本文是一篇工程硕士论文，本文针对新型电力系统下电力系统二次调频能力不足的工程问题，分别从电源侧和电网侧构建了储能辅助电网二次调频的控制策略。
第1章 绪 论
1.1 研究背景及意义
全球范围来看，通过发展循环经济来推动实现经济绿色增长和气候目标已成为必然趋势和共识路径。我国在2021年3月中央财经委员会第九次会议中首次提出“碳达峰·碳中和”的双碳目标，明确要加快构建清洁低碳安全高效能源体系，逐渐形成以风能和光伏为代表的各种可再生能源发展的新型电力系统格局[1-4]。
但是我国风光新能源接入电网的比例增长太过迅速，其所带来的负面影响也越来越大。与传统水火电不同，风光新能源实际出力会受天气环境影响，功率波动随机性大，严重干扰电网功率平衡与频率稳定[5]。同时风光新能源并网运行时受经济效益的影响，大多以经济性最优的目标运行，当电网频率越限时无法主动提供频率支撑能力。因此大规模风光新能源取代传统火电机组，使得系统对备用调频容量的需求增大，但实际调频备用容量却减小。火电机组作为当前电网存量最大的可调节电源，其爬坡速率慢和响应精度低的固有特性已难以适应新型电力系统下的调频需求。在目前大量新能源并网的背景下，电网调频需求增大且对调频电源的性能提出了更高的要求，传统机组已难以完成此类调频任务，亟需新的调频资源来解决此问题[6-8]。
储能作为新兴技术，具有效率高、响应速度快等优点，在我国电力系统中占比例迅速提高，成为辅助电力系统频率调整的重要调频资源，在辅助传统火电机组响应调频指令、改善电网频率波动等方面具有突出表现[9-12]。根据CNESA数据，2023年中国新型储能新增规模创历史新高，达到了约23.22GW/51.13GWh，同比增长221%[13]。
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1.2 储能参与电力系统调频的研究现状 1.2.1 储能调频技术发展现状 全球电力储能市场累计装机规模如图1-1所示。根据CNESA全球储能数据库不完全统计，截至2023年底，全球已投运的电力储能项目累计装机容量达到了289.2GW，新型储能累计装机容量达到了91.3GW，其中锂离子电池在新型储能累计装机占比继续高速增长。除了锂电池储能技术外，压缩空气储能、液流电池、钠硫电池、飞轮储能等其他储能技术也在不断突破，应用模式逐渐增多，储能类型正在朝着多元化方向发展[19]。
近5年中国已投运锂离子电池储能项目装机规模如图1-2所示，可以发现，锂离子电池储能项目装机规模逐年飞速增长。新型储能技术成熟之前由抽水蓄能电站承担电网的储能工作参与调频，但随着新型电力系统构建进程的推进，新能源渗透率越来越高，电网频率调节需求也越来越高，传统的调频资源根本无法胜任频率调节的任务[20]。而锂离子电池充放电速度快、充放电效率高和应用技术成熟等优点，在新型储能中脱颖而出，被广泛应用于自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）调频电站、风/光储能电站和调峰/调频电站中。
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第2章 提升二次调频响应性能的火-混合储能系统协调控制策略
2.1 火-混合储能联合调频系统
2.1.1 火-混合储能联合调频系统
通过在火电机组侧配置混合储能可以有效提高发电厂二次调频性能，提高电网安全稳定运行能力。火-混合储能联合调频系统如图2-1所示，该系统由火电机组、电池储能系统（Battery and Energy Storage System，BESS）和飞轮储能系统（Flywheel Energy Storage System，FESS）等部分组成。
首先，调度中心通过与发电厂侧远程控制终端之间建立云通讯对火电机组和混合储能实时运行信息进行采集，并以此为约束条件进行计算后，将合适的自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）指令下发给电厂侧远程测控终端，火电机组集散控制系统（Distributed Control System，DCS）接收到该指令后，将该指令下发给火电机组；然后，混合储能系统协调控制单元通过接收机组功率监测单元发出的机组实时出力信息以及远程测控终端发出的AGC指令信息，得到火电机组响应AGC指令的功率偏差值，由混合储能系统协调控制单元按预设策略将其分配给BESS和FESS响应；最后，火电机组发电机功率和混合储能系统功率联合后上传至电网，共同支撑电网频率安全。
火-混合储能联合系统参与电网二次调频的控制流程如上所述，混合储能系统不改变原有火电机组运行方式，辅助机组补偿火电机组出力偏差，混合储能系统什么时候参与以及如何参与辅助火电机组进行二次调频，这是本部分的研究重点，包括混合储能系统调频动作时机与动作深度的确定方法和混合储能系统调频责任分配方法两部分内容
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2.2 基于二次调频考核指标的混合储能系统协调控制策略
基于上一节对华北电网Kp考核指标的分析，可以发现Kp考核标准是将火电机组单次响应AGC指令过程分为了三个阶段进行考核，然后将三个阶段的调节性能指标相乘得到调频性能综合指标，每个阶段的指标值都会对调频性能综合指标造成影响，为此，本文基于Kp考核指标提出了混合储能系统协调控制策略。
2.2.1 混合储能系统调频动作时机与动作深度
当调频调度指令发生变化后，火电机组将进入一次新的调频考核阶段，此时火电机组以调频调度指令为目标进行升（降）功率。然而，由于火电机组自身的技术局限性会导致其爬坡速率较低，调频精度低等问题，造成火电机组调频性能综合指标较低。为了改善该问题，本文采用混合储能辅助火电机组调频，并基于Kp考核指标制定混合储能系统调频动作时机与动作深度确定方法，深度契合Kp考核机制，使得发电厂侧火电机组调频性能提升更加精确有效。
由于混合储能的加入使得火电机组调频响应阶段持续时间极短，可以认为AGC指令更新时刻即标志着火电机组进入爬坡阶段，该阶段的控制目标包括两个，第一是需要持续监测火-混合储能联合出力值，防止火-混合储能联合出力再次跌入AGC指令同方向死区，增加响应阶段持续时间，降低响应性能；第二是监测火电机组与AGC指令死区的差值，只有混合储能剩余总功率可以完全响应该差值时才对功率偏差进行补偿，同时结束爬坡阶段，进入稳定阶段。
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第3章 考虑储能辅助跟踪调度计划并参与调频的多风-光-储系统协同优化调度 ......................... 24
3.1 前 15min调频辅助服务市场机制 ............................. 24
3.2 多风-光-储系统协同优化调度框架 .......................... 25
第4章 基于集合经验模态分解和多目标遗传算法的火-多储系统调频功率双层优化 ............................. 41
4.1 含多储能电站的区域调频系统 ................... 41
4.2 火-多储调频系统双层优化 ........................... 42
结论 .................................. 61
第4章 基于集合经验模态分解和多目标遗传算法的火-多储系统调频功率双层优化
4.1 含多储能电站的区域调频系统
随着储能技术发展以及国家政策支持，电网侧安装运行的储能电站项目数量和容量激增，成为传统机组之外电网调频功率容量的另一重要来源。但是目前储能的造价运行成本仍然较高，如何协调区域内各调频资源（火电机组和储能电站）的联合最优调度，充分发挥传统机组调频成本优势和储能调频性能优势，成为当下亟需解决的工程问题。为此，本节提出基于集合经验模态分解和多目标遗传算法的火-多储系统调频功率双层优化策略，包括火-储调频功率优化层和多储能电站调频功率优化层两部分内容，以发挥火电机组和电池储能各自的调频优势，保证区域电网整体的调频质量和经济性。
本文主要研究新型电力系统下火电机组和储能电站联合参与电网二次调频的功率分配问题，包括火-储调频功率分配、多火电机组调频功率分配和多储能电站调频功率分配三部分内容。其中区域内包含用电负荷、新能源机组、多个不同类型的火电机组和储能电站，其结构如图4-1所示。
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结论
本文针对新型电力系统下电力系统二次调频能力不足的工程问题，分别从电源侧和电网侧构建了储能辅助电网二次调频的控制策略，电源侧设计了提升二次调频响应性能的火-混合储能系统协调控制策略和考虑储能辅助跟踪调度计划并参与调频的多风-光-储系统协同优化调度，电网侧设计了基于集合经验模态分解和多目标遗传算法的火-多储系统调频功率双层优化，结论如下：
（1）为提高火电机组调频性能，提出基于Kp考核指标的混合储能系统协调控制策略，包括混合储能系统调频动作时机与动作深度确定方法和混合储能系统调频责任分配方法，并得到如下结论：混合储能辅助机组调频可以有效提升调频性能，本文策略下调节性能平均值为6.13，相比于无储能时提升了3.78倍；本文考虑了混合储能SOC恢复，提高了混合储能响应单向持续AGC指令的能力；另外，火电机组调频收益明显增加，相较于无储能时调频收益提高了约2倍。
（2）为了提高配储新能源场站跟踪调度计划能力、储能利用率和场站收益，保障电网安全稳定运行，提出了考虑储能辅助跟踪调度计划并参与调频的多风-光-储系统协同优化调度策略，得到如下结论：相比于无储能时，所提策略下风储系统1、风储系统2和光储系统跟踪调度效果指标分别下降了95.65%、65.38%和100%；相比于储能仅辅助跟踪调度计划，所提策略下风储系统1、风储系统2和光储系统储能的利用率分别提高了1.27、1.46和4.49倍；所提策略下风储系统1和风储系统2的总利润相比于储能辅助跟踪调度计划并独立参与调频辅助服务时分别提高7%和27.15%，有效提高新能源场站经济效益。
参考文献（略）