電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的優(yōu)勢分析

楊水麗，李建林，李蓓，惠東

（中國電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所，北京 100192）

為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要將電網(wǎng)的頻率維持在50 Hz（60 Hz）左右，即需要實(shí)時(shí)保持發(fā)電與負(fù)荷需求之間的平衡。而電力的供應(yīng)很少等于負(fù)荷需求，因而需要不斷的對兩者進(jìn)行校正，以維持頻率的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的調(diào)頻方式，是通過增減電網(wǎng)的發(fā)電功率輸出來響應(yīng)頻率的變化，而隨著當(dāng)今世界科技的飛速進(jìn)步，電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大、負(fù)荷變化速率的提高、電力市場的深化以及新能源的大規(guī)模并網(wǎng)應(yīng)用等，都給電力系統(tǒng)的調(diào)頻帶來了新的要求與挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)中的頻率控制是通過輸出功率的快速增減來維持發(fā)電功率與負(fù)荷需求的平衡。而發(fā)電機(jī)的響應(yīng)慢、爬坡速率低而易導(dǎo)致：1）因爬坡慢而不能較快地實(shí)現(xiàn)調(diào)度目標(biāo)從而快速實(shí)現(xiàn)再調(diào)度，因而不能提供所有的區(qū)域控制誤差校正；2）因爬坡慢而無法快速改變方向，有時(shí)甚至?xí)峁┓聪蛘{(diào)節(jié)，因而發(fā)電機(jī)有時(shí)會增加區(qū)域控制誤差。

根據(jù)《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》，風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源在未來幾年將會繼續(xù)得到高速、大規(guī)模的發(fā)展與應(yīng)用。當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，風(fēng)電功率波動或風(fēng)電場因故整體退出運(yùn)行，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)有功出力與負(fù)荷之間的動態(tài)不平衡，造成系統(tǒng)頻率偏差，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率越限，進(jìn)而危及電網(wǎng)安全運(yùn)行。就如歐洲與北非國家的電網(wǎng)在接入風(fēng)電場后突顯的問題一樣[1]，因大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電而造成的頻率驟降已是近年來大范圍內(nèi)發(fā)生的事件。我國在甘肅酒泉與張家口相繼發(fā)生風(fēng)電場大規(guī)模脫網(wǎng)事故，造成了我國局部電網(wǎng)頻率的較大跌落。

因而，當(dāng)我們要求電網(wǎng)能提供更高品質(zhì)的電能質(zhì)量，電網(wǎng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定，且能并入更多的可再生能源以加大對清潔能源的利用時(shí)，傳統(tǒng)調(diào)頻設(shè)備顯然已不能完全滿足這些需求，現(xiàn)有調(diào)頻容量不足的問題突顯，亟需新的調(diào)頻手段的出現(xiàn)。

電池儲能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、精確跟蹤的特點(diǎn)，而使得其比傳統(tǒng)調(diào)頻手段高效。近年來，將大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)取代發(fā)電廠進(jìn)行調(diào)頻，已受到業(yè)界的關(guān)注。

電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的原理是當(dāng)發(fā)電大于用電時(shí)把電能儲存起來，防止系統(tǒng)頻率的上升；在發(fā)電小于用電時(shí)把儲存的電能釋放出來，防止系統(tǒng)頻率的進(jìn)一步下跌。電池儲能系統(tǒng)響應(yīng)速度快、短時(shí)功率吞吐能力強(qiáng)，有助于提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。尤其是當(dāng)電網(wǎng)薄弱時(shí)，有大量的風(fēng)電或其他可再生能源并入電網(wǎng)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用顯得非常有用。大容量電池儲能系統(tǒng)以其獨(dú)特的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和較高的環(huán)境效益，通過與自動發(fā)電控制系統(tǒng)的有效結(jié)合，成為維持系統(tǒng)頻率處于標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，減少旋轉(zhuǎn)備用容量需求的有效途徑。

美國、智利和巴西等國家均在大規(guī)模儲能系統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)頻方面開展了大量研究與應(yīng)用示范[2]，包括對儲能系統(tǒng)和傳統(tǒng)的燃汽輪機(jī)的調(diào)頻性能與效果進(jìn)行了比較，對加入儲能系統(tǒng)可減少因新能源大規(guī)模并網(wǎng)而急劇上升的調(diào)頻容量需求進(jìn)行了分析研究，對不同類型的儲能系統(tǒng)調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性與效果進(jìn)行了理論研究與仿真分析，以及對促進(jìn)儲能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻廣泛應(yīng)用的政策進(jìn)行了提議等。自2008年始，A123公司、Xtreme Power和Altairnano公司已投建多處示范項(xiàng)目，涉及鋰離子電池等多種儲能技術(shù)類型，系統(tǒng)容量從1.1 MW/0.5 MWh到20 MW/5 MWh級不等，并取得一定成果。

我國在大容量儲能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的理論分析與研究、示范測試方面均處于起步階段，投建的示范項(xiàng)目有張北風(fēng)光儲輸示范基地和南方電網(wǎng)深圳寶清10 MW儲能站等。

1 現(xiàn)有調(diào)頻技術(shù)面臨的問題

電力系統(tǒng)頻率是與廣大用戶的電力設(shè)備以及發(fā)供電設(shè)備本身的安全和效率具有密切關(guān)系的電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要控制參量。肩負(fù)維持此控制參量穩(wěn)定的傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組爬坡速度慢，不能精確出力是其固有的不足，而日益增加的可再生能源比例，是引發(fā)電網(wǎng)調(diào)頻困難的新因素。

1.1 傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組固有的問題

常用于調(diào)頻的水電與火電機(jī)組，各自具有一定的限制與不足[3]，影響電網(wǎng)頻率的安全與品質(zhì)，例如火電機(jī)組響應(yīng)時(shí)滯長，不適合參與更短周期的調(diào)頻，而水電機(jī)組的調(diào)頻容量易受地域與季節(jié)性的制約；一次調(diào)頻機(jī)組受蓄熱制約而存在調(diào)頻量明顯不足，甚至存在遠(yuǎn)未達(dá)到一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量理論值的問題[4]；參與二次調(diào)頻的機(jī)組爬坡速率慢，不能精確跟蹤調(diào)度AGC指令；一、二次調(diào)頻的協(xié)聯(lián)配合也尚需加強(qiáng)[5-6]。

若電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展不那么迅速，已有的傳統(tǒng)調(diào)頻能力也能比較好地滿足調(diào)頻需求，但隨著日益擴(kuò)大的間歇能源比例，已使得目前新能源集中接入量大的地區(qū)調(diào)頻問題突出，現(xiàn)有的調(diào)頻能力已不能很好地滿足調(diào)頻需求，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 大規(guī)模新能源接入引發(fā)的問題

風(fēng)電場頻繁的功率波動會引起電網(wǎng)的頻率偏差，風(fēng)電功率波動的大小對電網(wǎng)頻率偏差的影響程度也不一樣，假設(shè)風(fēng)電場輸出的功率波動為ΔPi，因此波動而引起的電網(wǎng)頻率變化如式（1）所示。

式中，ρ為電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)；Kg為發(fā)電機(jī)組頻率靜態(tài)特性系數(shù)；Kf為負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性系數(shù)；Pi為區(qū)域電網(wǎng)總有功負(fù)荷。

基于張北某風(fēng)電場2009年風(fēng)電功率數(shù)據(jù)分析風(fēng)電功率波動規(guī)律[7]，選取49.5 MW級風(fēng)電系統(tǒng)的EMS中12個(gè)月的功率數(shù)據(jù)，采集時(shí)間間隔為5 min，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出風(fēng)電功率波動變化率的分布概率。

通過算例分析接入變電站的風(fēng)電全切后對電網(wǎng)頻率的影響，電網(wǎng)數(shù)據(jù)選擇2009年遼寧冬季最大負(fù)荷運(yùn)行方式[8]，有功發(fā)電為1 171萬kW，負(fù)荷水平為1 556萬kW，接入某變電站的風(fēng)電裝機(jī)容量為397.8 MW。選取電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)ρ=1.05。發(fā)電機(jī)組頻率靜態(tài)特性系數(shù)為Kg=10.4，負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性系數(shù)為Kf=1.5。

假設(shè)接入某變電站的裝機(jī)容量為397.8 MW的風(fēng)電場的功率波動變化率的分布概率與張北某風(fēng)場的一致，則擁有張北某風(fēng)場功率波動規(guī)律的397.8 MW的風(fēng)電場對冬季最大負(fù)荷運(yùn)行方式下的遼寧電網(wǎng)頻率帶來的影響如表1所示，時(shí)間尺度為5 min。

表1 風(fēng)電波動對電網(wǎng)頻率的影響Tab.1 Impacts of wind power fluctuations on the grid frequency

由表1可知，在5分鐘的時(shí)間尺度下，風(fēng)電功率的波動引起電網(wǎng)頻率波動的范圍主要在0.045%fe以內(nèi)，在全年出現(xiàn)的概率為總統(tǒng)計(jì)時(shí)間的82.8%左右。電網(wǎng)的頻率死區(qū)是±0.066%fe，由表1可得出，大約有82.8%的情況下風(fēng)電功率波動沒有越過電網(wǎng)頻率死區(qū)，17.2%的情況下的風(fēng)電功率波動將與變動的負(fù)荷一起加劇電網(wǎng)頻率的變化，當(dāng)397.8 MW風(fēng)電場突然全切時(shí)，將會引起區(qū)域電網(wǎng)頻率越限。

2 電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的優(yōu)勢分析

電池儲能系統(tǒng)具有自動化程度高、增減負(fù)荷靈活、對負(fù)荷隨機(jī)和瞬間變化可做出快速反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，能保證電網(wǎng)周波穩(wěn)定，很好的起到調(diào)頻作用。其通過與常規(guī)調(diào)頻機(jī)組的調(diào)速器、現(xiàn)有自動發(fā)電控制系統(tǒng)有效結(jié)合，參與電網(wǎng)的一、二次調(diào)頻，維持系統(tǒng)頻率于標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，可成為提高電力系統(tǒng)對可再生能源的接納能力、并減少旋轉(zhuǎn)備用容量需求的有效途徑。

2.1 電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的原理

電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行頻率的一、二次調(diào)節(jié)，是利用電池能量的雙向流動性，來阻止系統(tǒng)頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)范圍的調(diào)節(jié)方式，圖1為電池儲能系統(tǒng)的功率-頻率靜態(tài)特性[9]。當(dāng)電力系統(tǒng)中原動機(jī)功率或負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，必然引起電力系統(tǒng)頻率的變化，此時(shí)，儲能系統(tǒng)進(jìn)行判斷，電網(wǎng)供電大于負(fù)荷需求，系統(tǒng)頻率上升時(shí)，電池儲能系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收電能；電網(wǎng)供電小于負(fù)荷需求，系統(tǒng)頻率下降時(shí)，電池儲能系統(tǒng)則釋放電能于電網(wǎng)。

圖1 儲能系統(tǒng)功率-頻率特性圖Fig.1 The power-frequency characteristics of BESS

2.2 電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的優(yōu)勢

頻率控制通過輸出功率的快速增減，來校正電網(wǎng)的供需平衡。電池儲能系統(tǒng)有極快的響應(yīng)速度，尤其適合于調(diào)頻。更快的響應(yīng)自然會使得頻率控制更精確和高效。國外的大量研究表明，儲能系統(tǒng)幾乎能夠即時(shí)跟蹤區(qū)域控制誤差，而發(fā)電機(jī)的響應(yīng)則很慢，有時(shí)會違背區(qū)域控制誤差。

電池儲能系統(tǒng)響應(yīng)快速而使得頻率控制更精確，最終需要更少的調(diào)控容量[2]。因?yàn)椋?）靈活且爬坡快的設(shè)備能夠更快地實(shí)現(xiàn)調(diào)度目標(biāo)從而快速實(shí)現(xiàn)再調(diào)度。因此，相對而言快速調(diào)頻設(shè)備能夠提供更多的區(qū)域控制誤差校正。2）爬坡慢的設(shè)備無法快速改變方向，所以它們有時(shí)會提供反向調(diào)節(jié)而增加區(qū)域控制誤差。靈活且爬坡快的設(shè)備則能避免因增加區(qū)域控制誤差而需要的額外調(diào)頻容量。

電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果究竟比傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組高效多少倍[2]？將依據(jù)具體實(shí)例來進(jìn)行分析。在我國的能源結(jié)構(gòu)中，火力發(fā)電機(jī)組所占比重最大，占83.16%；其次是水電機(jī)組，占12.37%；核電、風(fēng)電及其他新能源的比重也日漸提高，能源結(jié)構(gòu)比例如圖2所示?；谌济簷C(jī)組在我國的能源結(jié)構(gòu)中所占的份額大，因而在電力調(diào)頻中起主要作用的是燃煤機(jī)組。故，將對燃煤機(jī)組與電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果進(jìn)行定量的比較。

假定燃煤機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻時(shí)的爬坡速率為3%額定功率/min，因此大約需要30多分鐘才能夠使燃煤機(jī)組從零功率輸出到滿發(fā)功率。設(shè)電網(wǎng)功率突然下降，在接下來的10 min需要并入電網(wǎng)25 MW的功率。也就是說，在接下來的10 min，需要從所有調(diào)頻機(jī)組那里獲得每分鐘2.5 MW的功率增長速率。如果只有燃煤機(jī)組以3%額定功率/min的爬坡速率進(jìn)行調(diào)頻，則需要83.3 MW的燃煤機(jī)組才能滿足調(diào)頻需要。相反，25 MW的電池儲能能夠在20 ms內(nèi)提供25 MW的功率。

圖2 我國能源結(jié)構(gòu)比例圖Fig.2 Theproportion diagram of China’senergy structure

因而，25 MW的電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果相當(dāng)于83.3 MW的燃煤機(jī)組所具有的。這個(gè)倍數(shù)可以更大（如果系統(tǒng)操作員直到幾分鐘以后才發(fā)現(xiàn)問題）或更?。ㄈ绻懈斓陌l(fā)電機(jī)并網(wǎng)）。

由此可知，電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效率是燃煤機(jī)組的3.3倍左右。

電池儲能系統(tǒng)在參與電力調(diào)頻的應(yīng)用中，不僅具有節(jié)省電力系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用，降低單位煤耗，達(dá)到節(jié)約燃料消耗等靜態(tài)效益；而且由于響應(yīng)快速、運(yùn)行靈活可使其具有減少調(diào)頻旋轉(zhuǎn)備用容量，減少區(qū)域控制誤差校正所需的調(diào)控容量，減少因所需調(diào)頻容量減少而使額外間接成本（維修、壽命）降低等動態(tài)效益。另外，電池儲能系統(tǒng)減少了電網(wǎng)燃料消耗，也就相應(yīng)減少了污染物排放及其治理費(fèi)用，不僅自身清潔生產(chǎn)，而且具有一定的環(huán)境效益。

2.3 國內(nèi)外政策

中國目前尚未有專門的政策機(jī)制支持儲能進(jìn)入電力調(diào)頻市場，但在國家發(fā)展改革委關(guān)于印發(fā)《電力需求側(cè)管理城市綜合試點(diǎn)工作中央財(cái)政獎勵(lì)資金管理暫行辦法》中提到“對通過需求響應(yīng)臨時(shí)性減少的高峰電力負(fù)荷，每千瓦獎勵(lì)100元。”，這將降低用于調(diào)頻類輔助服務(wù)的電池儲能系統(tǒng)的投資成本，對電池儲能系統(tǒng)在電力調(diào)頻中的應(yīng)用可起到積極的促進(jìn)作用。

英格蘭地區(qū)把調(diào)頻性能指標(biāo)納入調(diào)頻裝置成本中，實(shí)施“按效果付費(fèi)”[2]。美國電力市場也建議出臺按效果付費(fèi)的方法及相關(guān)的政策，以完善儲能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻的價(jià)格機(jī)制，推動其在電網(wǎng)調(diào)頻中的廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組響應(yīng)慢、爬坡速率低，故不能完全迎合因電力系統(tǒng)快速發(fā)展及并入新能源等而引發(fā)的新的頻率穩(wěn)定問題的需要。通過對電池儲能系統(tǒng)的功率-頻率特性、特點(diǎn)及優(yōu)勢的分析，得出電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果是燃煤機(jī)組的3.3倍左右，同時(shí)也具有一定的靜態(tài)、動態(tài)及環(huán)境效益。國內(nèi)外均出臺了促進(jìn)儲能系統(tǒng)在電力調(diào)頻中應(yīng)用的相關(guān)政策，以推動電池儲能系統(tǒng)在調(diào)頻領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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