大容量電力儲能調峰調頻性能綜述

文賢馗，張世海，鄧彤天，李盼，陳雯

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

0 引言

頻率是衡量電網電能質量的指標之一，必須通過各種手段調整電網頻率保持在合格范圍內，維持電力系統中發電設備和用電設備的安全穩定運行[1-2]。

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

大容量電力儲能技術具有調節范圍大、快速響應、精確跟蹤、可雙向調節的特點[9-10]，美國西北太平洋國家實驗室的研究報告指出[11]：具有快速調節能力的儲能技術能夠更有效地提供調頻服務；根據California電力市場的電源特點，平均來看，電化學儲能調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調峰調頻手段高效，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調峰與調頻

1.1 大容量電力儲能類型

電力儲能按照轉化存儲具體方式可分為電化學、機械、電磁三大類型。其中電化學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；電磁儲能包括超導磁儲能、超級電容器儲能[13-17]，主要技術指標具體見表1[18-19]。

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

1.2 電網調峰與調頻

電力系統的頻率反映了發電有功功率和負荷之間的平衡關系，是電力系統運行的重要控制參數，偏離電網正常運行頻率，將影響電力設備本身的效率，偏離較多時甚至威脅設備安全運行。

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

電力負荷在一天內是不均勻的，中午和晚上出現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，每當用電高峰時，總是用增加發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，又總是減少發電機組的出力，保持發電、輸電和用電之間每時每刻的平衡，使供電的頻率質量在合格范圍內。這種隨時調節發電出力以適應用電負荷每天周期性變化的行為，稱為調峰[20]。

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

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

因此，參與電網調峰調頻主要指標是儲能的功率調節范圍和響應速度(響應時滯、響應時間和爬坡速率)。

2 大容量電力儲能參與電網調峰調頻特性

2.1 電化學儲能

在電網大規模應用的電化學儲能主要包括鉛酸、鋰離子、鈉硫和全帆液流等電池儲能，種類眾多，各具優點，技術特性指標見表2[22-23]。

以上電化學儲能雖在運行機理和技術成熟度都存在差異，都屬于化學能與電能的可逆轉換，較易實現大容量儲能，在電網中的調峰調頻作用相似，因此統一進行綜述。

表2 大規模電化學儲能主要技術指標Tab. 2 Main technical parameters of large-scale electrochemical energy storage

利用大容量電化學儲能改善電網一次調頻性能方面，文獻[24]提出了基于固定斜率、考慮一定一次頻率控制死區的下垂控制策略，文獻[25]提出了融合考慮電網頻率變化速率、頻率偏差的控制策略，均取得良好效果。

二次調頻方面，2011年國家風光儲輸示范工程(一期)分別進行了儲能電站跟蹤智能電網調度控制系統和華北網調下發的調頻功率測試，電池儲能電源能快速精確地跟蹤指令[26]。儲能系統裝設在發電廠以輔助單臺或多臺火電機組參與自動發電控制(automatic generation control，AGC)調頻，在調節延時、超調、反調等情況下執行不同充放策略[27]。文獻[28]提出使用ACE信號的儲能電源控制方式。電化學儲能還能以電動汽車-電網互動(vehicle to grid，V2G)參與電網二次調頻，文獻[29]提出了一根據車輛的可用容量按比例分攤總的響應功率的控制策略。

電化學儲能國內以以下5處大容量儲能電池的示范工程為代表，并各具特色。南方電網深圳寶清儲能電站[30]是國內首座MW級儲能電站；中國電科院張北風光儲基地[31]除了建設磷酸鐵鋰、全釩液流、鈉流電池等多種電化學儲能，還建設超級電容器，并規劃建設壓縮空氣儲能，是目前國內儲能類型最齊全的示范基地；上海漕溪能源轉換綜合展示基地[32]是在市中心繁華地段建設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調頻系統[33]依靠儲能系統提升傳統熱電機組的調頻能力；江蘇鎮江電網側儲能電站包括8個儲能站，總容量達20.2萬kW?h，是目前國內最大的電網側儲能電站。

綜上，電化學儲能在電網調峰調頻中的應用最為廣泛，覆蓋了電廠側、電網側和用戶側，有著運行控制簡單、可以實現無人操作、系統充放電響應快速、充放電調節范圍可以達到全容量內而沒有限制等特點，近年得到了大規模推廣應用，在一二次調頻和系統調峰各方面都有較多研究和應用。電化學儲能通過電力電子裝置接入電網系統，存在沒有轉動慣量的缺點，需要輔助虛擬同步機等技術提高系統調峰調頻的穩定性。

2.2 抽水蓄能

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

隨著電力電子技術的發展，抽水蓄能電站的啟動運行方式也逐漸轉變為變頻調速啟動。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峰調頻的負荷受到蓄能機組運行狀態限制，不能在額定輸出功率范圍內雙向隨意調整。這是由于水電機組偏離設計工況、在某些運行區間會引發機組振動變大，稱為水電機組“振動區”。不但會加大水輪機葉片損耗，振動過大甚至會造成機組機械部分和廠房基礎設施損壞，要避免機組在振動區運行，需對輸出功率進行限制，不能全過程調節[38-39]。由于抽水蓄能機組出力調節過程中導葉開度的變化，其水力系統中產生水壓變化，出現水錘[40]。水錘現象加劇了抽水蓄能機組出力調節的復雜性。

抽水蓄能機組參與電網一次調頻，文獻[41]采用魯棒控制方法，基于系統整體狀態方程，并以輸入信號權重的形式考慮風電出力波動特性，有針對性地對風電出力波動進行調節抑制。

參與電網二次調頻運行，文獻[42]采用由快速階躍調整與慢速連續調整2種類型的調控手段組成的新型頻率控制系統，于廣東電網進行了現場實驗。在 2臺抽水蓄能機組的參與下，廣東電網頻率在 3個負荷急升急降段內能夠被控制在±0.03 Hz之內。在區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頻的動態響應。

抽水蓄能電站在發電釋能階段就是一臺水力發電機組，技術最為成熟，機組容量在各種電力儲能類型中為最大，調整負荷速度較快，需考慮“振動區”限制不能實現全容量范圍調節，提供轉動慣量，是電網重要的調峰調頻手段。

2.3 飛輪儲能

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

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

美國的Vista Tech Engineer公司將飛輪引入風力發電系統，風電機組的輸出特性得到了較大改善，經濟性能良好[50-51]。文獻[52]利用飛輪儲能輔助風電場參與電網的一次頻率控制，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，自放電率高，需要在具備頻繁在儲能/釋能工作狀態中切換才能維持較高的轉化效率，這在電網一次調頻中有較多的應用場景。

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10 MW機組，均采用多級壓縮放熱和多級膨脹吸熱[55]。在電網電量過剩時，啟動壓縮空氣儲能過程，消耗電能驅動壓縮機運行，空氣經多級壓縮后進入壓縮空氣儲氣罐；電網電量緊缺時，啟動膨脹機發電過程：儲氣罐內的高壓空氣進入膨脹機進行多級膨脹，驅動膨脹機旋轉，經減速后驅動發電機發電[56]。國外投產的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，對電網調峰調頻響應較為迅速，美國Alabama州McIntosh壓縮空氣儲能電站1991年投入商業運行，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商業原型機儲能響應時間小于13 s。

補燃型壓縮空氣儲能因為要補充燃氣進行燃燒，在調峰調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參與調峰調頻運行，也未見相關研究文獻。但其調節容量可以做到較大(目前已在開展 100 MW 前期工作)，調節速度較快，可以做到全容量范圍內調節，提供轉動慣量等優點，在電網調峰調頻中有很好的應用前景。

2.5 大容量電力儲能調峰調頻特性比較

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

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

3 研究發展趨勢

通過以上分析可知，各種大容量電力儲能的調峰調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用需求也越來越多，其參與電網調峰調頻技術還有很大的研究前景和發展空間。

1）加快對壓縮空氣儲能技術和飛輪儲能的研究。目前對抽水蓄能和電化學儲能參與電網調峰調頻的研究較多，已有不少的工程應用，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的熱力性能、轉化效率方面。

2）加強儲能階段調峰調頻特性的研究。目前研究主要在發電釋能階段如何參與電網一二次調頻和調峰運行，而對于儲能耗電階段的研究較少，特別是隨著變頻技術在水泵抽水蓄能、壓縮機壓縮空氣階段的應用，其參與電網的用能負荷可以進行調節，進而提高電網的調峰調頻能力。

3）開展對多種儲能技術聯合互補運行的研究。各種大容量電力儲能技術各有特點，而電網也有不同的應用場景，因此開展多種技術聯合互補運行則可以揚長避短，充分發揮各種儲能技術的優點，滿足電網調頻功率調節范圍和響應速度的綜合要求。

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，已成為在電網大規模推廣運用的最大瓶頸，補償機制不完善也限制了發展，應開展相關研究實施，通過經濟杠桿可以推動大容量電力儲能在電網調峰調頻中發揮更大的作用。

4 結論

能夠在電網起到削峰填谷、系統調頻作用的大容量電力儲能有電化學(蓄電池)儲能、抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能4種類型，具有功率調節范圍大、響應速度快、具備雙向調節等共同特點，也各有特色。下一步應加強對壓縮空氣儲能和飛輪儲能調峰調頻特性、儲能階段調峰調頻特性、各種儲能技術聯合互補運行、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調峰調頻中發揮更大的作用。