电化学储能电站模型实测及仿真分析

摘    要：为拓宽电化学储能参与电网 调节应用范围，充分利用有功、无功调节灵活、响应速度快等优点，建立电网仿真分析应用模型，为电化学储能参与电网 调峰、调频、调压、暂态无功支撑等多场景提供分析依据。开展电化学储能电站机电仿真模型实测方法研究，基于响应特性匹配的参数辨识方法及现场实测特性，建立湖南省内某储能站的仿真分析模型，分析电化学储能在改善湖南电网暂态电压特性方面的作用，具有一定的工程应用价值。

关键词：储能电站;机电仿真;现场实测;响应指标;参数辨识;

0 引言

规模化储能为应对“新型电力系统”架构下，高比例新能源接入带来的出力间歇性、波动性问题提供了新的解决方案，其中电化学储能具备良好的四象限有功、无功输出能力及快速响应特性，在参与电网电力电量平衡之外，还可用于调频、调压及暂态无功支撑，为电网优化控制及稳定运行提供丰富的调控手段。因此，电化学储能技术在客户侧节能、电网侧调控等领域已得到广泛应用，成为目前储能产业研发创新的重点领域和主要增长点。电化学储能应用于电网 调度优化控制的前提是需要准确评估接入电网的调节特性，因此对于电化学储能建模及模型参数实测需求也越来越高。

目前国内外有关电化学储能电站的建模尚处于起步阶段，根据研究问题不同，既有采取简化等值模型的，也有基于功率转换系统(power convert system, PCS)进行详细建模的。但系统性研究储能电站模型的文献较少，特别是针对接入大电网分析的机电暂态模型的研究尚未形成体系[1,2,3,4,5]。文献[6]运用戴维南定理和模拟受控电流源这两种方法对大容量储能电站进行等值仿真建模，并在实际系统中对储能电站接入后的并网运行特性进行研究，发现储能电站在三相、单相短路故障中表现出的暂态特性与传统交流系统均有所区别。文献[7]建立电池储能的机电暂态模型，通过阻尼转矩法分析储能电站提高电网暂态稳定的机理，同时阐述了不同容量配置及不同接入位置对暂态稳定的影响。文献[8]使用诺顿等效电路搭建了多台PCS并联仿真运行模型并对稳定性进行了分析，但单台电站与并联电站的规格均与现役主流储能电站不符。文献[9]参照光储系统结构搭建了光储联合电站模型，从而研究储能设备在电站控制中的应用，但未考虑到具体电站拓扑结构。文献[10]考虑多PCS并联耦合因素，基于单PCS建模构建了多PCS并联拓扑的详细储能电站仿真模型。

上述建模分析多基于储能电站设计资料及实验室测试数据，缺少与现场实测特性的对比，尚无法直接应用于实际电网的仿真分析计算。为形成适用于规模化储能接入电网分析用机电仿真模型，本文就电化学储能电站控制系统模型现场实测及建模方法进行探讨。

1 电化学储能电站控制系统模型解析

电化学储能电站控制主要依靠电池管理系统(battery management system, BMS)、功率转换系统(PCS)、能量管理系统(energy management system, EMS)三者协同实现。其中BMS主要负责对电池运行状态的监测；PCS实现电池存储能量的功率变换；EMS主要负责接收上级调度指令，实现对各PCS功率指令的分配及控制。功率转化主要在PCS实现，因此储能参与电网的建模主要是对PCS控制策略进行建模，而在储能接入电网分析的应用场景下，储能被抽象为具备各种控制策略的可控功率源[11],模型结构如图1所示。

图1 储能电站控制系统结构

PCS并网运行时，主要采用功率、电流双环的控制结构实现充放电功率的控制，功率指令转化为电流指令后，通过PI控制及前馈补偿方式实现电流的闭环跟踪，以及有功、无功解耦控制。配置有一次调频、惯量支撑、高低电压穿越控制等功能，实现对电网的动态支撑[12]。

当dq坐标系与电网电压矢量E同步旋转，系统有功、无功呈现与d、q轴电流的纯比例特性，进一步地，忽略电网电势波动，则ed为一定值，根据图1所示结构，则有：

式中，ed、eq为电动势矢量Edq的d、q轴分量；ud、uq为三相逆变器交流侧电压矢量Udq的d、q轴分量；id、iq为三相逆变器交流侧电流矢量Idq的d、q轴分量。

在功率给定环节附加频率偏差控制(图1虚线框部分)实现一次调频及惯量响应功能[13,14],即有：

Pref-P=m(Tgs+D)(fref-f) (2)

式中，Tg为惯性时间常数；Tgs为惯量响应系数；D为一次调频系数。

2 储能模型现场实测及参数辨识方法

根据前述模型分析，模型中涉及的参数主要有两大类，即控制类参数，如功率环、电流环PID参数等；另一类为公式类参数，如一次调频的死区、斜率、低电压穿越的无功电流给定计算的相关参数等。对于公式类参数，只需根据实测响应按照相关公式进行验算即可，应用厂家预设值即可得到与实测特性一致的仿真效果；而PID参数，涉及内部定标的处理及转换，又或是厂商出于技术保密不予提供，此时一般需要通过参数辨识的方法对控制环节参数进行仿真确定。

在参数辨识领域，遗传、粒子群、狼群等各类智能算法应用得较多，本质都是反复迭代计算，通过有策略地调整参数以尽快获得满足迭代目标的结果，本文选用粒子群算法进行参数辨识。储能控制系统参数辨识基本流程如下。

1)针对电化学储能电站变流器广泛采用的控制方法，根据机电仿真需要，建立如图1所示的机电控制模型，包含基于有功功率偏差、无功功率偏差生成电流控制指令的PI控制环节，将虚线框内视为一个整体，根据电流指令计算输出储能装置的有功、无功功率。

2)对变流器进行有功、无功功率指令阶跃扰动，记录有功功率、无功功率随时间的变化曲线。计算有功功率、无功功率阶跃扰动响应曲线的超调量、响应时间、调节时间。

3)搭建储能变流器单机仿真模型，按照试验工况对变流器分别进行有功、无功功率指令阶跃扰动试验，获得相同扰动下的有功功率、无功功率阶跃扰动仿真曲线，计算超调量σi、响应时间tr,i、调节时间ts,i。

4)构建曲线拟合适应度函数

5)以适应度函数值最小为目标进行粒子群迭代优化计算，当粒子迭代结果收敛或者达到最大迭代次数时，将适应度最小的粒子参数进行输出，确定辨识参数，流程如图2所示。

在PSASP中搭建储能单变流器模型[15,16,17,18,19,20],设置功率环节初始运行点为有功2 000 kW、无功1 000 kvar。设定a=0.4、b=0.3、c=0.3。

辨识有功、无功控制PID参数，即Kp_Ip、Ki_Ip、Kp_Iq、Ki_Iq,寻优范围为0.01～30,最大迭代次数10,种群数8。

根据设置种群数，在设定的参数变化范围内，随机生成待辨识参数的粒子取值，即每个参数设置8组初始值，作为初代粒子带入仿真模型进行计算，获得仿真曲线，计算响应指标超调量、响应时间、调节时间。根据公式计算适应度，选取适应度最小的粒子作为当前代最优粒子，生成新一代的粒子。最终经确定的辨识参数取值为Kp_Ip=0.1、Ki_Ip=2、Kp_Iq=0.1、Ki_Iq=0.5。

图2 参数辨识流程

根据实测结果进行相同的阶跃(有功阶跃由2 000 kW至2 500 kW, 无功阶跃由1 000 kvar至1 500 kvar)仿真对比，仿真结果如图3所示。对比结果见表1,仿真的有功、无功曲线及超调量、响应时间、调整时间及振荡次数等各项指标与实测曲线偏差均在允许偏差范围内，表明辨识的仿真参数可较好地反映设备实际响应特性。

表1 变流器功率阶跃响应试验结果对比

图3 储能功率调节实测与仿真对比

3 储能参与电网 调节效果分析

以湖南地区2022年下半年电网数据为基础，潇湘特高压交流7回出线，特高压荆潇双回线路投运，考虑储能电站分别接入长沙榔梨和延农、永州蚂蝗塘、郴州韭菜坪、娄底九仑、邵阳磨石110 kV变电站，计算方式选取高峰负荷方式；湖南35 000 MW负荷，祁韶计算值3 300 MW;计算数据中长沙、郴州、永州、娄底、邵阳地区含110 kV网络，电网负荷均采用65%马达比例+35%恒阻抗模型。

根据电化学储能电站接入电网技术条件要求，电化学储能电站的功率调节响应时间、超调量等均有标准要求，基于实测的电化学储能电站调节效果具有一定的代表性。为评估储能规模化接入电网的支撑效果，其他未实测储能电站以实测参数套用方式进行仿真计算。

计算方式：湖南负荷35 000 MW,祁韶3 300 MW,鄂湘4 270 MW,交流整体外受电8 240 MW,湖南省内220 kV及以上机组旋备4 270 MW,株洲调相机开机1台。

长沙特-星城双回星城侧三永故障N-2故障下，湖南电网电压恢复曲线如图4所示，各地区曲线均选取区域内恢复最慢的部分。

图4 长沙特-星城双回星城侧三永故障N-2, 湖南110 kV母线电压恢复曲线 

长沙特-星城双回星城侧三永故障N-2后，长沙地区110 kV曹家坪母线电压曲线恢复最慢，故障后约4 s恢复至0.9 p.u.,其他地区母线电压均在故障发生1 s后恢复至0.9 p.u.及以上。

长沙榔梨24 MW/48 MW·h、延农10 MW/20 MW·h、永州蚂蝗塘20 MW/40 MW·h、郴州韭菜坪22.5 MW/45 MW·h、娄底九仑7.5 MW/15 MW·h、邵阳磨石10 MW/20 MW·h共6座储能电站接入系统，各储能电站均处于热备用状态，考虑储能接入后的电压支撑效果如图5、图6所示。图5中蓝色曲线为基础方式，绿色曲线为采用实测参数的储能接入后方式，红色曲线为采用典型参数的储能接入后方式。

图5 负荷中心110 kV母线电压恢复曲线

图6 榔梨储能站储能无功输出曲线

从曲线对比可以看出，接入储能后曹家坪110 kV母线电压恢复速度有所提升，表明储能对于改善电网暂态电压特性具有支撑作用，但实测参数的效果不如典型参数(表2)。从储能输出曲线来看，实测参数仿真中储能的输出比典型参数输出要低，因而电压恢复效果较差。主要是实测参数部分考虑了低穿参数，即启用低穿功能，而典型参数并未启用，这导致了两套参数在同一故障扰动下输出特性的不同，也说明了实测参数对于准确评估储能电站参与电网 调节特性评估的重要性。

表2 典型参数与实测参数对比

4 结语

本文论述了电化学储能电站控制系统的典型架构，结合关键性能指标，设计了现场实测方法。通过提取关键参数进行辨识，获得与实测特性一致度较高的仿真用模型参数，并基于湖南电网进行了仿真验证。仿真分析表明，储能电站对于改善电网暂态电压恢复特性具有一定的支撑作用，需结合现场实测进行评估。

文章来源：湖南电力