大容量電力儲能調(diào)峰調(diào)頻性能綜述

文賢馗，張世海，鄧彤天，李盼，陳雯

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州省 貴陽市 550002；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，貴州省 貴陽市 550002；3.重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，重慶市 沙坪壩區(qū) 400044）

0 引言

頻率是衡量電網(wǎng)電能質(zhì)量的指標之一，必須通過各種手段調(diào)整電網(wǎng)頻率保持在合格范圍內(nèi)，維持電力系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行[1-2]。

隨著新能源發(fā)電規(guī)模越來越大，其發(fā)電間歇性和波動性甚至反調(diào)節(jié)性問題越來越突出，迫切需要行之有效的技術(shù)方案來解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)后帶來的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻問題[3-5]。傳統(tǒng)電網(wǎng)中水力發(fā)電和火力發(fā)電機組作為主要的調(diào)峰調(diào)頻電源，通過一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等方法，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化不斷改變機組出力。但是，受自身發(fā)電特性限制，它們各自存在一定的局限性，影響電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)品質(zhì)甚至安全穩(wěn)定運行。比如火電機組鍋爐燃燒過程響應(yīng)時滯長，而水電機組受枯汛期季節(jié)和水庫水頭影響較大；火電機組一次調(diào)頻性能受鍋爐蓄熱等問題限制，甚至存在未達到一次調(diào)頻理論調(diào)節(jié)量問題[6]；二次調(diào)頻量受火電機組爬坡帶負荷速率和各類調(diào)節(jié)延時的影響[7-8]。

大容量電力儲能技術(shù)具有調(diào)節(jié)范圍大、快速響應(yīng)、精確跟蹤、可雙向調(diào)節(jié)的特點[9-10]，美國西北太平洋國家實驗室的研究報告指出[11]：具有快速調(diào)節(jié)能力的儲能技術(shù)能夠更有效地提供調(diào)頻服務(wù)；根據(jù)California電力市場的電源特點，平均來看，電化學(xué)儲能調(diào)頻效果是水電機組的1.7倍，是燃氣機組的2.5倍，是燃煤機組的20倍以上。因此大容量電力儲能比傳統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻手段高效，是解決該問題的有效途徑[12]。

1 大容量電力儲能類型及電網(wǎng)調(diào)峰與調(diào)頻

1.1 大容量電力儲能類型

電力儲能按照轉(zhuǎn)化存儲具體方式可分為電化學(xué)、機械、電磁三大類型。其中電化學(xué)儲能主要指各類蓄電池；機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；電磁儲能包括超導(dǎo)磁儲能、超級電容器儲能[13-17]，主要技術(shù)指標具體見表1[18-19]。

從表 1應(yīng)用場景可以得知，容量能夠達到5 MW 以上，能夠在電網(wǎng)中起到削峰填谷、系統(tǒng)調(diào)頻作用的有電化學(xué)(蓄電池)儲能、抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能。

1.2 電網(wǎng)調(diào)峰與調(diào)頻

電力系統(tǒng)的頻率反映了發(fā)電有功功率和負荷之間的平衡關(guān)系，是電力系統(tǒng)運行的重要控制參數(shù)，偏離電網(wǎng)正常運行頻率，將影響電力設(shè)備本身的效率，偏離較多時甚至威脅設(shè)備安全運行。

表1 典型儲能方式的主要技術(shù)指標Tab. 1 Main technical parameters of typical energy storage

電力負荷在一天內(nèi)是不均勻的，中午和晚上出現(xiàn)2次尖峰負荷，深夜則為用電最少的低谷負荷，如圖1所示。由于電能不能儲存，每當(dāng)用電高峰時，總是用增加發(fā)電機組出力或限制負荷的辦法來滿足需要。而在每天后夜用電很少的時候，又總是減少發(fā)電機組的出力，保持發(fā)電、輸電和用電之間每時每刻的平衡，使供電的頻率質(zhì)量在合格范圍內(nèi)。這種隨時調(diào)節(jié)發(fā)電出力以適應(yīng)用電負荷每天周期性變化的行為，稱為調(diào)峰[20]。

圖1 典型日內(nèi)小時負荷特性圖Fig. 1 Typical grid load in 24 hours a day

調(diào)頻主要有一次調(diào)頻和二次調(diào)頻2種方式：一次調(diào)頻是系統(tǒng)頻率偏離標準值時，利用發(fā)電機組調(diào)速器作用，按照系統(tǒng)固有的負荷頻率特性，調(diào)節(jié)發(fā)電機組出力的方式。二次調(diào)頻是指移動發(fā)電機組的頻率特性曲線，即改變發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的運行點，增加或減少機組有功功率，從而調(diào)整系統(tǒng)的頻率[21]。

因此，參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻主要指標是儲能的功率調(diào)節(jié)范圍和響應(yīng)速度(響應(yīng)時滯、響應(yīng)時間和爬坡速率)。

2 大容量電力儲能參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻特性

2.1 電化學(xué)儲能

在電網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的電化學(xué)儲能主要包括鉛酸、鋰離子、鈉硫和全帆液流等電池儲能，種類眾多，各具優(yōu)點，技術(shù)特性指標見表2[22-23]。

以上電化學(xué)儲能雖在運行機理和技術(shù)成熟度都存在差異，都屬于化學(xué)能與電能的可逆轉(zhuǎn)換，較易實現(xiàn)大容量儲能，在電網(wǎng)中的調(diào)峰調(diào)頻作用相似，因此統(tǒng)一進行綜述。

表2 大規(guī)模電化學(xué)儲能主要技術(shù)指標Tab. 2 Main technical parameters of large-scale electrochemical energy storage

利用大容量電化學(xué)儲能改善電網(wǎng)一次調(diào)頻性能方面，文獻[24]提出了基于固定斜率、考慮一定一次頻率控制死區(qū)的下垂控制策略，文獻[25]提出了融合考慮電網(wǎng)頻率變化速率、頻率偏差的控制策略，均取得良好效果。

二次調(diào)頻方面，2011年國家風(fēng)光儲輸示范工程(一期)分別進行了儲能電站跟蹤智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)和華北網(wǎng)調(diào)下發(fā)的調(diào)頻功率測試，電池儲能電源能快速精確地跟蹤指令[26]。儲能系統(tǒng)裝設(shè)在發(fā)電廠以輔助單臺或多臺火電機組參與自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)調(diào)頻，在調(diào)節(jié)延時、超調(diào)、反調(diào)等情況下執(zhí)行不同充放策略[27]。文獻[28]提出使用ACE信號的儲能電源控制方式。電化學(xué)儲能還能以電動汽車-電網(wǎng)互動(vehicle to grid，V2G)參與電網(wǎng)二次調(diào)頻，文獻[29]提出了一根據(jù)車輛的可用容量按比例分攤總的響應(yīng)功率的控制策略。

電化學(xué)儲能國內(nèi)以以下5處大容量儲能電池的示范工程為代表，并各具特色。南方電網(wǎng)深圳寶清儲能電站[30]是國內(nèi)首座MW級儲能電站；中國電科院張北風(fēng)光儲基地[31]除了建設(shè)磷酸鐵鋰、全釩液流、鈉流電池等多種電化學(xué)儲能，還建設(shè)超級電容器，并規(guī)劃建設(shè)壓縮空氣儲能，是目前國內(nèi)儲能類型最齊全的示范基地；上海漕溪能源轉(zhuǎn)換綜合展示基地[32]是在市中心繁華地段建設(shè)的大容量多類型儲能電站；北京石景山熱電廠鋰離子儲能電池電網(wǎng)調(diào)頻系統(tǒng)[33]依靠儲能系統(tǒng)提升傳統(tǒng)熱電機組的調(diào)頻能力；江蘇鎮(zhèn)江電網(wǎng)側(cè)儲能電站包括8個儲能站，總?cè)萘窟_20.2萬kW?h，是目前國內(nèi)最大的電網(wǎng)側(cè)儲能電站。

綜上，電化學(xué)儲能在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻中的應(yīng)用最為廣泛，覆蓋了電廠側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，有著運行控制簡單、可以實現(xiàn)無人操作、系統(tǒng)充放電響應(yīng)快速、充放電調(diào)節(jié)范圍可以達到全容量內(nèi)而沒有限制等特點，近年得到了大規(guī)模推廣應(yīng)用，在一二次調(diào)頻和系統(tǒng)調(diào)峰各方面都有較多研究和應(yīng)用。電化學(xué)儲能通過電力電子裝置接入電網(wǎng)系統(tǒng)，存在沒有轉(zhuǎn)動慣量的缺點，需要輔助虛擬同步機等技術(shù)提高系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻的穩(wěn)定性。

2.2 抽水蓄能

抽水蓄能機組最初是為了和核電配套運行，起到電網(wǎng)消峰填谷的作用[34]，系統(tǒng)配備上、下游2個水庫。在負荷低谷時段，抽水儲能設(shè)備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。在負荷高峰時，抽水儲能設(shè)備工作于發(fā)電機的狀態(tài)，將儲存在上游水庫中的水放至下游水庫發(fā)電[35-36]。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，抽水蓄能電站的啟動運行方式也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l調(diào)速啟動。這使得抽水蓄能機組的啟動速度進一步提升，運行工況的變化更加靈活[37]。

但抽水蓄能機組參與調(diào)峰調(diào)頻的負荷受到蓄能機組運行狀態(tài)限制，不能在額定輸出功率范圍內(nèi)雙向隨意調(diào)整。這是由于水電機組偏離設(shè)計工況、在某些運行區(qū)間會引發(fā)機組振動變大，稱為水電機組“振動區(qū)”。不但會加大水輪機葉片損耗，振動過大甚至?xí)斐蓹C組機械部分和廠房基礎(chǔ)設(shè)施損壞，要避免機組在振動區(qū)運行，需對輸出功率進行限制，不能全過程調(diào)節(jié)[38-39]。由于抽水蓄能機組出力調(diào)節(jié)過程中導(dǎo)葉開度的變化，其水力系統(tǒng)中產(chǎn)生水壓變化，出現(xiàn)水錘[40]。水錘現(xiàn)象加劇了抽水蓄能機組出力調(diào)節(jié)的復(fù)雜性。

抽水蓄能機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，文獻[41]采用魯棒控制方法，基于系統(tǒng)整體狀態(tài)方程，并以輸入信號權(quán)重的形式考慮風(fēng)電出力波動特性，有針對性地對風(fēng)電出力波動進行調(diào)節(jié)抑制。

參與電網(wǎng)二次調(diào)頻運行，文獻[42]采用由快速階躍調(diào)整與慢速連續(xù)調(diào)整2種類型的調(diào)控手段組成的新型頻率控制系統(tǒng)，于廣東電網(wǎng)進行了現(xiàn)場實驗。在 2臺抽水蓄能機組的參與下，廣東電網(wǎng)頻率在 3個負荷急升急降段內(nèi)能夠被控制在±0.03 Hz之內(nèi)。在區(qū)域負荷頻率控制方面，文獻[43]通過模糊邏輯控制器可以改善二次調(diào)頻的動態(tài)響應(yīng)。

抽水蓄能電站在發(fā)電釋能階段就是一臺水力發(fā)電機組，技術(shù)最為成熟，機組容量在各種電力儲能類型中為最大，調(diào)整負荷速度較快，需考慮“振動區(qū)”限制不能實現(xiàn)全容量范圍調(diào)節(jié)，提供轉(zhuǎn)動慣量，是電網(wǎng)重要的調(diào)峰調(diào)頻手段。

2.3 飛輪儲能

飛輪儲能系統(tǒng)主要由高速飛輪、電機、電力電子設(shè)備、軸承系統(tǒng)等組成[44]，在電網(wǎng)負荷處于低谷時，系統(tǒng)作為電動機拖動飛輪， 將電能轉(zhuǎn)換為動能；在用電高峰時，飛輪拖動機組作為發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)化為電能[45]。飛輪儲能除了能夠單臺應(yīng)用，還可將多臺飛輪并聯(lián)運行，以獲得更大的存儲容量[46]。飛輪儲存參與調(diào)峰調(diào)頻的功率等于系統(tǒng)有效能量，可用下式[47]來表示：

文獻[48]試驗研究表明，相同裝機容量下，使用飛輪儲能技術(shù)的電網(wǎng)調(diào)頻與傳統(tǒng)的火電、水電相比，能夠獲得2倍的效益，即1 MW的飛輪調(diào)頻性能可以取代2 MW的傳統(tǒng)火電(水電)調(diào)頻。此外還有儲能密度高，瞬時功率大，轉(zhuǎn)化效率高[49]等特點。

美國的Vista Tech Engineer公司將飛輪引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)電機組的輸出特性得到了較大改善，經(jīng)濟性能良好[50-51]。文獻[52]利用飛輪儲能輔助風(fēng)電場參與電網(wǎng)的一次頻率控制，得到了較好的效果。

飛輪儲能的特點是瞬時功率大，但是由于要維持旋轉(zhuǎn)，自放電率高，需要在具備頻繁在儲能/釋能工作狀態(tài)中切換才能維持較高的轉(zhuǎn)化效率，這在電網(wǎng)一次調(diào)頻中有較多的應(yīng)用場景。

2.4 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能種類很多，我國主要開展非補燃式壓縮空氣儲能[53-54]，目前建設(shè)的示范工程有安徽蕪湖500 kW機組、河北廊坊1.5 MW機組、貴州畢節(jié)10 MW機組，均采用多級壓縮放熱和多級膨脹吸熱[55]。在電網(wǎng)電量過剩時，啟動壓縮空氣儲能過程，消耗電能驅(qū)動壓縮機運行，空氣經(jīng)多級壓縮后進入壓縮空氣儲氣罐；電網(wǎng)電量緊缺時，啟動膨脹機發(fā)電過程：儲氣罐內(nèi)的高壓空氣進入膨脹機進行多級膨脹，驅(qū)動膨脹機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速后驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電[56]。國外投產(chǎn)的2座壓縮空氣儲能電站都采用了補燃式，空氣壓縮過程相同，只是在發(fā)電釋能的階段加入了燃氣燃燒過程。

壓縮空氣蓄能機組啟動快，對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻響應(yīng)較為迅速，美國Alabama州McIntosh壓縮空氣儲能電站1991年投入商業(yè)運行，屬于補燃型壓縮空氣儲能，機組從啟動到滿負荷為 9 min[57]。日本于 2001年投入運行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項目，啟動到滿負荷時間為 210 s[58]。SustainX公司的1.5 MW商業(yè)原型機儲能響應(yīng)時間小于13 s。

補燃型壓縮空氣儲能因為要補充燃氣進行燃燒，在調(diào)峰調(diào)頻性能上接近于燃氣輪機。我國的非補燃式機組還沒有真正意義上的接入電網(wǎng)參與調(diào)峰調(diào)頻運行，也未見相關(guān)研究文獻。但其調(diào)節(jié)容量可以做到較大(目前已在開展 100 MW 前期工作)，調(diào)節(jié)速度較快，可以做到全容量范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，提供轉(zhuǎn)動慣量等優(yōu)點，在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻中有很好的應(yīng)用前景。

2.5 大容量電力儲能調(diào)峰調(diào)頻特性比較

以上各種大容量電力儲能均具有功率調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)速度快、具備雙向調(diào)節(jié)等特點，但也各有特色，具體特性比較見表3。

表3 大容量電力儲能調(diào)峰調(diào)頻特性比較Tab. 3 Performance of peak regulation and frequency adjustment

3 研究發(fā)展趨勢

通過以上分析可知，各種大容量電力儲能的調(diào)峰調(diào)頻性能研究程度不盡相同，隨著新能源的接入越來越多，大容量電力儲能的應(yīng)用需求也越來越多，其參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻技術(shù)還有很大的研究前景和發(fā)展空間。

1）加快對壓縮空氣儲能技術(shù)和飛輪儲能的研究。目前對抽水蓄能和電化學(xué)儲能參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的研究較多，已有不少的工程應(yīng)用，而對于壓縮空氣儲能和飛輪儲能目前研究還多在本體系統(tǒng)的熱力性能、轉(zhuǎn)化效率方面。

2）加強儲能階段調(diào)峰調(diào)頻特性的研究。目前研究主要在發(fā)電釋能階段如何參與電網(wǎng)一二次調(diào)頻和調(diào)峰運行，而對于儲能耗電階段的研究較少，特別是隨著變頻技術(shù)在水泵抽水蓄能、壓縮機壓縮空氣階段的應(yīng)用，其參與電網(wǎng)的用能負荷可以進行調(diào)節(jié)，進而提高電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力。

3）開展對多種儲能技術(shù)聯(lián)合互補運行的研究。各種大容量電力儲能技術(shù)各有特點，而電網(wǎng)也有不同的應(yīng)用場景，因此開展多種技術(shù)聯(lián)合互補運行則可以揚長避短，充分發(fā)揮各種儲能技術(shù)的優(yōu)點，滿足電網(wǎng)調(diào)頻功率調(diào)節(jié)范圍和響應(yīng)速度的綜合要求。

4）加快降低儲能成本和補償機制研究：目前各種大容量電力儲能成本較高，已成為在電網(wǎng)大規(guī)模推廣運用的最大瓶頸，補償機制不完善也限制了發(fā)展，應(yīng)開展相關(guān)研究實施，通過經(jīng)濟杠桿可以推動大容量電力儲能在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻中發(fā)揮更大的作用。

4 結(jié)論

能夠在電網(wǎng)起到削峰填谷、系統(tǒng)調(diào)頻作用的大容量電力儲能有電化學(xué)(蓄電池)儲能、抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能4種類型，具有功率調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)速度快、具備雙向調(diào)節(jié)等共同特點，也各有特色。下一步應(yīng)加強對壓縮空氣儲能和飛輪儲能調(diào)峰調(diào)頻特性、儲能階段調(diào)峰調(diào)頻特性、各種儲能技術(shù)聯(lián)合互補運行、降低儲能成本和補償機制研究，推動大容量電力儲能在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻中發(fā)揮更大的作用。