论文总字数：16267字

摘 要

随着经济的快速发展，用电需求不断增加。然而，由于全球能源紧缺和环境恶化，各种新能源、风能生产的不确定性和不确定性，以及宽带、风能对电网的安全稳定运行有着严重的影响。同时，传统机组上升率低、响应慢，使得电网频率质量问题变得越来越重要和困难，适应能源系统的快速发展和新能源的寻求。供电具有“精确跟踪”和“快速反应”的特点，已成为支持电力系统频率调制的新方法，可以用来满足能源系统的稳定性和可靠性要求。

首先，分析研究大规模储能系统的结构以及其工作原理和火电机组一、二次调频的工作机理，针对储能电池参与电力系统调频领域的研究，建立起以戴维宁等效定理为基础的储能系统模型。

其次，根据能源存储系统和火电机组特点，基于分层控制结构，提出储能电池参与电力系统AGC调频协调控制策略。

最后，对AGC能源系统的发电厂和发电厂的控制策略进行了研究。根据能源系统的不同操作条件，确定了不同的控制战略和干预重点，以确保所储存的能源与发电厂之间的协调，并充分利用所储存的能源的好处。本文件中提议的控制策略已通过MATLAB/SIMULINK软件验证。仿真结果表明，基于本文提出的控制策略，模拟了AGC中涉及的两个互连能量系统。频率响应可以被提高，网络切换功率分离的幅度可以减小，并且可以在特定区域内保持电源存储芯，该系统在系统故障或故障时对系统有利，从而改善了网络容量、抗干扰性和网络运行水平。

关键词：储能系统；频率调整；储能模型；控制策略

Abstract

With the rapid development of the economy, the demand for electricity is increasing. But due to global energy shortages and environmental disruptions, it has had a great impact on the production of various new energy and wind energy and the safety of broadband and wind energy. The grid will work stably. At the same time, the growth rate of the conventional unit the response is slow, so the quality problem of the frequency of the network becomes more important, and it cannot adapt to the rapid development of the energy system and the pursuit of the new energy. The power supply features a "precise tracking" and "fast response", which is a new way of supporting frequency modulation of power systems, and can achieve stability and reliability of power systems.

First, we investigated the structure of the large energy storage system, the working principle, and the operation mechanism of one and second frequency modulation of a thermal power plant. The study of frequency modulation region of energy system is based on energy storage cell.

Secondly, based on the characteristics of energy storage system and thermal power plant, we propose a coordinated control method of energy storage battery which participates in the frequency adjustment of energy system AGC based on the stepwise control structure.

Finally, the control strategies of power plants and power plants AGC energy systems are studied. Based on different operating conditions of energy systems, different control strategies and interference priorities are determined. Energy storage and power plant coordination are guaranteed, and the effect of energy storage is fully demonstrated. The control strategy is tested in MATLAB/SIMULINK software.Simulation results show that the two interconnected energy systems involved in the AGC are simulated based on the control strategy proposed in this paper. The frequency response can be increased, the amplitude of the switching power separation of the network can be reduced, and it can be achieved in a particular case. The storage core of power supply is maintained in the area, and the system is beneficial to the system when the system fails , thus improving the network capacity, anti-interference and network operation level.

Key words: energy storage system; frequency adjustment; energy storage model; control strategy

本文研究内容

本文对发电厂和电力储存系统的频率调制特性进行了分析，建立储能系统辅助火电机组参与电网一、二次调频的仿真模型。为了提高电网的整体频率调制能力，在调频过程中，分析了能量存储系统的操作结构，并研究了储能系统辅助火电机组参与电网调频的协调控制策略。本文章节具体内容如下：

第一章详细介绍了能量存储系统的结构和工作原理，并且分析了目前电力系统调频所存在的问题。与传统调频机组相比较，储能电池参与电网调频具有更高的效率和精确性。

第二章主要介绍了以戴维宁等效原理为基础的四种储能模型，即一阶惯性环节模型、戴维宁等效电路模型、戴维宁等效电路Ⅰ型模型以及戴维宁等效电路Ⅱ型模型。

第三章详细说明了火电机组一、二次调频的工作原理，并列出了一、二次调频的技术指标。

第四章提出了储能电源与传统机组协调参与电网AGC的控制策略。其次，为了验证所提出的控制策略的有效性，在两区域互联系统模型中，对储能电源与普通调频机组协调参与电网AGC进行了仿真。

目录

摘要 I

本文研究内容 III

第一章 储能系统的结构及其工作原理 1

1.1 控制结构 1

1.2 储能电源参与电力系统调频需求的产生原因 2

1.2.1电力系统调频存在的问题 2

1.2.2 储能电池参与电网调频的优势 3

1.3 本章小结 3

第二章 储能系统模型 4

2.1 储能模型 4

2.2 本章小结 6

第三章 火电机组一、二次调频工作原理 7

3.1 火电机组一次调频工作原理 7

3.1.1 调速器侧的一次调频过程 7

3.1.2 机组协调控制侧的一次调频过程 9

3.1.3 一次调频的技术指标 9

3.2 火电机组二次调频工作原理 10

3.2.1二次调频的技术指标 12

3.3 本章小结 12

第四章 储能系统辅助火电机组AGC调频控制策略 13

4.1 协调控制原则 13

4.2 储能电源参与电网AGC的协调控制策略 14

4.3 评价指标 18

4.4 算例分析 18

4.4.1 仿真模型及参数设置 18

4.4.2仿真结果 20

4.5 本章小结 26

第一章 储能系统的结构及其工作原理

储能系统通常由储能模块、电池管理系统（BMS）、功率转换系统（PCS）及滤波器组成。其中，储能模块为储存电能的载体；电池管理系统通过确定能量模块的输出电压、输出电流和充电状态来保证能量存储介质的稳定操作；功率转换系统负责实现储能模块与外电网的能量交换，通常由电压源变换器、DC/DC双向变换器及其控制器构成。

实践中的适当的能源储存模块，如电池与BMS、PC和过滤器组合在一起，通常组合成模块化子系统，但在大多数情况下，电池组由一个或多个组件组成。它们被组合成一个大容量系统。下图为三星SDI锂电池储能系统产品结构示意图。

图1.1 三星SDI锂电池储能系统

1.1 控制结构

能源存储系统应根据控制频率调制选项定义的策略支持能源系统。幸运的是，储能系统将建立适当的结构来控制各个并联子系统的协调运行。现行的主流运行控制结构有主从控制、对等控制、分层控制三种。^[1]主从控制是指将子系统和主电源分离，用主电源支撑电力网的电压和频率，可靠性高，通过从电源辅助主电源工作。主要的控制结构多用于微网。因为能量存储系统的容量有限，所以难以保证大功率网的电压和频率的稳定，不适用于辅助火电机组的频率调整的能量存储系统，可以对对等控制和分层控制进行选择。

（1）对等控制

对等控制是指每个子系统的控制地位是相同的，并且输出功率是基于本地频率偏差信息设置的。发电机的静态功率特性，通过调节下垂系数来调节子系统之间的功率分布。

（2）分层控制

分层控制通常包括主控制器和子系统的本地控制器。其中，子系统间的合理分配和调整是由主控制器负责的。

分层控制结构如图1.2所示。

图1.2 分层控制结构示意图

1.2 储能电源参与电力系统调频原因

1.2.1电力系统调频存在的问题

电网调频有两种方法：一次调频和二次调频。负载转变时，每个单元凭借其静态频率特性改变功率，称为一次调频。但是，一次调频仅能缓和频率变化，并不能完全恢复网络频率。所以，需要改进或降低一个单元的性能以恢复系统频率被称为二次调频。

网络频率调制具有主频率和次频率，并且当负载改变时，每个单元根据其静态频率特性改变性能。然而，一次频率调制仅缓和了网络频率的变化，并且不能完全恢复网络频率。

随着生产的增长和人民的生活需求的满足，所有地区的能源经济和电力网络的都在扩大。电网之间的联系导致了许多繁杂的大型网络的建设。这种变化可以帮助优化资源分配和提高经济效益，然而，随着电力系统的复杂性的增加，电力系统可能由于各种系统的内部干扰或系统震荡而崩溃。同时，机组容量增长，新能源在电网中的比重增加，这对电网的稳定性有很大影响。因此，每次大容量的机组或超高压输电线路断开时，都会发生功率不足，系统的频率和母线的电压急速下降，给输电网带来巨大冲击，引发频率崩溃事故，频率崩溃是大规模停电的主要原因之一。停电的恶化多是因为没有针对低频减载装备的对策，但第一轮低频减载的工作频率一般在49Hz以下，这意味着之前的频率调制操作不起作用，进入紧急控制状态。低频减载是一种易受电力系统可靠性影响的被动保护方式，难以从根本上解决问题。是以怎样有效地调节控制系统的频率就开始愈来愈受到关注。

1.2.2 储能电池参与电网调频的优势

与电网频率调制相比，传统频率调制装置的弊端逐渐变得明显。例如，火力发电机组的响应时间长，水力发电机组容易受到季节和地区的影响。一次频率调制只限于蓄热等问题；二次频率调制是由爬坡速率等影响的。

比起传统机组的缺陷，储能电源参与调频具有以下优势：

1. 在可控状态下可以调节功率的上下，减少能量储备；
2. 可以无限制实现增减功率的转换操作，效率高。
3. 输出变化快，响应功率的储备裕度小；

综上所述，储能电源参与调频是可行的，但这些问题可以通过增加机组容量来解决，所以如果机组的容量可以增加，因此，必须继续研究储能电池参与电力系统调频的必要性。

1.3 本章小结

本章对储能系统分析了其物理构成，提出了用于由多个子系统组成的大规模储能系统的分层控制运行结构，并展现了能辅助火电机组调频接入方式及整体控制示意图，分析了储能电池参与电网频率调制的原因。

储能系统模型

2.1 储能模型

目前，用于频率调制的能量存储电池通常基于戴维宁等效定理，可分为四类：

1. 一阶惯性环节模型

此模型是关于时间常数的一阶惯性环节与储能增益乘积的模型，以此来研究储能系统对电力系统频率调整的影响。一阶惯性环节模型主要描述储能电池的时间延迟效果，储能增益主要表述模拟电网的频率偏差与储能电源输出功率变化间的关系。模型如图2.1所示。

图2.1 储能电源一阶惯性环节模型

1. 戴维宁等效电路模型

依据储能电池的工作原理，利用开关元件构成的电网模拟电池动态特性。该模型包括内阻、过电压电阻（即暂态电阻）和过电压电容（即暂态电容）并联电路、开路电压、储能电池的端电压和电流。相应的戴维宁等效电路模型（原型）如图2.2所示。

图2.2 储能电源戴维宁等效电路模型（原型）

戴维宁等效电路模型的结构简单，可以更好地模拟不同储能电池的不同操作状态，模型的空间方程可以通过数学方法得到，这些数学方法有助于对能源储存系统进行深入研究。

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