江全元-基于储能的频率支撑技术研究-浙江大学a

基于储能的电网频率支撑技术研究江全元浙江大学电气工程学院杭州2021年5月26日1研究背景目录2紧急频率支撑3一次调频4二次调频1.研究背景1研究背景

随着风电、光伏等可再生能源大规模并网，电力系统惯性下降，系统遭受波动性、不确定性扰动的风险大大增加，给电网频率控制带来新的挑战。中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。——习近平总书记于2020年9月在第七十五届联合国大会上的讲话“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，要构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。

——习近平总书记于2021年3月在中央财经委员会第九次会议上的讲话1研究背景调频研究方法建立电网频率仿真模型电网频率瓶颈识别通过分析瓶颈场景，确定储能选址定容方案针对不同调频场景，研究储能调频控制策略1研究背景分钟级秒级毫秒级储能提供频率紧急支撑储能参与电力系统一次调频储能参与电力系统二次调频调频应用场景江苏电网浙江电网云南电网

江苏电网：典型受端电网，外送直流规模较大，其更容易出现直流闭锁等大型故障，因此以江苏电网作为紧急频率支撑场景的研究对象；

浙江电网：典型受端电网，随着新能源渗透率大幅提升，可作为一次调频场景的研究对象；

云南电网：水电机组占比高，外送比例高，可能导致超低频振荡问题，以云南电网作为二次调频场景的研究对象。2.紧急频率支撑2无模型自适应储能快速调频控制无模型自适应储能快速调频控制策略无模型自适应储能快速调频控制框架首先，基于量测信息得到动态线性模型近似系统整体频率特性；其次，需要结合所得到的动态线性模型，进一步建立优化控制模型，用以动态决策电力系统（黑匣子）的控制变量。电力系统（黑匣子）示意图频率特性在线估计器和储能有功在线优化控制器目标函数为松弛约束以提高优化模型的可解性，用大M法对约束进行等效处理，得到新的目标函数约束条件频率约束：储能约束：大M法等效处理目标函数求解过程频率特性在线估计器储能有功在线优化控制器2无模型自适应储能快速调频控制算例分析假设江苏电网负荷为87,818MW，可再生能源渗透率提升至25%，一条±800kV特高压直流线路发生直流闭锁故障，江苏电网损失5,700MW有功送入。系统频率特性近似效果在每一时刻频率预测的平均绝对误差频率预测误差轨迹在相同输入下，对比分析根据估计器得到的输出和对应时刻的实际输出，可以得出结论，所提出的方法可以实现系统频率特线性的有效近似。2无模型自适应储能快速调频控制算例分析控制效果分析不同控制方式下储能出力曲线有无储能情况下系统频率偏差

在所提出的控制下，储能在频率跌落阶段向电网注入较大功率，在常规机组一次调频逐渐响应后开始适当减小，当常规机组有功出力增加到足以恢复系统频率时，储能不再出力。所以，本文所提出方法可以实现灵活的储能快速调频控制。2无模型自适应储能快速调频控制3.一次调频3.1统一频率模型

通过建立浙江电网统一频率模型，能够在典型故障下对储能参与一次调频进行仿真，分析储能调频参数对储能一次调频效果的影响；同时研究在不同工况下储能一次调频参数动态优化的方法，以兼顾储能的经济性和功能性。

火电机组水电机组新能源储能系统省内负荷直流外送电源

通过建立含风储水火荷的离散化电力系统动态频率特性模型，利用浙江电网参数构建浙江电网仿真模型。研究内容3.1统一频率模型控制器采用下垂控制方式计算储能功率指令：储能本体功率及能量限制：储能电站模型3.2储能一次调频参数优化选取

优化流程

依据实时经济调度，将电力系统运行时间等分为多个时段，采用滚动优化的方式，在当前时段，基于可再生能源和负荷超短期预测结果，优化下一时段储能控制器参数，并在对应时段到来时将对应参数投入运行。考虑超短期预测的参数滚动优化模式储能控制器模拟下垂控制方式，计算储能参与一次调频功率待优化参数1：调差率目标函数根据超短期预测功率变化幅度与波动程度，动态调整权重系数，兼顾频率控制效果与储能动作程度约束条件系统扰动系统约束：储能约束：考虑到复杂的非线性约束，采用启发式的遗传算法求解模型待优化参数2：频率死区3.2储能一次调频参数优化选取储能控制参数优化模型目标函数系数取值与预测功率关系示意图假设浙江电网拥有300MW/500MWh储能备用容量参与一次调频；假设每时段长度为1h。以固定控制参数作为仿真对照，对照策略控制参数取各时段优化结果的平均值。定义频率偏差、储能动作程度指标，用以评估不同策略的控制效果，指标越小效果越好。算例介绍算例分析最大频率偏差频率总体偏移情况储能总体响应情况频率-储能动作综合指标分别选取两个时段作为待优化时段，其中，时段1功率波动较为剧烈，时段2功率波动相对平缓。3.2储能一次调频参数优化选取时段1时段2对于波动剧烈的场景，本策略以调控频率为主要目标，令储能多动作以减少频率偏差。时段1频率偏差与储能动作曲线时段策略控制参数控制效果评估指标频率死区(Hz)调差率(%)I1(Hz)I2(Hz)I3(MW)I4(MW×Hz)时段1所提策略0.00952.20.03220.009583.54520.7937对照策略0.01502.90.04970.022241.72350.9271时段2所提策略0.02043.50.03100.01297.71210.0995对照策略0.01502.90.02790.011910.15210.1208算例分析3.2储能一次调频参数优化选取算例分析对于波动较缓的场景，本策略以减少储能动作为主要目标，同时保证一定控制效果。时段2频率偏差与储能动作曲线时段策略控制参数控制效果评估指标频率死区(Hz)调差率(%)I1(Hz)I2(Hz)I3(MW)I4(MW×Hz)时段1所提策略0.00952.20.03220.009583.54520.7937对照策略0.01502.90.04970.022241.72350.9271时段2所提策略0.02043.50.03100.01297.71210.0995对照策略0.01502.90.02790.011910.15210.12083.2储能一次调频参数优化选取4.二次调频4.1储能-水电机组协同参与自动发电控制策略

由于存在水锤效应，云南电网可能出现超低频振荡。为解决该问题，建立适用于超低频振荡分析的传递函数模型，在此基础上建立云南电网统一频率模型，同时模型在原有基础上考虑了AGC模型，以此进行储能参与二次调频的策略研究。

4.1储能-水电机组协同参与自动发电控制策略控制策略将AGC机组的指令斜坡化以降低水轮机水锤效应，其中，斜坡化程度主要基于机组当前响应状态和下一周期功率指令的关系动态确定。储能用于弥补指令斜坡化后造成的机组实际功率调节指令与当前指令缺额。控制过程中的有功功率变化示意图4.1储能-水电机组协同参与自动发电控制策略采用云南电网大运行方式作为测试算例，引入一段风电波动