功率型儲能技術(shù)在新能源場站一次調(diào)頻中的作用及應(yīng)用研究

收稿日期：2022-12-14

基金項目：國家電投集團“大規(guī)模光儲電站功率預測及協(xié)調(diào)控制策略研究”（KYTC2021CN01）

通信作者：李曉峰（1971—），男，學士、高級工程師，主要從事可再生能源發(fā)電方面的研究。420911443@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20221214.01 文章編號：1003-0417（2024）02-76-10

摘 要：在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，面臨著由新能源發(fā)電量大比例增加導致電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行風險增大的問題，主要表現(xiàn)為電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力及抗干擾能力不斷下降。如何通過先進的儲能技術(shù)解決新能源場站調(diào)頻能力不足的問題，研制適用于新能源場站一次調(diào)頻支撐的功率型儲能系統(tǒng)，為電網(wǎng)支撐型新能源場站進行技術(shù)儲備和規(guī)?；瘜嵶C，從而實現(xiàn)大規(guī)模新能源電力的友好高效送出。從新能源場站實際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，提出采用鈦酸鋰電池、飛輪儲能和超級電容這3種不同的新型功率型儲能技術(shù)構(gòu)成的一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)，對功率型儲能技術(shù)在新能源場站一次調(diào)頻中的作用和功能進行了驗證。研究結(jié)果表明：實現(xiàn)一次調(diào)頻功能是新能源場站從非主體電源成長為主體電源過程中應(yīng)當承擔的責任，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定將起到積極的支撐作用；采用靈活的站控層結(jié)構(gòu)和快速的通信方式，才能充分發(fā)揮一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性；功率型儲能技術(shù)的充放電循環(huán)壽命長，更適用于一次調(diào)頻的應(yīng)用場景。研究結(jié)果可促進功率型儲能產(chǎn)業(yè)鏈的加速完善。

關(guān)鍵詞：一次調(diào)頻；新能源；鈦酸鋰電池；飛輪儲能；超級電容；功率型儲能；電力系統(tǒng)

中圖分類號：TM721.2 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)這一目標的提出，新能源發(fā)電的裝機速度進一步加快。根據(jù)國家能源局發(fā)布的2023年《1—11月份全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)》[1]，截至2023年11月底，中國累計發(fā)電裝機容量約為28.5億kW，同比增長13.6%。其中，太陽能發(fā)電累計裝機容量約為5.6億kW，同比增長49.9%；風電累計裝機容量約為4.1億kW，同比增長17.6%。中國并網(wǎng)新能源發(fā)電裝機容量為9.7億kW，滲透率為34%。中國通過風電、光伏發(fā)電在能源轉(zhuǎn)型上取得一定進展，為加速提高非化石能源發(fā)電量在全國總發(fā)電量的占比奠定了較好的基礎(chǔ)。

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)至少包括以下3層含義：1）新能源發(fā)電裝機容量占據(jù)主體；2）新能源發(fā)電量占據(jù)主體；3）新能源發(fā)電在各種發(fā)電類型中作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定的責任主體。中國非化石能源發(fā)電量在全國總發(fā)電量的占比已經(jīng)超過30%，今后非化石能源，特別是新能源的發(fā)電量占比還會穩(wěn)步上升。

然而新能源發(fā)電本身固有的隨機性、波動性及零慣量特性將會導致新型電力系統(tǒng)的慣量較低、抗擾性能下降、電網(wǎng)頻率越限風險加大。因此，新能源場站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻以增強電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力是必然的發(fā)展趨勢。

本文從新能源場站實際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，提出采用鈦酸鋰電池、飛輪儲能和超級電容3種不同的新型功率型儲能技術(shù)構(gòu)成一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)，使儲能系統(tǒng)所屬光伏電站具備一次調(diào)頻功能，對功率型儲能技術(shù)在新能源場站一次調(diào)頻中的作用和功能進行驗證，可為新能源場站一次調(diào)頻的發(fā)展提供參考。

1" 新能源場站一次調(diào)頻技術(shù)

1.1" 一次調(diào)頻原理及重要參數(shù)

GB 38755—2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》[2]中規(guī)定了3級電網(wǎng)故障，李兆偉等[3]針對這3級故障電網(wǎng)設(shè)置了3道防線，分別為：

1）第1級故障：N-1型故障，例如：任意1臺發(fā)電機跳閘、直流單極閉鎖。此時第1道防線主要為預防控制，要求除一次調(diào)頻外不采取安全穩(wěn)定控制措施應(yīng)能保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定運行。

2）第2級故障：N-2型故障，例如：任意兩臺發(fā)電機跳閘、直流雙極閉鎖。此時第2道防線允許采取安全穩(wěn)定控制措施，例如：穩(wěn)控切機切負荷、直流輸電線路直流調(diào)制、抽水蓄能切泵，以保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定運行。

3）第3級故障：N-k型故障，例如：新能源電站大規(guī)模脫網(wǎng)、大容量電廠跳閘、保護裝置拒動或誤動作等極端情況。此時第3道防線的主要目的是止損，必須采取安全穩(wěn)定控制措施，以求事故影響最小化。

同時，GB 38755—2019中明確要求“電源均應(yīng)具備一次調(diào)頻和快速調(diào)壓、調(diào)峰的能力，且應(yīng)滿足相關(guān)標準要求”。作為維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要功能之一，一次調(diào)頻功能是指并網(wǎng)運行的發(fā)電機組在電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時及時自發(fā)參與電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的功能。而二次調(diào)頻功能則是指電網(wǎng)根據(jù)頻率波動，通過自動發(fā)電控制（AGC）指令下發(fā)給各發(fā)電單元參與電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的非自發(fā)功能，在電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的過程中，二者扮演的角色是不同的。

目前新能源場站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的方式主要包括以下兩種：1）預留部分有功發(fā)電容量（即限電），以響應(yīng)一次調(diào)頻指令[4]；2）加裝儲能系統(tǒng)，由儲能系統(tǒng)來響應(yīng)一次調(diào)頻指令[5]。由于目前全國許多新能源場站按照最大功率點跟蹤發(fā)電模式運行，不具備響應(yīng)一次調(diào)頻上調(diào)指令的能力，此時若通過限電的方式來實現(xiàn)新能源場站的一次調(diào)頻功能，其技術(shù)經(jīng)濟性是否優(yōu)于加裝儲能系統(tǒng)這一方式值得討論。

大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)并不是簡單的即插即用，其滲透率的高低及與之配套的特高壓輸電線路關(guān)系到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、供電可靠性乃至繼電保護配合等各個方面[6]。以電網(wǎng)頻率為例，當電力系統(tǒng)的電源與負荷間的功率平衡被打破時，常規(guī)發(fā)電機組（即火力、水力發(fā)電機組）將采用慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等不同時間尺度的手段進行調(diào)節(jié)，一旦調(diào)節(jié)失敗引發(fā)高頻切機、低頻減載[7]等動作將對人們的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生極大的負面影響。例如，2021年2月，美國得克薩斯州極寒天氣導致近500萬用戶斷電，電網(wǎng)頻率最低值達59.3 Hz，跌幅為0.7 Hz，其發(fā)展過程示意圖[8]如圖1所示。圖中：EEA表示能源緊急警報。

針對故障狀態(tài)下電網(wǎng)頻率的研究方法主要包括以下幾類[9-11]：

1）基于離線仿真軟件的時域仿真法。該方法的計算結(jié)果精確，但計算量大，對建模精細度的要求較高。

2）基于代數(shù)表達式的模型分析法。該方法的計算結(jié)果精度不如基于離線仿真軟件的時域仿真法，但結(jié)果直觀，可解釋性強。

3）基于歷史數(shù)據(jù)的機器學習法。該方法比較依賴歷史數(shù)據(jù)的質(zhì)和量，可解釋性較差。

典型的電網(wǎng)頻率跌落曲線如圖2所示。圖中：fn為電網(wǎng)的額定頻率；fss為一次調(diào)頻動作后電網(wǎng)頻率；fnad為電網(wǎng)頻率跌落到的最低值；t0為電網(wǎng)頻率開始跌落的時刻；td為電網(wǎng)頻率跌落超過死區(qū)下限的時刻；tnad為電網(wǎng)頻率跌落至最低值的時刻；tss為一次調(diào)頻動作結(jié)束后的時刻。

圖2中，t0～tnad時段為常規(guī)發(fā)電機組的慣量響應(yīng)階段，此階段的電網(wǎng)頻率變化率（rate of change of frequency，ROCOF）較大，而當ROCOF過大時，會觸發(fā)電網(wǎng)保護動作[12]。

同步發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)動能Ek和其慣性時間常數(shù)H的表達式為：

Ek= Jω2

2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " nbsp; " " " " " " " " "（1）

H= Ek

SN" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：J為同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量；ω為角速度；SN為同步發(fā)電機的額定容量。

同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子在擾動瞬間的運動方程可表示為：

2HSNdf（t） =Pm–Ps

fndt" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：Pm為同步發(fā)電機的機械功率；Ps為同步發(fā)電機的電磁功率；t為時間。

從式（3）可以知道：同步發(fā)電機的機械功率與其電磁功率的差值為動能轉(zhuǎn)化而來的慣量支撐功率，在tnad時刻，，此時慣量響應(yīng)功率為零，電網(wǎng)頻率跌落到最低值fnad。根據(jù)GB/T 15945—2008《電能質(zhì)量：電力系統(tǒng)頻率偏差》[13]的規(guī)定，電力系統(tǒng)正常運行時頻率偏差允許值為±0.2 Hz，小型電網(wǎng)可以放寬到±0.5 Hz。而電網(wǎng)故障時安全穩(wěn)定控制裝置動作的頻率閾值則是根據(jù)具體大區(qū)電網(wǎng)的規(guī)定而有所不同，例如，華東電網(wǎng)低頻減載方案中第1輪動作的頻率閾值為49.0 Hz[14]。

圖2中，td～tss時段為常規(guī)發(fā)電機組的一次調(diào)頻響應(yīng)階段，td時刻電網(wǎng)頻率越過一次調(diào)頻死區(qū)下限，一次調(diào)頻動作，此時一次調(diào)頻增發(fā)功率ΔP的表達式為：

ΔP=P–P0= -PN （ f–fd ）" " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

fn·6%

式中：P為同步發(fā)電機一次調(diào)頻的目標功率；P0為同步發(fā)電機當前的發(fā)電功率；PN為同步發(fā)電機的額定功率；f為電網(wǎng)當前的頻率；fd為常規(guī)發(fā)電機組一次調(diào)頻的動作頻率閾值（中國火電機組一次調(diào)頻的動作頻率閾值為50±0.033 Hz）；6%為一次調(diào)頻的調(diào)差率取值。

圖2中，在tss時刻，電力系統(tǒng)發(fā)電功率與負荷達到新的平衡后，電網(wǎng)頻率維持在新的平衡點（即fss），此時電網(wǎng)頻率可能仍然在一次調(diào)頻死區(qū)下限之外，無法將頻率恢復成擾動之前的頻率，因此在tss時刻之后，需要進行二次調(diào)頻及三次調(diào)頻（經(jīng)濟調(diào)度）將電網(wǎng)頻率恢復正常。本文只考慮一次調(diào)頻的情況。

一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)過程如圖3所示。圖中：PLD為負荷的有功功率靜態(tài)頻率特性；PG為同步發(fā)電機一次調(diào)頻時的有功功率靜態(tài)頻率特性；正常情況下，二者相交于O點，此時電網(wǎng)頻率為f0。若負荷有功功率突然增加ΔPLD0，此時負荷的有功功率頻率特性為PLD′，而汽輪機輸出的機械功率還未來得及變化，因此汽輪機輸出的機械功率小于同步發(fā)電機輸出的電磁功率（即負荷的有功功率），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，電網(wǎng)頻率下降。當電網(wǎng)頻率下降時，負荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)將使負荷的有功功率減少；同時，由同步發(fā)電機的頻率特性曲線可知，電網(wǎng)頻率下降時，發(fā)電機的有功功率將增加，最終二者將在O′點相交，此時電網(wǎng)頻率為f0′，電力系統(tǒng)的有功功率重新達到平衡。A為f0時刻在PLD′上對應(yīng)的點；A′為f0′時刻在PLD上對應(yīng)的點；B為過O′點在AO線段上的垂足；B′為過O點在A′O′線段上的垂足；P0′為f0′時刻在PG上對應(yīng)的功率值。綜上所述，一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)。

1.2" 新能源場站一次調(diào)頻的參數(shù)整定

常規(guī)發(fā)電機組的一次調(diào)頻由調(diào)速器完成，新能源場站的一次調(diào)頻模擬常規(guī)發(fā)電機組的下垂特性對并網(wǎng)有功功率進行調(diào)節(jié)，其響應(yīng)特性如圖4所示。圖中：fd_dow為頻率死區(qū)下限；fd_up為頻率死區(qū)上限。

新能源場站一次調(diào)頻的參數(shù)整定具體包括：

1）常規(guī)發(fā)電機組一次調(diào)頻的動作閾值整定。新能源場站一次調(diào)頻動作閾值的整定范圍一般為50±0.03～50±0.06 Hz，當頻率死區(qū)范圍整定不合理（例如，將全網(wǎng)新能源場站一次調(diào)頻參數(shù)全部整定為統(tǒng)一定值）時，在某些情況下可能導致電網(wǎng)頻率在死區(qū)附近振蕩[15]。

2）一次調(diào)頻的調(diào)差率整定。新能源場站一次調(diào)頻調(diào)差率的整定范圍一般為2%～6%，調(diào)差率越小，在相同頻率偏差下新能源的出力變化量越大，出力上調(diào)和下調(diào)的調(diào)差率可以不一樣。

3）一次調(diào)頻的出力范圍整定。新能源場站一次調(diào)頻出力范圍的整定范圍一般為同步發(fā)電機額定發(fā)電功率的6%～10%。當采用加裝儲能系統(tǒng)來響應(yīng)一次調(diào)頻指令的方式時，一次調(diào)頻的出力范圍取決于新能源場站的儲能配置比例。

2nbsp; 新能源場站一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)示范工程

2.1" 示范工程概況

從新能源場站實際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，本文提出采用鈦酸鋰電池、飛輪儲能和超級電容這3種不同的新型功率型儲能技術(shù)構(gòu)成一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)。該一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)位于國家光伏、儲能實證實驗平臺（大慶基地）（下文簡稱為“大慶基地”）內(nèi)部集電線路（3511）上，利用功率型儲能技術(shù)對配置儲能的光伏電站一次調(diào)頻功能進行驗證，從而提升新能源發(fā)電并網(wǎng)的友好性。大慶基地全景如圖5所示。

2.2" 站控層結(jié)構(gòu)

在光伏電站的站控層，一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)及AGC系統(tǒng)相對獨立，一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)可以晚于AGC系統(tǒng)投入使用，布置靈活。一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)正常運行時，一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)采集并網(wǎng)

點電流互感器及電壓互感器的數(shù)據(jù)，并實時計算電流、電壓、電網(wǎng)頻率、有功功率等數(shù)據(jù)，電網(wǎng)頻率測量精度通?？蛇_0.001～0.002 Hz。一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)與AGC系統(tǒng)之間通過點對點通信完成數(shù)據(jù)交互。一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)及AGC系統(tǒng)示意圖如圖6所示。圖中：CCU為協(xié)調(diào)控制裝置；IEC、Modbus、GOOSE均為通信協(xié)議名稱。

在圖6所示系統(tǒng)中，對一次調(diào)頻效果影響較大的重要參數(shù)包括以下幾個：

1）一次調(diào)頻指令發(fā)出時間。該時間是指在測量點頻率超過死區(qū)后一次調(diào)頻CCU發(fā)出指令的時間，包括采集、比較、指令分配生成等環(huán)節(jié)。采用IEC 103、IEC 104、Modbus等通信協(xié)議時，一次調(diào)頻指令發(fā)出時間在400 ms以內(nèi)；而采用GOOSE通信協(xié)議時，一次調(diào)頻指令發(fā)出時間在200 ms以內(nèi)。

2）站內(nèi)通信耗時。該耗時是指一次調(diào)頻CCU發(fā)出指令到儲能變流器所需時間。采用IEC 103、IEC 104、Modbus等通信協(xié)議時，站內(nèi)通信耗時約為500 ms；而采用GOOSE通信協(xié)議時，站內(nèi)通信耗時在10 ms以內(nèi)[16]。

3）通信步長。通信步長為相鄰兩個一次調(diào)頻指令的時間間隔。

一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)與AGC系統(tǒng)的配合邏輯如圖7所示。

當電網(wǎng)頻率不越限時，AGC系統(tǒng)向光伏逆變器發(fā)送指令；當電網(wǎng)頻率越限時，AGC系統(tǒng)閉鎖并記錄調(diào)頻過程中AGC目標指令值的變化情況，根據(jù)圖4中響應(yīng)特性曲線計算儲能一次調(diào)頻指令，將AGC目標指令變化量與一次調(diào)頻指令通過邏輯判斷后進行代數(shù)運算，并進行功率指令分配及下發(fā)，最終完成一次調(diào)頻任務(wù)。

2.3" 建立一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)

本文提出采用鈦酸鋰電池、飛輪儲能和超級電容3種不同的新型功率型儲能技術(shù)構(gòu)成一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)，3種儲能形式并聯(lián)于0.4 kV交流母線，通過升壓變壓器升壓后與光伏方陣在35 kV母線段并聯(lián)。一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)的主回路示意圖如圖8所示，實景圖如圖9所示。

2.3.1" 鈦酸鋰電池

鈦酸鋰電池是將電池負極材料從石墨更換為鈦酸鋰（Li4Ti5O12，LTO）的一類鋰離子電池[17]，本項目中鈦酸鋰電池為正極材料采用鎳鈷錳三元材料（Li（NixCoyMn1-x-y）O2，NCM）的NCM/LTO體系。與普通鋰離子電池相比，鈦酸鋰電池的優(yōu)點在于：

1）石墨負極的鋰離子電池，石墨負極在充放電過程中的體積變化量一般為10%；鈦酸鋰負極的鈦酸鋰電池，鈦酸鋰負極在充放電過程中的體積變化量非常小，僅為0.1%～0.3%，因此鈦酸鋰電池的充放電循環(huán)壽命比普通鋰離子電池的長。

2）鈦酸鋰負極具有三維的鋰離子擴散通道，而石墨及三元材料為二維通道，磷酸鐵鋰材料為一維通道，因此鈦酸鋰電池的高倍率性能比普通鋰離子電池的強。

3）由于鈦酸鋰負極的低溫性能優(yōu)于石墨負極的，因此鈦酸鋰電池的低溫性能也比普通鋰離子電池的強。

但由于鈦酸鋰負極的平臺電壓略高于1.5 V，石墨負極的平臺電壓小于1.0 V，因此相比而言，鈦酸鋰電池能量密度低的劣勢較為明顯。

需要注意的是，鈦酸鋰電池的氣脹現(xiàn)象和充放電循環(huán)壽命與溫度有關(guān)。文獻[18]的研究結(jié)果表明，在25 ℃溫度下，NCM/LTO體系鈦酸鋰電池充放電循環(huán)5000次后的容量為額定容量的89%；而55 ℃溫度下，NCM/LTO體系鈦酸鋰電池充放電循環(huán)720次后的容量為額定容量的80%。因此，NCM/LTO體系鈦酸鋰電池存在最佳工作溫度區(qū)間。不同溫度下NCM/LTO體系鈦酸鋰電池及三元鋰電池的充放電循環(huán)壽命對比[18]如圖10所示。

2.3.2" 飛輪儲能

飛輪儲能是一種物理儲能方式，該方式是通過儲能變流器將電能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動能。

作為一種機械儲能方式，飛輪運行時對基礎(chǔ)水平度要求較高，不宜大于±1°。由于旋轉(zhuǎn)機械的陀螺效應(yīng)[19]，當基礎(chǔ)水平度偏差較大時會對飛輪的平穩(wěn)運行產(chǎn)生影響；相對于重量較輕的小飛輪來說，重量較重的大飛輪對基礎(chǔ)水平度的要求更高，現(xiàn)場調(diào)整基礎(chǔ)水平度也較困難；同等重量的情況下，瘦高型飛輪的重心比矮胖型飛輪的重心更高，運行速度更快，對基礎(chǔ)水平度的要求也更高。

2.3.3" 超級電容

超級電容是一種基于電荷雙電層的吸附原理工作的功率型儲能裝置，其充放電倍率高、時間短且循環(huán)壽命長。

超級電容的正負極材料均為多孔活性炭，電極之間有類似電池的隔膜和電解液，電解液為四氟硼酸四乙基銨鹽/乙腈體系。其中，乙腈的沸點為82 ℃，當超級電容溫度過高時，乙腈沸騰形成蒸汽，造成超級電容內(nèi)部壓力增大直至泄壓閥被沖開，導致超級電容漏液，因此運行中必須避免高溫充放電。

從物理角度來看，超級電容不像電池一樣有明確的陰陽極之分，因為其正負極材料是一樣的。超級電容的充放電原理示意圖如圖11所示。未充電時，正負極電極電位均為φ0；當往超級電容的電極上施加1個電位差時，帶正負電荷的離子在庫倫力作用下分別吸附到兩個電極板上，形成雙電層；放電時，電子流過負荷回到正極，正負離子重新回到電解液中；φ1為電荷變化量。

超級電容的充放電循環(huán)壽命主要與溫度、電壓和充放電次數(shù)有關(guān)。由于正負極材料均為多孔活性炭，在超級電容使用初期，多孔活性炭被電解液中的離子不可逆的堵塞是導致其使用初期容量下降的主要因素；超級電容使用后期，在溫度和電壓的作用下，內(nèi)部進行的電化學反應(yīng)為有害的副反應(yīng)，會導致其容量持續(xù)下降。從全生命周期的角度來看，超級電容的容量衰減先快后慢[20]。

2.4" 數(shù)據(jù)分析

通過在一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)并網(wǎng)交流側(cè)、主回路內(nèi)部直流母線，以及儲能自用電配電柜內(nèi)增加電能表，可統(tǒng)計得到一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)各部分的實際耗電量，從而整理出2022年度一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)的效率指標等數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

從表1可以看出：PCS、隔離變壓器等功率轉(zhuǎn)換器、升壓設(shè)備均對一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)的整體效率造成了一定影響，系統(tǒng)效率（不含廠用電）比儲能設(shè)備本體效率下降了20%以上，其中隔離變壓器的損耗占比約為4%。此外，一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)增加了空調(diào)、泵等輔助設(shè)備，系統(tǒng)效率（含廠用電）比系統(tǒng)效率（不含廠用電）下降了17%以上。一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)的利用小時數(shù)越高，充放電次數(shù)越多，系統(tǒng)效率越高。

具體到這3種儲能形式中，飛輪儲能無空調(diào)設(shè)備，但含有真空泵及液冷系統(tǒng)；鈦酸鋰電池和超級電容均含有空調(diào)設(shè)備，通過維持電池艙內(nèi)溫度處于一定范圍來保證儲能設(shè)備本體正常運行。

當并網(wǎng)點頻率處于死區(qū)范圍內(nèi)時，此時無一次調(diào)頻指令，一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)處于熱備用待機狀態(tài)下，此時飛輪儲能的飛輪處于50%電池剩余電量（SOC）的待機轉(zhuǎn)速附近，需要消耗能量建立飛輪電機的勵磁磁場；超級電容則需要定時通過PCS抬升自身的電壓，防止過放后設(shè)備被損壞。因此，儲能設(shè)備每天的自用電量一定時，一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)的充放電次數(shù)越多，即一次調(diào)頻死區(qū)越窄，系統(tǒng)效率越高。但一次調(diào)頻的本質(zhì)是用經(jīng)濟性換取電網(wǎng)的安全性，因此嚴格來說，功率型儲能技術(shù)的系統(tǒng)效率與一充一放的能量型儲能技術(shù)的系統(tǒng)效率沒有可比性。

一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)的功率指令響應(yīng)曲線如圖12所示，不同形式儲能設(shè)備及集電線路（3511）頻率曲線如圖13所示。

從圖12、圖13可以看出：3種不同形式的儲能設(shè)備組成的一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)能較好地跟隨指令進行充放電，保證了集電線路（3511）頻率保持在一次調(diào)頻的死區(qū)范圍內(nèi)。相比于傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池調(diào)頻技術(shù)，該一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)的充放電循環(huán)壽命更長，且由磷酸鐵鋰電池熱失控所帶來的安全風險也得到了規(guī)避，因此該一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)具有工程應(yīng)用的價值。

3" 結(jié)論

本文依托于新能源場站一次調(diào)頻的實際工程應(yīng)用，研制了基于飛輪儲能、鈦酸鋰電池和超級電容這3種新型功率型儲能技術(shù)的一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)，并對功率型儲能技術(shù)在新能源場站一次調(diào)頻中的功能和應(yīng)用進行了論述，實現(xiàn)了使光伏電站具備一次調(diào)頻功能的目的。研究得出以下結(jié)論：

1）實現(xiàn)一次調(diào)頻功能是新能源場站從非主體電源成長為主體電源過程中應(yīng)當承擔的責任，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定將起到積極的支撐作用。

2）采用靈活的站控層結(jié)構(gòu)和快速的通信方式，才能充分發(fā)揮一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。

3）功率型儲能技術(shù)的充放電循環(huán)壽命長，更適用于一次調(diào)頻的應(yīng)用場景，多種功率型儲能技術(shù)在不同時間尺度上的優(yōu)化配合及長期運行的參數(shù)積累是下一步的研究方向之一。

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RESEARCH ON ROLE AND APPLICATION OF POWER TYPE ENERGY STORAGE TECHNOLOGY IN PRIMARY FREQUENCY

MODULATION OF NEW ENERGY STATIONS

Li Xiaofeng1，Tu Weichao2，Ma Li1，Jiang Mingkun1，Ji Shengfeng3

（1. Qinghai Photovoltaic Industry Innovation Center of State Power Investment Group，Xining 810000，China；

2. Research Center for Advanced Flywheel Energy Storage Technology of North China Electric Power University，Beijing 102206，China；

3. NR Electric Power Electronics Co.，Ltd.，Changzhou 213000，China）

Abstract：In the new power system dominated by new energy，it is faced with the problem of increasing the risk of safe and stable operation of the power system due to the large proportion of new energy generation capacity， mainly manifested in the continuous decline of regulation ability and anti-interference ability of the power grid. How to solve the problem of insufficient frequency regulation capacity of new energy stations through advanced energy storage technology，and develop a power type energy storage system suitable for primary frequency modulation support of new energy stations，to provide technical reserves and scale demonstration for power grid supported new energy stations，in order to achieve friendly and efficient transmission of large-scale new energy power. From the perspective of practical engineering applications in new energy stations，this paper proposes a primary frequency modulation energy storage system composed of three different new power type energy storage technologies：lithium titanate batteries，flywheel energy storage，and supercapacitors. The role and function of power type energy storage technology in primary frequency modulation of new energy stations are verified. The research results show that achieving primary frequency modulation function is the responsibility that new energy stations should undertake in the process of growing from non main power sources to main power sources，and will play a positive supporting role in the safety and stability of the power system. Only by adopting a flexible station control layer structure and fast communication methods can the fast response characteristics of the primary frequency modulation energy storage system be fully utilized. The power type energy storage technology has a long charging and discharging cycle life，making it more suitable for primary frequency modulation applications. The research results can promote the accelerated improvement of the power type energy storage industry chain.

Keywords：primary frequency modulation；new energy；lithium titanate batteries；flywheel energy storage；supercapacitors；power type energy storage；power system