邓威，谢煜东，黄际元，唐星祝，向萌

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.重庆大学，重庆 401331；3.湖南大学，湖南 长沙 410082)

多类型储能一次调频特性研究

邓威1，谢煜东2，黄际元3，唐星祝1，向萌1

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.重庆大学，重庆 401331；3.湖南大学，湖南 长沙 410082)

本文采用区域等效方法，对系统的传统频率响应模型进行改进完善，使其能更真实地反映实际电网中各种因素对一次调频的影响。针对超级电容、超导磁、电池、飞轮等多类型储能的运行特性，分别构建这4种储能系统参与电网一次调频的通用模型。结合典型负荷扰动，通过仿真研究分析储能荷电状态 (State of Charge，SOC)非线性约束对调频特性的影响及各类型储能特点。

一次调频；多类型储能；调频特性；负荷扰动

目前国内参与电力系统一次调频的机组主要有火电机组、水电机组。国内对一次调频 (Primary Frequency Regulation，PFR)的研究主要集中在3个方向:从电网常规运行角度出发，基于频率响应模型进行仿真，进而分析网络中各参数对系统一次调频动态特性的影响〔1－3〕；从电网事故角度出发，基于历史电网频率、发电机出力及负荷数据分析事故发生的原因并提出预防措施〔4－6〕；从单机并网角度出发，基于机组调频特性实验分析机组的调频能力以及相关参数设定〔7－9〕。大量的研究表明，无论是水电调频机组还是火电调频机组，均有其自身的局限与不足，会影响电网频率的安全与品质。如火电机组响应时滞长不适合参与更短周期的调频，受蓄热制约而存在调频量明显不足，甚至远未达到一次调频调节量理论值。而水电机组的调频容量则易受地域与季节性制约。随着新能源接入电网的比例不断提高，现有调频手段的不足日益突出，亟需新的调频技术。

大规模储能系统具有响应速度快及短时功率吞吐能力强等特点，若能将其与电网的传统调频技术相结合，可作为一次调频的有效辅佐手段。国外针对电池、超级电容、超导磁和飞轮等多类型储能系统 (Energy Storage System，ESS)参与电网调频，已有了一定的研究和相关工程应用〔10－13〕，但大部分研究和应用是针对二次调频，在储能参与一次调频能力方面的研究尚不多见。

文中在改进系统的传统频率响应 (System Frequency Response，SFR)模型的基础上，提出了储能系统模拟机组一次调频下垂控制参与电网一次调频的思路，进而得出了更适合描述多类型储能一次调频特性的模型。在考虑储能荷电状态 (State of Charge，SOC)非线性约束的影响下，分析了不同类型储能参与电网一次调频的特性。

1 多类型储能频率响应模型

在基于系统频率响应研究电网调频时，通常认为同一区域各发电机联系紧密，即各发电机之间摇摆角变化量为0，忽略网络影响，从而同一区域机组频率响应相同。因此可以采用线性模型来描述电网调频问题，将同一区域同一类型的发电机聚合等效为单机模型，但保留各机组原动机－调速系统独立响应的特性，其模型结构如图1所示。

图1 频率响应模型结构图

图中:ΔPd为全网总负荷增量；n为发电机数；ΔPg1，ΔPg2，…，ΔPgn为各机组增发的机械功率；Δu1，Δu2，…，Δuun为各机组二次调频的控制增量；Δω为区域的平均转速偏差，在标幺化的情况下等于该区域的频率，即Δω＝Δf。

1.1 电网一次调频模型

当前系统的传统频率响应模型研究尚存在以下不足之处:①未考虑联络线传输功率极限，因而频率稳定情况下，存在联络线功率已经越限的可能；②未考虑机组容量以及机组的一次调频最大调整负荷限幅。一次调频最大调整负荷限幅是指电网允许机组在一次调频中调整的出力，而机组容量是指机组自身所剩余的可调整出力大小。针对上述不足，可通过在Matlab/Simulink中直接使用非线性元件实现联络线传输功率极限的限制，并在模型中设定机组容量和最大调整负荷限幅，如图2所示。

图2 机组容量和调整负荷限幅模块

图中:ΔP为根据频率偏移和调差系数所得出的机组功率增量；P0为机组初始功率；PN为机组额定功率；ΔP′为经过模块修正过的机组实际功率增量。常规机组参与一次调频的控制目标是在小负荷扰动情况下尽可能将频率维持在机组死区附近，在电网大故障情况下尽可能缓冲事故对系统频率的影响，因此要求机组以最快速度响应负荷需求。文献 〔7〕中亦提出机组一次调频中不设置爬坡率限制。本文默认机组爬坡率足够大从而不会对系统调频产生影响。

1.2 多类型储能一次调频模型

电网中的一次调频是利用系统固有的负荷频率特性及发电机组的调速器作用来防止系统频率偏离标准频率的调节方式。因此，通过模拟发电机组根据频率偏差和调差系数调整自身出力的方式，可建立储能系统参与电网一次调频的基本模型，其出力增量ΔPESS与Δf的数学关系如下所示:

其中RESS和KESS分别称为储能系统的静态调差系数和静态功频特性系数。不同的储能系统，其结构基本上都是由直流侧部分和并网逆变控制器组成。直流侧部分相当于一个稳定输出的直流源，而通过调节并网逆变控制器的输入，可实现储能按指定方式和大小出力。因此，在含有储能的系统频率响应模型中，储能系统可以采用一个一阶惯性环节来描述其动态特性，其时间常数为TESS。储能系统模型如图3所示。

图3 储能系统模型

储能系统一般分能量型储能和功率型储能。能量型储能以高能量密度为特点，通常放电时间较长(数十分钟到数小时)，比如大规模传统蓄电池及新型电池储能等。功率型储能以高功率密度为特点，可在短时内提供大功率输入输出，响应迅速，容量相对较小，放电时间较短 (数秒到数分钟)，比如超级电容器、超导磁储能和飞轮储能等。在建立能量型和功率型储能系统的频率响应模型时，需要根据各自的特性来确定其KESS，TESS、储能系统的额定功率以及额定容量。从而可以较为真实地模拟能量型储能和功率型储能的特性及约束。需要注意的是:在仿真计算中，储能系统参与一次调频模型的储能爬坡率限制数值较大，对系统调频效果几乎无影响。而实际运行过程中，大部分储能系统均能在极短的时间内达到出力目标，相对于传统水火电机组，其出力变化几乎可看作瞬时完成，因而爬坡率限制可视仿真要求和实际情况进行设置。

以储能参与2个区域互联系统的调频为例，搭建一个改进的储能一次调频模型，如图4所示。

图4 储能系统参与一次调频模型图

其中，各区域均有1台再热火电机组，区域1有一种储能系统接入；ΔPd1，ΔPd2分别为2个区域的负荷扰动；ΔPg1，ΔPg2为各机组的机械功率变化；ΔXe1，ΔXe2为各机组的阀门位置变化；ΔPE为储能系统的出力变化；Δf1，Δf2分别为2个区域的频率偏移。ΔPtie为联络线功率偏移，其功率方向为区域1流向区域2。当电网由于负荷扰动而导致频率波动时，储能电源因其对负荷随机和瞬间变化可做出快速反应等优点，会优先参与电网频率调整，通过与传统调频机组有效结合，维持系统频率在合格范围之内。当传统调频机组调频功能完全启动后，储能系统则自动退出调频过程。

2 多类型储能一次调频特性仿真

在Matlab/Simulink中搭建上述改进的储能参与2个区域互联的一次调频模型，可仿真分析不同类型储能系统参与一次调频的特性及SOC非线性约束对频率响应的影响。

2.1 不考虑SOC非线性约束的情形

设2个区域所带总负荷大小相同，均为1 000 MW，且以此值为功率基准值。在仅考虑一次调频作用的情况下，设区域1负荷发生变化量为总负荷的1%的阶跃变化。模型的常规机组相关参数与参考文献 〔10〕中的参数相同，各机组均留有0.1 p.u.调频容量，一次调频最大调整负荷限幅为0.08 p.u，联络线功率传输极限为0.1 p.u，各储能系统模型参数的设置见表1。在不考虑SOC非线性约束影响下，采用文中提出的模型对各类型储能参与一次调频进行仿真。其系统动态频率响应和联络线功率变化量动态响应的仿真结果如图5所示。

表1 各储能模型参数设置

图5 不考虑非线性约束的阶跃负荷扰动仿真结果图

仿真结果表明，随着储能静态功频特性系数设置的上升，储能出力增加，系统一次调频结束后的暂稳态频差随之减小，联络线交换功率偏差波动也减小，但系统达到稳定的时间增长。在实际情况下，任何一种储能都受到其额定功率、容量和SOC的限制，因而只有考虑了以上三者的限制，才能更贴近地模拟储能系统参与一次调频的特性和影响。

2.2 考虑SOC非线性约束的情形

在与2.1小节同样的仿真设置，并考虑SOC非线性约束的影响下进行仿真，系统的动态频率响应、联络线功率变化量的动态响应、各储能系统SOC的仿真结果如图6所示。

图6 考虑非线性约束的阶跃负荷扰动仿真结果图

仿真结果表明，当网络负荷出现扰动时，相比传统网络，各储能均能迅速响应，有效地抑制频率和联络线交换功率的波动。在扰动发生的初期，由超级电容、飞轮储能系统参与一次调频的效果更好，2个区域的频率和联络线交换功率的波动较小，系统达到暂稳态后的频差较小；由电池和超导磁储能系统参与频率调整的区域暂稳态频差略大一些，这主要是由于前2种功率型储能在短时提供了更多的电能平衡负荷需求。但由于受到容量限制，超级电容和飞轮储能系统的SOC变化剧烈，在扰动的后期，超级电容甚至因 SOC越限停止工作，因而负荷再次转移到了常规机组，导致电网频率的再次波动，从而暂稳态被破坏，不利于电网稳定。文中超级电容的SOC限制取值较为理想，在国内，为了延长超级电容的使用寿命，其SOC允许波动范围可能更小，因而暂稳态可能更快被打破。

上述仿真中的阶跃负荷扰动仅可用于模拟实际电网中的大事故状况。实际运行时，对于一次调频需要平衡的主要是连续的小负荷扰动，因而只采用阶跃负荷扰动来研究调频特性尚不够全面。因此本文截取了部分实际风电数据来模拟这种扰动。如图7所示，该风电功率波动时长为100 s。

图7 实际的风电出力波动

用该风电数据替代模型中的阶跃负荷扰动进行仿真，结果如图8所示。

图8 考虑非线性约束连续负荷扰动仿真结果图

上述针对风电波动功率的仿真结果表明，超级电容、飞轮储能系统在平抑连续小负荷扰动时更具优势，其SOC长时越限的可能性减小，从而能在更长时间范围内为电网提供快速有效的一次调频服务。

综上所述，虽然能量型储能 (如电池)的辅助调频效果不如功率型储能 (如超导磁、超级电容和飞轮)，但其技术最为成熟，具备较大的容量，可以长时充放电。在任何扰动下，其SOC变化最小，相应的调频效果也远远优于常规机组，具有较高的工程应用价值。诸如超级电容、飞轮等功率型储能短时的大功率输入输出特点，使其能迅速平抑本区域扰动，抑制系统频率波动，但其较大的功率和较小的容量会导致SOC变化太快，在电网故障情况下难以长时支撑电网频率。因而在后续工作中需要进一步研究一次调频中储能系统和常规机组的配合方式，确保储能工作在浮充电状态，从而也有利于延长储能的寿命。

3 小结

文中对系统的传统频率响应模型中尚存的不足进行了改进。在分析多类型储能出力特性的基础上，建立了储能模拟传统机组下垂特性出力的一次调频模型，并进而提出了储能参与2个区域互联的一次调频模型，该模型可以计及区域内各台机组和不同储能系统非线性约束的影响。通过仿真计算，分析了SOC非线性约束对不同储能系统一次调频特性的影响，以及能量型储能和功率型储能各自的优势和应用场景。

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Research on primary frequency regulation characteristics of multi-type energy storage system

DENG Wei1，XIE Yu-dong2，HUANG Ji-yuan3，TANG Xing-zhu1，XIANG Meng1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Chongqing University，Chongqing 401331，China；3.Hunan University，Changsha 410082，China)

Based on area equivalent method，this paper has modified system frequency response model to reflect the influence of various factors of grid on primary frequency regulation.For super capacitor energy storage，super magnetic energy storage，battery energy storage and flywheel energy storage，this paper has proposed a general model with flexible parameter settings to depict their corresponding characteristics.Based on typical load perturbation，the impact of nonlinear factors like state of charge (SOC)on frequency regulation characteristics is analyzed and the characteristics of multi-type energy storage are studied.

primary frequency regulation；multi-type energy storage；frequency regulation characteristics；load perturbation

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.001

TM76

A

1008-0198(2015)01-0001-04

邓威(1983)，男，湖南娄底人，博士，主要从事智能电网、电压无功优化控制方面的研究。

2014-08-12