電池儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的方案設計
——評《電池儲能系統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)》

鐘衛(wèi)連，劉時英

( 懷化職業(yè)技術(shù)學院，湖南 懷化 418000 )

由于電源和負荷的雙重特性，儲能系統(tǒng)常作為一種靈活可控的資源，廣泛應用于電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰和可再生能源消納。隨著間歇性可再生能源并網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，系統(tǒng)在供需平衡調(diào)節(jié)和功率跟蹤方面的靈活性裕度逐漸減小。由于優(yōu)越的靈活性和調(diào)節(jié)能力，電池儲能系統(tǒng)目前正在規(guī)劃和大規(guī)模投資建設，如大連市200 MW/800 MW·h液流電池儲能電站，江蘇省125 MW/787 MW·h的用戶側(cè)儲能電站。據(jù)中國儲能聯(lián)盟(CNESA)發(fā)布的信息，截至2020年底，全球在運儲能項目累計裝機14.2 GW；中國電化學儲能累計裝機容量為3.28 GW，2025年預計將增加到30 GW。

新型儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用規(guī)模將大大提高，尤其是當電力行業(yè)提出構(gòu)建以新能源為主體的新格局電力系統(tǒng)，助力實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標時，儲能在電網(wǎng)中的應用更為迫切?？稍偕茉磦?cè)儲能系統(tǒng)能促進可再生能源的消耗，電網(wǎng)側(cè)儲能可用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰和調(diào)頻，用戶側(cè)儲能可以參與調(diào)峰填谷的需求響應。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，當儲能系統(tǒng)的持續(xù)充/放電時間為15 min時，調(diào)頻效率約為燃煤機組的24.0倍，燃氣機組的2.2倍，水電機組的1.4倍。電池儲能系統(tǒng)與常規(guī)調(diào)頻電源相結(jié)合，可較大提升電力系統(tǒng)調(diào)頻能力，也可獨立作為調(diào)頻電源參與電網(wǎng)的調(diào)頻服務，彌補大量可再生能源接入電網(wǎng)帶來的頻率偏差問題，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時降低有害氣體排放量。

由李建林等編著的《電池儲能系統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)》一書，較為全面地介紹了電池儲能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻的典型設計方案，為儲能參與電力調(diào)頻的商業(yè)化應用與示范提供理論依據(jù)與技術(shù)保障。該書共分7章，主要從以下幾個方面展開介紹：電池儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)輔助調(diào)頻的必要性與可行性分析、控制方法與經(jīng)濟性研究、國內(nèi)外典型示范工程介紹與分析、優(yōu)化規(guī)劃與運行控制、方案設計等。

1 必要性和可行性分析

從風力波動對電網(wǎng)頻率的影響出發(fā)，分析參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的電池儲能系統(tǒng)的必要性和可行性。當今電網(wǎng)調(diào)頻情況復雜多變，傳統(tǒng)機組發(fā)電機響應時間長、爬坡率低，不能及時進行方向的轉(zhuǎn)換，甚至有時候會產(chǎn)生反方向調(diào)節(jié)，導致發(fā)電機的區(qū)域控制偏差增大，難以滿足運行要求。比如，秋冬季節(jié)是風電發(fā)電較多的時期，北方超過一半的機組已經(jīng)進入供熱運行時期，但一些機組無法進行調(diào)頻，整體調(diào)頻能力有所下降，調(diào)頻效果變差，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行無法保障。我國電網(wǎng)普遍運用火電機組進行調(diào)頻，但受限于上述缺點，且目前新能源發(fā)電增長迅速，需要尋找新的方法進行電力系統(tǒng)調(diào)頻。在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中，構(gòu)建一個負荷頻率控制的仿真模型，分別引入大規(guī)模風電和階躍負荷擾動兩種負荷擾動方式，以更加準確地分析和探討互聯(lián)系統(tǒng)調(diào)頻性能，并通過觀察仿真研究結(jié)果，進一步分析系統(tǒng)的聯(lián)絡線交換功率變化和頻率偏差等動態(tài)響應情況，對比分析調(diào)頻效果受電池儲能技術(shù)的影響程度，驗證電池儲能技術(shù)的必要性。

在技術(shù)可行性方面，對比分析傳統(tǒng)調(diào)頻機組和儲能調(diào)頻的調(diào)頻效果，證明了儲能調(diào)頻的效率更高。通過演示可知，電池儲能系統(tǒng)(BESS)可進行雙向調(diào)節(jié)，以負荷形式存在于充電過程中，以電源形式存在于放電過程中，可在幾毫秒內(nèi)達到功率輸出目標，響應速度快。在任意電源點，都可以平穩(wěn)輸出，并進行準確的操控，還具有靈敏的四象限調(diào)節(jié)水平，可快速調(diào)整有功功率和無功功率的輸入和輸出。從調(diào)頻電源的爬坡率角度、二次調(diào)頻效果、調(diào)頻死區(qū)等方面來看，單位容量的電池儲能的調(diào)頻效果是傳統(tǒng)調(diào)頻機組的數(shù)倍，因此，能更好地解決電網(wǎng)復雜多變的頻率波動問題。一方面，電網(wǎng)供電系統(tǒng)具有較好的供電特性，提高了接受新能源的能力；另一方面，還可以協(xié)調(diào)和實現(xiàn)調(diào)頻、電壓調(diào)節(jié)、應急響應等功能，提高新電網(wǎng)連接的電能質(zhì)量。大容量儲能技術(shù)可以改變供電系統(tǒng)的供電運行方式，不僅能提高電網(wǎng)的安全性和可靠性，還可通過減少傳統(tǒng)化石燃料的使用，實現(xiàn)低碳排放。

2 儲能電站集電系統(tǒng)可靠性評估算法

近年來發(fā)生的儲能電站故障和火災，如澳大利亞儲能容器火災、美國電池系統(tǒng)儲能電站火災，以及韓國的儲能電站火災事故等，對人身和財產(chǎn)安全造成了較為嚴重的影響，提高儲能電站的可靠性水平具有重要意義。除了運行環(huán)境外，儲能電站的故障還與儲能電站設計期間集電系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)(即用電設備的連接方式)直接相關(guān)，即不同集電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)使儲能電站的可靠性水平呈現(xiàn)出差異化。針對電池儲能電站的可靠性，該書對儲能電站的電氣結(jié)構(gòu)、可靠性評價模型、算法和評價指標進行了分析。

儲能系統(tǒng)的狀態(tài)是系統(tǒng)中所有組件狀態(tài)的組合。系統(tǒng)可靠性評估過程是對系統(tǒng)狀態(tài)進行抽樣和評估的過程，因此，系統(tǒng)可靠性評估方法的差異主要取決于系統(tǒng)狀態(tài)采樣方法，可分為頻率持續(xù)時間法、狀態(tài)枚舉法、順序蒙特卡羅法、非順序蒙特卡羅法和失效模式后果分析法(FMEA)等。該書提出了幾種方法：第一種是采用狀態(tài)空間分析方法評估單級和兩級儲能系統(tǒng)處于正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的概率，其中故障狀態(tài)包括BESS故障狀態(tài)、直流(DC)/DC故障狀態(tài)、DC/交流(AC)故障狀態(tài)和過濾器故障狀態(tài)；第二種是考慮儲能系統(tǒng)的隨機故障，采用枚舉法對電池儲能微電網(wǎng)的可靠性進行評估；第三種是采用解析法評價儲能和集電系統(tǒng)的可靠性，定義電池模塊、變流器和變壓器等3個可靠性評價指標。

在現(xiàn)有的研究中，解析法中的狀態(tài)枚舉法和頻率持續(xù)時間法對于小規(guī)模系統(tǒng)的可靠性評估是有效和準確的，但是，當系統(tǒng)規(guī)模增大時，系統(tǒng)待評估的狀態(tài)數(shù)將呈指數(shù)級增長，導致評估效率降低，計算耗時，甚至出現(xiàn)維度災難。目前的失效模式影響分析方法只考慮一階失效，不能考慮多階失效。在模擬方法中，順序蒙特卡羅法和非順序蒙特卡羅法受系統(tǒng)規(guī)模的影響較小，但當系統(tǒng)可靠性水平較高時，采樣效率會降低，評價結(jié)果會在隨機數(shù)的影響下略有波動。

單一的可靠性評估算法有自身的優(yōu)勢、劣勢和適用范圍。根據(jù)儲能電站集電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，該書提出儲能電站集電系統(tǒng)差異化雙層可靠性評估的思路，即第一層是單個電池組的等效可靠性評估。單個電池組由電芯、線路和其他組件通過串并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接而成，可靠性可通過串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性評估方法來計算，評價指標是電池組的等效可用性和等效不可用性。第二層是電池儲能電站的可靠性評估。電池儲能電站由電池組、儲能變流器(PCS)、線路、母線和變壓器等電力設備組成。當規(guī)模較大時，可采用模擬方法進行評價；當規(guī)模較小時，可采用枚舉法進行評價。評價指標除可靠性外，還應包括頻率、概率、功率損耗等。

3 優(yōu)化規(guī)劃與方案設計

該書通過建立常規(guī)的控制策略模型來進行對比分析，進一步提出了幾種儲能參與電力系統(tǒng)調(diào)頻控制的優(yōu)化策略與運行控制。目前，在傳統(tǒng)的基于虛擬慣性的下垂控制中，一般使用固定的單位功率值Kmax參與一次調(diào)頻。由于當前的儲能容量還不夠大，相比于大電網(wǎng)，長期利用Kmax對電網(wǎng)進行充放電，在多次使用的情況下，會導致電池長時間處于過充或過放狀態(tài)。在放電模式下，荷電狀態(tài)(SOC)較低或在充電模式下SOC較高的儲能單元，會提前退出調(diào)頻過程，剩余的儲能單元必須被迫過充過放，縮短電池的使用壽命。

基于此，提出一種基于SOC反饋的改進下垂控制策略，自適應調(diào)整下垂控制單元的功率系數(shù)，并引入均衡因子，協(xié)調(diào)優(yōu)化各儲能單元的功率輸出，提高整體儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的性能。使用變調(diào)差系數(shù)，提出了儲能改進下垂控制策略，可以實現(xiàn)儲能SOC管理與系統(tǒng)調(diào)頻效果的同步優(yōu)化，使儲能在一次調(diào)頻過程中自適應調(diào)整充放電功率，基礎(chǔ)是自身電量和機組功率變化率的大小。為了優(yōu)化大規(guī)模可再生能源接入時調(diào)頻性能不佳、電網(wǎng)自動發(fā)電控制(AGC)容量無法滿足要求的情況，采取規(guī)模化儲能參與電網(wǎng)二次調(diào)頻的調(diào)頻信號分配模式切換時機和雙層控制策略。在階躍負荷擾動下，系統(tǒng)可以綜合基于區(qū)域控制誤差(ACE)信號分配模式和基于區(qū)域控制需求(ARR)信號分配模式的優(yōu)點。由于建立在調(diào)頻信號分配模式切換時機的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可同時做到在調(diào)頻前期縮小最大頻率偏差、在調(diào)頻中后期減少短頻率恢復所需要的時間。為了滿足規(guī)模化儲能聯(lián)合火電機組參與調(diào)頻的低成本需求，雙層控制策略的上層功率優(yōu)化分配層充分照顧不同調(diào)頻電源的多技術(shù)特點，進一步提升各調(diào)頻電源出力參考值，使二次調(diào)頻成本最低化。

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷增加，新能源電網(wǎng)滲透率不斷上升，電網(wǎng)的穩(wěn)定運行面臨著安全挑戰(zhàn)。為此，可研究各部分動態(tài)數(shù)學模型，通過仿真分析影響電力系統(tǒng)動態(tài)特性的因素，確定控制系統(tǒng)的組合模型，并構(gòu)建一個負荷頻率控制(LFC)模型。該模型能夠反映互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡線功率約束、機組出力約束等因素，并建立一個電池儲能調(diào)頻模型，用來觀測電池內(nèi)部的SOC。接著，搭建含儲能電池的兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)處于MATLAB/Simulink環(huán)境中，分別引入階躍信號擾動和風電擾動兩種情況來仿真模擬，通過分析聯(lián)絡線交換功率變化和系統(tǒng)頻率變化等動態(tài)情況，觀察電池儲能對調(diào)頻效果的對比情況。最后，提出一種調(diào)頻方法，捕捉LFC信號中不能由傳統(tǒng)調(diào)頻電源響應的信號，以此為基礎(chǔ)，讓儲能系統(tǒng)及時進行功率補償，并對比分析仿真實驗與常規(guī)控制策略。實驗記錄表明，該優(yōu)化策略可以在大量負荷接入系統(tǒng)后，較好地實現(xiàn)對電力系統(tǒng)頻率的控制。

4 結(jié)語

《電池儲能系統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)》一書，通過分析探討電池儲能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻的可行性與價值，確定此項技術(shù)具有廣闊的應用前景；研究電池儲能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制問題、電池儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻的容量配置方法，可為儲能參與電力調(diào)頻的示范與產(chǎn)業(yè)化工程夯實基礎(chǔ)；針對典型的調(diào)頻示范工程進行介紹，提出了幾種可能的方案設計，為調(diào)頻領(lǐng)域使用電池儲能系統(tǒng)的方向、規(guī)劃與建設提供有力的支撐。