含超级电容储能的电力系统频率稳定控制策略

引言

电力系统频率作为反映有功功率平衡的核心指标，其稳定性对于电网安全运行有着直接的影响。传统的调频方式主要依靠火电机组、水电机组以及抽水蓄能来实现，然而这种方式存在着诸多问题，比如响应延迟较长，达到秒级以上，调节精度不够高，并且设备磨损较为严重[1]。随着风电、光伏等间歇性电源在电力系统中的占比突破了 40% ，频率波动的情况变得更加剧烈，脱网风险也随之上升，迫切需要开发新型的调频技术。超级电容储能系统有诸多优势，其功率密度可达到 10-50kW/kg ，充放电时间处于毫秒级别，循环寿命超过 50 万次等。

一、超级电容储能系统调频机理与特性分析

1.1 电力系统频率波动根源与调频需求

电力系统频率出现偏差是因为有功功率的供给和需求失去平衡而引发的，其动态过程可划分成惯性响应阶段（0-10 秒）以及一次调频阶段（10 秒-数分钟）。在新能源并入电网之后，传统机组的调频能力有所下降，使得频率偏差的峰值增大，并且恢复所需要的时间也变长了。超级电容储能系统可凭借快速吸收或者释放功率的特性，同时参与到惯性响应以及一次调频之中[2]。

1.2 超级电容调频技术优势

超级电容的功率密度比锂离子电池高出 10 至 20 倍，其充放电效率超过 95% ，并且不存在过充过放的风险。表 1 对不同储能技术的调频性能进行了对比，可以看出超级电容在响应速度、循环寿命以及功率密度方面有较大优势。

表 1 储能技术调频性能对比

二、超级电容调频控制策略体系

2.1 经典控制策略：下垂控制与虚拟惯量控制下垂控制借助模拟同步发电机频率与功率下垂特性来达成功率分配，其数学模型如下

其中，߂ܲ为超级电容输出功率变化量， K_d 为下垂系数， K_d 为频率偏差。下垂控制有结构简单以及实现容易的优点，但存在稳态误差。例如，某省级电网运用下垂控制后，频率恢复时间缩短至 15秒，相较于传统方式提升了 60% ，然而稳态偏差依旧达到 0.05Hz 。

虚拟惯量控制借助对发电机转子惯量的模拟，来抑制频率变化率，它的控制方程如下：

其中，ܪ该常数即为虚拟惯量常数，虚拟惯量控制可较为有效地平抑频率突变，不过需要与其他策略相结合以消除稳态误差。在风电占比达到 40% 的场景当中，虚拟惯量控制使得频率的最大偏差降低了 0.15Hz，同时动态响应速度提高了 3 倍。

2.2 先进控制策略：模型预测控制（MPC）

MPC 借助构建系统动态模型来对未来状态给予预测，实现控制序列的优化[3]。其核心步骤主要覆盖以下方面：

状态预测：依据超级电容 SOC 以及电网频率等变量，来构建状态空间模型。

滚动优化：每一个控制周期当中，对涉及功率约束以及SOC 约束的优化反馈校正：根据实际输出修正预测模型，提升控制精度。

MPC 的优化目标可表示为：

其中，ܰ为预测时域，ߣ为权重系数。某区域电网运用 MPC 之后，调频指令跟踪误差下降到了 0.5% 超级电容利用率提高了 25% ，有效地处理了传统策略中SOC 波动过大所引发的调频能力衰减问题。

三、控制策略实施路径与挑战

3.1 参数优化与自适应调整

下垂系数 .K_d 与虚拟惯量常数ܪ需根据电网特性动态调整。比如，在新能源高渗透的区域， K_d 应增大以提升调频深度；在负荷密集区域，ܪ需减小以避免过调。基于粒子群算法的参数优化方法，可使调频指标提升 12%-15% 。

子群算法的更新公式具体如下：

其中， v_i，d 为粒子速度，߱为惯性权重， c₁，c₂ 为学习因子， r₁，r₂ 为随机数， p_best 为个体最优解， g_best为全局最优解。

3.2 SOC 管理与寿命延长

超级电容的荷电状态即 SOC 需要维持在 20%-80% 区间范围之内，以此来避免出现容量衰减的情况。借助引入 SOC 反馈环节这种方式，可对控制策略的输出进行动态调整。比如，当 SOC 低于 30% 的时候，会限制虚拟惯量控制的投入，优先保障下垂控制的功率输出。某工程应用说明，SOC 管理让超级电容的寿命延长到了十年以上。

SOC 反馈环节的数学表达为：

在其中，ܽ为调整系数，当 SOC 低于阈值时， ，避免过放电 。

3.3 与新能源的协同控制

超级电容需要和风电、光伏的变流器控制相互配合协同，以此达成“源-储”联合调频的目的。比如，当风电功率出现突变情况的时候，超级电容可迅速地对功率缺口进行补偿，还会对风机桨距角作出调整，减少二次频率波动。某风电场所得到的实测数据显示，依靠协同控制，频率偏差标准差下降到了0.03Hz ，并且调频经济性提高了 20% 。

协同控制得以实现要借助通信协议（如 IEC 61850）来达成数据交互，同时设计出统一的控制接口。例如，风电场 SCADA 系统会把功率预测数据传送给超级电容控制器，控制器依据预测结果预先调整 SOC，以此提高调频响应速度。

结语

含超级电容储能的电力系统频率稳定控制策略，借助下垂控制、虚拟惯量控制以及模型预测控制共同实施，可提升电网对新能源波动的适应能力。未来要突破参数自适应优化、多时间尺度协调控制等关键技术，促使超级电容调频技术朝着规模化、智能化方向发展。

参考文献：

[1]王岩，栾永军，段建东，等.基于超级电容储能的汽轮发电系统频差功率协调控制[J].舰船科学技术，2024， 46（13）：107-113.

[2]黎静华，敖国进，宋诚鑫，等.超级电容参与风电调频的动态响应优化策略[J].电力系统自动化，2024， 48（17）：46-55.

[3]武伟，谢少军，张曌，等.基于组合型双向 DC-DC 变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计[J].电源学报，2016，14（03）：83-93+101.