电池储能参与电力系统调频研究

摘要

风力和太阳能光伏发电的输出功率具有波动性和不确定性，其大规模并网会给电网安全稳定运行带来重大挑战。与此同时，常规调频电源响应慢、爬坡速率低，已不能完全满足电力系统快速发展及新能源接入的需求。如何在新能源发电高渗透率条件下确保电力系统频率稳定已成为中国电网面临的新挑战之一。
　　近年来，各种电力储能技术的快速发展为解决这些问题带来了新的契机，其中的电池储能技术，作为储能家族中技术较为成熟的一员，具有快速精确的功率跟踪能力，能为电力系统提供优质的调频服务，比常规调频电源更加高效，为常规电网调频所面临的困境提供了一种新的辅助调频手段。
　　本文首先介绍了电力系统一、二次调频的机理和基本概念，根据实际电力系统的物理结构和工作模式，系统地分析总结了电网调频仿真模型中的区域等效方法，构建了常规电力系统调频的区域等效模型;在深入分析区域等效模型所涉及的各环节基本特点的基础上，指出了现有模型存在的缺陷，进而提出了一个可以反映机组出力约束、互联系统联络线功率约束、一、二次调频解耦控制以及通信时延等主要影响因素的两区域4机组互联电网的调频仿真模型;在深入分析电池储能电源工作原理、内部结构及其传统调频模型的基础上，提取了电池储能系统在调频场景下的主导特性参数，从电池单体集成角度出发建立了一种改进型电池储能电源调频模型。
　　然后，以湖南电网冬小运行方式下的开机情况为基础，建立了长株潭三区域互联系统的等效模型并验证了模型对该区域频率特性的描述能力，证明了基于该模型仿真研究的有效性。在此基础上，深入分析了区域电网及常规电源的调频特性，挖掘了传统调频技术的特点及所存在的固有缺陷，重点分析了储能电源参与电力调频的需求及潜在应用工况。
　　针对含电池储能电源的负荷频率控制协调问题，在一次调频场景下，完善了储能固定频率调节效应系数的确定方法，提出了变频率调节效应系数的控制策略并验证了该控制策略的优势;在二次调频场景下，构建了基于预测控制理论(MPC)的含电池储能电源的调频协调控制体系，并结合长株潭三区域互联系统空间状态方程进行仿真，验证了该协调控制体系在调频场景下的适用性。在常规电网调频评价指标的基础上，提出了电池储能电源参与调频的高效性评价指标，通过在长株潭三区域互联系统中模拟不同工况，对比分析了电池储能电源与常规电源的调频高效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 电力系统频率调整研究现状

1．2．1 国外电力系统调频研究现状

1．2．2 我国电力系统调频研究现状

1．2．3 我国电力系统调频工作存在的问题

1．3 储能技术

1．3．1 储能技术分类

1．3．2 储能技术参与电力系统应用的现状

1．4 储能技术参与电力系统调频研究现状及其发展概述

1．4．1 储能调频高效性研究

1．4．2 储能调频控制技术研究

1．5 本文主要工作内容

第2章 含电池储能电源的电网调频机理与建模

2．1 电力系统调频概述

2．1．1 电源和负荷的频率特性

2．1．2 电力系统一次调频

2．1．3 电力系统二次调频

2．2 电力系统调频动态模型

2．2．1 电力系统传统调频动态模型

2．2．2 传统调频模型的改进

2．3 电池储能调频模型研究现状与存在的主要问题

2．3．1 电池储能建模现状

2．3．2 电池储能建模研究存在的问题

2．4 基于电池单体的储能电源新型等效模型

2．4．1 模型结构及调频主导特性参数选择

2．4．2 仿真模型数据

2．5 本章小结

第3章 常规电网的调频特性及储能需求分析

3．1 长-株-潭三区域等效网络设计及验证

3．2 常规电源的调频特性仿真研究

3．2．1 常规电源的一次调频特性仿真及分析

3．2．2 常规电源的二次调频特性仿真及分析

3．3 常规电网的一次调频特性仿真研究

3．3．1 常规电网的一次调频特性仿真分析

3．3．2 常规电网一次调频的储能应用需求分析

3．4 常规电网的二次调频特性仿真研究

3．4．1 常规电网的二次调频特性仿真分析

3．4．2 常规电网二次调频的储能应用需求分析

3．5 本章小结

第4章 电池储能参与调频的控制技术及高效性研究

4．1 电池储能参与一次调频的策略

4．1．1 固定频率调节效应系数的确定

4．1．2 变频率调节效应系数策略

4．2 电池储能参与调频的控制技术研究

4．2．1 基于MPC的储能电源与常规电源协调控制体系

4．2．2 含电池储能电源的系统动态模型

4．2．3 模型预测控制在储能电源调频中的应用仿真

4．3 电池储能参与调频的高效性验证

4．3．1 电网调频常用考核指标

4．3．2 技术调频高效性指标概述

4．3．3 电池储能调频高效·性仿真及分析

4．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术成果目录

附录B 攻读学位期间参与的科研项目