新型快速儲能參與調頻的必要性及可行性

陳遠揚，黃際元，李欣然，吳佩穎

(1.國網湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.湖南大學，湖南長沙410082；3.國網湖南省電力公司經濟技術研究院，湖南長沙410004)

新型快速儲能參與調頻的必要性及可行性

陳遠揚1，黃際元2，李欣然2，吳佩穎3

(1.國網湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.湖南大學，湖南長沙410082；3.國網湖南省電力公司經濟技術研究院，湖南長沙410004)

對新型快速儲能參與電網調頻的必要性以及可行性展開研究。首先，通過分析區域電網及傳統電源的頻率特性、含傳統儲能—抽水蓄能的實際電網調頻性能，分析引入新型快速儲能的必要性；然后，通過分析新型快速儲能的技術經濟性能、參與調頻的控制模式，說明其參與調頻的可行性；最后，依據長株潭電網算例，仿真驗證其對區間聯絡線功率性能的改善效果。結果表明，引進新型快速儲能可以優化調度策略且提高網/省調的協調性。

頻率；聯絡線；快速儲能；功率調整；長株潭

國內的能源中心和電力負荷中心距離跨度大，電力系統遵循著大電網、大電機的發展方向，按照集中輸配模式運行。目前，電力系統調頻主要由一次調頻和二次調頻共同承擔。其中，一次調頻是由系統中的負荷和有旋轉備用容量的發電機組共同自發完成的有差調節；二次調頻即為狹義的自動發電控制 (Automatic Generation Control，AGC)，主要通過實時調節電網中調頻電源的有功出力，對頻率及聯絡線功率進行控制，解決區域電網的功率不平衡問題，以實現無差調節〔1〕。近十年來，隨著可再生能源發電的飛速發展和對電能質量要求的不斷提高，調頻容量不足的問題日益突出，亟需新的調頻手段、具備快速調節特性的儲能來滿足電網的安全穩定要求。

儲能技術主要分為物理儲能 (如抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪等)、化學儲能 (如鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池和液流電池等)、電磁儲能 (如超級電容、超導磁等)以及相變儲能 (冰蓄冷)4種形式。抽水蓄能作為一種傳統儲能技術，應用最廣泛、技術最成熟，主要用于調峰、填谷、調頻、調相和緊急事故備用等，其釋放時間可以從幾個小時到幾天，能量轉換效率在70～85%之間。然而，它本身對地形環境的依賴使其應用受到地域、工程投資和建設工期等因素制約。相對于傳統儲能方式，新型快速儲能技術主要指隨材料科學及生產制造工藝不斷成熟發展的化學儲能和電磁儲能，一般由儲能元件組成的儲能裝置和由電力電子器件組成的能量轉換系統等2部分組成，前者主要實現能量的儲存、釋放或快速功率交換，后者實現儲能裝置與電網之間的能量雙向傳遞與轉換。它具有容量范圍寬 (從幾十千瓦到幾百兆瓦容量不等)、放電時間跨度大 (從毫秒到小時)、應用范圍廣等特點，可貫穿發電、輸電、配電和用電系統〔2〕。目前，國內儲能技術的發展研究，以中國電科院張北風光儲基地電池儲能電站、南方電網深圳寶清電池儲能電站、上海漕溪能源轉換綜合展示基地以及北京石景山熱電廠鋰電池儲能電網調頻系統等4處大容量儲能技術的示范工程為代表，尚屬起步階段。從上述示范工程來看，以電池儲能為代表的新型快速儲能技術已逐漸被業界認識和重視起來〔3－4〕。

1 新型快速儲能參與調頻的必要性

1.1 區域電網及傳統電源的頻率特性

傳統電源主要包括核電、火電以及水電機組等。其中，核電機組基本處于滿載運行且不宜突然改變出力，從而可忽略其參與調頻的能力；而水電機組和火電機組均由具有旋轉慣性的機械器件組成，將一次能源轉換成電能將經歷一系列過程，其參與電網調頻均具有一定的限制與不足:例如，火電機組響應時滯長，不適合參與較短周期的調頻，參與二次調頻的火電機組受爬坡速率限制(Generation Rate Constraint，GRC)，不能精確跟蹤調度調頻指令；水電機組的調頻容量易受地域與季節制約；另外，傳統電源在機組控制中要考慮對響應功率幅值與極性改變速度的限制，甚至對同一方向的功率信號持續時間規定一個限值，在此時間段內封鎖反向功率信號。以上限制均會導致調節的延遲、偏差及反向等現象，而對調頻信號的不準確響應，使得電網調度需要更大更快的響應功率儲備〔1〕。然而，國內的能源結構中又以火電機組為主 (比重約 83.16%)，水電機組 (比重約12.37%)為輔。因此在電網調頻中起主要作用的是調頻能力較弱的火電機組，導致區域電網整體調頻能力更為有限。此外，火電機組若長期承擔繁重的調頻任務又會進一步加劇機組設備磨損，不但顯著增加燃料使用、運營成本、廢物排放和系統的熱備用容量等，也更加惡化了其參與調頻的質量和靈活性〔5〕。

如何進一步提高區域電網的調頻能力，并同時提高傳統電源的運行效率，是電力輔助服務市場的重要課題。

1.2 實際電網中傳統儲能的調頻性能分析

黑麋峰抽水蓄能電廠位于長沙市望城區橋驛鎮境內，緊鄰湖南電網負荷中心長株潭地區〔6〕。電廠安裝4臺單機容量30萬kW的可逆式機組，總裝機容量120萬kW，并通過500 kV黑沙線接入500 kV沙坪變。自2009年6月投運以來，一直擔負著削峰填谷、調頻調相、事故備用等任務，對優化電網電源結構，解決負荷季節性不均衡問題起到了積極意義。

一般而言，停備、并網發電、并網抽水為抽水蓄能機組主要工況。為了調節電網峰谷差，抽蓄機組一般在23∶00—9∶00(次日)區間內抽水，在9∶00—22∶00區間內發電。由于黑麋峰電廠單機達到300 MW，其并網發電時機組出力增加率較快，調節范圍為180～300 MW，而并網抽水機組只有－300 MW一個運行值。因此1臺機組并網抽水時相當于瞬間300 MW左右的負荷波動，并網發電也相當于有180 MW左右的波動，對電網發供電平衡影響較大，造成省間聯絡線相應波動，對省內平衡聯絡線備用容量要求較高。以抽水為例，從下令啟停機組，到抽蓄機組抽水工況并網接帶負荷，需要為8～12 min不等，而這期間恰恰是下備用最為緊張的時刻，聯絡線有可能持續低于日前計劃，而瞬間接帶300 MW負荷，又極有可能使聯絡線瞬時高于計劃，這樣對每15 min進行網間聯絡線控制偏差 (Area Control Error，ACE)絕對值調整控制，顯然是不利的。

從調度下令啟停機組、接帶負荷、省間聯絡線功率沖擊等相應關系的角度，統計分析了2014年7月1—16日的黑麋峰抽水蓄能電廠機組啟停次數、接帶負荷等相關數據。在統計時間內，黑麋峰抽水蓄能電廠一共有效開、停機共162次，其中抽水工況并網共34次，發電工況并網48次。由啟、停機所引起網間聯絡線波動在200 MW及以上，達93次，占總啟停次數的57.4%。如圖1所示，啟停機組使聯絡線產生較大波動，①，②點黑麋峰開機抽水工況并網造成聯絡線瞬間超用計劃200 MW以上，而③，④，⑤點機組停機，又造成聯絡線瞬時少用計劃超過100 MW。

圖1 某日黑麋峰電廠實時出力及聯絡線計劃、實際曲線

抽水蓄能電廠機組啟停，對參與電網削峰填谷、調頻調峰具備積極的意義，但是對省間聯絡線功率波動也是不容忽視，需要制定有效的措施、經驗調度進行預防控制。因此，引入更加快速、靈活的調頻技術來彌補傳統儲能在調頻上的缺陷，是有必要的。

2 新型快速儲能參與調頻的可行性

2.1 技術經濟性能

技術性能方面，在額定功率范圍內，新型快速儲能的輸出外特性具有以下特點:①響應速度快。可在毫秒范圍內滿功率輸出，響應能力完全滿足調頻時間尺度內的功率變換需求；②控制精確。可在任何功率點保持穩定輸出；③雙向調節能力。充電過程表現為負荷，放電過程表現為電源。因此，若采用新型快速儲能，幾乎能實現調頻跟蹤曲線與指令曲線重合，即調節反向、偏差和延遲等現象將不會出現。

新型快速儲能參與調頻的優勢在于:在受控狀態下可實現上調功率、下調功率或兩者的交替，從長期來看，上調和下調功率趨于平衡，從而需配置的容量較小；響應功率儲備裕度小，其對充放電命令響應快速準確，可以減少功率儲備裕度；調頻過程中處于浮充電狀態，相對于平抑電網峰谷負荷需要深度充放電來說，對其壽命影響較小，可理解為參與調頻的成本較低廉。

基于火電機組在國內的能源結構中所占的大比重，文獻〔7〕分析得到1 MW儲能提供的AGC調頻能力相當于25 MW火電機組的調節能力，且隨著電網的調節需求越緊迫，儲能的優勢越明顯的結論，此結論與國外研究機構提出的結論相似〔8〕。

經濟性能方面，新型快速儲能的調頻經濟性能一般從投資成本、壽命期內的運行及維護成本、對系統總調頻成本影響進行分析:

1)投資成本方面，經分析文獻〔3〕可知儲能年平均投資是火電機組的2.7～4.7倍，考慮到在實際調頻效果上兩者有近20倍的差異，并且儲能未來還有成本下降的空間，從長期的電源投資建設來看，配置少量的儲能具備一定的效益。

2)運行成本具有一定的優勢。由于AGC上下調節的過程可以近似為能量平衡的過程，并且在此過程中都是在為系統提供調頻服務，因此其運行成本較低，主要是由運行效率產生的能量消耗決定。

3)儲能對系統總調頻成本的影響較難估測，但因其快速精確的跟蹤特性，可顯著減少系統所需旋轉備用容量，而節省的旋轉備用容量可用于電網調峰、事故備用等，能夠產生一定的間接效益。

2.2 參與調頻的控制模式

對于新型快速儲能，通過控制其變流器模擬傳統電源的下垂特性可實現參與一次調頻，而根據ACE信號控制其充放電可實現參與二次調頻〔9〕。由于電網的頻率是統一調節的，因此儲能的容量必須足夠大才能有效地響應頻率變化，但較小的容量可對區間聯絡線功率水平的改善起到顯著的作用。

綜上可知，與傳統電源相比，新型快速儲能的技術優勢較明顯，經濟優勢逐步顯現。因此，在合適的場景下，配置少量的新型快速儲能容量，能有效提升以火電機組為主的電網整體調頻能力，提高頻率及ACE控制的合格率，進而保證電網安全穩定。

3 仿真驗證及分析

3.1 長—株—潭三區域網絡模型

長株潭城市群位于湖南中東部，包括長沙、株洲和湘潭三市，日平均供電負荷占湖南電網總負荷的35%，裝機容量占總裝機的25%，為典型負荷中心、受端電網。以冬小運行方式對應的開機方式為基礎構建出長—株—潭三區8機的區域等效模型、區域示意和開機情況分別如圖2和表1所示。

由表1可知，長沙的600 MW火電機組和株洲的300 MW火電機組均為滿發狀態，僅湘潭的火電機組和株洲的小容量水電機組還有額外的調節容量。按照一次調頻占可調機組額定容量8%的原則，計算可得一次調頻容量為32.96 MW。同時，依據 《華中電網發電機組一次調頻運行管理規定》，火電機組調差系數取0.05 p.u.，一次調頻容量取8%，GRC為0.001 7 p.u.MW/s；而水電機組的調差系數取0.04 p.u.，且不受一次調頻容量和GRC限制。機組的其余參數可參考文獻〔1〕，并以額定頻率50 Hz和最大功率機組 (即長沙01的額定功率 (600 MW))為基準進行標幺化。

圖2 長—株—潭三區域示意圖

表1 長—株—潭區域電網機組情況MW

3.2 仿真條件

假設電網的穩態頻率偏差限值為0.002 p.u.Hz (0.1 Hz)，聯絡線傳輸功率極限為0.1 p.u.MW。首先將前述三區域等效模型轉換為狀態空間方程〔10〕，然后接入張北風光儲基地的1 MW/1 MWh磷酸鐵鋰電池儲能至長沙地區，設置其SOC范圍為 (0.2，0.8)，選用模型控制預測控制器(Model Predict Control，MPC)進行控制，其中MPC控制器采樣周期為0.5 s，預測時具體如圖3、圖4及表2所示。控制變量中，u1和u3分別為株洲和湘潭的傳統電源調頻出力；ue為電池儲能的調頻出力；ΔPL2為階躍負荷擾動。輸出變量中，Δf1、Δf2和Δf3分別為株洲、長沙和湘潭的頻率偏差；ΔPtie1、 ΔPtie2和 ΔPtie3分別為長沙與株洲、 長沙與湘潭、湘潭與株洲的聯絡線交換功率偏差；ACE1和ACE3分別為株洲和湘潭的ACE信號。可以有效應對常見的負荷擾動，且調節時間較短。對于典型的0.025 p.u.MW的負荷擾動，長株潭三區域互聯系統在60 s便完成頻率調整，且穩態頻率偏差在電網技術規定的死區范圍內。

圖3 控制變量圖

圖4 輸出變量圖

表2 電池儲能接入前后的MPC調頻效果對比

3.3 結果分析

當在長沙接入電池儲能后，通過MPC控制器，在負荷擾動發生后迅速以額定功率進行出力，有效地在短時間內抑制頻率偏差以及聯絡線交換功率的偏移。相比不含儲能的工況，各區域的頻率超調量及波動程度明顯減小，長沙的聯絡線交換功率偏移也顯著減少，部分調頻責任向長沙轉移。此外，株洲及湘潭的機組出力及其調節時間也減小，有效地削弱了GRC給調頻性能所帶來的影響，減少了火電機組的磨損。仿真結果證明設計的MPC取得了較好的控制效果，接入電池儲能可顯著改善系統的區間聯絡線功率水平。

4 結論

1)新型快速儲能比傳統調頻電源高效，其能夠滿足電網對調頻資源的緊迫需求，通過對含抽水蓄能的湖南電網分析可知引入新型快速儲能很有必要。

2)考慮技術經濟性能及調頻控制模式，在合理場景下配置較小容量的儲能參與調頻，不僅能有效提升電網調頻能力、減少對傳統電源依賴，還能使調頻控制更迅速、精確地滿足調頻要求。

3)依據長株潭電網冬小運行方式構建的區域等效模型，仿真表明較小的電池儲能容量即能有效改善區間聯絡線功率調節的性能，顯著提高網/省調的協調性。

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Necessity and feasibility of involving new fast energy storage systems in frequency regulation

CHEN Yuanyang1，HUANG Jiyuan2，LI Xinran2，WU Peiying3
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.Hunan University，Changsha 410082，China；3.State Grid Hunan Electric Power Corporation Economic＆Technology Institute，Changsha 410004，China)

Necessity and feasibility of involving new fast energy storage systems in power grid frequency regulation are studied in this paper.Firstly，by analyzing the basic frequency characteristics of region grids and traditional generators and the frequency regulation performance of an actual grid containing traditional storage systems(pump storage plants)，the necessity of involving new fast energy storage systems in frequency regulation is illustrated.Then，by analyzing the technical and economic performance of new fast energy storage systems and their control mode in frequency regulation，the feasibility of their involvement in frequency regulation is proved.Finally，based on Chang-Zhu-Tan(CZT)Grid Case，the improvement scale of tie-line power control performances is measured through simulations.The results show that involving new fast energy storage systems can optimize the dispatching strategy and improve the coordination between networks.

frequency；tie-line；fast energy storage；power regulation；Chang-Zhu-Tan

TM734

A

1008-0198(2015)06-0015-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.004

陳遠揚 (1987)，男，碩士研究生，工程師，從事調度運行工作。

2015-05-04 改回日期:2015-07-07