抽水蓄能-飞轮混合储能系统协调控制方法_武鑫.pdf

第 12 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.12 No.2Feb.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology抽水蓄能-飞轮混合储能系统协调控制方法武鑫1，尚文举1，马志勇1，滕伟1，张爽2，罗海荣2（1华北电力大学先进飞轮储能技术研究中心，北京 102206；2国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011）摘要：建立了一台容量为300 MW的抽水蓄能机组功率模型和容量为25 MW的飞轮储能阵列模型并分析了各自的充放电特性。然后，为了达到抽水蓄能机组综合调频指标提高至2倍，同时减小机组磨损进而降低损耗成本的目标，基于水电机组斜坡输入控制策略和飞轮储能阵列荷电状态(SOC)分段控制策略，提出了一种抽水蓄能-飞轮混合储能系统的协调控制策略。最后，根据某额定功率为300 MW的抽水蓄能机组历史运行数据，通过仿真实验验证了所提出的混合储能系统协调控制策略。结果表明：在电网二次调频过程中，提出的混合储能系统协调控制策略将抽水蓄能机组的综合调频性能指标提高2.29倍以上，能够显著减少抽水蓄能机组平稳运行阶段的频繁输出调整、进而降低损耗成本并提高抽水蓄能机组的稳态运行特性，同时保证飞轮储能阵列的SOC维持在合理水平。关键词：抽水蓄能；飞轮储能；混合储能系统；协调控制方法；二次调频doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0550 中图分类号：TM 712 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）02-468-09Coordinated control method for pumped and flywheel hybrid energy storage systemWU Xin1,SHANG Wenju1,MA Zhiyong1,TENG Wei1,ZHANG Shuang2,LUO Hairong2(1Advanced Flywheel Energy Storage Technology Research Center,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2State Grid Ningxia Electric Power Research Institute,Yinchuan 750011,Ningxia,China)Abstract:First,a pumped storage unit with a capacity of 300 MW and a flywheel storage array with a capacity of 25 MW are modeled and their corresponding charging and discharging characteristics are analyzed.Then,a coordinated control strategy is proposed for the pumped and flywheel hybrid energy storage system,based on the ramp input control strategy for the hydroelectric unit and the state of charge(SOC)segmentation control strategy for the flywheel energy storage array.The proposed method is aimed to improve the integrated frequency regulation index of the pumped storage unit by a factor of 2 and reduce the wear and tear of the unit for reduced loss cost.Finally,the proposed coordinated control strategy for the hybrid energy storage system is verified by numerical experiments using the historical operation data of a pumped storage unit with a rated power of 300 MW.In the process of secondary frequency regulation of the power grid,the results show that the proposed coordinated control strategy of the hybrid storage system can improve the performance index of the integrated frequency regulation by more than 2.29 times for the pumped storage unit.In addition,the 储能系统与工程收稿日期：2022-09-28；修改稿日期：2022-10-26。基金项目：国网宁夏电力有限公司科技项目（SGNXDK00WLJS2200088）。第一作者：武鑫（1980），男，博士，副教授，研究方向为储能系统和发电系统建模、控制等，E-mail：；通讯作者：马志勇，博士，教授，研究方向为火电厂设备及节能技术、风电设备可靠性等，E-mail：。第 2 期武鑫等：抽水蓄能-飞轮混合储能系统协调控制方法frequent output adjustment is significantly reduced during the smooth operation of the pumped storage unit,leading to reduced loss cost and improved steady-state operation characteristics for the pumped storage unit.Moreover,the SOC of the flywheel energy storage array is also maintained at a reasonable level.Keywords:pumped hydro storage;flywheel energy storage;hybrid energy storage system;coordinated control method;secondary frequency regulation构建新型电力系统是实现我国“双碳”目标的必由之路，已上升为国家战略1-2。可再生能源发电系统在整个电力系统中比例的不断增加给电力系统安全稳定运行带来了严峻的挑战。频率作为电力系统运行最重要的参数之一，其稳定性是电力系统安全稳定运行的主要目标，目前广泛采用的二次调频模式是自动发电控制(automatic generation control，AGC)模式3-5。储能系统作为一种灵活电源，能够有效解决电力系统调峰调频能力不足的问题3。抽水蓄能作为一种传统的储能系统，具有功率大、容量大、使用寿命较长、可灵活调节等优点，在电力系统的调频调峰方面发挥着重要的作用6。但相比于其他储能系统，抽水蓄能的能量密度和功率密度较低，由于调速器和导叶开度速率等限制，其动态调节响应较慢7。飞轮储能作为典型的功率型储能，具有循环使用寿命较高、响应速度快、免维护、可扩展性好、无污染等优点，但容量相对较低，难以补偿电网的大功率波动分量8。能量型储能与功率型储能相结合的混合储能，可有效解决单一储能类型受能量密度或循环寿命低等因素限制的问题，从而降低初始投资成本并提高系统可靠性9。国内外学者已经开展了相关研究，通过改善水电机组的时域响应特性，并将飞轮储能参与到水电机组调频中，从而提高水电机组的综合调频性能指标。Choudhury等8验证了飞轮储能系统的控制策略，指出飞轮储能系统有助于改善电网特性。Jin等10提出了飞轮辅助水电机组的协调控制策略，该策略根据飞轮荷电状态(state of charge，SOC)和水电机组协调调动，提升了水电机组的响应特性和效率。Hu等11指出若储能单元在很高或很低的SOC水平长时间工作，会对储能寿命产生重要的影响。Silva等12提出了信号滤波和储能单元充放电状态优化方法。李志强等3根据储能特性的不同，对飞轮储能阵列SOC各个区间进行了划分。王念仁等4建立了水电机组单机AGC调节环节模型，对影响AGC调节性能的因素进行了深入的分析，改进了AGC控制策略及参数设置方法，试验结果表明显著提高了水电机组AGC调节性能。任继云13指出采用可变速抽水蓄能机组，在抽水工况调节输出功率可减少导叶运动次数，减小轴系磨损和水压脉动。罗耀东14根据飞轮储能参与电网调频的系统频率特性，提出了兼顾调频效果和储能电量持续性管理的飞轮储能系统运行控制策略。吴凡等15完成了水电机组AGC与调速器调频联合试验，并通过AGC考核计算方法验证了调速器调频和AGC联合优化后的调频性能良好，对其他水电机组相关设计有一定参考意义。何常胜等16提出了功率控制模式下水电机组采用斜坡函数作为AGC负荷指令的控制策略，为水电机组和功率型储能寻找理想的配合策略提供了参考依据。秦昊等17提出了辅助抽水蓄能调频的飞轮控制策略，确定了不同荷电状态区间上飞轮储能系统的出力模式。上述研究所提出的飞轮辅助水电或抽水蓄能机组的控制策略得到的低频信号仍然需要机组频繁调节其输出，机组的升降负荷运动并没有显著减少。由于飞轮储能系统的容量有限，若给定高频信号较长时间处于充电或放电状态，飞轮SOC很快就会达到设定的出力限值，需要考虑在机组响应阶段飞轮储能阵列的充放电状态，及时为飞轮储能阵列充放电，进而维持飞轮SOC在合理区间，同时应保证尽量减少机组的动作次数，提升机组的调频性能。因此现有研究尚未基于机组综合调频性能提升指标深入分析水电-飞轮混合系统协调控制方法。针对上述研究中存在的问题，本工作采用抽水蓄能机组和飞轮储能阵列相结合的混合储能系统提高抽水蓄能机组综合调频性能。首先建立抽水蓄能机组和飞轮储能阵列模型并分析各系统充放电特性。然后以将抽水蓄能机组综合调频性能指标提高2倍为目标，提出了一种抽水蓄能-飞轮混合储能系统的协调控制策略。最后，基于某额定功率为300 MW的抽水蓄能机组的AGC指令，通过仿真实验验证4692023 年第 12 卷储能科学与技术了本工作提出的混合储能系统协调控制策略。根据华北区域“两个细则”中的AGC性能考核标准计算，抽水蓄能机组的综合调频性能指标可提高2.29倍以上，同时能够显著减少抽水蓄能机组导叶运动次数，降低损耗成本并提高效率，且飞轮SOC均维持在合理水平。本工作所提出的混合储能系统协调控制策略可以显著改善抽水蓄能机组的动态性能，从而为保障电网的安全稳定运行提供技术支持。1 混合储能系统充放电特性1.1抽水蓄能机组充放电特性抽水蓄能机组是一个水机电耦合的系统，包括水泵水轮机、电机、变流器、控制系统等部分13。根据文献18和文献19在MATALAB/Simulink仿真平台建立容量为300 MW的抽水蓄能机组功率模型，以某额定功率为300 MW的抽水蓄能机组实际AGC指令对所建抽水蓄能机组模型进行验证，并与机组实际输出进行对比，取150 MW、250 MW发电工况和某段抽水工况实际数据进行仿真实验，结果如图1所示。根据相对误差公式：e(i)=xi-riri 100%(1)式中：xi为第 i 秒的实验值；ri为第 i 秒的实际值。取i=100 s、200 s、300 s、400 s、500 s、600 s、700 s、800 s八个点，计算得出发电工况下抽