基于灵敏度分析的储能电池参与二次调频控制策略

湖南大学电气与信息工程学院、国网湖南省电力公司长沙供电分公司、国网湖南省电力公司的研究人员李欣然、黄际元、陈远扬、黎淑娟、欧阳璐璐，在2017年第12期《电工技术学报》上撰文，针对储能电池参与电网二次调频，基于灵敏度分析，提出了一种综合区域控制误差（ACE）信号分配模式和传统的区域控制需求（ARR）信号分配模式优点的控制策略。

首先，针对ACE和ARR信号分配模式，在复频域中利用灵敏度原理分析含储能电池参与二次调频的区域电网频率特性，据此提出确定储能电池动作时机及调节模式的方法；计及时域中储能电池的能量限制和传统电源的爬坡速率限制，依据动态调频容量指标，提出确定储能电池动作深度的方法；最后形成考虑动作时机与深度的储能电池控制策略，并给出相应的实现流程。

结合实际电网的阶跃扰动工况进行仿真证明，结果表明该策略不仅能较大程度地改善电网调频以及储能电池运行的性能，而且充分利用各调频电源的技术优势。

间歇式电源出力具有波动性和不确定性，且绝大多数间歇式电源不具备惯性，其大规模并网后会使电网惯性减小，进而给电网调频带来压力。传统电源的调频容量已经难以满足电网调频需求，该问题已成为电网接纳间歇式能源的制约因素之一[1,2]。

近年来，储能电池参与电网调频受到业界广泛关注，发挥储能电池的广域调控效能、构建有效的储能电池调频服务市场机制，是储能电池规模应用所面临的主要挑战[3]。储能电池二次调频效果优于火电机组，引入储能辅助火电机组调频，可显著减少火电机组的动作次数，稳定出力并改善机组燃煤效率，缓解由于频繁调节造成的机组设备疲劳和磨损，并满足电网对调频机组的考核指标[4]。

二次调频中，区域控制误差（Area Control Error, ACE）信号通过传统的PI控制器转换后，就形成区域控制需求（Area RegulationRequirement, ARR）信号[5,6]。储能电池通过承担部分调频信号以参与二次调频，定义其参与因子（ParticipationFactor, PF）为。

基于ACE信号和ARR信号的分配模式，即将这两种信号按比例分配给各调频电源。对集中式储能，调频信号分配方式主要为按时/频域分配和按动态比例分配。前者分析ACE信号在时/频域内的特征，由储能承担短时分量（高频分量），由传统调频电源承担长时分量（低频分量）[7-10]。后者依托区域电网调频动态模型，文献[11]将ARR信号划分为正常调节区、警戒区和紧急区，依不同的优先级，将其分配给储能电池、V2G和传统调频电源。

文献[12]基于可表征储能电池动态调频容量（DynamicAvailable AGC, DAA）评估指标，对比依ACE信号和依ARR信号的两种动态分配方式的短期和中长期调频效果。综合可知，基于ACE信号的独立分配策略效果更佳，此时储能电池无需经过传统的低通滤波环节，但需增加独立的控制器。

由以上分析可知，已有研究集中于对ACE信号的分析及考虑区域电网调频动态模型的ARR信号分配，且按时/频域分配的方法在储能电池层面未考虑荷电状态管理，在电网层面也未充分利用储能电池优势，而按动态比例分配的方法未从机理层面深入探讨储能电池该如何参与，导致无法充分利用储能电池容量及其快速响应和无爬坡速率限制等技术优势。

面向二次调频，基于所提的ACE信号分配模式和传统的ARR信号分配模式，在复频域中利用灵敏度原理分析了含储能电池参与调频的区域电网频率特性，据此确定储能电池的动作时机及调节模式。考虑储能电池的能量限制和传统电源的爬坡速率限制，依据动态调频容量指标确定储能电池的动作深度，进而形成了考虑储能电池动作时机与深度的控制策略并进行仿真证明。

图1 储能电池接受ACE分配的区域电网调频动态模型

结论

1）根据电网频率特性分析，本文提出的综合区域控制误差和区域控制需求的储能电池调节模式能充分利用各信号分配模式的优势，即前种分配模式可以改善暂态频率偏差，后种分配模式可以改善稳态频率偏差。并结合灵敏度原理，通过理论推导确定了储能电池调频初始投入时刻、调节模式切换时刻及结束时刻。这为储能电池运行状态的划分提供了科学依据。

2）所提的储能电池动作深度（参与因子）确定方法，区分了二次调频过程中不同阶段的特点，可充分发挥储能电池的快速精确响应特性，并高效利用其有限的容量。

3）实际算例分析表明，所提控制策略合理有效，可同时改善储能电池和传统电源的运行性能，并提高调频效果。