储能系统参与电网调频动作时机与深度的运行方法

基于区域电网等效模型，在时域中通过分析灵敏度系数的特征，确定储能电池的动作时机及其应当采取的控制模式，基于此将调频过程划分为不同的时段，并结合调频评估指标要求得到各时段的动作深度，进而形成储能电池的控制策略。

1.基于时域灵敏度系数分析的动作时机

因储能电池的响应时间远小于传统电源，故在研究过程中近似认为PCS环节的时间常数为0^[117，118]，即储能电池模型的传递函数N（s）简化为1，据此展开分析。

（1）灵敏度系数的特征分析

1）据灵敏度理论分析，频差变化率Δo（t）对储能电池的虚拟惯性系数M_E的灵敏度系数的一阶导数为0的时刻与∂Δo（t）/∂t=0对应的时刻相同。

在0～t_m时段，当负荷扰动Δp_L为正值时，显然峰值时刻t_m的频差变化率Δo（t_m）为0、初始频差变化率Δo₀为负值且频差变化率Δo（t）单调上升，进而可知∂Δo（t）/∂t为正值且Δo（t）对M_E的灵敏度系数的一阶导数为负值，即Δo（t）对ME的灵敏度系数单调下降，则其最大值为t₀时刻的值（Δo₀）2/Δp_L；当Δp_L为负值时，Δo（t）对M_E的灵敏度系数的负向最大值也为（Δo₀）2/Δp_L。综合可得，Δo（t）对M_E的灵敏度系数绝对值最大时对应的时刻为t₀。

2）据灵敏度理论分析，频率偏差Δf（t）对储能电池的虚拟单位调节功率K_E的灵敏度系数一阶导数为0的时刻与频差变化率Δo（t）为0对应的时刻相同。

在0～t_m时段，当负荷扰动Δp_L为正值时，由前述分析可知Δo（t）由负向最大值单调上升至0，进而可知Δo（t）对储能电池虚拟惯性系数M_E的灵敏度系数一阶导数为负值，即Δo（t）对M_E的灵敏度系数单调下降；同时，Δf（t）对储能电池的虚拟单位调节功率K_E的灵敏度负向最大值对应的时刻为峰值时刻t_m。同理，当Δp_L为负值时，Δf（t）对K_E的灵敏度系数的正向最大值对应的时刻也为t_m。结合可得，Δf（t）对K_E的灵敏度系数绝对值最大时对应的时刻为t_m。

3）据灵敏度理论分析，Δf（t）对M_E的灵敏度系数绝对值最小时对应的时刻为t_m。

在扰动起始时刻t₀，频差变化率Δo（t）对储能电池虚拟惯性系数M_E的灵敏度系数绝对值最大；在峰值时刻t_m，频率偏差Δf（t）对储能电池的虚拟单位调节功率K_E的灵敏度系数的绝对值最大且Δf（t）对M_E的灵敏度系数的绝对值最小。

（2）动作时机及对应的控制模式

基于前述灵敏度理论分析，可得储能电池的各动作时机所对应的运行状态分别应当满足以下条件：

1）在扰动起始时刻t₀，频差变化率Δo（t）对储能电池的虚拟惯性系数M_E的灵敏度系数绝对值最大且此时Δo（t）的绝对值最大，随后频率会快速下滑。因此，为了较好地满足初始频差变化率Δo₀和最大频率偏差Δf_m的控制要求，以t₀时刻作为储能电池参与一次调频的初始时刻，同时选用虚拟惯性控制模式。

2）在峰值时刻t_m，频率偏差Δf（t）对储能电池的虚拟单位调节功率K_E的灵敏度系数绝对值最大，Δf（t）对M_E的灵敏度系数绝对值最小且|Δf（t）|为最大值，随后频率会逐步恢复。因此，为了较好地满足准稳态频率偏差Δf_qs的控制要求，以t_m作为储能电池控制模式切换时刻，由虚拟惯性控制模式切换为虚拟下垂控制模式。

3）在准稳态时刻t_qs，频率偏差Δf（t）稳定于准稳态频率偏差Δf_qs且频差变化率Δo（t）恒为0，一次调频过程结束。因此，以t_qs时刻作为储能电池参与一次调频的退出时刻。

4）一次调频过程结束后需维持储能电池荷电状态Q_SOC接近于运行参考值Q_SOC，ref，以便能更好地迎接下一次调频任务，故需对其进行额外的充放电。

综合以上四点即完成了储能电池参与一次调频动作时机的确定。因此，可将一次调频过程划分为如下两个时段：第一时段为t₀～t_m，对应采用虚拟惯性控制模式；第二时段为t_m～t_qs，对应采用虚拟下垂控制模式。

2.基于调频评估指标要求的动作深度

假设储能电池放电为正，充电为负，Δp_L为正值，下面分析各调频时段储能电池所必需的动作深度。

（1）t₀时刻储能电池的动作深度分析

引入功率变量P_E0（实际值）。t₀时刻需要满足Δo_max≤Δo₀≤0，假设储能电池的动作深度为ΔP_E0（标幺值），此时可得

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一般选择上式中的较小值作为ΔP_E0的值，即取（Δp_L+MΔo_max），从而可得P_E0，即

（Δp_L+MΔo_max）S_BASE≤P_E0≤Δp_LS_BASE （4-27）

式中　S_BASE——电网的额定容量。

针对具体的电网需求，P_E0值可在此范围内灵活选择，一般取较小值。

（2）t₀～t_m时段内储能电池的动作深度分析

引入功率变量P_E1。该时段储能电池通过虚拟惯性控制模式参与一次调频，对应的储能电池虚拟惯性系数M_E确定方法如下：利用参数轨迹灵敏度方法[119]分析电网的惯性时间常数M对最大频率偏差Δf_m的影响，为实现Δf_m≥Δf_m__max的目标，分析出合适的电网惯性时间常数M₁，进而可知M_E需满足式（4-27）。

（3）t_m～t_qs时段内储能电池的动作深度分析

引入功率变量P_E2。该时段储能电池通过虚拟下垂控制模式参与一次调频，当一次调频过程结束，即频率偏差Δf（t）达到准稳态频率偏差Δf_qs时，经推导可得虚拟单位调节功率K_E需满足：

由式（4-28）和式（4-29）可知，只要选定电网的额定容量S_BASE、负荷扰动Δp_L、准稳态频率偏差限值Δf_qs__max、传统电源的单位调节功率K_G、负荷阻尼系数D、t₀～t_m时段内引入的功率变量P_E1和t_m～t_qs时段内引入的功率变量P_E2，即可确定储能电池的虚拟惯性系数M_E和虚拟单位调节功率K_E。对于确定的电网，Δp_L可通过统计确定，S_BASE、Δf_qs__max、KG和D也为已知量，因此M_E的选取仅与P_E1相关，K_E的选取仅与P_E2相关。一般通过以上两式首先确定P_E1与P_E2的值，t₀时刻引入的功率变量P_E0取式（4-27）中的（Δp_L+MΔo_max）S_BASE，从而可得储能电池的功率需求P_E满足：

P_E=max（P_E0，P_E1，P_E2） （4-30）

通过P_E可最终确定储能电池的虚拟惯性系数M_E与虚拟单位调节功率K_E的值，从而完成储能电池参与一次调频的动作深度确定。

3.控制策略流程

基于以上动作时机与深度的分析，形成考虑储能电池参与一次调频动作时机与深度的控制策略，其对应的流程如图4-22所示。

1）获取区域电网的基础参数；统计典型工况（非峰荷期和峰荷期等）下的最大过剩功率ΔP^max_surpIus（需要储能电池充电）和最大缺额功率ΔP^max_shortage（需要储能电池放电），则对应工况下的最大负荷扰动Δp_{L_max}为max（ΔP^max_surpIus，ΔP^max_shortage），此时需提出各工况下的调频评估指标要求。

2）基于前一步骤，利用灵敏度原理确定储能电池的初始投入时刻，同时选用虚拟惯性控制模式，并依据式（4-28）确定此调频时段对应的储能电池的虚拟惯性系数M_E与所需的功率变量P_E1之间的关系；再确定储能电池的控制模式切换时刻，同时选用虚拟下垂控制模式，并依据式（4-29）确定此调频时段对应的虚拟单位调节功率K_E与所需的功率变量P_E2之间的关系。最后利用式（4-30）确定储能电池的功率需求P_E，进而得到M_E和K_E的值。

3）设储能电池的容量需求为E_B，荷电状态运行参考值Q_SOC，ref取为0.5。基于确定的最大负荷扰动Δp_L_max、储能电池的功率需求P_E、虚拟惯性系数M_E和虚拟单位调节功率K_E，仿真模拟对应工况下的充电或放电情况。记录t₀～t_m时段内第i时刻的动作深度ΔP_Ei，最大频率偏差Δf_m对应的时间t_m，t_m～t_qs时段内第j时刻的动作深度ΔP_Ej，准稳态频率偏差Δf_qs对应的时间t_qs。在满足一次调频要求的前提下，计算各调频阶段的所需的储能电池容量E_B。

图4-22　储能电池参与一次调频的控制策略实现流程