储能系统参与新型电力系统调频控制及容量平衡策略_王振洋 (1).pdf

网源协调技术储能系统参与新型电力系统调频控制及容量平衡策略王振洋(东北电力大学,吉林 吉林 1 3 2 0 1 2)摘 要:针对风力发电并网导致系统频率安全问题频发,迫切需要新的调频措施,为保证电网运行经济性和安全性,须为风电场配置储能系统的状况,设计储能参与电力系统一次和二次调频的控制策略,并对目前储能电池的各个储能单元的电池荷电状态(s t a t eo f c h a r g e,S O C)水平不相等问题,提出一种基于储能电池当前容量的可调容量比例均衡控制算法。根据储能电池单元不同的S O C和其运行状态(充放电)共同决定调频产生的功率偏差信号如何合理分配到每个储能电池单元,使储能电池既能支撑电网频率调节,又能改善自身S O C不平衡的问题。最后,基于EMT D C/P S C A D仿真模型,验证该方法的有效性。关键词:虚拟惯量控制;下垂控制;储能电池;等比例控制;荷电状态平衡中图分类号:TM 9 1 2;TM 7 6 1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-5 3 0 6(2 0 2 3)0 1-0 0 0 1-0 6E n e r g yS t o r a g eS y s t e mP a r t i c i p a t e s i nF r e q u e n c yM o d u l a t i o nC o n t r o l a n dC a p a c i t yB a l a n c eS t r a t e g yo fN e wP o w e rS y s t e mWANGZ h e n y a n g(N o r t h e a s tE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y,J i l i n1 3 2 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:G r i d-c o n n e c t e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o nl e a d st of r e q u e n t f r e q u e n c ys e c u r i t yp r o b l e m s i nt h es y s t e m,a n dn e wf r e q u e n c ym o d u l a t i o nm e a s u r e sa r eu r g e n t l yn e e d e d.I no r d e rt oe n s u r et h ee c o n o m ya n ds a f e t yo fp o w e rg r i do p e r a t i o n,i t i sn e c e s s a r yt oc o n f i g u r ee n e r g ys t o r a g es y s t e mf o rw i n df a r m.T h ec o n t r o ls t r a t e g yu s e st h ee n e r g ys t o r a g es y s t e mf o rp r i m a r ya n ds e c o n d a r yf r e q u e n c ym o d u l a t i o n.A tp r e s e n t,t h es t a t eo f c h a r g e l e v e l o f e a c he n e r g ys t o r a g eu n i to f t h ee n e r g ys t o r a g eb a t t e r y i sn o t e q u a l.I no r d e r t oe n s u r e t h ee c o n o m ya n ds a f e t y,i t i sn e c e s s a r yt od e s i g nt h ee n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yo ft h ee n e r g ys t o r a g eu n i ti t s e l f.A c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tS O Co ft h ee n e r g ys t o r a g eb a t t e r ya n di t sr u n n i n gs t a t e(c h a r g ea n dd i s c h a r g e),t h ep o w e rd e v i a t i o ns i g n a l g e n e r a t e db y f r e q u e n c ym o d u l a t i o nc a nb e r e a s o n a b l yd i s t r i b u t e d t oe a c he n e r g ys t o r a g eb a t t e r y,s o t h a t t h e e n e r g ys t o r a g eb a t t e r yc a nn o to n l ys u p p o r t t h eg r i df r e q u e n c ya d j u s t m e n t,b u ta l s o i m p r o v e i t so w ns t a t eo fc h a r g e i m b a l a n c e.A t l a s t,b a s e do nEMT D C/P S C A Ds i m u l a t i o nm o d e l,t h ee f f e c t i v e n e s so f t h i sm e t h o d i sv e r i f i e d.K e yw o r d s:v i r t u a l i n e r t i ac o n t r o l;d r o o pc o n t r o l;e n e r g ys t o r a g eb a t t e r y;e q u a lp r o p o r t i o n;s t a t eo f c h a r g eb a l a n c e基金项目:国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金项目资助(U 1 8 6 6 6 0 1)。收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 2作者简介:王振洋(1 9 9 9),男,硕士研究生,研究方向为电力系统稳定与控制。0 引言为实现国家“碳达峰,碳中和”的战略目标,构建清洁低碳安全高效的能源体系和以新能源为主体的新型电力系统已成为国家战略1。截至2 0 2 1年6月底,我国风力发电装机容量为2.9 21 08kW2;预计 到2 0 5 0年,风 力 发 电 装 机 容 量 将 达 到2 41 08kW3。风力发电是新能源发电的重要组成部分4,随着风力发电的大规模接入电网,由同步发电机为主导的机械电磁系统,向由电力电子设备和同步机共同主导的混合系统转变,给系统的安全稳定运行带来了不容忽视的影响,如灵活性不足,宽频带振荡,频率安全等问题5-7,其中以频率安全为代表,在风电机组逐渐替代同步机组过程中,系统转动惯量逐渐降低,电网调节能力逐渐降低,近年来就发生多起事故8。为此,迫切需要频率调整措施,提高电网调频能力。目前,储能电站存在内部电池单元荷电状态(s t a t eo f c h a r g e,S O C)分布不均匀的现象。传统储能参与一次调频控制策略很容易导致在同一个储能电站内的某些单元过调,损害其工作寿命,造成电网频率调节成本的额外增加。针对上述现状,本文设计储能参与电力系统一1第5 1卷 第1期(总第2 8 4期)2 0 2 3年2月 J i l i nE l e c t r i cP o w e r吉 林 电 力 V o l.5 1 N o.1(S e r.N o.2 8 4)F e b.2 0 2 3DOI:10.16109/ki.jldl.2023.01.007次和二次调频的控制策略,利用风电机组与储能系统配合,降低系统调频成本,提高运行经济性,并针对储能系统电池S O C分布不均匀的问题,提出了一种可调容量比例均衡控制算法,既保证电网运行的经济性,又使储能系统可以充分发挥调频潜力。1 储能电池1.1 储能电池结构储能系统拓扑结构主要由电池储能设备、储能变流器(p o w e rc o n v e r s i o ns y s t e m,P C S)、变压器和线路构成,其中P C S由D C/D C变换器和逆变器组成。1.2 储能电池电磁暂态模型储能电池模型可等效简化为直流电源串联了3个电阻,即欧姆内阻、电荷转移内阻和电荷扩散内阻。模型通过3个内阻来代表电池的欧姆现象、电荷转移现象和扩散现象。变流器一般采用基于电网电压矢量定向控制策略。1.3 逆变器机电暂态模型储能电池并网系统中包含晶体管,电流控制器,脉冲控制器等多个环节,在满足研究需要的条件下可进行简化。为实现在机电暂态时间尺度上准确描述储能电池发电的暂态特性,可利用受控电流源模型来建立机电暂态下的储能电池模型,见图1。图1中Pr e f、Qr e f分别是并网逆变器输出的有功功率和无功功率基准值;Pb a t t e r y、Qb a t t e r y分别是并网逆变器实际输出有功功率和无功功率;ut为并网点电压基波分量;f为电网实时频率。图1 机电暂态模型2 控制策略2.1 下垂控制策略参照同步机组(水、火电机组)的有功功率-频率静态特性,通过修改并网逆变器的控制逻辑,设置有功功率-频率下垂特性曲线,实现并网逆变器参与电网频率响应功能。下垂特性公式为:P=P0-k(f-fd)PN(1)式中:P为逆变器输出有功功率;P0为基准有功功率;k为下垂系数;fd为5 0H z;PN是额定功率。2.2 虚拟惯量控制策略虚拟惯量控制是作用在惯性响应阶段利用控制策略使并网逆变器模拟传统同步机在面对负荷扰动时的惯量特性,阻止系统频率变化过快而影响电网稳定运行。本文所选虚拟惯量控制策略为通过锁相环来提供虚拟惯量控制所需要的特征量。锁相环作用是确定相位使机侧a b c坐标系下电压Ua,Ub,Uc,经派克变换得出的d q坐标系下Ud等于常数,而Uq等于0,则只要将Uq经控制为0即可达到锁相目的。2.3 储能综合控制本文储能调频策略为综合控制,即结合下垂控制和虚拟惯量控制。在调频过程中不仅提供足够的惯量支撑,提高频率最低值,降低频率变化率,还可减少系统的频率稳态偏差。此外,综合控制策略既可以 应 用 在 并 网 逆 变 器 上,也 可 以 应 用 在 前 级D C/D C变换器环节。2.4 储能电池辅助火电机组二次调频储能电池也可以在自动发电控制时辅助火电机组进行二次调频。储能电池辅助火电机组进行二次频率调整的基本控制方式见图2。图2 储能电池辅助二次调频方式图2中,k*是火电机组参与一次调频的调节系数;是二次调频中火电机组的承担系数;1-是二次调频中储能电池的承担系数;kP 1、kI 1是火电机组参与二次调频时的P I控制器的参数;kP 2、kI 2是储能辅助二次调频时的P I控制器的参数;f(s)是负荷扰动产生的频率偏差;P1(s)、P2(s)分别是火电机组一次调频和二次调频的输出;P2_e s(s)是各储能电池单元二次调频的总输出;PL(s)是负荷扰动;Ge s_1(s)、Ge s_i(s)、Ge s_n(s)是储能电池各单元传递函数;Gg(s)是火电机组传递函数。2第5 1卷第1期(总第2 8 4期)吉 林 电 力 2 0 2 3年2月3 基于可调容量比例均衡控制算法的储能电池控制策略如前所述,当电网受到负荷扰动时,通过系统静态频率特性可知,电网频率变化。产生频率偏差后,储能电池各机组单元接受相同出力指令,但各电池单元的内部S O C却