研究背景

隨著能源日益緊張，新能源并網及儲能技術將成為未來能源戰略的重要一環。我國風電裝機容量為全球第一，但是存在高比例風電不能被消納，其中近30%的棄風電量是由調頻問題導致的。

近幾年來，國內外已經有大量商業化儲能項目應用于輔助服務領域，美國PJM市場儲能調頻系統安裝量超過了200MW，國內在京能石景山熱電廠實施了國內第一個儲能火電聯合調頻商業化示范項目后，山西也陸續實施了多個同類儲能調頻項目，這使得儲能調頻需求和控制策略成為當前研究熱點。

論文方法及創新點

電網頻率分布大部分在常規機組一次調頻死區（50±0.033Hz）之內，而對于需要調頻的部分，大多處于死區邊界附近。造成這一現象的小幅高頻負荷擾動，使得常規機組頻繁動作參與一次調頻，為減少對常規機組的磨損，考慮設置儲能調頻死區對一次調頻死區附近的頻率波動進行下調，盡可能減少常規機組的動作次數，從而提高發電機組運行的經濟性。

類似地，可將儲能調頻死區分為儲能固有死區和儲能人工頻率死區。由于儲能精確性高，且其快速響應速度為秒級以下，甚至為毫秒級，儲能裝置本身的物理死區非常小，所以認為儲能的固有死區可忽略不計。

以電池型儲能為例，利用儲能裝置吸收/釋放功率能力的特性（即SoC）來描述越限區域，其上下限由儲能電池類型決定，在儲能人工死區與越限區域內，儲能都不參與電網一次調頻。不同死區設置下的調頻效果如圖1所示，頻率分布如圖2所示。0.2DB、0.4DB、0.6DB、0.8DB和1.0DB分別對應設置儲能調頻死區為火電機組死區的20%，40%，60%，80%和儲能調頻死區與火電機組死區相等的情況。

圖1 不同儲能調頻死區下的頻率偏差曲線

圖2 不同儲能調頻死區下的頻率分布

為了解決單一控制方法只對調頻效果起單一作用問題，充分利用虛擬下垂和慣性控制的優勢互補，考慮將二者結合，并將調頻工況分為兩種，一類為頻率惡化工況，另一類為頻率回復工況，當|?f |正在增大時，即在頻率惡化工況下，本文采取虛擬下垂與慣性控制共同作用的方法減小頻率偏差，同時抑制頻率惡化；當|?f |正在減小時，即在頻率回復工況下，利用虛擬下垂控制恢復系統頻率。

同時考慮SoC反饋的自適應控制規律，以充電為例，要求當SoC相對較好時，儲能電池以最大速度釋放/儲存電量，優先保證調頻需求；當SoC接近飽和或耗盡時，以適當的系數進行出力，保證SoC維持在合理范圍內；當SoC超過規定范圍時，停止充放電，本文利用logistic函數來模擬曲線可通過調節其中的參數可以表征曲線的不同特性，便于后續將其應用于實踐工程。

為了驗證本文所提控制方法的有效性，在MATLAB/Simulink仿真實驗平臺中建立仿真模型。模型包含本文所提儲能調頻死區模塊、儲能控制模式選擇模塊和儲能出力約束模塊，如圖3所示。

圖3 儲能參與電網一次調頻仿真模型示意圖

當系統加入60min連續負荷擾動時，采用本文方法和對比方法的調頻效果如圖4所示，儲能系統和火電機組的輸出功率分別如圖5和6所示，調頻指標如表1所示。

圖4 60min連續擾動下頻率偏差曲線

圖5 60min連續擾動下儲能輸出功率曲線

圖6 60min連續擾動下儲能輸出功率曲線

表1 60min連續負荷擾動下電網調頻指標

結論及展望

本文提出一種考慮儲能調頻死區的一次調頻控制方法。該方法考慮儲能參與調頻的儲能調頻死區，能夠有效減小常規火電機組參與調頻的輸出功率，在相同擾動下相較于對比方法，在本文擾動場景下，常規機組參與調頻次數由27次減少至11次，明顯改善其頻繁動作的問題。

目前對儲能參與電網調頻的儲能調頻死區研究較少，仍然有很大的深掘空間。儲能調頻死區大小的設定涉及到儲能和傳統機組的出力情況，深入研究如何量化儲能調頻死區和火-儲聯合調頻間的綜合經濟性關系，對未來大規模新能源并網具有巨大意義。

引用本文

馬智慧, 李欣然, 譚莊熙, 黃際元, 賀悝. 考慮儲能調頻死區的一次調頻控制方法[J]. 電工技術學報, 2019, 34(10): 2102-2115. Ma Zhihui, Li Xinran, Tan Zhuangxi, Huang Jiyuan, He Li. Integrated Control of Primary Frequency Regulation Considering Dead Band of Energy Storage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 2102-2115.

團隊介紹

湖南大學擁有“國家電能變換與高效節能國家工程中心”國家級科研平臺，擁有“教育部輸變電新技術工程研究中心”、“湖南省電氣科學及其應用重點實驗室”等省部級科研平臺。擁有“直流輸電系統及其換流/濾波創新研究平臺”、“電力系統動態模擬實驗室”、“FZML負載實驗模擬加載系統”等高水平的實驗研究基地。擁有PSASP、BPA、PSCAD等先進的電網數字仿真軟件和RTLAB為代表的半實物仿真實驗平臺，可完成針對實際大型電網環境的電力系統潮流、暫態及小擾動電壓穩定和暫態功角穩定等仿真計算功能，能夠實現綜合負荷模型有效性數字仿真檢驗。

擁有包括光伏發電系統、風力雙饋模擬發電系統各種類型負荷的微網實驗研究平臺，可實現風力發電、光伏發電特性測試，同時該平臺還可以實現各種類型的微源與儲能裝置聯合運行測試，為微電源與儲能元件之間的互補性及其協調控制提供研究測試手段；已經開發了功能完善的“含微電源復雜負荷建模仿真系統”。

李欣然

湖南大學電氣與信息工程學院教授，電力系統及其自動化專業工學博士，博士研究生導師，享受國務院政府特殊津貼專家。主要研究方向為電力系統運行控制與仿真建模；儲能電源仿真建模與控制技術及其在電力系統中的應用等。在“儲能技術及其在電力系統中的應用”研究方向，先后主持完成國家863計劃項目子課題、國家973計劃項目子課題（參與）、國家自然科學基金面上項目、湖南省自然科學基金重點項目等課題共7項。在儲能電源仿真建模技術、儲能電源與分布式發電在配電網中的聯合規劃技術、儲能電源參與電網快速調頻以及提高電網間歇性新能源發電消納能力的控制技術等方面，發表學術論文30余篇，申請授權發明專利10余項、軟件著作權5項。