考虑AGC指令随机特性的火-储混合电站二次调频研究_陈沛.pdf

第51 卷 第12 期 电力系统保护与控制电力系统保护与控制 Vol.51 No.12 2023年6月16日 Power System Protection and Control Jun.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221600 考虑 AGC 指令随机特性的火-储混合电站二次调频研究 陈 沛，张新松，郭晓丽，李大祥，高 希(南通大学电气工程学院，江苏 南通 226019)摘要：首先，对如何利用电池储能系统(battery energy storage system,BESS)提升火电机组的二次调频能力进行了研究。其次，基于实测自动发电控制(automatic generation control,AGC)指令，对 AGC 指令持续时间、间隔时间、调节速率与调节方向的概率特性进行了建模。AGC 指令调节方向随机，BESS 辅助火电机组二次调频时，将在充放电状态间频繁切换，快速耗尽电池循环寿命。为解决这一问题，将 BESS 分组接入调频电厂，运行中两组 BESS处于不同充放电状态，分别用于响应 AGC 升指令与降指令，一旦任意一组 BESS 满充或满放，立即同时切换两组BESS 的充、放电状态。然后，采用序贯蒙特卡洛模拟(sequential monte carlo simulation,SMCS)方法对火-储混合电站典型日的运行状况进行了模拟，并在此基础上评估二次调频性能、估算 BESS 循环寿命损耗。最后，基于某实际调频电厂的仿真实验表明：BESS 可显著增加调频机组的二次调频性能，且所提策略能有效减少 BESS 循环寿命损耗。关键词：电池储能系统；二次调频；自动发电控制；随机特性；序贯蒙特卡洛模拟 Secondary frequency regulation of a hybrid coal-fired generator and BESS power station considering random characteristics of AGC instructions CHEN Pei,ZHANG Xinsong,GUO Xiaoli,LI Daxiang,GAO Xi(School of Electrical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China)Abstract:First,this paper focuses on how to use a battery energy storage system(BESS)to enhance performance in secondary regulation of a coal-fired generator.Second,the probability characteristics of automatic generation control(AGC)instruction duration period,interval period,regulation rate and regulation direction are modeled based on real AGC instructions.AGC instructions with random regulation direction will lead to frequent switching between charging and discharging states of the BESS,thus quickly depleting the battery.To address this problem,the BESS is divided into two parts when connecting to the frequency regulating generator.The two parts of the BESS are respectively in charging and discharging states for supporting up and down AGC instructions.Once any part of the BESS arrives at full charge or discharge,two parts of the BESS switch their charging/discharging states immediately.The performance on secondary frequency regulation of the coal-fired-generator with the BESS and tearing losses of the BESS are estimated based on simulating the operation of a hybrid coal-fired-generator and BESS power station during a typical day by the sequential Monte Carlo simulation(SMCS)method.Finally,the simulation experiments based on a real frequency regulating generator show that BESS can enhance performance on secondary regulation of the frequency regulating generator and the strategy developed in this paper can effectively reduce cycle life loss of the BESS.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51877112).Key words:battery energy storage system;secondary frequency regulation;automatic generation control;random characteristics;sequential Monte Carlo simulation 0 引言 近年来，随着化石燃料的逐步枯竭与环境污染 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51877112)；江苏省高等学校自然科学研究重大项目资助(22KJA470006)的日益加剧，大力发展以风、光为代表的新能源成为世界各国的共识。截至 2021 年底，我国风电、光伏装机容量分别高达 3.3 亿 kW 与 3.1 亿 kW，均居世界首位1。风、光等新能源发电出力具备随机波动特性，且大多通过电力电子接口接入电网。在风、光等新能源大规模并网的背景下，电力系统呈现“高陈 沛，等 考虑 AGC 指令随机特性的火-储混合电站二次调频研究 -169-新能源渗透率”、“高电力电子化”等新型特征，其弱惯性与随机波动性显著增加了传统火电机组的调频压力，对电网频率安全造成巨大威胁2。电网调频主要分为三类：即一次调频、二次调频与三次调频3。本文主要关注二次调频，即发电机组在规定的出力调整范围内，跟踪调度中心下发的自动发电控制(automatic generation control,AGC)指令，实时调整发电出力，满足电网频率和联络线功率控制要求4。目前，我国电网的二次调频主力为火电机组，随着风、光等新能源并网规模的逐步增大，火电机组参与二次调频的局限性日益凸显：首先，调频机组很难跟踪调频指令，影响电网频率质量；其次，调频机组频繁动作导致机械磨损加剧，减少机组寿命5-6。近年来，电化学储能技术发展迅猛，控制技术日趋成熟，为缓解风、光等新能源大规模并网后的电网调频压力提供了一种新的技术选择7-8。电池储能系统(battery energy storage system,BESS)具有充放电功率控制快速、准确，瞬时吞吐量大的特点9-10，是系统中宝贵的调频资源11。张北风光储输示范工程的建成、投运验证了BESS能快速、精准响应AGC指令，具备参与电网二次调频的能力12。北京石景山热电厂配置 2 MW 的 BESS 后，机组能更好响应AGC 指令，显著提升了二次调频性能13。BESS 参与二次调频的技术路径主要分为两类：1)作为独立主体参与电网二次调频，缓解火电机组二次调频压力14-15；2)接入火电厂，与火电机组协同运行，辅助火电机组二次调频，提高火电机组的二次调频性能16-18。文献14提出了基于区域控制误差信号(area control error,ACE)分布的 AGC指令响应策略，提升了 BESS 对 AGC 指令的快速响应能力。文献15提出了考虑 BESS 技术特征的二次调频策略，能充分考虑不同 BESS 的技术特征，精确控制 BESS 充放电功率，满足电网调频需求。针对火电机组响应时滞长、爬坡速率低的问题，文献16采用 BESS 辅助火电机组二次调频，并提出了基于模糊控制的 BESS 控制策略，能显著减少频率偏差与联络线交换功率偏差。文献17同样提出了基于模糊控制的 BESS 辅助火电机组二次调频的控制策略，并在频率偏差较小时利用火电机组剩余调频容量恢复 BESS 荷电状态(state of charge,SOC)。文献18提出了考虑考核性能的 BESS 分时段控制策略，通过合理控制 BESS 充放电功率与动作时机，辅助火电机组二次调频，提升调频收益。本文将BESS 接入火电厂构成火-储混合电站，利用 BESS的灵活充放电能力辅助火电机组二次调频、提升调频性能。风、光等新能源出力具有随机波动特性，大规模并网将显著增加系统频率的随机波动特性。为控制电网频率与联络线交换功率，调度中心下发的AGC 指令呈现很强的随机特性，现有文献均未对此问题进行深入研究。为弥补上述局限，本文首先基于实测数据对AGC 指令的持续时间、间隔时间、调节速率与调节方向的概率特性进行了分析。接着，为减少 BESS辅助火电机组二次调频导致的电池循环寿命损耗19，将 BESS 分为容量相等的两组独立运行，分别用于响应 AGC 升、降指令。然后，采用序贯蒙特卡洛模拟(sequential monte carlo simulation,SMCS)方法对火-储混合电站典型日的运行状况进行了模拟，并在此基础上评估火-储混合电站的二次调频性能与估算 BESS 循环寿命损耗。最后，基于某实际调频电厂的仿真实验验证了本文所提方法的有效性。1 AGC 指令的概率特性研究 风、光等新能源大规模并网后，电网频率波动幅度与随机特性进一步增加，为确保电网频率质量，AGC 指令的下发频次与随机特性也随之显著增大。对 AGC 指令随机特性进行分析是研究如何利用BESS 辅助火电机组二次调频的前提之一。目前，尚未有研究对 AGC 指令随机特性进行深入分析。本文基于我国东南某调频电厂 2019 年 12 月接收的AGC 指令，对 AGC 指令持续时间、间隔时间、调节速率与调节方向的概率特性进行分析。1.1 AGC 指令持续时间的概率特性 在统计周期内，案例调频电厂 AGC 指令持续时间为 5100 s，采用 Matlab 分布拟合工具箱对其概率分布特性进行拟合，拟合结果表明：可利用瑞利分布近似描述 AGC 指令持续时间的随机特性，如图 1 所示。图 1 AGC 指令持续时间的概率分布特性 Fig.1 Probability distribution characteristics for AGC instruction duration period-170-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 图1中给出的概率密度函数c()f T可用式(1)表示。2c2c