CAT蓄电池AGC时间分片评估下火电机组-混合储能系统多性向联合调频控制
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卡特蓄电池 发布时间：2026-10-20 11:00:39 点击： 次
1. 引言
在TP-ES调频系统的运行控制中，自动发电控制（AGC）指令的分配和ES功率输出的控制是影响调频评估性能和运行可持续性的两个关键因素。因此，这两个问题已成为该领域的重要研究课题。
对于AGC指令分配，现有方法通常可分为三类：比例系数分配策略、基于偏差的分配策略和基于频率的分配策略。在比例分配策略中，参考文献[1] 根据各调节资源在系统总调节容量中可用调频容量的比例来分配自动发电控制（AGC）响应指令。然而，该方法仅适用于电网频率偏差较小的调频任务，通常会导致调节性能受限 [2]。参考文献 [3]提出了一种基于多性向优化的控制策略，其中将调频性能、储能系统（ES）的荷电状态以及调节成本作为目标函数，以优化不同调节资源的分配系数。然而，算法的优越性和计算环境直接影响储能系统的响应速度，这使得该方法在大规模秒级调频应用中的实用性较低。参考文献[4]提出了一种控制方法，通过同时考虑TP单元的备用容量边界和混合ES系统的SOC边界，动态调整AGC比例因子K；然而，该方法仅考虑了单一类型的ES。
基于偏差的分配策略是指利用ES系统充分补偿TP机组输出与AGC指令之间的偏差。例如，文献[5]采用自适应噪声完全集成经验模态分解，获取TP机组与AGC指令在不同频率下的偏差信号，然后将这些偏差信号分配给不同的混合ES设备。文献[6]采用变分模态分解来分解TP机组输出与AGC指令之间的偏差信号。文献[7] 提出了一种基于可变滤波时间常数和模糊控制的复合储能系统二次频率调节控制策略。根据电网频率的变化率，通过自适应调整滤波时间常数来分配复合储能系统的内部频率调节指令，并利用模糊控制理论进一步修正。
在基于频率的分配策略中，使用滤波器处理TP-ES系统的整体AGC指令，从而分离不同频段的功率信号。文献[8]对AGC功率信号进行离散傅里叶变换，以获得低频和高频分量，其中低频分量分配给TP机组，高频分量分配给ES系统。文献[9]考虑到ES系统的快速响应特性，将AGC指令的高频分量分配给ES系统，实现了良好的调频性能。参考文献[10]使用基于经验模态分解的时空滤波器将调频需求分解为不同频率的分量，然后根据TP单元和ES系统的输出特性进行分配。参考文献[11]采用集合经验模态分解处理AGC信号，以减少经验模态分解引起的模态混叠。参考文献[12] 在TP-ES功率分配层利用改进的自适应噪声完全集成经验模态分解和多尺度排列熵构建了功率分配器，从而实现了TP单元与ES系统之间的功率分配。参考文献[13]采用多层可变增益限幅算法对TP单元-飞轮ES系统的AGC指令进行分解。参考文献[14] 采用自适应频率调节信号分解策略用于火电单元-电池储能系统。近期，基于先进优化的协调控制也被用于火电-混合储能系统的频率调节。文献 [15] 为电池/飞轮混合储能系统开发了一种随机模型预测控制策略，以改善火电机组的自动发电控制性能，其中混合储能系统的功率分配考虑了响应的不确定性。文献 [16] 进一步提出了一种适用于火电机组与混合储能系统（HESS）耦合的两层控制框架，在考虑荷电状态（SOC）和电池寿命约束的同时，协调火电机组与混合储能系统之间的功率分配，以及飞轮储能与电化学储能之间的内部分配。
在ES功率控制方面，一些研究根据其SOC状态控制ES的输出，以防止过充和过放。例如，文献[17]结合辅助服务市场规则，制定了ES的输出策略，使其在荷电状态不合适时退出辅助调频系统。文献[18]基于模糊控制理论，根据其SOC状态优化ES的调频输出。文献[19]提出了一种综合控制方法，该方法根据系统频率和电池ES系统的SOC调整输出功率比例，从而优化电池SOC并确保ES调频的可持续性。参考文献[20] 建立了一个储能系统充放电策略的实时优化模型，其中储能系统对AGC指令与机组输出之间实时偏差的补偿程度被作为决策变量，并将储能系统调频性能和能量平衡的最大化作为目标。对于飞轮-电池混合储能系统，SOC感知协调控制也受到了越来越多的关注。参考文献[21] 开发了一种协调的调频策略，其中电池和飞轮的控制系数根据频率响应和SOC状态进行调整。参考文献[22]提出了一种具有SOC自我恢复功能的模糊自适应飞轮-电池混合储能系统控制策略，证明了调节后的SOC恢复可以提高储能系统后续的调节能力。然而，上述研究以牺牲一定的调节性能为代价来维持调频的可持续性。
其他研究考虑了通过使用额外的调频备用资源来恢复储能系统的SOC，从而同时确保调频性能和调节可持续性。参考文献[23]提出了一种基于SOC预测的储能电池前馈协调调频控制策略。当TP-ES系统接收到AGC指令时，根据单个储能单元的预测SOC值来使用TP单元的备用功率，从而实现每个储能电池的动态SOC恢复。这种方法在保持综合调节性能（包括调节时间和响应时间）的同时，确保了储能调频的可持续性。然而，上述研究仅考虑了单一电池储能系统。因此，调频效果受限于容量小和连续充放电时间短，难以补偿系统中的大功率缺口。参考文献[24] 提出了混合储能设备五种典型运行场景，并考虑SOC状态构建了相应的复合储能充放电策略。然而，该研究忽略了SOC恢复，且在储能容量规划相对较小时，难以维持调频的可持续性。参考文献[25]基于模糊控制逻辑设计了飞轮储能和电池储能系统的调频指令分配系数，但同样忽略了混合储能系统的SOC恢复。
基于上述分析，现有关于TP-ES调频系统运行控制的研究仍面临若干局限性。现有的控制策略通常根据AGC指令与火电机组输出之间的瞬时偏差来确定ES输出，而未在完整的AGC指令周期内明确区分评估活跃期与随后的非评估期。在当前指令的调节需求已得到满足后，ES继续充电或放电不再对相应的AGC评估指标产生贡献，但仍会增加ES能量吞吐量，导致额外的SOC偏移，并加速电池寿命衰减。因此，明确识别评估边界并在评估期与非评估期采取不同的ES运行协调策略，对于同时提升调节性能和运行可持续性至关重要。为了解决上述局限性，本文提出了一种适用于AGC时间分片评估下TP-混合储能系统的多模态联合调频控制策略。具体贡献总结如下。
- (1)
- 以评估为导向的调节偏差控制。该方法不再要求ES系统持续补偿AGC指令与火电机组输出之间的直接偏差，而是根据调节速率、调节时间和调节精度要求，构建一个以评估为导向的联合输出参考轨迹。随后，ES参考指令将由该评估导向的联合参考值与实时火电机组输出之间的偏差来确定。通过这种方式，ES系统仅提供满足AGC评估轨迹所需的补偿，并避免在当前评估完成后产生不必要的输出。
- (2)
- SOC驱动的多模态协调与恢复。电池和飞轮的SOC状态不仅作为运行约束，还作为动态协调变量。在爬坡阶段，SOC组合决定了运行模式以及电池和飞轮功率指令的分配与修正。在非评估期间，SOC恢复需求与可用的热机备用容量及剩余储能容量进一步协调，以使储能设备恢复至期望的SOC范围。这实现了短期AGC响应性能与长期频率调节可持续性的关联。
2. 考虑AGC时间共享评估特性的混合ES系统调频指令控制策略
2.1. TP与混合ES联合调频控制策略框架
本文提出的TP-混合ES系统联合调频控制策略框架如图所示图1.
图1。TP-混合储能系统联合AGC调频控制策略框架。
所提出的控制框架包含两个主要步骤。
首先，开发了一种考虑AGC时间共享评估特性的频率调节指令控制策略，以获取混合储能系统的频率调节指令。该策略的目的是优化TP-混合储能系统联合AGC响应曲线的频率调节评估指标，并减少混合储能系统的无效充放电行为。具体而言，根据AGC评估指标，计算出满足最优评估要求的AGC响应功率参考曲线。然后，基于TP机组的实时输出曲线，获取混合储能系统的整体频率调节指令。
其次，提出了一种混合储能系统的多模态协调控制策略，用于分配不同类型储能设备的功率指令并控制混合储能系统的运行功率，从而提高TP-混合储能系统的AGC响应性能和频率调节可持续性。首先，基于满足最优评估指标的TP-混合储能系统联合AGC响应曲线，识别出每个AGC评估过程中的储能系统爬坡期和AGC非评估期。随后，在爬坡阶段，根据不同类型储能系统的SOC状态，提出了一种混合储能系统的多模态协调控制策略。该策略减少了电池储能系统的寿命衰减，防止飞轮储能系统频繁超出其安全运行范围，并提高了混合储能系统的调频可持续性。此外，在AGC非考核阶段，根据系统备用资源，提出了一种用于SOC恢复阶段的混合储能输出控制策略。该策略恢复了不同类型储能系统的SOC状态，并进一步提高了混合储能系统的调频性能和可持续性。
2.2. 考虑AGC时间共享评估特性的混合储能系统调频指令控制策略
为确保TP-混合储能系统获得最佳的AGC响应性能，减少混合储能系统的无效充放电行为，并降低调频能耗，TP-混合储能系统联合AGC响应功率输出的参考曲线如图所示图2.
图2。TP-混合储能系统联合AGC响应功率输出的评估指标导向最优参考曲线。
对于每个AGC指令周期，完整的响应过程分为评估活跃期和非评估期。评估活跃期从发出新的AGC指令开始，包括初始响应、加速和稳态调节阶段，在此期间，联合输出轨迹直接影响调节速率、调节时间和调节精度指标。一旦满足当前指令的评估要求，系统进入评估结束阶段，该阶段对应非评估期，并持续到下一个AGC指令到达。在此阶段，额外的ES输出不再改善已完成指令的评估结果，因此控制目标从AGC跟踪转变为SOC恢复和备用准备。因此，这四个阶段并非随意的时间划分，而是对应于有效响应、快速爬坡、准确稳定和评估后状态恢复的连续目标。当最新的AGC指令向上变化时，即 > ，不同阶段最优AGC响应过程的参考功率输出模型如下。
