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💥第一部分——内容介绍

基于改进 ICEEMDAN 的火电 - 蓄电池 - 飞轮混合储能联合调频协同控制策略研究

摘要

新能源大规模并网引发电网调频资源匮乏、调频响应滞后、机组调节损耗加剧等问题，传统火电机组单独调频难以兼顾快速响应与运行经济性，单一储能设备又存在功率、容量特性短板。针对该问题，本文搭建火电、蓄电池、飞轮构成的火储联合调频系统，复现并优化改进自适应完备集合经验模态分解（ICEEMDAN）功率分配策略，依托美国 PJM 电力市场全年 2 秒粒度实测调频信号开展全工况仿真验证。所提控制策略以 ICEEMDAN 算法完成调频指令频域分层，依据不同储能元件功率响应特性分配高低频调节分量，同步引入火电机组爬坡速率约束、储能充放电功率限值与荷电状态闭环反馈调节机制，形成多主体协同约束控制框架。仿真结果表明，该协同策略可实现电网调频指令高精度跟踪，有效分担火电机组高频快速调节任务，降低机组频繁深度调节带来的设备损耗与煤耗，同时规避蓄电池过充过放、飞轮功率越限等运行风险，兼顾调频性能、机组经济性与储能设备使用寿命，可为火储联合调频工程落地与混合储能功率分层分配提供理论支撑与实测数据验证依据。

关键词：火储联合调频；混合储能；ICEEMDAN；功率分层分配；协同控制；PJM 调频信号；荷电状态约束

1 引言

1.1 研究背景与意义

新型电力系统建设背景下，风电、光伏等间歇性新能源出力波动持续加剧电网有功功率不平衡，电网对快速、高精度调频资源需求显著提升。常规燃煤火电机组作为传统主力调频电源，受锅炉、汽轮机热惯性限制，调节响应速度慢、爬坡速率存在固有上限，持续频繁参与调频会增大主辅设备疲劳损耗，抬高发电煤耗与运维成本；仅依靠单一储能参与调频同样存在短板，蓄电池能量密度高但短时大功率反复充放电会加速衰减，飞轮储能响应速度极快、循环寿命优异，但能量存储容量有限，无法承担长时间低频功率调节任务。

火电机组搭配蓄电池 - 飞轮混合储能构成联合调频系统，能够融合火电大容量持续调节、蓄电池中长期功率支撑、飞轮瞬时快速响应的多重优势，成为当前电网辅助调频主流技术路线。如何实现调频指令在火电、蓄电池、飞轮三者间合理分层分配，兼顾响应速度、设备运行约束与整体调频收益，是火储联合调频控制领域核心研究难点。现有基于完备集合经验模态分解（CEEMDAN）的功率分配方法存在模态混叠、分解分量边界突变、未充分耦合机组爬坡与储能荷电状态约束等缺陷，难以适配全年复杂多变的实际电网调频信号工况。

基于此，本文依托 PJM 市场一整年 2 秒采样实测调频信号，采用改进 ICEEMDAN 算法优化调频功率频域分解流程，构建含多约束闭环反馈的火电 - 蓄电池 - 飞轮协同调频控制策略，通过实测数据全工况仿真验证策略有效性，为混合储能辅助火电调频的功率分层控制提供可落地的理论方案。

1.2 国内外研究现状

国外电力市场化起步较早，PJM、CAISO 等区域电网已大规模推广储能参与调频辅助服务，相关研究多基于市场实测调频信号分析储能功率调节特性，侧重储能容量配置与调频收益测算，但对火电与多类型储能协同约束控制研究较少。国内研究聚焦火储联合调频功率分配算法，大量文献采用 EMD、CEEMDAN 系列分解算法拆分调频指令高低频分量，将高频分量交由储能承担、低频分量交由火电机组平抑。

现有 CEEMDAN 分解方法存在残留噪声、模态分量混叠问题，导致功率分配频繁切换，加剧储能功率波动；部分改进方案仅优化分解算法，未将火电机组爬坡速率硬约束、储能充放电功率上限、荷电状态（SOC）越限保护机制嵌入协同控制闭环，仿真多采用人工模拟调频信号，与电网真实调频工况存在较大偏差。《基于改进自适应完备集合经验模态分解的混合储能辅助火电机组调频的协同控制策略》一文提出的 ICEEMDAN 框架有效缓解模态混叠，但未结合长周期实测调频数据验证，缺少多储能 SOC 闭环调节逻辑。

本文在该文献 ICEEMDAN 分解思路基础上完善优化，引入模态频率排序筛选机制、多主体运行约束反馈调节环节，采用 365 天真实 PJM 调频时序数据完成全工况验证，弥补现有研究工况单一、约束条件不完备的不足。

1.3 本文主要研究内容与创新点

1.3.1 主要研究内容

1）搭建火电 - 蓄电池 - 飞轮混合储能联合调频系统整体架构，明确各单元调频响应特性、功率调节边界与运行约束条件； 2）复现并优化 ICEEMDAN 调频功率分解流程，完成调频总指令多模态分量分解、模态频率排序，划分低频火电调节区间、中频蓄电池调节区间、高频飞轮调节区间； 3）构建分层协同控制逻辑，引入火电机组爬坡速率约束、储能充放电功率限值、SOC 上下限闭环反馈调节，形成多约束耦合的联合调频控制策略； 4）采用 PJM 市场全年 2 秒粒度实测调频信号开展长时序仿真，从指令跟踪精度、机组调节幅度、储能 SOC 波动、设备损耗四个维度量化分析控制策略性能。

1.3.2 核心创新点

1）基于全年真实电网调频实测数据完成策略验证，摒弃传统人工模拟调频信号，仿真工况贴合实际电网调频波动特征； 2）在 ICEEMDAN 功率分解基础上增加模态频率排序筛选环节，精准区分不同频率调节分量，匹配火电、蓄电池、飞轮各自响应特性； 3）构建多层级闭环约束控制架构，同步耦合机组爬坡速率、储能功率上限、SOC 边界反馈，实现分解算法与设备运行约束深度结合，避免储能越限、机组调节过载； 4）采用蓄电池与飞轮构成混合储能体系，高低频分量差异化分配，充分发挥飞轮瞬时响应、蓄电池持续功率支撑优势，大幅降低火电机组高频频繁调节压力。

2 火储联合调频系统结构与单元特性分析

2.1 火储联合调频系统整体架构

本文研究系统由电网调度调频指令输入端、协同控制中心、火电机组单元、蓄电池储能单元、飞轮储能单元四部分构成。电网下发整体调频功率指令至协同控制中心，控制中心通过改进 ICEEMDAN 算法对总指令进行频域分层，结合各设备实时运行约束，分别下发调节功率指令至火电机组、蓄电池、飞轮，三者协同出力平抑电网功率偏差；同时实时采集机组爬坡出力、储能充放电功率、储能 SOC 状态，反馈至控制中心形成闭环调节，修正下一时刻功率分配指令。

2.2 火电机组调频特性与约束

火电机组依靠锅炉、汽轮机完成有功调节，存在显著热惯性，适合承担变化平缓、持续时间较长的低频调频分量。机组核心运行约束为爬坡速率限制，单位时间内有功出力升降幅度存在固定上限，若直接分配高频快速波动指令，会造成汽轮机阀门频繁动作，加剧轴承、管道疲劳损耗，同时提升发电煤耗。在协同控制中，机组仅承接经分解后的低频平稳功率分量，当低频分量瞬时变化超出爬坡限值时，控制中心自动将超额波动量临时转移至混合储能承担。

2.3 蓄电池储能调频特性与约束

蓄电池能量密度高，可实现长时间持续充放电，适合承担中频中等波动调频分量，弥补火电机组响应速度不足，同时分担飞轮长时间调节短板。蓄电池运行存在多重约束：充放电最大功率限值、SOC 上下安全阈值，SOC 过高需限制充电功率，SOC 过低需限制放电功率，一旦接近边界，控制策略自动降低蓄电池调节出力，富余功率缺口由飞轮短时补偿或火电机组缓慢承接。

2.4 飞轮储能调频特性与约束

飞轮依靠机械动能实现功率快速吞吐，毫秒级响应速度，循环充放电无化学衰减，适配瞬时大幅波动的高频调频分量，可快速跟踪电网短时功率冲击。但飞轮储能容量极低，无法长时间持续出力，仅能承担短时高频波动；同时飞轮充放电功率存在额定上限，短时大功率调节达到限值后，超出部分由蓄电池承接。

3 基于改进 ICEEMDAN 的调频功率分层分配策略

3.1 ICEEMDAN 分解算法优化思路

传统 CEEMDAN 分解过程存在残余噪声干扰，分解后模态分量出现模态混叠现象，同一调频波动分量分散至多个模态，造成功率分配频繁切换，加剧储能功率震荡。本文参考现有文献改进 ICEEMDAN 框架，优化噪声叠加与模态均值求解流程，降低分解残留噪声，弱化模态混叠效应，实现调频总功率指令平稳拆分。

完整分解流程分为原始调频信号预处理、分层模态分解、残余分量提取三个阶段，分解完成后得到多阶本征模态分量与残余低频分量。各模态分量频率存在明显梯度差异，高频分量对应短时瞬时功率波动，低频残余分量对应长时间缓慢功率偏移。

3.2 模态频率排序与功率区间划分

完成 ICEEMDAN 分解后，对全部本征模态分量开展频率排序，按照波动快慢划分三类调节区间： 1）低频残余分量：波动周期长、变化平缓，分配至火电机组调节； 2）中频模态分量：波动幅度中等、持续时间适中，分配至蓄电池调节； 3）高频模态分量：瞬时剧烈波动、持续时间短，分配至飞轮储能调节。

通过频率排序筛选，实现不同调节分量与各调频单元固有响应特性精准匹配，从源头减少机组与储能设备不必要的大幅度、频繁调节。

3.3 多运行约束协同修正机制

仅依靠频域分解得到的原始功率指令未考虑设备物理边界，直接下发会出现机组爬坡超限、储能功率越限、SOC 越界等安全问题，因此在分解分层基础上增加闭环约束修正环节。 1）火电机组爬坡速率约束修正：实时计算机组当前出力升降速率，若分解低频指令变化量超出爬坡上限，超出部分转移至混合储能短时承担，待机组具备调节余量后逐步收回调节任务； 2）储能功率边界约束修正：实时监测蓄电池、飞轮实时充放电功率，一旦逼近额定功率上限，削减对应储能调节指令，差额由另一储能单元短时补偿； 3）储能 SOC 闭环反馈调节：设置蓄电池 SOC 安全上下阈值，当 SOC 接近上限时减小充电功率指令，接近下限时减小放电功率指令；飞轮无容量衰减顾虑，但剩余动能过低时限制放电出力，避免停机。

约束修正环节实时修正 ICEEMDAN 分解输出的原始功率指令，输出满足全部设备运行边界的最终协同调节指令，实现算法分解逻辑与设备物理约束有机结合。

4 基于 PJM 实测调频信号的仿真验证与结果分析

4.1 仿真数据与工况设置

本文采用美国 PJM 电力市场连续 365 天实测调频时序数据作为电网调频原始指令，数据时间粒度 2 秒，完整覆盖春夏秋冬四季负荷波动、新能源大发 / 小发、电网高峰 / 低谷、短时冲击扰动等全类型实际调频工况，相比人工构造阶梯、正弦调频信号，更能检验控制策略长期运行稳定性。

搭建火电 - 蓄电池 - 飞轮联合调频仿真模型，设置各单元额定调节容量、机组爬坡速率上下限、蓄电池与飞轮额定充放电功率、储能 SOC 安全运行区间，分别设置两组对比方案：方案 1 为传统 CEEMDAN 功率分配策略，无完整闭环约束调节；方案 2 为本文所提改进 ICEEMDAN 协同控制策略，含模态频率排序与多层级约束反馈。从指令跟踪误差、火电机组调节频次、储能 SOC 波动幅度、储能功率越限次数四个维度开展定量对比分析。

4.2 调频指令跟踪性能分析

长时序仿真结果显示，传统 CEEMDAN 方案受模态混叠影响，调频功率指令跟踪曲线存在持续震荡，瞬时跟踪偏差较大，尤其在电网短时大幅功率扰动时段偏差显著；本文改进 ICEEMDAN 策略分解后功率分量平滑度更高，叠加约束修正环节后，整体功率输出曲线与电网调频指令贴合度大幅提升，全年时序平均跟踪误差显著降低，面对瞬时冲击性调频信号仍可实现高精度快速跟踪，飞轮高频分量快速平抑瞬时波动，蓄电池与火电平稳承接中长期偏移，三者出力互补无明显滞后。

4.3 火电机组调节工况分析

传统方案未精准分层高低频分量，大量高频波动分量交由火电机组承担，机组出力频繁小幅升降，调节动作频次高，持续处于变负荷调节状态；本文策略将全部高频波动交由飞轮承担，机组仅处理平缓低频分量，出力曲线平滑，机组阀门、汽轮机调节动作次数大幅减少，有效缓解机组频繁调节带来的设备疲劳损耗，降低机组调频过程煤耗，提升火电参与调频的运行经济性。

4.4 混合储能运行状态分析

1）飞轮储能：仅承担高频瞬时波动，短时大功率吞吐能力充分利用，无长时间持续出力工况，始终运行在额定功率允许区间，不存在容量不足限制调节的问题； 2）蓄电池储能：承担中频平稳波动，SOC 全年波动区间控制在安全阈值内部，极少出现充放电功率越限情况，SOC 闭环反馈机制有效避免过充、过放，减缓蓄电池电化学衰减，延长储能使用寿命； 传统 CEEMDAN 方案模态混叠造成蓄电池频繁大功率反复充放电，SOC 频繁触碰安全边界，储能运行风险更高，损耗速度更快。

4.5 长周期运行稳定性分析

全年连续仿真工况下，本文协同控制策略未出现功率分配逻辑失效、储能出力持续越限、机组爬坡过载等异常工况，模态分解、频率筛选、约束反馈各环节配合稳定，面对持续多日平稳调频、单日多次短时冲击扰动等极端工况均可自适应调整功率分配比例，具备长期工程运行可靠性。

5 结论与展望

5.1 结论

针对火电机组单独调频响应慢、损耗大，单一储能调频存在性能短板的问题，本文以火电、蓄电池、飞轮混合储能联合调频系统为研究对象，复现并优化 ICEEMDAN 调频功率分解算法，增加模态频率排序环节，耦合机组爬坡速率、储能功率限值、SOC 闭环反馈多重约束，构建完整协同调频控制策略，并基于 PJM 市场全年 2 秒粒度实测调频信号完成全工况仿真验证，得到核心结论如下： 1）改进 ICEEMDAN 算法可有效缓解传统 CEEMDAN 模态混叠问题，通过模态频率排序实现调频指令高低中频精准分层，匹配火电、蓄电池、飞轮各自调频响应特性； 2）多层级约束闭环修正机制可规避机组爬坡过载、储能功率越限、蓄电池 SOC 越界等运行风险，保障调频系统安全稳定运行； 3）相较于传统分解分配方案，本文协同策略大幅提升电网调频指令跟踪精度，减少火电机组高频频繁调节次数，降低机组设备损耗与发电煤耗，同时平稳蓄电池充放电工况，延缓储能衰减； 4）依托全年真实电网调频实测数据验证，所提控制策略适配复杂多变的实际电网调频工况，长周期运行稳定性强，具备工程落地应用价值。

5.2 研究展望

本文当前研究仅聚焦调频功率分层协同控制，后续可从以下方向拓展完善： 1）引入调频市场收益模型，以综合经济最优为目标优化 ICEEMDAN 分层阈值，兼顾调频性能与项目投资运维收益； 2）考虑多台火电机组、多组混合储能集群并联场景，拓展多机组、多储能集群协同调频控制策略； 3）引入新能源场站出力波动作为前置扰动，研究新能源 - 火电 - 混合储能联合调频协同控制方案，适配高比例新能源电力系统调频需求； 4）优化储能容量配置与控制策略联动设计，基于所提功率分配算法反向推导最优蓄电池、飞轮额定容量配比，形成 “容量配置 - 协同控制” 一体化设计体系。

📚第二部分——运行结果

【火储联合调频】火电+混合储能联合调频控制策略

🎉第三部分——参考文献

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