湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院、國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司的研究人員李欣然、崔曦文、黃際元、黎淑娟、孟婭，在2019年第18期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，考慮電網(wǎng)頻率特性，提出一種基于虛擬慣性和虛擬下垂動態(tài)結(jié)合的電池儲能電源參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)控制策略。

通過分析儲能電源虛擬慣性和虛擬下垂兩種控制策略對頻率特性的影響，提出一種可隨頻率偏差值和頻率偏差變化率變化而自動調(diào)整兩種調(diào)頻模式參與調(diào)頻的分配比例系數(shù)的模型，此模型可實現(xiàn)這兩種控制策略的優(yōu)勢互補，同時可實現(xiàn)兩種調(diào)頻模式的平滑切換，可有效地避免控制模式直接切換時引起的二次擾動。

基于此模型提出電池儲能電源參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)控制策略，結(jié)合調(diào)頻評估指標(biāo)，確定儲能電源的動作深度，進而得出儲能電源的功率和容量配置需求。

最后，分別以階躍擾動工況和連續(xù)擾動工況進行驗證，并與虛擬下垂和虛擬慣性直接切換的一次調(diào)頻控制策略進行對比分析，結(jié)果表明所提控制策略能以較小的儲能電源的容量配置來滿足調(diào)頻評估指標(biāo)要求并達到較好的調(diào)頻效果，同時可減小傳統(tǒng)機組的備用容量。

隨著化石能源的枯竭，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電迅速興起，因其輸出功率具有波動性和不確定性的特征，大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電勢必會對電網(wǎng)造成較大的沖擊，加大電網(wǎng)調(diào)頻壓力。因此，傳統(tǒng)調(diào)頻電源已不能滿足日益提高的電網(wǎng)調(diào)頻需求，電池儲能電源在電網(wǎng)調(diào)頻中的優(yōu)勢是當(dāng)今研究的熱點。

電池儲能電源運用于輔助電網(wǎng)調(diào)頻，可充分發(fā)揮其動作迅速和調(diào)節(jié)方式靈活的優(yōu)勢，不僅可顯著改善電網(wǎng)調(diào)頻性能，而且能夠有效減小傳統(tǒng)機組的調(diào)頻備用。在電池儲能電源輔助電網(wǎng)調(diào)頻的領(lǐng)域中，控制策略是備受關(guān)注的理論與實際工程問題，合理的控制策略不僅能夠更好地發(fā)揮電池儲能電源的調(diào)頻效果，而且能夠有效地減小儲能電源的容量配置。

電池儲能電源輔助電網(wǎng)一次調(diào)頻的基本控制策略有虛擬慣性控制和虛擬下垂控制，二者的調(diào)頻效果各有優(yōu)勢。前者可有效抑制最大頻率偏差變化率，緩解頻率下降的速度；后者則能有效減小穩(wěn)態(tài)頻率偏差。

有學(xué)者研究出儲能電源抑制風(fēng)電功率的機理模型，為其輔助電網(wǎng)調(diào)頻奠定理論基礎(chǔ)。

有學(xué)者基于模型預(yù)測算法計算儲能出力來平抑風(fēng)電波動。

有學(xué)者將儲能電源配合風(fēng)電機組參與微電網(wǎng)一次調(diào)頻，使風(fēng)電機組具有類似同步發(fā)電機的一次調(diào)頻能力，并建立以一次調(diào)頻備用成本最小為目標(biāo)的容量配置機會約束規(guī)劃模型。

有學(xué)者分析電池儲能電源以虛擬下垂調(diào)頻模式參與一次調(diào)頻后的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）特點，提出一種完成一次調(diào)頻后的儲能電池SOC重建策略，該策略可提高儲能電源的壽命。

有學(xué)者分析風(fēng)電出力特點，提出一種儲能電源參與含風(fēng)電電網(wǎng)的優(yōu)化下垂控制策略，可有效平抑風(fēng)電波動。

有學(xué)者考慮集中式電池儲能電源的特點，結(jié)合電池儲能電源的容量限制、SOC和電網(wǎng)調(diào)頻的需求，提出了一種基于儲能電池SOC變化的自適應(yīng)控制策略，根據(jù)不同時刻儲能電池的SOC，來確定儲能電池的虛擬單位調(diào)節(jié)功率值，從而確定其出力深度。

單一虛擬下垂控制盡管減小了穩(wěn)態(tài)頻率偏差，但是不能有效抑制頻率的下降速度和減小最大頻率偏差變化率。如果采用單一虛擬慣性控制，則只能在頻率下降過程中起作用，無法降低穩(wěn)態(tài)頻率偏差。因此二者的單獨使用都不能合理協(xié)調(diào)穩(wěn)態(tài)頻率偏差與暫態(tài)頻率下降速度和最大頻率偏差變化率之間的矛盾。

有學(xué)者提出了一種針對儲能電源參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的綜合控制模式——頻率下降階段采用虛擬慣性控制，而在隨后的頻率恢復(fù)階段則采用虛擬下垂控制，二者以最大頻率偏差為切換邊界。這種綜合控制模式一定程度地協(xié)調(diào)了穩(wěn)態(tài)頻率偏差與暫態(tài)頻率下降速度和最大頻率偏差變化率之間的矛盾，但是在出力控制模式切換時造成儲能電池從零出力到最大出力的躍變，不僅給電網(wǎng)造成附加的功率和頻率變化沖擊，而且將降低儲能電池的使用壽命。

本文統(tǒng)籌考慮一次調(diào)頻過程中的頻率偏差和頻率偏差變化率特征，結(jié)合虛擬慣性和虛擬下垂兩種模式各自的優(yōu)勢，提出一種確定兩種調(diào)頻模式參與調(diào)頻的分配比例系數(shù)的解析模型，此模型可隨頻率偏差和頻率偏差變化率的變化而優(yōu)化調(diào)整，并實現(xiàn)兩種調(diào)頻模式的平滑切換。

基于此模型提出一種電池儲能電源參與一次調(diào)頻的自適應(yīng)控制策略，可實現(xiàn)在同一時刻兩種控制模式的綜合使用，從而改進一次調(diào)頻效果，減小儲能容量配置。利用典型區(qū)域電網(wǎng)算例對本文方法進行仿真，證明了其有效性。

圖12 一次調(diào)頻自適應(yīng)控制策略流程

結(jié)論

本文提出的電池儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)策略，綜合了虛擬慣性和虛擬下垂兩種控制策略的優(yōu)勢并克服了其各自的缺陷，相較于簡單組合式（直接切換）策略具有顯著的優(yōu)勢和更好的控制性能。

1）在頻率下降階段后期，虛擬下垂彌補了虛擬慣性出力不足的缺陷，有效減小了儲能電池的功率配置，提高了其容量利用效率，同時也有助于減小同步發(fā)電機組的備用容量和電網(wǎng)的最大頻率偏差。

2）由于充分利用了虛擬慣性和虛擬下垂對于頻率偏差及其變化率的反應(yīng)能力，有效地平滑了儲能電源的出力，減小了儲能電源的充/放電深度，可有效地提高儲能電源的使用壽命。

3）由于實現(xiàn)了虛擬慣性和虛擬下垂之間的平滑切換，有效地避免了儲能電源的控制策略切換對電網(wǎng)的二次沖擊，顯著提高了電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定質(zhì)量。

后續(xù)工作重點將是如何優(yōu)化電池儲能電源的特性參數(shù)（ME、KE），更好地協(xié)調(diào)儲能電池和常規(guī)機組的調(diào)頻出力，以盡量減小電網(wǎng)最大頻率偏差、穩(wěn)態(tài)頻率偏移，減輕二次調(diào)頻壓力。

原標(biāo)題:學(xué)術(shù)簡報︱電池儲能電源參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的自適應(yīng)控制策略