基于电池储能SOC的调峰、调频混合控制策略_李盈.pdf

基于电池储能SOC的调峰、调频混合控制策略李盈1，赵伟2，赵立宁3，马凯1，雷二涛1，谭令其1，金莉1，张浚坤1，马燕君1，刘硕3（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州510080；2.南方电网数字电网集团有限公司，广州510080；3.北方工业大学，北京100144）摘要：电池储能系统被认为是解决可再生能源的不确定性和不平衡性导致的功率不足和频率波动的有效途径。基于此，文中提出了一种基于电池的荷电状态SOC（state of charge）的电池储能系统混合控制策略。首先，文中将电池的SOC、调频和调峰需求划分为不同的区域，并对调频和调峰提出相应的控制策略，提出SOC自恢复控制策略。之后提出储能的混合控制策略，基于电池储能的SOC，将储能的调频与调峰功能与SOC自恢复策略相结合，实现储能对电力系统的优化。最后通过仿真分析验证该控制策略的合理性与应对可再生能源波动的能力。关键词：电池储能；混合控制策略；可再生能源；荷电状态；峰值调节；频率调节Mixed Control Strategy of Peak Regulation and Frequency Modulation Based on SOC ofBattery Energy StorageLI Ying1，ZHAO Wei2，ZHAO Lining3，MA Kai1，LEI Ertao1，TAN Lingqi1，JIN Li1，ZHANG Junkun1，MA Yanjun1，LIU Shuo3（1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Guangzhou 510080，China；2.China Southern Power GridDigital Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510080，China；3.North China University of Technology，Beijing 100144，China）Abstract:The battery energy storage system is considered as an effective way to solve the power shortage and frequency fluctuation caused by the uncertainty and imbalance of renewable energy.Based on this，SOC（state ofcharge）based mixed control strategy for battery energy storage systems is proposed in this paper.Firstly，the battery state of charge（SOC），frequency modulation and peak regulation requirements are classified into different areas in this paper，the corresponding control strategies for frequency regulation and peak regulation are proposed，and a SOC selfrecovery control strategy is also proposed.Then，a mixed control strategy of energy storage is proposed，based on the SOC of battery energy storage，the frequency modulation and peak regulation functions of battery energy storage are combined with the SOC selfrecovery strategy to achieve the optimization of the power system by energy storage.Finally，the rationality of the control strategy and the ability to deal with the fluctuation of renewable energy are verified by simulation analysis.Key words:battery energy storage system；mixed control strategy；renewable energy system；state of charge；peakregulation；frequency modulation0引言分布式可再生能源系统替代火力发电机组被认为是减少污染、实现环境友好的有效手段。此外，其也被视为解决日益严重的能源短缺问题的一种有效途径1-2。但随着越来越多的分布式可再生能源接入电力系统，其存在的不确定性和不平衡性成为亟待解决的问题3-5。第59卷第7期：004800552023年 7月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.7：00480055Jul.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.006_收稿日期：20230118；修回日期：20230323由于可再生能源的不确定性和不平衡性，高渗透率的电力系统无法保证在用电高峰期满足负荷需求6。同样，当电力负荷处于低点时，可能会出现大量的可再生能源浪费的情况7。此外，可再生能源的间歇性会引起电力系统的频率波动，从而导致电力系统出现严重的安全问题8。因此，可再生能源的不确定性和不平衡性不仅造成可再生能源的严重浪费，而且对电力系统的稳定性和可靠性提出了严峻挑战9。火力发电机组的调峰调频功能一直是应对可再生能源不确定性与不平衡性的手段，但火力发电机组的调频存在斜坡速率慢、响应时间长等缺点，无法满足可再生能源高渗透率甚至全可再生能源发电系统的频率响应10。为解决这些问题，储能系统尤其是以锂电池为代表的电池储能系统(battery energy storage system，BESS)越来越受到重视11-13。BESS具有更快的响应速度和更高的精度，比热发电机具有更灵活的应用场景14-15。此外，BESS近年来发展显著。尤其是BESS的成本近年来也大幅下降。在一些国家，甚至对电池储能系统有政策支持。因此，BESS替代传统单元实现调频调峰的成本也在逐渐降低。文16提出，BESS也可以降低可再生能源功率输出波动。当有可再生能源过剩时，多余的能源可以转移到BESS。相对而言，当可再生能源出现短缺时，BESS将释放已经储存的能量以满足负载的需求。BESS 既适合短期使用，也适合长期使用。BESS更适合需要持续稳定供电的电网。而其中的锂离子电池是一种已经在能源市场上成熟的储能选择，因此以锂离子电池为代表的BESS是一个可靠的选择，锂离子电池在安装、操作和维护方法已经十分成熟。而且锂离子电池的价格在过去30年中一直在下降，呈现出明显的下降趋势，虽然整体上成本相对铅酸电池较高，但经济收益并不总是主要目标。安装储能系统可能会带来超出财务成本的技术优势。这些优势可能表现为增加电网的灵活性、增加电网的稳定性以及未来参与频率储备市场的可能性。BESS 需要相应的控制策略来实现所需的功能17。也有很多文献研究了BESS控制策略。在储能的单功能控制策略方面，文18提出了一种改进的基于状态机的控制策略。BESS作为二次能源，协助风电场参与多频辅助服务。文19提出了一种基于模糊控制考虑区域控制误差和SOC的储能系统辅助频率调制的控制策略。文20提出了一种新的频率控制方案，该方案结合了储能聚合器及其相关的干扰观测器。文21提出了一种使用局部测量的BESS控制策略，以便在观察到足够严重的干扰后立即提供快速频率支持。在储能多功能联合运行方面，文22提出了一种BESS的控制框架，可以同时为电网提供多种服务；文23提出了一种基于风险的方法，用于评估电池存储系统在多个市场中的参与策略；文24通过联合优化框架同时使用电池存储系统进行调峰和频率调节；文25提出了两种基于低带宽分布式模型预测控制的算法，用于住宅储能的协调控制，以减轻过电压并降低峰值需求以及径向配电馈线。现有文献存在两个主要缺陷：大部分文献只考虑储能的某一种功能，如文16-19；现有文20-23等考虑BESS多种功能联合运行的文献也存在BESS与SOC控制不灵活等问题。可再生能源的不确定性和不平衡性决定了BESS的功能需求是不确定的。BESS的单一功能无法满足电力系统的复杂要求，需要两种或多种功能的组合。因此，通过BESS实现多功能的控制策略值得研究。同时，SOC是BESS最重要的参数之一，SOC过高或过低都会损害BESS的使用寿命。因此，BESS的控制策略必须考虑储能的SOC。在上述文献的基础上，文中提出了一种同时考虑SOC优化、调频和调峰的混合控制策略。根据调频、调峰和SOC优化的不同需求，BESS会以不同的控制方式进行响应，以减轻可再生能源波动对电力系统产生的影响。同时，当电力系统处于合适的范围内时，电池将实现弹性自恢复。最后通过仿真分析，验证储能的不同功能，以及所提混合控制策略的合理性。仿真结果证明该控制策略可以有效应对可再生能源波动对电力系统的影响，降低系统的波动，并使储能的SOC处于更加合理的区间。1SOC、调频与调峰的分区与控制策略1.1BESS的SOC分区为了延长BESS的寿命，SOC应该在一定的范围内运行。因此，BESS的控制策略有一个禁区，不允许SOC工作。某一时刻的 SOC 可通过式(1)计算SOC=SOCini-EE100%(1)式(1)中：SOCini为SOC的初值；E为BESS的最大容量；E为在t时间内BESS能量的变化量，其可以构网型储能系统关键技术及工程应用李 盈，赵 伟，赵立宁，等.基于电池储能SOC的调峰、调频混合控制策略492023年7月第59卷第7期被表示为E=tt+tPess(t)dt=Pesst(2)式(2)中，Pess为BESS吸收或放出的功率。BESS的SOC一般具有上下限，SOC的允许范围可以表示为SOCminSOCSOCmax(3)在此基础上，为了更有效、更直观地管理BESS的SOC，文中将SOC划分为7个区域，以更加灵活地控制BESS，见图1。图 1SOC的分区Fig.1The partition of the SOC如图1所示：1)高于 SOCmax或低于 SOCmin的 SOC 为禁区。BESS不允许在该区域工作，以免影响BESS的使用寿命。2)SOChigh与SOCmax之间或SOCmin与 SOClow之间的SOC为SOC高区或SOC低区。在这些区域中，BESS只允许在SOC高区域放电，并且只允许在 SOC 低区充电，以使 SOC 保持在适当的区域。3)SOCmid_high和 SOChigh之间的 SOC 为 SOC 中高区。在该区域，BESS由于其高 SOC 在任何情况下都可以放电。此外，如果有高权重的调峰或调频需求，则允许 BESS 充电。与此相对应，当 SOC 在SOClow和SOCmid_low之间时，是SOC的中低区，BESS由于SOC低，在任何情况下都可以充电。如果有高权重的调峰或调频需求，也允许 BESS 放电。4)最 大 的 区 域 是 自 调 节 区 域，即 SOC 在SOCmid_low和SOCmid_high之间。在这个区域，BESS 可以响应调峰和调频的所有需求。1.2BESS频率调制功能1.2.1藏本模型频率调制利用藏本模型(kuramoto model)26，可以将电力系统中的节点抽象为藏本振荡器，实现振荡器频率的同步。文中采用藏本模型实现