儲能調頻系統(tǒng)并網測試研究與分析

李佳曼，萬文軍，蘇 偉，羅 嘉

（廣東電科院能源技術有限責任公司，廣東 廣州 510080）

隨著新能源的大量并網，風電及光伏發(fā)電的波動性和不確定性使得電網短時間內的能量不平衡加劇[1-2]。傳統(tǒng)能源（特別是火電）在響應調頻指令時具有滯后性，調頻速度慢，無法滿足新增的調頻需求。而儲能系統(tǒng)，特別是電化學儲能系統(tǒng)，具有功率吞吐實時響應能力強、控制精準等特點[3-4]，成為新的高效調頻手段。這大大促進儲能技術在電力系統(tǒng)電廠側的應用及發(fā)展[5]。隨著國內電力輔助調頻市場的推進，巨大的調頻市場進一步加速了儲能行業(yè)在電廠側的發(fā)展[6-10]。大量發(fā)電廠將加裝電化學儲能調頻系統(tǒng)，以更快速響應電網調頻指令，獲得更多調頻收益[11-12]。國內已投運的主要儲能調頻項目見表1。

電廠側儲能調頻系統(tǒng)一般在發(fā)電廠高壓廠用電母線上接入[13-14]。其能否安全接入電網，不僅關系到儲能系統(tǒng)本身的安全，而且會影響到高壓廠用電母線上負荷的正常運行，甚至會引發(fā)發(fā)電機組的安全運行問題，電廠側儲能調頻系統(tǒng)的并網性能應得到高度重視與關注。

表1 國內主要儲能調頻項目Tab.1 Main energy storage and frequency modulation projects in China

我國儲能產業(yè)近幾年才高速發(fā)展起來，絕大部分儲能系統(tǒng)的并網性能沒有經過規(guī)范全面的現場檢測，為電網的安全穩(wěn)定運行埋下隱患。在針對儲能系統(tǒng)并網測試的國家標準發(fā)布之前，國內的儲能系統(tǒng)并網測試主要依據國家電網的企業(yè)標準《儲能系統(tǒng)接入配電網測試規(guī)范》開展。該標準主要適用于接入配電網的儲能系統(tǒng)，檢測內容包括儲能系統(tǒng)容量、充放電時間、充放電響應時間及轉換時間、能效特性、自放電率、動態(tài)響應及電能質量檢測，并未涵蓋儲能系統(tǒng)的功率控制能力測試、電網適應能力以及故障穿越能力測試等項目。對于電廠側的儲能調頻系統(tǒng)，該標準的測試內容不夠全面，已不適用。

針對電廠側的儲能調頻系統(tǒng)，國內此前尚未開展過并網測試。本文依據2019 年2 月1 日開始實施的最新國家標準《電化學儲能系統(tǒng)接入電網技術規(guī)定》及《電化學儲能系統(tǒng)接入電網測試規(guī)范》，編制了儲能系統(tǒng)并網測試方案，并對電廠側的儲能調頻系統(tǒng)開展了現場測試。試驗過程與結果對其他儲能工程有指導與參考意義。

1 儲能調頻系統(tǒng)

廣東省某電廠5、6 號機組為2×300 MW 循環(huán)流化床機組。為提高機組的調頻性能，加裝了電池儲能調頻系統(tǒng)。該儲能調頻系統(tǒng)配備了9 MW/4.478 MW·h磷酸鐵鋰電池。共有5 個電池集裝箱，其中1—4 號電池集裝箱額定容量為2 MW/995.328 kW·h，5 號電池集裝箱額定容量為1 MW/497.664 kW·h。每個電池箱配有相應的中壓箱安置儲能變流器。每臺儲能變流器容量為500 kW，對應3 簇電池。每簇電池由9 個電池模組串聯(lián)而成。電池模組的組成方式為2P24S。電池單體容量為60 A·h。儲能系統(tǒng)通過斷路器與6 kV 廠用電A、B 段相連，實現電力的充放與系統(tǒng)保護。實際運行中，機組和儲能系統(tǒng)依據調度實際負荷指令變化情況與電池實時狀態(tài)，共同響應調度有功指令變化，以適應電網的調頻要求。儲能調頻系統(tǒng)的主接線如圖1 所示。

2 并網性能測試方案

本測試方案參照2 項最新國家標準制定，并根據現場情況作了適當調整，涵蓋了電網適應性測試（包含頻率適應性測試、電壓適應性測試）、功率控制測試、過載能力測試、電能質量測試、保護功能測試、充放電響應時間測試、充放電調節(jié)時間測試、充放電轉換時間測試、額定能量測試、能量轉換效率測試等十余項。具體項目、測試內容及測試工具見表2。表2 所列的測試內容均在現場開展。由于測試項目繁多，本文僅選取較具代表性的試驗項目進行分析。測試前應檢查儲能系統(tǒng)主要設備都能正常工作，進行過額定功率的充放電。除額定能量測試及轉換效率測試外，其他測試前儲能系統(tǒng)應將荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）調節(jié)至50%左右，并按照測試項目要求工作在輕載或額定功率下的充電或放電狀態(tài)。

表2 儲能調頻系統(tǒng)并網測試項目Tab.2 Interconnection test items of the energy storage frequency modulation system

3 并網測試與性能分析

3.1 充放電響應性能測試與分析

輔助調頻系統(tǒng)是通過接收調度機構下發(fā)的AGC 指令，與機組一起響應AGC 指令來完成輔助調頻功能。對AGC 指令的響應性能直接影響其輔助調頻作用。儲能輔助調頻系統(tǒng)參與調頻的控制示意如圖2 所示。

對儲能系統(tǒng)進行充放電響應性能測試，一方面可檢驗儲能系統(tǒng)能否正確響應AGC 指令，是否存在不響應、過載響應或響應功率不正確的情況；另一方面可測出儲能系統(tǒng)對于AGC 指令的響應時間，以評估儲能系統(tǒng)對機組調頻響應時間指標及調節(jié)速率指標的提升情況。

測試時，從機組分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）置數模擬AGC 指令發(fā)送給儲能系統(tǒng)，記錄儲能系統(tǒng)對于指令的響應過程。儲能系統(tǒng)的響應時間是指儲能系統(tǒng)收到控制信號的時刻到儲能系統(tǒng)首次達到控制指令的90%功率值所用時間[15]。

儲能系統(tǒng)的響應時間包含了儲能系統(tǒng)從接收到AGC 指令到發(fā)送至本地控制器的網絡延時t1和控制器接收到指令響應至90%目標功率值的功率響應時間t2。儲能系統(tǒng)A 段及B 段的放電響應測試數據見表3、表4。由表3、表4 可知：儲能系統(tǒng)對控制信號的響應時間都小于2 s，這可大幅提高機組的調頻響應時間指標，但其分布具有一定的離散性；儲能系統(tǒng)A 段6 次的測試數據較為分散，6 次測試結果不管是網絡延時還是功率響應時間均差異較大；儲能系統(tǒng)B 段6 次測試結果較為穩(wěn)定，其中網絡延時在整體響應時間的占比超過80%，即B段儲能系統(tǒng)的整體響應時間主要由網絡延時決定。

表3 儲能系統(tǒng)A 段放電響應測試數據 單位：sTab.3 Discharge response test data of the energy storage system A-step

表4 儲能系統(tǒng)B 段放電響應測試數據 單位：sTab.4 Discharge response test data of the energy storage system B-step

儲能系統(tǒng)A 段與B 段在電氣接線、控制器算法、通信方式等各方面均相同。主要區(qū)別在于容量：A 段容量為6 MW，有12 臺儲能換流器；B 段容量為3 MW，有6 臺儲能換流器。測試數據表明：在儲能換流器數量較少時，儲能系統(tǒng)對控制信號的響應時間較為穩(wěn)定，主要取決于網絡延時；而當儲能系統(tǒng)容量較大，儲能變流器數量較多，儲能系統(tǒng)控制器的控制量增多，整個儲能系統(tǒng)的響應時間較為離散，體現在網絡延時與功率響應時間均不穩(wěn)定。

3.2 功率控制性能測試與分析

電化學儲能系統(tǒng)的功率控制包括有功功率控制、無功功率控制及功率因數控制。對于儲能輔助調頻系統(tǒng)，在正常工作時只發(fā)有功功率，不發(fā)無功功率，功率因數保持在接近1。故本文僅分析其有功功率控制性能。

有功功率控制是儲能調頻系統(tǒng)最基本的功能，對儲能系統(tǒng)進行有功功率控制可測試儲能系統(tǒng)能否正確響應大小和方向均變化的AGC 指令，是否存在不響應或不正確響應的情況，并測出儲能系統(tǒng)在不同功率點的功率控制精度。

測試時，通過DCS 按照升功率及降功率曲線下發(fā)相應的控制指令，記錄儲能系統(tǒng)的響應過程，每個功率點記錄至少30 s。儲能系統(tǒng)的升功率測試數據見表5。表5 中，功率值為正表示放電，功率值為負表示充電。降功率數據規(guī)律類似，不再列出。

表5 中的功率控制精度是指在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)輸出/輸入功率依據其設定值變化時，其輸出/輸入功率控制的穩(wěn)定程度，按式(1)計算。

式中，δP為功率控制精度，PM為實際測量每次階躍后第2 個15 s 有功功率平均值，Ps為功率設定值。

由表5 可見：儲能系統(tǒng)的功率控制精度在0.24%~1.97%之間，穩(wěn)定性較差；在功率指令為2.25 MW 時，儲能系統(tǒng)的控制精度較差，大于1.3%；隨著功率指令增大，儲能系統(tǒng)在放電時控制精度較高，小于0.7%，而充電時精度較差，均大于1.3%。

表5 Pn=9 MW 時的升功率測試數據Tab.5 The raising power test data when Pn=9 MW

儲能系統(tǒng)的功率響應精度主要受2 方面的影響：一方面，受儲能系統(tǒng)接收的功率指令精度影響。功率指令是由DCS 輸出的4~20 mA 模擬量送至儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)接收后，轉為數字信號傳給控制器?？刂菩盘柕霓D換與傳輸過程存在誤差，誤差可達幾十千瓦。所以功率指令較小時，功率控制精度會較差。另一方面，儲能系統(tǒng)的功率控制主要由儲能換流器實現，儲能換流器采集本體出口側的交流功率進行控制，并沒有考慮升壓變壓器的損耗。升壓變壓器的損耗會導致儲能系統(tǒng)在充電時功率偏大，放電時功率偏小。這2 方面影響因素的疊加，使得儲能系統(tǒng)在不同功率點的控制精度不同。

有功功率控制測試雖然可以模擬功率指令的變化來測試儲能系統(tǒng)的響應，但與儲能調頻系統(tǒng)實際工作時的工況差異較大。有功功率測試時間較短，每個測試點僅保持30 s，且只有儲能系統(tǒng)單獨響應AGC 指令，沒有與機組聯(lián)合調頻，無法測試儲能系統(tǒng)的調頻性能。故對于儲能輔助調頻系統(tǒng)，完成表1 的測試項目后，建議再進行儲能系統(tǒng)聯(lián)合機組的AGC 性能測試，才能保證儲能調頻系統(tǒng)投入運行后與機組一同參與調頻的安全性。

3.3 故障穿越性能測試與分析

為了模擬電網的電壓與頻率變化，測試時需要接入電網模擬裝置，將電網模擬裝置串入母線與儲能系統(tǒng)之間。

3.3.1 低電壓穿越

《電化學儲能系統(tǒng)接入電網技術規(guī)定》要求儲能系統(tǒng)并網點電壓在圖3 中曲線1 輪廓線及以上區(qū)域時，應不脫網連續(xù)運行，否則允許電化學儲能系統(tǒng)脫網。測試時，選取0%、20%、40%、60%、80%額定電壓5 個電壓跌落點，并按照圖3 的曲線選取跌落時間。調節(jié)儲能系統(tǒng)工作在充電或放電狀態(tài)下，控制電網模擬裝置的輸出電壓跌落至測試點，記錄儲能系統(tǒng)的電壓及電流波形。低電壓穿越測試需在儲能系統(tǒng)額定工況及輕載工況（0.1 倍至0.3 倍額定功率）各進行1 次。

儲能系統(tǒng)工作在額定放電狀態(tài)時的三相故障低電壓穿越測試在0%額定電壓測試點的電壓、電流波形如圖4 所示。20%、40%、60%、80%額定電壓測試點的測試波形與0%額定電壓測試點的波形相近。

由圖4 可見：該儲能系統(tǒng)具備低電壓穿越能力，在并網點電壓突然降低時，儲能系統(tǒng)調整了三相電流的相位，將有功功率轉為無功功率支撐電網；在電壓恢復時，再逐步降低無功功率恢復有功功率。

儲能系統(tǒng)能否通過低電壓穿越測試，主要取決于儲能變流器的性能。在系統(tǒng)電壓突然降低時，變流器直流側會出現瞬時過流現象。儲能變流器中的電力電子器件可承受的最大電流為額定電流的1.5~2.0 倍左右，一般廠家為保證電力電子器件的安全，將儲能電流器的過流保護定值整定得較低，在1.1~1.2 倍左右。電網發(fā)生故障電壓降低時，儲能變流器直流側的過流現象，可能引發(fā)過流保護動作而使儲能系統(tǒng)脫網。在故障恢復瞬間，也會出現換流器交流側的過流現象。故障瞬間及恢復瞬間的過流現象是儲能系統(tǒng)在低電壓穿越過程中主要需要解決的問題。

3.3.2 高電壓穿越

高電壓穿越測試要求儲能系統(tǒng)在120%~130%額定電壓下能持續(xù)運行0.1 s，在110%~120%額定電壓下能持續(xù)運行10 s 不脫網，具體要求如圖5 所示。

測試時，選取113%及122%額定電壓2 個測試點，并按照圖5 中的曲線選取抬升時間，得到的測試波形如圖6 所示。調節(jié)儲能系統(tǒng)工作在充電或放電狀態(tài)下，控制電網模擬裝置的輸出電壓抬升至測試點，記錄儲能系統(tǒng)的電壓及電流波形。高電壓穿越測試需在儲能系統(tǒng)額定工況及輕載工況（0.1～0.3 倍額定功率）各進行1 次。由圖6 可見：在122%額定電壓測試點的測試波形與113%額定電壓測試點的波形一致；該儲能系統(tǒng)具備高電壓穿越能力。

對參與輔助調頻的儲能系統(tǒng)而言，當系統(tǒng)電壓升高，儲能系統(tǒng)不參與自動電壓控制（automatic voltage control，AVC）調節(jié)，故儲能系統(tǒng)采取有功功率及無功功率保持不變的策略，不隨系統(tǒng)電壓變化而變化。

4 結 論

1）被測儲能系統(tǒng)對AGC 信號的響應時間小于2 s，可大幅提高機組的調頻響應時間指標，但響應時間的分布具有一定的離散性。

2）被測儲能系統(tǒng)的功率控制精度在0.49%~1.97%之間，精度穩(wěn)定性較差，主要受功率指令誤差及升壓變壓器損耗影響。

3）被測儲能系統(tǒng)具備高、低電壓穿越能力。在低電壓穿越時，應關注故障瞬間及恢復瞬間的過流現象。