基于儲能的電網頻率支撐技術研究江全元浙江大學電氣工程學院杭州2021年5月26日1研究背景目錄2緊急頻率支撐3一次調頻4二次調頻1.研究背景1研究背景

隨著風電、光伏等可再生能源大規模并網，電力系統慣性下降，系統遭受波動性、不確定性擾動的風險大大增加，給電網頻率控制帶來新的挑戰。中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。——習近平總書記于2020年9月在第七十五屆聯合國大會上的講話“十四五”是碳達峰的關鍵期、窗口期，要構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。

——習近平總書記于2021年3月在中央財經委員會第九次會議上的講話1研究背景調頻研究方法建立電網頻率仿真模型電網頻率瓶頸識別通過分析瓶頸場景，確定儲能選址定容方案針對不同調頻場景，研究儲能調頻控制策略1研究背景分鐘級秒級毫秒級儲能提供頻率緊急支撐儲能參與電力系統一次調頻儲能參與電力系統二次調頻調頻應用場景江蘇電網浙江電網云南電網

江蘇電網：典型受端電網，外送直流規模較大，其更容易出現直流閉鎖等大型故障，因此以江蘇電網作為緊急頻率支撐場景的研究對象；

浙江電網：典型受端電網，隨著新能源滲透率大幅提升，可作為一次調頻場景的研究對象；

云南電網：水電機組占比高，外送比例高，可能導致超低頻振蕩問題，以云南電網作為二次調頻場景的研究對象。2.緊急頻率支撐2無模型自適應儲能快速調頻控制無模型自適應儲能快速調頻控制策略無模型自適應儲能快速調頻控制框架首先，基于量測信息得到動態線性模型近似系統整體頻率特性；其次，需要結合所得到的動態線性模型，進一步建立優化控制模型，用以動態決策電力系統（黑匣子）的控制變量。電力系統（黑匣子）示意圖頻率特性在線估計器和儲能有功在線優化控制器目標函數為松弛約束以提高優化模型的可解性，用大M法對約束進行等效處理，得到新的目標函數約束條件頻率約束：儲能約束：大M法等效處理目標函數求解過程頻率特性在線估計器儲能有功在線優化控制器2無模型自適應儲能快速調頻控制算例分析假設江蘇電網負荷為87,818MW，可再生能源滲透率提升至25%，一條±800kV特高壓直流線路發生直流閉鎖故障，江蘇電網損失5,700MW有功送入。系統頻率特性近似效果在每一時刻頻率預測的平均絕對誤差頻率預測誤差軌跡在相同輸入下，對比分析根據估計器得到的輸出和對應時刻的實際輸出，可以得出結論，所提出的方法可以實現系統頻率特線性的有效近似。2無模型自適應儲能快速調頻控制算例分析控制效果分析不同控制方式下儲能出力曲線有無儲能情況下系統頻率偏差

在所提出的控制下，儲能在頻率跌落階段向電網注入較大功率，在常規機組一次調頻逐漸響應后開始適當減小，當常規機組有功出力增加到足以恢復系統頻率時，儲能不再出力。所以，本文所提出方法可以實現靈活的儲能快速調頻控制。2無模型自適應儲能快速調頻控制3.一次調頻3.1統一頻率模型

通過建立浙江電網統一頻率模型，能夠在典型故障下對儲能參與一次調頻進行仿真，分析儲能調頻參數對儲能一次調頻效果的影響；同時研究在不同工況下儲能一次調頻參數動態優化的方法，以兼顧儲能的經濟性和功能性。

火電機組水電機組新能源儲能系統省內負荷直流外送電源

通過建立含風儲水火荷的離散化電力系統動態頻率特性模型，利用浙江電網參數構建浙江電網仿真模型。研究內容3.1統一頻率模型控制器采用下垂控制方式計算儲能功率指令：儲能本體功率及能量限制：儲能電站模型3.2儲能一次調頻參數優化選取

優化流程

依據實時經濟調度，將電力系統運行時間等分為多個時段，采用滾動優化的方式，在當前時段，基于可再生能源和負荷超短期預測結果，優化下一時段儲能控制器參數，并在對應時段到來時將對應參數投入運行?？紤]超短期預測的參數滾動優化模式儲能控制器模擬下垂控制方式，計算儲能參與一次調頻功率待優化參數1：調差率目標函數根據超短期預測功率變化幅度與波動程度，動態調整權重系數，兼顧頻率控制效果與儲能動作程度約束條件系統擾動系統約束：儲能約束：考慮到復雜的非線性約束，采用啟發式的遺傳算法求解模型待優化參數2：頻率死區3.2儲能一次調頻參數優化選取儲能控制參數優化模型目標函數系數取值與預測功率關系示意圖假設浙江電網擁有300MW/500MWh儲能備用容量參與一次調頻；假設每時段長度為1h。以固定控制參數作為仿真對照，對照策略控制參數取各時段優化結果的平均值。定義頻率偏差、儲能動作程度指標，用以評估不同策略的控制效果，指標越小效果越好。算例介紹算例分析最大頻率偏差頻率總體偏移情況儲能總體響應情況頻率-儲能動作綜合指標分別選取兩個時段作為待優化時段，其中，時段1功率波動較為劇烈，時段2功率波動相對平緩。3.2儲能一次調頻參數優化選取時段1時段2對于波動劇烈的場景，本策略以調控頻率為主要目標，令儲能多動作以減少頻率偏差。時段1頻率偏差與儲能動作曲線時段策略控制參數控制效果評估指標頻率死區(Hz)調差率(%)I1(Hz)I2(Hz)I3(MW)I4(MW×Hz)時段1所提策略0.00952.20.03220.009583.54520.7937對照策略0.01502.90.04970.022241.72350.9271時段2所提策略0.02043.50.03100.01297.71210.0995對照策略0.01502.90.02790.011910.15210.1208算例分析3.2儲能一次調頻參數優化選取算例分析對于波動較緩的場景，本策略以減少儲能動作為主要目標，同時保證一定控制效果。時段2頻率偏差與儲能動作曲線時段策略控制參數控制效果評估指標頻率死區(Hz)調差率(%)I1(Hz)I2(Hz)I3(MW)I4(MW×Hz)時段1所提策略0.00952.20.03220.009583.54520.7937對照策略0.01502.90.04970.022241.72350.9271時段2所提策略0.02043.50.03100.01297.71210.0995對照策略0.01502.90.02790.011910.15210.12083.2儲能一次調頻參數優化選取4.二次調頻4.1儲能-水電機組協同參與自動發電控制策略

由于存在水錘效應，云南電網可能出現超低頻振蕩。為解決該問題，建立適用于超低頻振蕩分析的傳遞函數模型，在此基礎上建立云南電網統一頻率模型，同時模型在原有基礎上考慮了AGC模型，以此進行儲能參與二次調頻的策略研究。

4.1儲能-水電機組協同參與自動發電控制策略控制策略將AGC機組的指令斜坡化以降低水輪機水錘效應，其中，斜坡化程度主要基于機組當前響應狀態和下一周期功率指令的關系動態確定。儲能用于彌補指令斜坡化后造成的機組實際功率調節指令與當前指令缺額?？刂七^程中的有功功率變化示意圖4.1儲能-水電機組協同參與自動發電控制策略采用云南電網大運行方式作為測試算例，引入一段風電波動