光储系统参与电网调频及调峰的综合控制策略

蓝狮平台网讯：光储体系参加电网调频及调峰的归纳操控战略

丁明,施建雄,韩平平,林子豪,张宇

（安徽省新动力运用与节能省级实验室（合肥工业大学），安徽合肥230009）

摘要：针对新动力发电逐步替代火电导致电网调频才调下降的问题，树立了一种光储（photovoltaic-energystorage,PV-ES）体系模型，提出运用逆变器闲暇容量参加体系调频/调峰的操控战略；设置储能电池禁用区、调频区、调峰充电区、调峰放电区4类荷电状况分区，保证储能电池的调峰和调频2种方法可以调和作业；结构了依据荷电状况（stateofcharge,SOC）反响的储能电池的最大出力绑缚系数来优化其出力，延伸储能电池的运用寿数；终究，在MATLAB/Simulink软件中树立光储体系仿真模型。典型算例仿真和经济性剖析标明：在所提操控战略下光储体系可以运用逆变器空余容量参加电网的调频/调峰，该操控战略有实践推广意义。

引文信息

丁明,施建雄,韩平平,等.光储体系参加电网调频及调峰的归纳操控战略[J].我国电力,2021,54(1):116-123,174.

DINGMing,SHIJianxiong,HANPingping,etal.Anintegratedcontrolstrategyforphotovoltaic-energystoragesystemparticipatinginfrequencyregulationandpeakshavingofpowergrid[J].ElectricPower,2021,54(1):116-123,174.

导语

传统电网的调频使命首要由火电机组承担，跟着电网中新动力份额的快速增长，火电机组逐步退出，体系中的调频容量活络减小，电网的调频才调下降。因而要求电网中的可再生动力具有调频才调，来补偿跟着火电机组退出而减小的调频机组容量[1-3]。

在光伏体系参加电网调频[4-5]方面，现在的研讨首要分为光伏电站独自参加电网调频和新动力与储能联合体系参加电网调频2种方法。

在光伏电站独自参加电网调频的操控战略方面，文献[6]中并网光伏电站选用功率差值操控方法，针对不同的光照参数，使光伏电站在起浮的减载水平下作业，具有向上/向下调度电网频率的才调；文献[7]提出一种依据变减载操控的光伏发电参加电网频率调度的操控方法，依据电网频率改动减载率，可以一起参加向上/向下的电网频率调度；文献[8]在光伏、风电均选用减载操控的基础上，考虑到光伏相对于风电功率调度更为便利，提出光伏、风电分段参加电网调频的操控方案，优先选用光伏参加电网调频。

但是，这种光伏独自参加调频的方法，其效果与光伏出力状况密切相关，预留光伏出力的调频方法会导致弃光、体系经济性变差，且考虑到光伏出力的不坚决性和随机性[9-12]，此方法不宜作为电力体系的首要调频方法。因而，当韶光伏减载调频没有得到实践的推广和运用。

在新动力与储能联合体系参加电网调频方面，首要依托储能电池调度联合体系的出力[13-14]来参加电网调频。文献[15]指出，大规模储能技术今已具有电网调频才调，是储能在电力范畴最接近商业运营的典型运用。文献[16]树立了景色储联合发电体系，风电与光伏体系均选用双环操控战略，保证最大功率输出，储能电池通过操控并网点频率供认储能电池的输出功率，以平抑景色输出的功率不坚决，结束整个景色储体系可以平稳出力，对整个电网频率影响最小。文献[17]树立了风储联合发电体系，储能电池优先照料电网的调频使命。当储能电池调频才调缺乏时，风电参加体系调频，有用削减了风电机组参加调频的动作次数。

在光伏电站中参加储能电池，使储能电池与光伏体系调和协作参加电网的调频，可以避免光伏体系独自参加电网调频时需求预留光伏出力的不经济问题或风电独自调频时一再动作的问题，且由于储能电池充放电的可控性和稳定性，光储体系参加电网调频相较于光伏体系独自参加电网调频可靠性更高。

但是上述文献中，并网逆变器均依照新动力与储能电池最大出力之和配备，光伏只要在正午光照强度最强时、风电只要在风力最大时才调抵达满发，除此以外逆变器容量都有闲暇，构成浪费。其他依据实测数据，24h中99%以上的时间，体系频率处于光储体系调频死区（频率过错在±0.06Hz以内）[14,18-19]，承担调频功用的储能电池不动作，处于放置状况。

为充分运用逆变器闲暇容量以及储能电池容量，结束收益最大化，考虑运用逆变器闲暇容量和调频死区内储能电池的放置容量使储能电池参加电网调频/调峰。依据此，本文提出了一种光储体系调频和调峰的归纳操控战略：储能电池依据电网频率供认自己的出力方针；对储能电池的荷电状况进行了分区，保证储能电池可以调和调频/调峰两种方法；规划储能电池依据荷电状况反响的储能电池最大出力绑缚系数，优化储能电池的出力特性。终究，在MATLAB/Simulink软件中树立光储体系模型，进行算例仿真和经济性剖析，验证本文所提的光储体系参加电网调频/调峰的归纳操控战略的有用性。

1光储体系模型与归纳操控战略

1.1光储体系模型

本文方法适用于组串式光伏电站中的单个组串，组串式光伏并网逆变器选用DC/DC换流器与DC/AC变换器集成化规划（型号为SG30KTL-M），换流器与变换器之间没有接口，故储能换流器只能接在光伏并网逆变器直流侧。树立如图1所示的光储体系模型。

图1光储体系模型

Fig.1PV-ESsystemmodel

图1中，光伏并网逆变器分为两级，前一级为DC/DCBoost电路，收集光伏电池输出电流IPV和直流母线电压UDC，用于直流电压的调整和最大功率盯梢，在光照和温度改动时仍能获得光伏电池的最大的输出功率；后一级为三相全桥式DC/AC变换器，其输出功率通过升压后并网。

实践光伏电站中，光伏并网逆变器中的DC/DCBoost换流器运用了单向开关管，因而光伏并网逆变器只支撑功率由光伏侧向电网侧单向活动。在光储体系中，储能电池吸收的功率均来自光伏。

储能换流器为DC/DCBoost电路，依据本文提出的操控战略来结束储能电池的充放电。

1.2归纳操控战略

依据电网频率不同，储能电池可作业于调频/调峰2种作业方法。在这2种方法下，光储体系的操控包括3个首要环节：（1）光伏体系选用最大功率盯梢（maximumpowerpointtracking,MPPT）操控，光储调和操控体系检测电网频率，判定频率是否处于调频死区。（2）电网频率处于调频死区内时，储能电池作业于调峰方法，此刻依据调峰时段，操控储能电池充放电；电网频率超出调频死区时，储能电池作业于调频方法，依据频率偏移方向得到储能电池初级参看功率。（3）与逆变器闲暇容量比较，取两者中较小值作为储能电池次级参看功率，经储能电池最大出力绑缚系数优化后作为储能电池终究参看功率。得到归纳操控战略流程如图2所示。

图2归纳操控流程

Fig.2Integratedcontrolflowchart

图2中，带箭头的实线为功率传输线，带箭头的虚线为信号传输线。f为体系检测到的电网频率，Δf=f?50，Ppv为光伏出力，Pvsc为逆变器最大容量，P′vsc为逆变器闲暇容量，P′ess为储能电池初级参看功率，P′′ess为储能电池次级参看功率，Pess为储能电池终究参看功率，λSOC为储能电池最大出力绑缚系数。

P′ess，P′vsc，P′′ess，λSOC，Pess的详细意义将在第2节中详细介绍。

2储能电池能量处理战略

依据光储体系参加电网调频/调峰归纳操控战略，规划储能电池的荷电状况分区以及储能电池在不同的频率区间的能量处理战略。

2.1储能电池荷电状况分区

在本文所提出的操控战略中，调频方法的优先级高于调峰方法。为保证在调峰进程中储能电池为调频方法留有容量裕度，对储能电池的荷电状况进行分区时，须考虑2种状况：（1）储能电池过充/过放会损害电池，为避免此状况，调频方法下储能电池充放电的荷电状况区间为（SOCmin，SOCmax），充电抵达上限SOCmax时不再充电，放电抵达下限SOCmin时不再放电。（2）为保证储能电池在调峰方法下为调频方法留有容量裕度，因而设定储能电池在调峰方法下，充电上限为SOChigh，放电下限为SOClow。得到储能电池荷电状况分区如图3所示。

图3储能电池荷电状况分区

Fig.3SOCzoneofenergystoragebattery

2.2储能电池调峰方法数学模型

在调峰方法下，储能电池充放电的时长在小时级，因而储能电池可以依据本身容量大小，选用较小功率进行充放电，以此来延伸储能电池的运用寿数。在实践工程中，未考虑荷电状况绑缚时，调峰方法下一般设置0.3倍储能电池额外功率为初级参看功率进行充放电。

依据调度中心指令，在保证储能电池不过充/过放的前提下，为储能电池的调频方法留有必定容量裕度。因而设置储能电池在调峰方法下的初级参看功率与荷电状况绑缚为

式中：Pe为储能电池的额外功率；规矩放电为正方向。

2.3储能电池调频方法数学模型

在电网频率超出调频死区后，储能电池作业于调频方法。调频方法要求储能电池可以在短时间内尽可能多吸收或宣告功率来支撑电网频率，因而，调频方法下设置储能电池以额外功率进行充放电。

在保证不过充/过放的前提下，储能电池依据电网频率的偏移方向进行充放电，设置储能电池在调频方法下的初级参看功率与荷电状况绑缚为

2.5依据SOC反响的储能电池最大出力绑缚规划

储能电池照料电网调频/调峰需求时，假如以恒功率充放电，会导致储能电池无法完全布满或完全释放电能，然后浪费储能电池的容量，构成经济损失。因而，应规划合理的储能电池最大出力绑缚系数λSOC，使储能电池以改动的充放电功率参加电网的调频/调峰。

（1）当储能电池荷电状况较高时（SOC＞50%），依照P′′ess进行放电；当放电到储能电池荷电状况较低时（SOC＜50%），为充分运用储能电池容量以及避免过放，储能电池以P′′ess乘以一个小于1的λSOC进行放电，且λSOC随荷电状况下降而越小。

（2）当储能电池荷电状况较低时（SOC＜50%），依照P′′ess进行充电，当充电到储能电池荷电状况较高时（SOC>50%），为充分运用储能电池容量以及避免过充，储能电池以P′′ess乘以一个小于1的λSOC进行充电，且λSOC随荷电状况上升而减小。

充放电状况下，λSOC如式（5）、式（6）和图4所示。

图4储能电池最大出力绑缚系数

Fig.4Themaximumoutputconstraintcoefficientoftheenergystoragebattery

综上，当储能电池出力以上述最大出力绑缚系数进行优化时，可以保证储能电池具有快速照料的才调，一起又能充分运用储能电池的容量而且避免储能电池过充/过放，延伸储能电池的运用寿数。

3仿真验证

3.1仿真参数设置

依据图1树立光储体系仿真模型。其间光伏电池满发功率为30kW，储能电池额外容量为300A·h，额外参看功率为10kW，逆变器容量为30kW，且有10%的过载才调，即逆变器最大功率为33kW。设置SOCmax=95%，SOCmin=5%，考虑到一天中储能电池在调频方法下动作时间短，设置调频预留容量为储能电池容量的10%，即SOChigh=85%，SOClow=15%。设置典型日环境温度为25°C，日光照强度曲线如图5a）所示，电网频率不坚决如图5b）所示。

图5仿真环境设置

Fig.5Simulationenvironmentsetting

3.2调峰方法充放电时间设置

储能电池作业在调峰方法时需求依据调度中心的指令设置储能电池的充放电时段，本文算例以某省的负荷峰平谷时段[20]来代表调度中心指令，如表1所示。

表1某省的负荷峰谷时段

Table1peakandvalleytimeperiodinaprovince

储能电池所吸收的能量来自于光伏，因而储能电池的充放电时段设置，除负荷改动规矩外还要考虑光照强度改动规矩。

首要，从早上光伏初步出力到第1个负荷峰时段之前，设置为储能电池充电时段。本文算例中，06:00初步有光照强度，故06:00—09:00设置为储能电池充电时段。

其次，12:00—17:00，此刻段光照强度较强，是一天中光伏出力较多的时段，设置储能电池在此刻段充电，这也是一天中储能电池充电的首要时段。

再次，在负荷高峰时段设置储能电池放电。

依据此，设置储能电池作业在调峰方法下，充放电时段如表2所示。

表2储能电池调峰方法下充放电时段

Table2Charginganddischargingtimeperiodinthepeakshavingmodesofenergystoragebattery

3.3典型工况仿真效果

在图5所示仿真环境下，依据本文所提归纳操控战略，光储体系出力状况如图6a）所示，储能电池荷电状况如图6b）所示。

图6典型工况仿真效果

Fig.6Simulationresultsoftypicaloperatingconditions

依据储能电池的充放电战略，00:00—06:00负荷处于平时段，储能电池不需求放电，且由于光伏没有出力，储能电池不充电。但是，在00:31:12和00:38:24时，电网扰动导致频率分别下降到49.91Hz和上升到50.09Hz（见图5）。由图6可以看到，当频率为49.91Hz时，储能荷电状况为50.0%，储能电池以10.00kW的功率放电参加调频；但是当频率高于50.06Hz时，由于光伏没有出力，因而储能电池无法充电参加调频。

06:00—09:00为充电时段，储能电池充电。由图6可以看到，06:00—07:00光伏出力为0.72kW，小于储能电池参看功率3.00kW，因而，储能电池以0.72kW的功率充电，此刻荷电状况上升较慢；07:00—09:00，光伏出力为4.00kW，07:00时储能电池荷电状况为51.5%，储能电池以2.91kW的功率充电，此期间荷电状况上升较快。受荷电状况绑缚，充电功率在07:00—09:00逐步下降至2.56kW，光储体系出力逐步添加。

09:00—12:00为放电时段，由图6可以看到储能电池在此期间荷电状况在50.0%以上，储能电池以恒功率3.00kW放电参加调峰。

由图6可以看到，09:31:30频率下跌至49.92Hz，超出调频死区，此刻储能电池的荷电状况为61.5%，储能电池以10kW的功率放电参加调频；09:42:00频率上升到50.10Hz，此刻储能电池荷电状况为59.3%，因而以8.14kW的功率充电参加调频；11:12:00频率上升到50.11Hz，此刻储能电池的荷电状况为55%，因而以9.00kW的功率充电参加调频；11:43:11频率下跌至49.89Hz，但此韶光储体系总出力现已抵达逆变器最大功率33.00kW，储能电池无法放电参加调频。

12:00—17:00处于充电时段，由图6可以看到，储能电池的荷电状况在此期间由52.3%升至73.5%，受荷电状况绑缚，储能电池充电功率由2.86kW降至1.59kW。

17:00—22:00处于调峰放电时段，由图6可以看到储能电池在此期间荷电状况在50%以上，以恒功率3.00kW放电参加调峰。18:46:48频率下跌至49.89Hz，超出调频死区，此刻，储能电池的荷电状况为65%，因而以10.00kW的功率放电参加调频；19:48:00频率上升到50.10Hz，由于此刻没有光伏出力，储能电池无法充电，储能电池接连放电参加调频。

综上，本文所树立的光储联合体系，可以照料体系的归纳操控战略，在体系频率违背正常值较多时，快速充放电，为电网频率供应支撑；当体系频率处于调频死区内，储能电池依照负荷的改动规矩，调整充放电功率，减轻常规机组的调峰背负。

4经济性剖析

本文剖析光伏电站参加储能电池后在储能电池全寿数周期内光储联合体系参加电网调频调峰的经济性。

储能电池本钱和收益核算中所需参数如表3所示。

表3储能电池经济性剖析相关参数

Table3Relevantparametersforenergystoragebatteryeconomicanalysis

注：本文算例中储能电池类型为磷酸铁锂电池，装置本钱、运维本钱、收回价值系数、充放电循环次数、充放电功率来历为某厂家供应；光伏并网电价参看了某省多座光伏电站签定的并网电价，并取比较可靠的中心值；调峰补偿本钱参看了文件《甘肃省电力辅佐服务商场运营规矩(暂行)》；现在国内没有针对一次调频的补偿机制，考虑到调频使命相较于调峰使命，对储能电池要求更高，因而设置调频价格高于调峰价格。

经核算，在本文算例中储能全寿数周期本钱为95281元，光伏出力悉数并网添加的收益为305470元，储能参加调峰的补偿收益为120395元，储能参加调频的补偿收益为1764元，光伏电站装置储能电池后4年可以收回本钱，储能电池全寿数周期收益为332348元，年均收益为20771元。

5结论

本文提出一种光储体系参加电网调频/调峰的归纳操控战略，仿真剖析标明：（1）本操控战略可以运用光伏电站中逆变器的闲暇容量，在此基础上，规划了储能电池的荷电状况区域区分，结束了储能电池调频/调峰功用的调和作业。（2）该操控战略考虑储能电池的充放电特性，结构了依据荷电状况绑缚的储能电池最大出力系数来绑缚其出力，延伸储能电池的运用寿数。（3）该操控战略可以活络照料体系的调频/调峰使命，为体系的调频/调峰使命供应功率支撑，削减常规机组参加调频/调峰使命的输出功率。（4）相对于光伏电站减载调频方法来说，在光伏电站中加装储能可以添加光伏电站的收益。