊀储能电池戴维南等效电路模型(Ⅱ型) Fig.5㊀Thevenin equivalent circuit model of energystorage battery(typeⅡ)由图5可以看到左侧图形体现出了储能电站的荷电状态SOC随时间的变化,其中C1为可用的剩余容量,R1为自动放电的电阻,U1为目前的荷电状态,反映出了右侧电路上储能电池的电压和荷电状态之间的关系,U2为开路电压,U3就是储能电池的电压,R2为电池自身的电阻,R3为储能电池由于不断的充放电而形成的电阻,而R4,R5,C2和C3分别是电阻电容网络中短时和长时响应支路电阻和响应支路电容㊂综上所述,便可得到储能电池参与调频的等效模型框图,如图6所示㊂Ib13600sC4S O C-Ua b R1m n1/C5a b R5m n+s m n R5C3a b R3m n+s m n R3C2U2U3P图6㊀储能电池调频模型框图Fig.6㊀Block diagram of energy storage battery frequencymodulation model如图6所示,其中C4为储能电池一开始的容量,C5为储能电池的额定容量㊂除了储能电池的荷电状态与其二端电压密切相关外,电池内部的其他参数也与之密切相关,这些参数会影响其二端电压,进而影响储能电池的具体出力情况㊂而要想对这些参数进行细致的了解,就要做一个能量存储单元的充电和放电试验,然后进行相应的数学运算,对参数进行拟合,详见文献[16],储能电池的开路电压与其荷电状态的关系以及其他参数与SOC的关系公式和锂电池模型的相关参数均在文献[16]有了详尽的描述,在此不再赘述㊂综上所述便可以得到辅助电网参与调频的储能电池模型㊂3.2㊀虚拟激励调节器VSG的虚拟激励系统主要是模拟同步机的激励系统,也就是模拟同步发电机无功-电压特性,所谓无功电压特性就是指无功功率与电网输出电压的下垂关系,并且体现了励磁电流与无功功率的关系,其公式如下:(U m-U r)ˑK e1+sTe=Δu(4)21第2期黄荣,等:储能辅助电网参与调频的控制策略研究其中:U m为逆变器输出电压的值,U r为逆变器输出电压的给定值,Δu为励磁电压的变化量,且其与强制空载电动势E qe呈线性关系,因此E qe=K fˑu(5)K f=x a r f(6)其中:K f为下垂系数,x a为直轴绕组电抗,r f为绕组电阻㊂由式(4) 式(6)可得控制器的框图,如图7所示㊂图7所示的控制框图以逆变器的输出口电压的参考值和其测量值的差值作为该控制器启动调压服务的输入信号,减少了无功功率偏差量的输入,实现了直接调压的过程,抑制了储能电站并网点的暂态电压的波动㊂图7㊀虚拟励磁控制器框图Fig.7㊀Block diagram of the virtual excitation controller 3.3㊀虚拟速度调节器VSG的虚拟调控制器主要是对同步发电机的有功-频率特性进行仿真,从而在调频中实现了对功率的分摊,使储能设备具备了辅助火电机组参与电网调频的能力,参照式(1),那么虚拟调速系统模型可以表达为P ref-P b0=K m(ωr-ωm)(7)其中:P ref代替了机械功率,为储能电池输出功率的给定值,P b0代替了电磁功率,为其输出的功率,K m为有功-频率的下垂系数,ωr为角频率的参考值,ωm为电网的角频率实时值,则上述控制框图如图8所示㊂图8㊀虚拟调速控制器框图Fig.8㊀Block diagram of the virtual speed control controller 与此同时在上述控制器框图的基础上加入储能电站的调频死区,并且加入SOC的修正曲线,通过修改功频比例系数,避免能量储存电池的反复充㊁放电,缩短其使用寿命㊂3.4㊀基于VSG的三阶模型由式(3)以及VSG二阶模型,再加入暂态调压过程,进而可以得到基于VSG的三阶模型:2H dΔωd t=P m-P e-DΔωdδd t=ω0ΔωTᶄd0d Eᶄqd t=E qe-Eᶄq-i d(x d-xᶄd)ìîíïïïïïïïï(8)其中:H为虚拟惯量,代替了同步发电机的惯性时间常数T J,D为负荷阻尼常数,Δω为标称旋转速度与真实旋转速度之差,P m为虚拟机械功率,代替同步发电机的机械转矩,P e为虚拟电磁功率,代替同步发电机的电磁转矩,而强制空载电动势E qe代替了同步发电机的定子励磁电动势㊂该三阶模型再结合虚拟调速控制器便得到了VSG 的有功-频率控制框图,如图9所示㊂图9㊀VSG功率—频率调节框图Fig.9㊀Block diagram of VSG power-frequency regulation 3.5㊀VSG的底层控制器对于VSG的底层控制器主要分为两部分,分别是电压和电流环控制㊂3.5.1㊀电压外回路中加入虚拟阻抗的控制器为使VSG具备与同步发电机相同的电性能,所以引出了电压外环控制器,与此同时,为了有功和无功功率环之间的解耦,方便相关参数的整定,于是在该控制器处引入一个虚拟阻抗L2,综上所述,可以得到改进的电压外环控制框图,如图10所示㊂图10㊀引入虚拟阻抗的电压外环控制框图Fig.10㊀Block diagram of the voltage outer loop controlwith introduction of virtual impedance3.5.2㊀基于准PR控制器的电流内环控制器本文所要达到的,不仅仅是精确地跟踪电网的额定频率,即使出现了一些细微的改变,也要进行相应的控制㊂而理想PR控制器只能对指定的频率处的传递函数进行放大,其他频率处的增益效果很低,所以引出了基于准PR控制器的电流内环控制,它的传递函数如式(9)所示:31重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷A PR(s)=k p+2k rω1ss2+2ω1s+ω22(9)其中:k p和k r为PI控制器中的共振系数,ω1为截流频率,ω2为共振频率㊂针对各种系数的选择,可以与伯德图相联系来做特定的分析[10],采用控制变量法,在保证相关参数不变的情况下,只让一个参数进行相关的变化,从而进一步得到随着谐振系数的增大,系统谐振点的增益明显扩大,但其带宽不变,使系统的响应速度加快,进而可以使得搭建的仿真更加切合实际,但是谐振系数也不可能无限扩大,首先就是成本的问题,其次如果谐振系数过大,对于电力系统高次谐波的滤除非常困难,当然,如果谐振系数过小也不行,会对电力系统的低次谐波具有一定的放大作用,因此需要不断的试错,进一步获得更为合适的值;而当比例系数增加时,系统功率的总增益增加,但系统带宽保持不变,以及共振点的相位差显著地降低了,对于功率的准确控制也会产生一定的影响因此也需要不断的试错,进一步获得更为合适的值,再结合LC滤波器的传递函数便可得到改进的电流内环控制框图,如图11所示㊂图11㊀基于准PR控制器的内回路电流控制框图Fig.11㊀Block diagram of inner loop current controlbase on quasi PR controller其中A F(s)=1(L1s+R)(10)4㊀实验仿真与分析为检验上所述控制策略是否正确,是否有效,在PowerFactory模拟软件中,建立了一个光伏存储装置,如图12所示电力联运系统,其中光伏逆变器的面板数设为2800个,额定视在功率100MVA,有功功率设为291kW,次暂态短路水平500kVA,K系数为2,最大电流为1p.u.,最小运行电压的开启阈值和关闭阈值分别是0.1p.u.和0.01p.u.,开关闭合延时设置为1s㊂而对于储能系统并联了6个储能单元,其额定视在功率设置为10MVA,有功功率为1MW,无功功率为0.03Mvar,对于暂态时间常数和次暂态时间常数分别设置为1.2s和0.03s,与光伏发电系统的时间常数一致;储能系统的最小运行电压的关闭阈值设置为0,开启阈值设置为0.1p.u.,时间延迟忽略不计,对于电力系统发生扰动或者故障时,储能系统可以迅速做出相应的响应,从而维持电力系统的频率稳定㊂对于储能系统电流控制器的d轴和q轴的比例增益以及时间常数默认为0.1s和0.01s,与光伏发电系统的d轴和q 轴的比例增益以及时间常数一致㊂端点外部电网线路线型（1）A Cb u sL o a d2L o a d1光伏P VP a n静态发电机变压器变压器端点（2）B E S S图12㊀光伏储能并网供电系统Fig.12㊀Photovoltaic energy storage and grid-connectedpower supply system4.1㊀仿真算例1为验证这种改良的主动支撑控制方法的正确性与有效性,在IEEE39节点系统上进行仿真,提供了主动支撑控制策略实施的背景,主要是考率新能源的渗透率,如风电站和光伏发电站,对于风电站中的风机主要以双馈风电机为主,具体的双馈风电机的控制框架如图13所示㊂由于采用的仿真软件对于风机的功率封装是固定的,无法通过实时改变功率来控制风电站的功率输出,主要是通过改变风速来实时改变功率的输出㊂对于光伏发电站的一个控制框架具体如图14所示㊂对于光伏电机的功率控制,主要考虑了太阳辐射和温度,二者是光伏发电站输出功率的主要因素㊂在IEEE39节点系统中分别在母线1和母线16处设置了一座风电站和光伏发电站,两座风电站的并联机器数都是设为100台㊂然后在不考虑发电厂的调频作用,以及负荷自带的调频作用,观察所有光伏发电站和风电站运行时,系统的频率变化,具体如图15所示㊂41第2期黄荣,等:储能辅助电网参与调频的控制策略研究F r a m e D F I GG e n e r i c :M e c h a n i c sP i t c h C o n t r o l E i m D s l *w i n d s p e e d be t a s p e e dT u r b i n eE i m D s l *vw p wS h a f tE i m D s l *p tS p e e d R e fE i m D s l *E l e c t r o n i cD F I GE i m A s m *s p e e d _r e fM P TE i m M p t *S p e e d -C t r lE i m D s l *S l o w F r e q u M e a s E i m P h i *V a c _g e n S t a V m e a *V a c _b u s S t a V m e a *u:u g r :u g i P r o t e c t i o n E i m P r o *d u d _s y n c h :d u q _s y n c h Fm e a s P Q _t o tS t a P q m e aO v e r F r e qP w r R e d u c i o n E i m D s l *P r e fl r o tP QC o n t r o l E i m P Q *u s r ;u s ip s i r _r ;p s i r _ic o s p h i r e f ;s i n p h i r e f c o s p h i m ;s i n p h i mi d i qC o m p e n s a t i o n E i m C o mp c t r l ;q c t r l i r _c t r l *P t o ti r d _r e f ;i r q _r e fT h e t a m e a s .E i m P h i *i r d ;i r qc o s p h i u ;s i n p h i uu d oC u r r e n tM e a s u r e m e n t *图13㊀双馈风电机的控制框架Fig.13㊀Control frame of DFIG -based wind turbine systemF r a m e P VS y s t e m :U a r r a yS o l a r R a d i a t i o nE i m D s iT e m p e r a t u r eE i m D s iP o w e r M e a s u r e m e n tS t a P q m e aP h o t o v o l t a i c M o d e lE i m D s i S l o wF r e q u e n c y M e a s u r …E i m P h i *E _i n 01;E _i n 02;E _i n 03;E _i n 04;E _i n 05;E _i n 0Et h e t aM e a s u r e m e n t S o l a r R a d i a t i o nE i mF i l eM e a s u r e m e n t T e m p e r a t u r eE i mF i l eT _i n 01;T _i n 02;T _i n 03;T _i n 04;T _i n 05;T _i n 0123l a r r a y1P _c o n vD C B u s b a r a n d C a p a c i t o r M o d e lE i m D s iv d c r e fA C V o l t a g eS t a V m e aA c t i v e P o w e r R e d u c t i o nE i m D s iu a cp r e dP h a s e M e a s u r e m e n t …E i m P h i *C o n t r o l l e rE i m D s i00110123i d _r e f i q _r e fs i n r e f ;c o s r e f2S t a t i c G e n e r a t o rE i m G e n s t a t ,E i m P …图14㊀光伏电机的控制框架Fig.14㊀Control frame of photovoltaic motor50.0049.9549.9049.8549.8049.7549.70020406080100G05:电频率频率/H zt /s图15㊀系统频率的变化Fig.15㊀Changes in system frequency由图15可以看出,在忽略负荷变化时,仅仅是因为风电站和光伏电站的并入,就导致了整个系统的频率变化,可见在新能源高渗透率的情况下,当系统的频率变化的不稳定时,增加电力系统的稳定性是大势所趋,储能电站辅助电网调频势在必行㊂在上述的开关事件㊁负荷扰动事件以及高比例新能源渗透率的情况下,进行仿真,观察储能系统在5s和10s 时,储能系统的动作响应,如图16所示㊂图16可以看到,储能系统在开关事件和负荷扰动事件发生时,上述控制策略控制储能系统迅速做出响应,充分发挥了储能电池的快速充放电特性,为电力系统的调频51重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷稳压奠定了基础㊂1312111098765B E S S :有功功率24681012141618202224条形图功率/M Wt /s图16㊀储能系统的出力Fig.16㊀Output of the energy storage system4.2㊀仿真算例2在上述所建模型和控制策略的基础上,对此进行了改进,主要是对虚拟同步发电机底层控制进行了优化和改进,为了让仿真速度加快,更适用于实际应用场景,所以对上述模型进行了简化,为了验证上述控制策略的正确性㊁有效性以及优越性,在仿真的5s 时,在交流母线处设置了开关事件,事件是PowerFactory 自带的开关事件,与此同时为检验以上所述控制策略是否正确,是否有效,又在仿真的10s 处设置了负荷事件,其有功功率比例阶跃负荷设置为20%,具体的仿真图形如图17所示㊂50.00049.99549.99049.98549.9849.97549.97049.96549.960A C b u s :电频率24681012141618202224条形图频率/H z t /s图17㊀交流母线处的实测频率Fig.17㊀Measured frequency at the AC bus由图17可得,对VSG 底层控制的优化和改进,不仅使得储能系统在开关事项和负荷扰动事件发生时,更加迅速地做出响应,而且保证了系统频率偏差在0.2Hz 以内,保证了系统频率的稳定性,证明了该优化控制策略的有效性㊂5㊀结㊀论针对高比例新能源发电,如光伏㊁风电的并网,进而导致的一系列调频问题,提出了基于VSG 三阶模型的改进的主动支撑控制策略,结论如下:(1)对同步发电机的基本原理进行了详尽的介绍,与此同时,将其与VSG 控制策略进行比较,在此基础上说明了VSG 的技术的可行性和必要性㊂(2)在 双碳 目标提出的背景下,随着新能源渗透率的持续增加,电网的频率调节压力也在增加,并且因为低惯性的特性,导致电力系统的稳定性,也越来越差,从而引出了储能系统的加入势在必行㊂(3)基于VSG 三阶模型的改进的主动支撑控制策略的提出,并对其模型进行了搭建,充分证明了策略对储能系统的控制作用,充分发挥了储能系统的快速充放性,改善了电力系统的频率质量,提高了储能电站并网的调频稳压能力㊂(4)通过在IEEE39节点中根据各个省市的电网情况,如风电站的分布,光伏发电站的分布,以及发电厂的分布,在该系统上进行严格的模拟,进一步可以得到高比例新能源渗透率的情况下,风电站和光伏发电站在并网时,对整个电力系统的频率的实时的影响,以及对于储能电站的分布和储能电池的容量配置都具有一定的参考意义㊂参考文献 References1 ㊀史立山.构建适应可再生能源资源特点的新型电力体系J .电网与清洁能源 2009 25 4 1 4.SHI Li-shan.Building a new power system adapted to thecharacteristics of renewable energy resources J .Power Grid and Clean Energy 200925 4 1 4.2 ㊀闫晓霞 张金锁 邹绍辉.我国可耗竭能源资源最优开采模型研究 J .中国管理科学 2016 24 9 81 90.YAN Xiao-xia ZHANG Jin-suo ZOU Shao-hui.Research onthe optimal exploitation model of depletable energy resources in China J .Management Science in China 2016 24 981 90.3 ㊀吕志鹏 盛万兴 钟庆昌 等.虚拟同步发电机及其在微电网中的应用 J .中国电机工程学报 2014 34 16 2591 2603.LV Zhi-peng SHENG Wan-xing ZHONG Qing-chang et al.Virtual synchronous generator and its applications in micro grid J .Proceedings of the CSEE 2014 34 16 259161。
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储能电池参与电力系统二次调频控制策略研究随着风力和光伏发电等新能源发电大规模并网,其弱惯性、波动性和不确定性对电网安全与稳定运行带来了一系列影响,常规调频机组爬坡速率低、响应速度慢等固有缺陷已经难以满足电网的调频需求,引入更加优质的调频资源来提高电网调频能力具有迫切的现实工程意义。
近年来,以电化学电池为代表的储能电池技术迅速发展,其在电力系统中的规模化应用正在快速增加。
由于电池储能电源快速响应、精确跟踪的特性,配合常规调频机组参与电网调频可以有效改善系统调频效果。
本文在系统地总结储能电池参与电网二次调频研究现状、明确其存在的主要问题的基础上,围绕储能电池辅助常规火电机组参与电网二次调频,在控制方式、仿真模型、出力设计、控制策略四个方面展开研究。
从电力系统频率调整的原理出发,阐述了电力系统负荷及常规电源的频率特性;基于常规机组二次调频过程的分析,对储能电池参与电网二次调频的控制方式进行选择与论证,构建了储能电池参与电力系统二次调频的控制框图。
分析了当前常用的储能电池仿真模型及其特点、电网二次调频的功率需求特点和储能电池参与二次调频的出力特征,论述了适用于二次调频的仿真模型要求及常用电池储能电源模型存在的主要问题;在剖析电池储能电源的内部结构组成及其参与二次调频的内在协调响应过程的基础上,提出了满足电网调频要求的电池储能电源等效仿真模型,进而构建了含电池储能电源的两区域互联电网频率响应模型。
为了解决电网调频需求和储能电池恢复需求之间的协调配合问题,实现储能电池和常规机组的优势互补,在研究电网区域控制偏差(area control error,ACE)与调频剩余容量关系的基础上,将储能电池运行状态划分为自恢复工况、调频工
况和综合工况三种典型工作模式;利用Logistic回归函数的特性,提出了一种电池储能电源辅助火电机组参与二次调频的综合控制策略,实现了储能电池调频出力自适应调整和电池自恢复需求的有机统一,即提高了储能电池容量利用率,又能够有效改善调频效果。
在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型,分别就短时阶跃扰动和长时连续扰动2种负荷变化场景,对电池储能电源辅助常规火电机组参与电网二次调频进行仿真实验,检验了本文所提出的仿真模型和控制策略的正确性与有效性。