CTM电池储能辅助火电机组参与调频的应用研究

CTM电池储能辅助火电机组参与调频的应用研究

电网《两个细则》中对火力发电机组的调频能力作了相关规定，按规定对提供合格调频的机组作出相关补偿。面对火力发电机组日益严峻的经营环境，煤价持续保持在高位，保供保发的压力犹在，不少火力发电厂面临着亏损的困境，要是能参与好电网的调频服务，能得到一份不错的调频收益。为了提升火力发电机组的调频能力，要加强火力发电工作，可加强对电池储能技术的应用，通过辅助功能做好调频工作。火电厂应加强对相关技术的应用研究，提高调频水平，进一步提升火力发电的质量及收益。

1电网调频

频率是衡量电力系统安全、稳定、可靠和电能质量的一个重要指标。我国电力系统的标准频率是50Hz，其允许的频率偏差在±0.2Hz以内。如果电网频差长期超过安全的波动区间，将会对本地区的用电设备造成影响，甚至造成电网崩溃等电力事故。电网调频的实质就是通过对电网的有功进行调节，使得负荷和发电站的有功达到均衡，从而使整个电网的频率保持在标称频率。

1.1系统负荷和发电机组频率特性

1.1.1系统负荷的频率特性

随着系统频率的下降，负荷的有功功率也随之下降。随着系统频率的上下起伏，负荷的有功功率也随之增大。结果表明，负荷功率随系统的频率变化呈显著的正相关，并将其称为负荷的调频效果。在频率有较小幅度的偏差时，可以认为负荷的静态特性是线性的。

1.1.2发电机组的频率特性

在负荷上升时，系统频率在额定频率以下，机组可以利用原动机的调节器提高有功功率。相反，在负荷波动时，系统频率比额定频率高，机组利用原动机的调节器降低了有功功率。

1.2 一次调频

一次调频是指电网在系统频率发生波动时，利用电网的固有负荷频率特征和机组的频率特征，对电网进行一次调频。一次调频是通过改变发电机的有功输出来达到的。一次调频是在电网出现频率变化后，首先启动的控制过程。利用调速器改变原动机的出力，调整发电机的有功功率，使其不能持续地变化。但是它不能将系统的频率恢复到正常的水平，属于有差调整。

一次调频系统具有三个基本特征：1）负荷变动幅度较小，其变化幅度通常在最大负荷的1%以内。2)负荷的变化率高，其变化率可达每分钟超过5%的峰值。3)负荷的变化幅度很大，可以达到每小时几百次[1]。

1.3二次调频

电网二次调频是指对电网进行一次调频后，为了将电网频率恢复正常，必须对发电机输出功率进行进一步的修正，然后通过电网调度中心对二次调频信号进行指令，发电机依据调频信号来调整其有功输出，使得负荷端发电机端的有功恢复到稳定状态。与一次调频技术相比，二次调频技术更为精细，它需要将电网的调整时间和频率偏差控制在安全范围之内。

2电池储能系统参与电网调频的优势

2.1响应迅速，时间短，调整精度高。

与常规的火电机组相比，电池储能系统在响应速度、响应时间、调整精度等方面都有较大的优越性，并可迅速减小因负荷而产生的频率波动。

2.2双向调节。

通过电池储能系统对储能电池进行控制，实现对能量的充放电。当电力供应不足时，可以通过控制储能电池将电能传输到电网。在电力供应过剩的情况下，能量可以被储存起来，这样就可以在下一次的电力供应中对电力的需求做出快速反应。

2.3高效的能量转化和良好的环境保护。

电池的充放电效率比火电机组要高，实验结果显示，储能电池的能量利用率在80%以上。从环境保护的角度来看，采用太阳能电池对常规燃煤机组进行辅助，不仅可以减少对环境的污染，而且可以有效地提高新能源的利用效率，并能有效地解决当前的弃风弃光问题[2]。

3电池储能辅助火电机组参与调频的应用研究

3.1电池储能系统参与一次调频控制策略优化

电池储能系统参与一次调频，是通过跟踪系统的频率变化，对储能系统的输出进行有效地控制，以补偿一些常规火电机组由于无功而产生的频率偏移，使其在容许范围之内。从上述结果可以看出，当前电池储能系统的一次调频控制策略主要是通过仿真发电机的垂向特性来实现，而下垂控制在调频中起到了一定的作用。然而，实际中，一次调频信号往往是一种随机、小干扰，而且频率波动大，容易引起能量消耗，从而降低了电池的寿命。同时，在电池耗尽后，系统也会丧失对能量的快速反应。所以，在研究电池储能参与一次调频控制策略的过程中，荷电状态是一个很重要的参数，这是需要考虑在内的。根据上述一次调频控制方案，在原来的固定单元调整功率基础上，根据负荷状况，对电池储能系统的调频进行实时调整，并对其进行了优化[3]。

3.2电池储能系统参与二次调频控制策略优化

3.2.1荷电状态约束的多变量模糊控制

在进行电池储能系统参与二次调频控制策略的优化过程中，电池储能系统必须兼顾两个变量：区域控制偏差和荷电状态。在电网频率波动、超过调频死区的情况下，必须通过调整电池储能系统的输出来帮助火电机组保持电网的频率稳定性。而电池储能系统则要根据SOC的具体情况来调节功率，根据SOC的不同状况，其输出方式也会有很大的差别。由于采用了二维模糊控制器，仅对单一变量（也就是被控对象的输入误差和偏差速率）进行控制，而不考虑其它相关因素的影响，因此不能进行多变量协同控制。

3.2.2 多变量模糊控制器设计

该模糊控制调整储能设备的功率，其控制规范如下：

当储能电池SOC为低电量状态（也就是SOC<0.3）时，如果该电池储能系统仍然在放电，那么在原有的基础上，可以将其功率输出值调整到最低，以防止过放对电池的损害。在负荷条件超过安全限度（SOC<0.1）时，电池储能系统将会停止放电。在储能电池充电时，储能系统会在最大速率下吸收电力，使其频率偏离和负荷状态迅速回到正常范围。

在储能电池的荷电状态电量充足条件下（即，0.3< SOC<0.7)，如果电网ACE偏移较大，其变化率较高，则储能系统的输出功率会更高，从而使系统的频率偏移得到最大限度地降低。在ACE偏差很小，变化率很小的情况下，储能系统的输出功率就会降低。

若储能系统SOC为高电量状态（亦即 SOC>0.7)，此时电池储能系统仍然在充电，则可在原有基础上适当地减慢电池储能系统的吸收速率，以防止由于过充造成的电池损坏。电池储能系统在负荷状态超过安全值时停止充电（SOC>0.9）。在储能系统放电时，储能系统在最大速率下以最大功率输出，以达到调频要求，使其频率偏离和负荷状态迅速恢复到正常范围。模糊控制的原则是根据控制策略的需要来决定的。

利用最大隶属度方法进行模糊计算，以获得准确的输出功率。在完成了控制算法的设计之后，利用多变量模糊控制器进行了电力系统二次调频系统的模拟，以检验该优化方案的有效性[4]。