儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)并網(wǎng)測(cè)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(shù)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080）

隨著新能源的大量并網(wǎng)，風(fēng)電及光伏發(fā)電的波動(dòng)性和不確定性使得電網(wǎng)短時(shí)間內(nèi)的能量不平衡加劇[1-2]。傳統(tǒng)能源（特別是火電）在響應(yīng)調(diào)頻指令時(shí)具有滯后性，調(diào)頻速度慢，無法滿足新增的調(diào)頻需求。而儲(chǔ)能系統(tǒng)，特別是電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有功率吞吐實(shí)時(shí)響應(yīng)能力強(qiáng)、控制精準(zhǔn)等特點(diǎn)[3-4]，成為新的高效調(diào)頻手段。這大大促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)電廠側(cè)的應(yīng)用及發(fā)展[5]。隨著國內(nèi)電力輔助調(diào)頻市場(chǎng)的推進(jìn)，巨大的調(diào)頻市場(chǎng)進(jìn)一步加速了儲(chǔ)能行業(yè)在電廠側(cè)的發(fā)展[6-10]。大量發(fā)電廠將加裝電化學(xué)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)，以更快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻指令，獲得更多調(diào)頻收益[11-12]。國內(nèi)已投運(yùn)的主要儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目見表1。

電廠側(cè)儲(chǔ)能調(diào)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(wǎng)，不僅關(guān)系到儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的安全，而且會(huì)影響到高壓廠用電母線上負(fù)荷的正常運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行問題，電廠側(cè)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的并網(wǎng)性能應(yīng)得到高度重視與關(guān)注。

表1 國內(nèi)主要儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目Tab.1 Main energy storage and frequency modulation projects in China

我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)近幾年才高速發(fā)展起來，絕大部分儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)性能沒有經(jīng)過規(guī)范全面的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下隱患。在針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)測(cè)試的國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之前，國內(nèi)的儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)測(cè)試主要依據(jù)國家電網(wǎng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)測(cè)試規(guī)范》開展。該標(biāo)準(zhǔn)主要適用于接入配電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，檢測(cè)內(nèi)容包括儲(chǔ)能系統(tǒng)容量、充放電時(shí)間、充放電響應(yīng)時(shí)間及轉(zhuǎn)換時(shí)間、能效特性、自放電率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)及電能質(zhì)量檢測(cè)，并未涵蓋儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率控制能力測(cè)試、電網(wǎng)適應(yīng)能力以及故障穿越能力測(cè)試等項(xiàng)目。對(duì)于電廠側(cè)的儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)，該標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試內(nèi)容不夠全面，已不適用。

針對(duì)電廠側(cè)的儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)，國內(nèi)此前尚未開展過并網(wǎng)測(cè)試。本文依據(jù)2019 年2 月1 日開始實(shí)施的最新國家標(biāo)準(zhǔn)《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》及《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測(cè)試規(guī)范》，編制了儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)測(cè)試方案，并對(duì)電廠側(cè)的儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)開展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。試驗(yàn)過程與結(jié)果對(duì)其他儲(chǔ)能工程有指導(dǎo)與參考意義。

1 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)

廣東省某電廠5、6 號(hào)機(jī)組為2×300 MW 循環(huán)流化床機(jī)組。為提高機(jī)組的調(diào)頻性能，加裝了電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)。該儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)配備了9 MW/4.478 MW·h磷酸鐵鋰電池。共有5 個(gè)電池集裝箱，其中1—4 號(hào)電池集裝箱額定容量為2 MW/995.328 kW·h，5 號(hào)電池集裝箱額定容量為1 MW/497.664 kW·h。每個(gè)電池箱配有相應(yīng)的中壓箱安置儲(chǔ)能變流器。每臺(tái)儲(chǔ)能變流器容量為500 kW，對(duì)應(yīng)3 簇電池。每簇電池由9 個(gè)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(chǔ)能系統(tǒng)通過斷路器與6 kV 廠用電A、B 段相連，實(shí)現(xiàn)電力的充放與系統(tǒng)保護(hù)。實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)依據(jù)調(diào)度實(shí)際負(fù)荷指令變化情況與電池實(shí)時(shí)狀態(tài)，共同響應(yīng)調(diào)度有功指令變化，以適應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻要求。儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的主接線如圖1 所示。

2 并網(wǎng)性能測(cè)試方案

本測(cè)試方案參照2 項(xiàng)最新國家標(biāo)準(zhǔn)制定，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況作了適當(dāng)調(diào)整，涵蓋了電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試（包含頻率適應(yīng)性測(cè)試、電壓適應(yīng)性測(cè)試）、功率控制測(cè)試、過載能力測(cè)試、電能質(zhì)量測(cè)試、保護(hù)功能測(cè)試、充放電響應(yīng)時(shí)間測(cè)試、充放電調(diào)節(jié)時(shí)間測(cè)試、充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間測(cè)試、額定能量測(cè)試、能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試等十余項(xiàng)。具體項(xiàng)目、測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試工具見表2。表2 所列的測(cè)試內(nèi)容均在現(xiàn)場(chǎng)開展。由于測(cè)試項(xiàng)目繁多，本文僅選取較具代表性的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分析。測(cè)試前應(yīng)檢查儲(chǔ)能系統(tǒng)主要設(shè)備都能正常工作，進(jìn)行過額定功率的充放電。除額定能量測(cè)試及轉(zhuǎn)換效率測(cè)試外，其他測(cè)試前儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)將荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）調(diào)節(jié)至50%左右，并按照測(cè)試項(xiàng)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(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)并網(wǎng)測(cè)試項(xiàng)目Tab.2 Interconnection test items of the energy storage frequency modulation system

3 并網(wǎng)測(cè)試與性能分析

3.1 充放電響應(yīng)性能測(cè)試與分析

輔助調(diào)頻系統(tǒng)是通過接收調(diào)度機(jī)構(gòu)下發(fā)的AGC 指令，與機(jī)組一起響應(yīng)AGC 指令來完成輔助調(diào)頻功能。對(duì)AGC 指令的響應(yīng)性能直接影響其輔助調(diào)頻作用。儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)參與調(diào)頻的控制示意如圖2 所示。

對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電響應(yīng)性能測(cè)試，一方面可檢驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)能否正確響應(yīng)AGC 指令，是否存在不響應(yīng)、過載響應(yīng)或響應(yīng)功率不正確的情況；另一方面可測(cè)出儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于AGC 指令的響應(yīng)時(shí)間，以評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)及調(diào)節(jié)速率指標(biāo)的提升情況。

測(cè)試時(shí)，從機(jī)組分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）置數(shù)模擬AGC 指令發(fā)送給儲(chǔ)能系統(tǒng)，記錄儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于指令的響應(yīng)過程。儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是指儲(chǔ)能系統(tǒng)收到控制信號(hào)的時(shí)刻到儲(chǔ)能系統(tǒng)首次達(dá)到控制指令的90%功率值所用時(shí)間[15]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間包含了儲(chǔ)能系統(tǒng)從接收到AGC 指令到發(fā)送至本地控制器的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)t1和控制器接收到指令響應(yīng)至90%目標(biāo)功率值的功率響應(yīng)時(shí)間t2。儲(chǔ)能系統(tǒng)A 段及B 段的放電響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3、表4。由表3、表4 可知：儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間都小于2 s，這可大幅提高機(jī)組的調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)，但其分布具有一定的離散性；儲(chǔ)能系統(tǒng)A 段6 次的測(cè)試數(shù)據(jù)較為分散，6 次測(cè)試結(jié)果不管是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)還是功率響應(yīng)時(shí)間均差異較大；儲(chǔ)能系統(tǒng)B 段6 次測(cè)試結(jié)果較為穩(wěn)定，其中網(wǎng)絡(luò)延時(shí)在整體響應(yīng)時(shí)間的占比超過80%，即B段儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體響應(yīng)時(shí)間主要由網(wǎng)絡(luò)延時(shí)決定。

表3 儲(chǔ)能系統(tǒng)A 段放電響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù) 單位：sTab.3 Discharge response test data of the energy storage system A-step

表4 儲(chǔ)能系統(tǒng)B 段放電響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù) 單位：sTab.4 Discharge response test data of the energy storage system B-step

儲(chǔ)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(tái)儲(chǔ)能換流器；B 段容量為3 MW，有6 臺(tái)儲(chǔ)能換流器。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：在儲(chǔ)能換流器數(shù)量較少時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間較為穩(wěn)定，主要取決于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)；而當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量較大，儲(chǔ)能變流器數(shù)量較多，儲(chǔ)能系統(tǒng)控制器的控制量增多，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較為離散，體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與功率響應(yīng)時(shí)間均不穩(wěn)定。

3.2 功率控制性能測(cè)試與分析

電化學(xué)儲(chǔ)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(shù)控制。對(duì)于儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)，在正常工作時(shí)只發(fā)有功功率，不發(fā)無功功率，功率因數(shù)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(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)最基本的功能，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行有功功率控制可測(cè)試儲(chǔ)能系統(tǒng)能否正確響應(yīng)大小和方向均變化的AGC 指令，是否存在不響應(yīng)或不正確響應(yīng)的情況，并測(cè)出儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同功率點(diǎn)的功率控制精度。

測(cè)試時(shí)，通過DCS 按照升功率及降功率曲線下發(fā)相應(yīng)的控制指令，記錄儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)過程，每個(gè)功率點(diǎn)記錄至少30 s。儲(chǔ)能系統(tǒng)的升功率測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。表5 中，功率值為正表示放電，功率值為負(fù)表示充電。降功率數(shù)據(jù)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(yùn)行狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出/輸入功率依據(jù)其設(shè)定值變化時(shí)，其輸出/輸入功率控制的穩(wěn)定程度，按式(1)計(jì)算。

式中，δP為功率控制精度，PM為實(shí)際測(cè)量每次階躍后第2 個(gè)15 s 有功功率平均值，Ps為功率設(shè)定值。

由表5 可見：儲(chǔ)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(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制精度較差，大于1.3%；隨著功率指令增大，儲(chǔ)能系統(tǒng)在放電時(shí)控制精度較高，小于0.7%，而充電時(shí)精度較差，均大于1.3%。

表5 Pn=9 MW 時(shí)的升功率測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.5 The raising power test data when Pn=9 MW

儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率響應(yīng)精度主要受2 方面的影響：一方面，受儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)接收后，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)傳給控制器。控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳輸過程存在誤差，誤差可達(dá)幾十千瓦。所以功率指令較小時(shí)，功率控制精度會(huì)較差。另一方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率控制主要由儲(chǔ)能換流器實(shí)現(xiàn)，儲(chǔ)能換流器采集本體出口側(cè)的交流功率進(jìn)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(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電時(shí)功率偏大，放電時(shí)功率偏小。這2 方面影響因素的疊加，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同功率點(diǎn)的控制精度不同。

有功功率控制測(cè)試雖然可以模擬功率指令的變化來測(cè)試儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)，但與儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的工況差異較大。有功功率測(cè)試時(shí)間較短，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)僅保持30 s，且只有儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)響應(yīng)AGC 指令，沒有與機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻，無法測(cè)試儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻性能。故對(duì)于儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)，完成表1 的測(cè)試項(xiàng)目后，建議再進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合機(jī)組的AGC 性能測(cè)試，才能保證儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)投入運(yùn)行后與機(jī)組一同參與調(diào)頻的安全性。

3.3 故障穿越性能測(cè)試與分析

為了模擬電網(wǎng)的電壓與頻率變化，測(cè)試時(shí)需要接入電網(wǎng)模擬裝置，將電網(wǎng)模擬裝置串入母線與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間。

3.3.1 低電壓穿越

《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖3 中曲線1 輪廓線及以上區(qū)域時(shí)，應(yīng)不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，否則允許電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)脫網(wǎng)。測(cè)試時(shí)，選取0%、20%、40%、60%、80%額定電壓5 個(gè)電壓跌落點(diǎn)，并按照?qǐng)D3 的曲線選取跌落時(shí)間。調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在充電或放電狀態(tài)下，控制電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓跌落至測(cè)試點(diǎn)，記錄儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓及電流波形。低電壓穿越測(cè)試需在儲(chǔ)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(jìn)行1 次。

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

由圖4 可見：該儲(chǔ)能系統(tǒng)具備低電壓穿越能力，在并網(wǎng)點(diǎn)電壓突然降低時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)整了三相電流的相位，將有功功率轉(zhuǎn)為無功功率支撐電網(wǎng)；在電壓恢復(fù)時(shí)，再逐步降低無功功率恢復(fù)有功功率。

儲(chǔ)能系統(tǒng)能否通過低電壓穿越測(cè)試，主要取決于儲(chǔ)能變流器的性能。在系統(tǒng)電壓突然降低時(shí)，變流器直流側(cè)會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)過流現(xiàn)象。儲(chǔ)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(chǔ)能電流器的過流保護(hù)定值整定得較低，在1.1~1.2 倍左右。電網(wǎng)發(fā)生故障電壓降低時(shí)，儲(chǔ)能變流器直流側(cè)的過流現(xiàn)象，可能引發(fā)過流保護(hù)動(dòng)作而使儲(chǔ)能系統(tǒng)脫網(wǎng)。在故障恢復(fù)瞬間，也會(huì)出現(xiàn)換流器交流側(cè)的過流現(xiàn)象。故障瞬間及恢復(fù)瞬間的過流現(xiàn)象是儲(chǔ)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(cè)試要求儲(chǔ)能系統(tǒng)在120%~130%額定電壓下能持續(xù)運(yùn)行0.1 s，在110%~120%額定電壓下能持續(xù)運(yùn)行10 s 不脫網(wǎng)，具體要求如圖5 所示。

測(cè)試時(shí)，選取113%及122%額定電壓2 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并按照?qǐng)D5 中的曲線選取抬升時(shí)間，得到的測(cè)試波形如圖6 所示。調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在充電或放電狀態(tài)下，控制電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓抬升至測(cè)試點(diǎn)，記錄儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓及電流波形。高電壓穿越測(cè)試需在儲(chǔ)能系統(tǒng)額定工況及輕載工況（0.1～0.3 倍額定功率）各進(jìn)行1 次。由圖6 可見：在122%額定電壓測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試波形與113%額定電壓測(cè)試點(diǎn)的波形一致；該儲(chǔ)能系統(tǒng)具備高電壓穿越能力。

對(duì)參與輔助調(diào)頻的儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，當(dāng)系統(tǒng)電壓升高，儲(chǔ)能系統(tǒng)不參與自動(dòng)電壓控制（automatic voltage control，AVC）調(diào)節(jié)，故儲(chǔ)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(jié) 論

1）被測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)AGC 信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間小于2 s，可大幅提高機(jī)組的調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)，但響應(yīng)時(shí)間的分布具有一定的離散性。

2）被測(cè)儲(chǔ)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(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)具備高、低電壓穿越能力。在低電壓穿越時(shí)，應(yīng)關(guān)注故障瞬間及恢復(fù)瞬間的過流現(xiàn)象。