Page 85 - 2025年第56卷第10期

荷电状态监控系统通过监测飞轮储能实时输出功率，判断当前荷电状态，同时将其传递给出力控
制系统，以便出力控制系统进行跟随调整。SOC 计算公式为：
t
∫ P F dt
SOC = SOC 0 - 0 （23）
E
式中：SOC 0 为储能系统初始荷电状态，本文取 0.5；E 为储能总储电量，MW·h。
针对频率波动和飞轮 SOC 情况，飞轮通过充放电参与电网频率调节，提出 Logistic 函数下的飞轮
储能输出功率。为防止由于电网频率的微小变化引起飞轮储能进行频繁充放电，设置飞轮储能死区为
±0.05 Hz。飞轮储能参与一次调频主要分在储能死区内的不工作和超出死区后飞轮通过充放电参与电
网频率调节。
（1） | Δf | ≤ 0.05 Hz，由于此时系统频率偏差信号处于储能死区设定的范围内，飞轮储能不动作，
不参与一次调频。
（2） Δf < -0.05 Hz，此时水轮机主动力矩小于发电机阻力矩且超出设置的死区值，飞轮储能应放电
以补充机组缺额的功率。
当 SOC ≥ 0.4 时，飞轮 SOC 充足，此时飞轮储能的输出功率值为
P F = min( P′ F ，P m) （24）

当 SOC < 0.4 时，飞轮 SOC 不足，不适合按照额定功率进行放电，需采用 Logistic 方程下的出力，
( r × SOC )
故此时飞轮储能的荷电功率值为

b
KP m P × e
P F = min (P′ F ，P d ) = min P′ F ， K + P 0 × e r × SOC （25）

b
（3） Δf > 0.05 Hz，此时水轮机主动力矩大于发电机阻力矩且超出设置的死区值，飞轮储能应充电
以吸收机组多余的功率。
当 SOC ≤ 0.6 时，飞轮剩余 SOC 充足，此时飞轮储能的输出功率值为
(
P F = -min | P′ F |， | P m | ) （26）

当 SOC > 0.6 时，飞轮 SOC 已接近最大值，不适合按照额定功率进行充电，需采用 Logistic 方程下
( | | | | r × (1 - SOC ) | | | | |
的出力，故此时飞轮储能的荷电功率值为

b
|

| |
P F = -min (| P′ F |， | P c | ) = -min | P′ F |， | | KP m P × e r × (1 - SOC ) | | | | ) | （27）
b
| K + P 0 × e
通过引入飞轮储能辅助水电机组进行一次调频，功率扰动信号在转换成频率偏差信号后，同时输
送给水轮机调节系统与飞轮储能系统。为有效发挥飞轮“功率型”储能的优势，设计可变滤波时间常
数一次调频指令分解方法，以一次调频指令的低频成分作为水电机组的频率控制指令，而高频成分作
为飞轮储能系统的频率控制指令，以使飞轮储能积极响应频率波动，降低水电机组调频压力，同时针
对飞轮储能出力进行控制，避免储能过充过放。

4 仿真分析

在 MATLAB/Simulink 中 构 建 飞 轮 储 能 辅 助 水 电 机 组 一 次 调 频 仿 真 模 型 ， 具 体 参 数 见 表 1 和 表
［23，27］ 3
2 。水电机组采用单机单管系统，额定水头 H r = 312 m，额定流量 Q r = 53.5 m /s，额定出力 N r =
［28］
150 MW，额定转速 n r = 333.3 r/min，人工频率死区设置为 ±0.05 Hz 。飞轮储能的容量按照水电额定
出 力 的 10% 来 选 取 ， 即 15 MW， 本 文 采 用 额 定 功 率 200 kW， 储 能 量 5 kW·h 的 商 用 单 体 飞 轮 组 成
15 MW 的飞轮阵列，存储电量为 0.375 MW·h。针对两种典型工作状态（阶跃扰动、连续扰动），分别

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