電池儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)控制策略

———電池儲(chǔ)能電源參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)控制策略湖南高校電氣與信息工程學(xué)院、國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司長(zhǎng)沙供電分公司的討論人員李欣然、崔曦文、黃際元、黎淑娟、孟婭，在2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，考慮電網(wǎng)頻率特性，提出一種基于虛擬慣性和虛擬下垂動(dòng)態(tài)結(jié)合的電池儲(chǔ)能電源參加電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)掌握策略。

通過(guò)分析儲(chǔ)能電源虛擬慣性和虛擬下垂兩種掌握策略對(duì)頻率特性的影響，提出一種可隨頻率偏差值和頻率偏差變化率變化而自動(dòng)調(diào)整兩種調(diào)頻模式參加調(diào)頻的安排比例系數(shù)的模型，此模型可實(shí)現(xiàn)這兩種掌握策略的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)兩種調(diào)頻模式的平滑切換，可有效地避開掌握模式直接切換時(shí)引起的二次擾動(dòng)。

基于此模型提出電池儲(chǔ)能電源參加電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)掌握策略，結(jié)合調(diào)頻評(píng)估指標(biāo)，確定儲(chǔ)能電源的動(dòng)作深度，進(jìn)而得出儲(chǔ)能電源的功率和容量配置需求。

最終，分別以階躍擾動(dòng)工況和連續(xù)擾動(dòng)工況進(jìn)行驗(yàn)證，并與虛擬下垂和虛擬慣性直接切換的一次調(diào)頻掌握策略進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明所提掌握策略能以較小的儲(chǔ)能電源的容量配置來(lái)滿意調(diào)頻評(píng)估指標(biāo)要求并達(dá)到較好的調(diào)頻效果，同時(shí)可減小傳統(tǒng)機(jī)組的備用容量。

隨著化石能源的枯竭，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電快速興起，因其輸出功率具有波動(dòng)性和不確定性的特征，大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊，加大電網(wǎng)調(diào)頻壓力。因此，傳統(tǒng)調(diào)頻電源已不能滿意日益提高的電網(wǎng)調(diào)頻需求，電池儲(chǔ)能電源在電網(wǎng)調(diào)頻中的優(yōu)勢(shì)是當(dāng)今討論的熱點(diǎn)。

電池儲(chǔ)能電源運(yùn)用于幫助電網(wǎng)調(diào)頻，可充分發(fā)揮其動(dòng)作快速和調(diào)整方式敏捷的優(yōu)勢(shì)，不僅可顯著改善電網(wǎng)調(diào)頻性能，而且能夠有效減小傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)頻備用。在電池儲(chǔ)能電源幫助電網(wǎng)調(diào)頻的領(lǐng)域中，掌握策略是備受關(guān)注的理論與實(shí)際工程問(wèn)題，合理的掌握策略不僅能夠更好地發(fā)揮電池儲(chǔ)能電源的調(diào)頻效果，而且能夠有效地減小儲(chǔ)能電源的容量配置。

電池儲(chǔ)能電源幫助電網(wǎng)一次調(diào)頻的基本掌握策略有虛擬慣性掌握和虛擬下垂掌握，二者的調(diào)頻效果各有優(yōu)勢(shì)。前者可有效抑制最大頻率偏差變化率，緩解頻率下降的速度；后者則能有效減小穩(wěn)態(tài)頻率偏差。

有學(xué)者討論出儲(chǔ)能電源抑制風(fēng)電功率的機(jī)理模型，為其幫助電網(wǎng)調(diào)頻奠定理論基礎(chǔ)。

有學(xué)者基于模型猜測(cè)算法計(jì)算儲(chǔ)能出力來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng)。

有學(xué)者將儲(chǔ)能電源協(xié)作風(fēng)電機(jī)組參加微電網(wǎng)一次調(diào)頻，使風(fēng)電機(jī)組具有類似同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻力量，并建立以一次調(diào)頻備用成本最小為目標(biāo)的容量配置機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型。

有學(xué)者分析電池儲(chǔ)能電源以虛擬下垂調(diào)頻模式參加一次調(diào)頻后的荷電狀態(tài)（StateofCharge,SOC）特點(diǎn)，提出一種完成一次調(diào)頻后的儲(chǔ)能電池SOC重建策略，該策略可提高儲(chǔ)能電源的壽命。

有學(xué)者分析風(fēng)電出力特點(diǎn)，提出一種儲(chǔ)能電源參加含風(fēng)電電網(wǎng)的優(yōu)化下垂掌握策略，可有效平抑風(fēng)電波動(dòng)。

有學(xué)者考慮集中式電池儲(chǔ)能電源的特點(diǎn)，結(jié)合電池儲(chǔ)能電源的容量限制、SOC和電網(wǎng)調(diào)頻的需求，提出了一種基于儲(chǔ)能電池SOC變化的自適應(yīng)掌握策略，依據(jù)不同時(shí)刻儲(chǔ)能電池的SOC，來(lái)確定儲(chǔ)能電池的虛擬單位調(diào)整功率值，從而確定其出力深度。

單一虛擬下垂掌握盡管減小了穩(wěn)態(tài)頻率偏差，但是不能有效抑制頻率的下降速度和減小最大頻率偏差變化率。假如采納單一虛擬慣性掌握，則只能在頻率下降過(guò)程中起作用，無(wú)法降低穩(wěn)態(tài)頻率偏差。因此二者的單獨(dú)使用都不能合理協(xié)調(diào)穩(wěn)態(tài)頻率偏差與暫態(tài)頻率下降速度和最大頻率偏差變化率之間的沖突。

有學(xué)者提出了一種針對(duì)儲(chǔ)能電源參加電網(wǎng)一次調(diào)頻的綜合掌握模式——頻率下降階段采納虛擬慣性掌握，而在隨后的頻率恢復(fù)階段則采納虛擬下垂掌握，二者以最大頻率偏差為切換邊界。這種綜合掌握模式肯定程度地協(xié)調(diào)了穩(wěn)態(tài)頻率偏差與暫態(tài)頻率下降速度和最大頻率偏差變化率之間的沖突，但是在出力掌握模式切換時(shí)造成儲(chǔ)能電池從零出力到最大出力的躍變，不僅給電網(wǎng)造成附加的功率和頻率變化沖擊，而且將降低儲(chǔ)能電池的使用壽命。

本文統(tǒng)籌考慮一次調(diào)頻過(guò)程中的頻率偏差和頻率偏差變化率特征，結(jié)合虛擬慣性和虛擬下垂兩種模式各自的優(yōu)勢(shì)，提出一種確定兩種調(diào)頻模式參加調(diào)頻的安排比例系數(shù)的解析模型，此模型可隨頻率偏差和頻率偏差變化率的變化而優(yōu)化調(diào)整，并實(shí)現(xiàn)兩種調(diào)頻模式的平滑切換。

基于此模型提出一種電池儲(chǔ)能電源參加一次調(diào)頻的自適應(yīng)掌握策略，可實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻兩種掌握模式的綜合使用，從而改進(jìn)一次調(diào)頻效果，減小儲(chǔ)能容量配置。利用典型區(qū)域電網(wǎng)算例對(duì)本文方法進(jìn)行仿真，證明白其有效性。

圖12一次調(diào)頻自適應(yīng)掌握策略流程

結(jié)論

本文提出的電池儲(chǔ)能參加電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)策略，綜合了虛擬慣性和虛擬下垂兩種掌握策略的優(yōu)勢(shì)并克服了其各自的缺陷，相較于簡(jiǎn)潔組合式（直接切換）策略具有顯著的優(yōu)勢(shì)和更好的掌握性能。

1）在頻率下降階段后期，虛擬下垂彌補(bǔ)了虛擬慣性出力不足的缺陷，有效減小了儲(chǔ)能電池的功率配置，提高了其容量利用效率，同時(shí)也有助于減小同步發(fā)電機(jī)組的備用容量和電網(wǎng)的最大頻率偏差。

2）由于充分利用了虛擬慣性和虛擬下垂對(duì)于頻率偏差及其變化率的反應(yīng)力量，有效地平滑了儲(chǔ)能電源的出力，減小了儲(chǔ)能電源的充/放電深度，可有效地提高儲(chǔ)能電源的使用壽命。

3）由于實(shí)現(xiàn)了虛擬慣性和虛擬下垂之間的平滑切換，有效地避開了儲(chǔ)能電源的掌握策略切換對(duì)電網(wǎng)的二次沖擊，顯著提高了電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定質(zhì)量。

后續(xù)工作重點(diǎn)將是如何優(yōu)化電池儲(chǔ)能電源的特性參數(shù)（ME、KE），更好地協(xié)調(diào)儲(chǔ)能電池和常規(guī)機(jī)組的調(diào)頻出力，以盡量減小電網(wǎng)最大頻率偏差、穩(wěn)態(tài)頻率偏移，減輕二次調(diào)頻壓力。

湖南高校電氣與信息工程學(xué)院、國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司長(zhǎng)沙供電分公司的討論人員李欣然、崔曦文、黃際元、黎淑娟、孟婭，在2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，考慮電網(wǎng)頻率特性，提出一種基于虛擬慣性和虛擬下垂動(dòng)態(tài)結(jié)合的電池儲(chǔ)能電源參加電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)掌握策略。

通過(guò)分析儲(chǔ)能電源虛擬慣性和虛擬下垂兩種掌握策略對(duì)頻率特性的影響，提出一種可隨頻率偏差值和頻率偏差變化率變化而自動(dòng)調(diào)整兩種調(diào)頻模式參加調(diào)頻的安排比例系數(shù)的模型，此模型可實(shí)現(xiàn)這兩種掌握策略的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)兩種調(diào)頻模式的平滑切換，可有效地避開掌握模式直接切換時(shí)引起的二次擾動(dòng)。

基于此模型提出電池儲(chǔ)能電源參加電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)掌握策略，結(jié)合調(diào)頻評(píng)估指標(biāo)，確定儲(chǔ)能電源的動(dòng)作深度，進(jìn)而得出儲(chǔ)能電源的功率和容量配置需求。

最終，分別以階躍擾動(dòng)工況和連續(xù)擾動(dòng)工況進(jìn)行驗(yàn)證，并與虛擬下垂和虛擬慣性直接切換的一次調(diào)頻掌握策略進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明所提掌握策略能以較小的儲(chǔ)能電源的容量配置來(lái)滿意調(diào)頻評(píng)估指標(biāo)要求并達(dá)到較好的調(diào)頻效果，同時(shí)可減小傳統(tǒng)機(jī)組的備用容量。

隨著化石能源的枯竭，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電快速興起，因其輸出功率具有波動(dòng)性和不確定性的特征，大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊，加大電網(wǎng)調(diào)頻壓力。因此，傳統(tǒng)調(diào)頻電源已不能滿意日益提高的電網(wǎng)調(diào)頻需求，電池儲(chǔ)能電源在電網(wǎng)調(diào)頻中的優(yōu)勢(shì)是當(dāng)今討論的熱點(diǎn)。

電池儲(chǔ)能電源運(yùn)用于幫助電網(wǎng)調(diào)頻，可充分發(fā)揮其動(dòng)作快速和調(diào)整方式敏捷的優(yōu)勢(shì)，不僅可顯著改善電網(wǎng)調(diào)頻性能，而且能夠有效減小傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)頻備用。在電池儲(chǔ)能電源幫助電網(wǎng)調(diào)頻的領(lǐng)域中，掌握策略是備受關(guān)注的理論與實(shí)際工程問(wèn)題，合理的掌握策略不僅能夠更好地發(fā)揮電池儲(chǔ)能電源的調(diào)頻效果，而且能夠有效地減小儲(chǔ)能電源的容量配置。

電池儲(chǔ)能電源幫助電網(wǎng)一次調(diào)頻的基本掌握策略有虛擬慣性掌握和虛擬下垂掌握，二者的調(diào)頻效果各有優(yōu)勢(shì)。前者可有效抑制最大頻率偏差變化率，緩解頻率下降的速度；后者則能有效減小穩(wěn)態(tài)頻率偏差。

有學(xué)者討論出儲(chǔ)能電源抑制風(fēng)電功率的機(jī)理模型，為其幫助電網(wǎng)調(diào)頻奠定理論基礎(chǔ)。

有學(xué)者基于模型猜測(cè)算法計(jì)算儲(chǔ)能出力來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng)。

有學(xué)者將儲(chǔ)能電源協(xié)作風(fēng)電機(jī)組參加微電網(wǎng)一次調(diào)頻，使風(fēng)電機(jī)組具有類似同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻力量，并建立以一次調(diào)頻備用成本最小為目標(biāo)的容量配置機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型。

有學(xué)者分析電池儲(chǔ)能電源以虛擬下垂調(diào)頻模式參加一次調(diào)頻后的荷電狀態(tài)（StateofCharge,SOC）特點(diǎn)，提出一種完成一次調(diào)頻后的儲(chǔ)能電池SOC重建策略，該策略可提高儲(chǔ)能電源的壽命。

有學(xué)者分析風(fēng)電出力特點(diǎn)，提出一種儲(chǔ)能電源參加含風(fēng)電電網(wǎng)的優(yōu)化下垂掌握策略，可有效平抑風(fēng)電波動(dòng)。

有學(xué)者考慮集中式電池儲(chǔ)能電源的特點(diǎn)，結(jié)合電池儲(chǔ)能電源的容量限制、SOC和電網(wǎng)調(diào)頻的需求，提出了一種基于儲(chǔ)能電池SOC變化的自適應(yīng)掌握策略，依據(jù)不同時(shí)刻儲(chǔ)能電池的SOC，來(lái)確定儲(chǔ)能電池的虛擬單位調(diào)整功率值，從而確定其出力深度。

單一虛擬下垂掌握盡管減小了穩(wěn)態(tài)頻率偏差，但是不能有效抑制頻率的下降速度和減小最大頻率偏差變化率。假如采納單一虛擬慣性掌握，則只能在頻率下降過(guò)程中起作用，無(wú)法降低穩(wěn)態(tài)頻率偏差。因此二者的單獨(dú)使用都不能合理協(xié)調(diào)穩(wěn)態(tài)頻率偏差與暫態(tài)頻率下降速度和最大頻率偏差變化率之間的沖突。

有學(xué)者提出了一種針對(duì)儲(chǔ)能電源參加電網(wǎng)一次調(diào)頻的綜合掌握模式——頻率下降階段采納虛擬慣性掌握，而在隨后的頻率恢復(fù)階段則采納虛擬下垂掌握，二者以最大頻率偏差為切換邊界。這種綜合掌握模式肯定程度地協(xié)調(diào)了穩(wěn)態(tài)頻率偏差與暫態(tài)頻率下降速度和最大頻率偏差變化率之間的沖突，但是在出力掌握模式切換時(shí)造成儲(chǔ)能電池從零出力到最大出力的躍變，不僅給電網(wǎng)造成附加的功率和頻率變化沖擊，而且將降低儲(chǔ)能電池的使用壽命。

本文統(tǒng)籌考慮一次調(diào)頻過(guò)程中的頻率偏差和頻率偏差變化率特征，結(jié)合虛擬慣性和虛擬下垂兩種模式各自的優(yōu)勢(shì)，提出一種確定兩種調(diào)頻模式參加調(diào)頻的安排比例系數(shù)的解析模型，此模型可隨頻率偏差和頻率偏差變化率的變化而優(yōu)化調(diào)整，并實(shí)現(xiàn)兩種調(diào)頻模式的平滑切換。

基于此模型提出一種電池儲(chǔ)能電源參加一次調(diào)頻的自適應(yīng)掌握策略，可實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻兩種掌握模式的綜合使用，從而改進(jìn)一次調(diào)頻效果，減小儲(chǔ)能容量配置。利用典型區(qū)域電網(wǎng)算例對(duì)本文方法進(jìn)行仿真，證明白其有效性。

圖12一次調(diào)頻自適應(yīng)掌握策略流程

結(jié)論

本文提出的電池儲(chǔ)能參加電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)策略，綜合了虛擬慣性和虛擬下垂兩種掌握策略的優(yōu)勢(shì)并克服了其各自的缺陷，相較于簡(jiǎn)潔組合式（直接切換）策略具有顯著的優(yōu)勢(shì)和更好的掌握性能。

1）在頻率下降階段后期，虛擬下垂彌補(bǔ)了虛擬慣性出力不足的缺陷，有效減小了儲(chǔ)能電池的功率配置，提高了其容量利用效率，同時(shí)也有助于減小同步發(fā)電機(jī)組的備用容量和電網(wǎng)的最大頻率偏差。

2）由于充分利用了虛擬慣性