電化學儲能電站并網指標體系研究

陽小丹，顏博文，黃際元*，吳東琳，胡斌奇，龔柳文

(1. 國網湖南省電力有限公司長沙供電分公司，長沙 410015；2. 國網湖南省電力有限公司，長沙 410007；3. 長沙市制造業發展促進中心，長沙 410007)

0 引言

隨著《“十四五”新型儲能發展實施方案》的印發，儲能行業整體向商業化初期過渡，市場規模穩步擴大，支撐作用初步顯現。據國網湖南省電力有限公司研究報告，預計“十四五”末，湖南省源、網、荷三側的電化學儲能電站的裝機容量將達到500 萬kW。然而，電化學儲能電站在電網的主動支撐和經濟運行的規范性評價指標體系尚不完善，導致其存在安全風險且功能減損，造成其投入產出比較差，成為電化學儲能電站建設及應用的瓶頸，而建立電化學儲能電站并網指標體系可以解決這一問題。

GB/T 36549—2018《電化學儲能電站運行指標及評價》對電化學儲能電站上網電量、下網電量、儲能損耗率、調度響應成功率等進行了定義，并建議評價以年為單位。但此標準中的電站運行小時數、電站等效利用系數等運行指標及評價主要應用于削峰填谷、新能源輸出功率平滑等額定工況，未考慮慣量、一次調頻和動態調壓等工況下電化學儲能電站對電網的穩定支撐功能。IEEE Standards P1679TM/D13—2010[1]只明確了儲能電站的部分特性指標要求。

下文對以往的相關研究文獻進行分析：

南開輝等[2]優化了電網側儲能項目的建設管理模式，但未涉及用戶側和電源側的儲能項目。

孟慶強等[3]基于調頻發電機總容量及儲能電站總容量和功率參數指標，提出了一種考慮新能源輸出功率和負荷不確定性的儲能電站規劃方法；張嘉誠等[4]結合電池安全特性研究了儲能電站參與一次調頻的控制策略；孟高軍等[5]研究了儲能電站參與二次調頻的控制策略；呂永青等[6]研究了通信延遲對儲能電站系統調頻控制性能的影響。但以上文獻研究均未考慮到調峰-調頻-調壓的多功能場景下儲能電站的情況。

陳豪等[7]從鋰電池參數的角度出發，有效評估了儲能鋰電池的運行狀態，對于及時發現鋰電池故障、合理安排鋰電池檢修維護具有指導意義，但該研究未結合儲能電站歷史數據進行分析，也未給出關鍵敏感特征量。

黃珂琪[8]建立了儲能電站參與電網暫態電壓穩定的動態調壓模型；谷哲飛等[9]研究了儲能電站集中參與電網的電壓無功自動控制(AVC)系統的控制策略；張超等[10]研究了儲能電站的熱管理和儲能電站的電池壽命損耗成本模型。但以上文獻研究均未考慮電網側關鍵的遠程特征量。

曹雅琦等[11]在考慮儲能電站電池壽命衰減成本的基礎上建立了儲能電站經濟收益模型；張松巖等[12]構建了考慮火電機組深度調峰的多類型儲能系統的日前經濟調度模型；張明等[13]在考慮光伏電站輸出功率不確定性的基礎上，結合電池充放電特性，建立了機會約束模型；甘海慶等[14]從用戶側角度研究了用戶側儲能電站的需求響應策略。但以上文獻研究均未考慮暫態情況下儲能電站對電網的主動支撐功能。

國外依據儲能電站自身電源結構和網架結構的不同特點，對儲能電站的評價指標體系有所側重，不適用于兼顧主動支撐和經濟運行的電化學儲能電站的評價。歐洲目前電網結構穩定，負荷增長率不大，以德國為例，儲能電站主要用于分布式電源中，規模較小，與分布式電源聯合調度。美國注重利用廣域分布的儲能系統，通過全網可調度電源和負荷協調控制達到提高電網接納間歇式電源能力的目的，在此基礎上研究了不同類型的儲能技術性能指標。日本新能源產業技術綜合開發機構近年來注重風-儲聯合發電示范工程的開發，主要目的是提高風電接入電網的品質，相關評價指標體系也是以并網質量優化為目標。

簡而言之，電化學儲能電站的并網指標體系還未系統建立。為此，本文研究了電化學儲能電站的運行指標和綜合評價，確定了電化學儲能電站遠程感知特征量及特征量權重，并探討了調度機構不同專業對電化學儲能電站的并網要求，建立了電化學儲能電站的并網指標體系。通過在湖南一期儲能示范工程進行應用驗證，證明了本文所建立的并網指標體系的適用性，為實現主動支撐、精準調控和電站保護，提高調度工作效率奠定了基礎。

1 電化學儲能電站運行評價

1.1 電化學儲能電站的運行指標

從電量、能效、可靠性及運維費用出發，結合電網實際運行和電化學儲能電站技術參數，開展電化學儲能電站的運行指標分析，具體如表1所示。

表1 電化學儲能電站的運行指標Table 1 Operation index of electrochemical energy storage power station

1.2 電化學儲能電站的綜合評價

電化學儲能電站綜合評價包括充放電能力評價、能效水平評價和運行可靠性評價3 個方面。其中，充放電能力評價應包括電化學儲能電站的實際可充放電功率、實際可放電量，以及儲能單元的能量保持率等指標；能效水平評價包括電站綜合效率、儲能損耗率和站用電率等指標；運行可靠性評價包括AGC 系統響應成功率、一次調頻成功率、等效利用系數、非計劃停運系數、可用系數等指標。

電化學儲能電站的綜合評價得分S可根據指標得分和其相應的權重系數計算得到，即：

式中：ki為指標i的權重系數；Fi為指標i的得分。

2 電化學儲能電站的遠程感知特征量

為建立電化學儲能電站與電網調度間有效、真實、易懂的信息交互，對湖南地區電網側、用戶側、新能源側的電化學儲能電站進行實地調研。已調研的湖南地區部分電化學儲能電站如圖1 所示。

圖1 已調研的湖南地區部分電化學儲能電站Fig. 1 Some investigated electrochemical energy storage power stations in Hunan region

調研結果表明，各電化學儲能電站均常用于削峰填谷，運行方式為根據計劃指令于固定時間段進行充放電。各電化學儲能電站與電網調度間的交互信息主要包含以下基本參數：電池荷電狀態(SOC)、電站電量、電站溫度?；緟悼杀磉_電化學儲能電站的基本信息，據此來保障電站的安全、穩定運行，但面對調頻、調壓等短時間尺度且指令變化頻繁的工況，如主動支撐功能時，上述參數不足以表述電化學儲能電站的可調度能力，同時也不便于調度人員與各電化學儲能電站進行有效信息交互。

2.1 多場景下的故障類型分析

1)在發電側，電化學儲能電站多用于平抑新能源輸出功率波動、火儲聯合調頻等，基于電化學儲能電站歷史數據進行分析，由于電化學儲能電站頻繁充放電且接收的功率指令不斷變化，容易出現電池一致性故障與PCS 通信系統故障。

2)在電網側，電化學儲能電站多用于系統備用、緊急支撐、滿足尖峰負荷等，當電池模塊經常性浮充、用于緊急支撐時，PCS 輸出功率負擔巨大，容易出現電池缺電欠壓故障、PCS 保護故障、PCS 壽命異常故障。

3)在用戶側，電化學儲能電站多用于削峰填谷、需求響應等，深度充放電后電池容量衰減迅速，容易出現電池容量異常故障。

不同場景下電化學儲能電站的常見故障及敏感特征量如表2 所示。

表2 不同場景下電化學儲能電站的常見故障及敏感特征量Table 2 Common faults and sensitive feature quantities of electrochemical energy storage power stations under different scenarios

2.2 電化學儲能電站的遠程核心指標

電化學儲能電站所需采集的遠程核心指標主要包括充放電容量、電站綜合效率、響應速度、電池SOC、電池SOH、并網點的電量參數(如：電壓、電流、功率、功率因數、頻率)、電站內阻、儲能單元溫度，具體如表3 所示。

表3 電化學儲能電站的遠程核心指標匯總Table 3 Summary of remote core indexes of electrochemical energy storage power station

2.3 電化學儲能電站的遠程感知特征量權重確定

在面向多場景工況時，電化學儲能電站遠程感知特征量的選取因工況不同而有所不同。從主動支撐、執行調度、計劃類、非計劃類多角度進行分析，結合前文得到的電化學儲能電站多場景下的故障類型分析和核心指標，確定對應工況下的遠程感知特征量。采用“5/5-9/1”標度法改進傳統層次分析法，在保留傳統層次分析法優點的同時對其不足之處進行了改進。

以調頻工況為例進行分析，對該工況下的判斷矩陣進行賦值，具體如表4 所示。

表4 調頻工況下的判斷矩陣Table 4 Judgment matrix under frequency modulation working condition

采用“5/5-9/1”標度法改進傳統層次分析法進行計算后，調頻工況下響應時間的權重系數為0.3633，電站內阻的權重系數為0.1751，電池SOC 的權重系數為0.2648，PCS 充放電轉換時間的權重系數為0.1967。調頻工況下遠程感知特征量評價指標IFM的表達式為：

式中：Tr為響應時間；Rb為電站內阻；Bsoc為電池SOC；Tpcs為PCS 充放電轉換時間。

分別對調峰、調頻、調壓及平抑新能源輸出功率波動、需求響應等工況下的判斷矩陣進行賦值，從而確定多場景工況下電化學儲能電站的遠程感知特征量及其權重系數，具體如表5 所示。

表5 多場景工況下電化學儲能電站的遠程感知特征量及其權重系數Table 5 Remote sensing feature quantity and its weight coefficient of electrochemical energy storage power station under multi-scenarios working conditions

3 電化學儲能電站的并網驗收要求

3.1 電化學儲能電站的并網申請

電化學儲能電站在投運前3 個月，應向電網調控機構報送有關新建投運設備的資料、圖紙，需與電網調控機構簽訂并網調度協議，提交具備資格的調度對象名單。

電化學儲能電站逆變器的高、低電壓穿越能力及頻率適應性應滿足相關要求。無功補償裝置選型配置應符合相關標準，無功調節能力及無功補償裝置(含動態無功補償裝置)應滿足電壓調節需要，必要時應提供接入電力系統無功電壓專題研究報告。

電化學儲能電站的保護、自動化、通信設備的設計、選型應符合電網調控機構的有關規程規定，采用成熟可靠的產品，并報電網調控機構備案。其接口和傳輸規約必須滿足電網企業自動化主站系統的要求。電化學儲能電站滿足電站容量和并網必備條件后，方可正式向電網調控機構提交現場驗收申請。

下文介紹電網調控機構各專業對電化學儲能電站進行并網驗收的具體要求。

3.1.1 繼電保護專業

繼電保護及安全自動裝置的配置選型應滿足國家標準、行業標準和其他有關規定，必須符合GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》。設計單位應提供完整的符合工程實際的紙質版及可編輯的電子版圖紙資料。涉網繼電保護定值應按電網調控機構的要求整定并報電網調控機構備案，與電網保護配合的場內保護及自動裝置應滿足相關標準的規定。

所有的繼電保護裝置、故障錄波設備、站內的繼電保護裝置管理系統及故障信息管理系統可以與相關一次設備同步投入運行。其中，故障錄波設備、站內的繼電保護裝置管理系統子站的具體要求為：

1)故障錄波設備：按要求配置故障錄波器，采用非Windows 操作系統，選用獨立于被監測保護生產廠家的設備，接入開關量、模擬量應滿足“全、準、通”的要求，能夠記錄故障前10 s到故障后60 s 的情況；電化學儲能電站的故障錄波數據應傳送至所屬地區(市、州)級電網調控機構(下文簡稱為“地調”)。

2)站內的繼電保護裝置管理系統子站：并網的電化學儲能電站應配置一套繼電保護裝置管理系統子站，應接入線路、開關等保護裝置信息，配置相應的聯網接入設備，滿足與主站互聯互通的接入要求。

現場的繼電保護裝置接入前應滿足以下要求：

1)并網線路應配置光纖差動保護，匯集線系統的母線應配置母差保護，選用的保護裝置需通過國家電網公司的專業檢測，并與接入系統批復文件一致。

2)涉網繼電保護定值應與電網繼電保護定值相配合，匯集線保護快速段定值應對線路末端故障有靈敏度，應滿足GB/T 14285—2006 和DL/T 584—2017《3 kV～110 kV 電網繼電保護裝置運行整定規程》的要求。

3)雙重化配置的2 套繼電保護直流電源應取自不同蓄電池組連接的直流母線段。每套繼電保護裝置與其相關設備的直流電源均應取自于與同一蓄電池組相連的直流母線段。

4)電化學儲能電站應配置防孤島保護裝置，在并網運行模式下，電站應具備快速檢測孤島且立即斷開與電網連接的能力，防孤島保護動作時間應不大于2 s，且防孤島保護應與電網側線路保護相配合。

3.1.2 自動化專業

應配置2 套調度數據網并采用調度數據網通信方式，均接地調調度數據網，并延伸通道至省(自治區、直轄市)電力調度控制中心(下文簡稱為“省調”)。地調能量管理系統(EMS)和省調EMS 均直采電化學儲能電站數據。儲能安全防護方案由省調負責審核?，F場控制區(I 區)、非控制區(II 區)之間應配置1 臺防火墻，同時在I 區配置1 套II 型網絡安全監測裝置，該網絡安全監測裝置主要用于監測遠動機、后臺機、縱向加密裝置的告警信息。電化學儲能電站同調度自動化系統間的通信通道應具備雙路獨立通信路由，滿足“N-1 檢驗原則”通信不中斷的要求。

升壓站計算機監控系統(或遠動終端設備)、相量測量裝置(PMU)、AGC 系統等涉網設備在并網前應與省調、地調完成聯調。AGC 系統應能夠接收并自動執行電網調控機構下達的AGC指令。同時，電化學儲能電站應具備就地和遠程無功功率控制和電壓調節功能。遠動終端設備、計算機監控系統及其測控單元等自動化設備應采用冗余配置的不間斷電源(UPS)或站內直流電源供電，在交流供電電源消失后，UPS 裝置帶負荷運行時間應不小于2 h。

3.1.3 通信專業

通信設備的設計、選型應符合電網調控機構的有關規程規定，采用成熟可靠的產品，并報電網調控機構備案。通信設備的接口和網管規約應滿足通信網管理系統的要求。

通信光纜、通信設備、通信業務運行方式、通信機房及輔助設施、通信運維機構及人員需滿足各項運行管理要求，確保通信系統運行穩定、運維機制高效，能為電網重要業務提供安全可靠的通信支撐。站內主要設備及機房動力環境的告警信息應上傳至24 h 有人值班的場所。通信電源系統及一體化電源-48 V 通信部分的狀態及告警信息應納入實時監控，滿足通信運行要求。通信專網蓄電池組的供電能力應不少于8 h。

此外，雙重化配置的繼電保護光電轉換接口裝置的直流電源應取自不同的電源。單電源供電的繼電保護接口裝置和為其提供通道的單電源供電通信設備，如外置光放大器、脈沖編碼調制設備(PCM)、載波設備等，均由同一套電源供電。

3.1.4 調控專業

1)現場運行值班人員應與通過認證的人員名單一致。現場規章制度齊全，運行值班人員對規章制度的熟悉程度已達到要求。

2)調度命名、主接線方式、接入電壓等級正確，并滿足如下要求：監控系統監視、遙控功能完備，“五防”系統運行正常；監控系統、現場的電氣主接線方式、出線電壓等級、出線方向和出線回路數與并網調度協議一致，符合接入系統批復文件；監控系統、現場的設備命名與省調、地調命名一致；設備標識牌規范、完整；并網一次、二次設備安裝并調試完畢，具備啟動送電條件。

3)站內資料準備：具備電氣運行規程、事故處理規程和反事故預案，并上報電網調控機構；具備與電網安全相關的運行、檢修規程及管理制度，并滿足電網安全管理規定要求；規程預案應與電化學儲能電站相符，內容完整無誤。

4)控制室要求：控制室應裝有專線調度電話，具備錄音功能；實行24 h 值班；實現遠方監視與控制；日發電計劃、實時發電計劃接收應滿足要求。

3.1.5 新能源專業

1)并網通知書及并網測試合同：需提供質監部門出具的《電力工程質量監督檢查并網通知書》原件。按照GB/T 36548—2018《電化學儲能系統接入電網測試規范》制定并網后檢測方案，包括檢測時間、檢測單位、檢測內容等。

2)儲能載體、儲能PCS 等主要部件應通過分系統的調試及性能測試。

3)需安裝符合要求的電能質量在線監測裝置；低、高電壓穿越能力，電網適應性，電能質量滿足規范要求；全站消防系統需經過調試并通過相關部門驗收。

3.1.6 各專業驗收的關鍵參量匯總

對多場景下電化學儲能電站調度各專業驗收的關鍵參量進行整理，具體如表6 所示。

表6 多場景下電化學儲能電站調度各專業驗收的關鍵參量Table 6 Key parameters for acceptance of each specialty of electrochemical energy storage power station under multi-scenarios

3.2 電化學儲能電站整改閉環

電化學儲能電站需針對各專業核查、現場檢查發現的問題整改到位，并形成整改報告，整改報告應包含相關問題整改到位的佐證材料，整改完成情況需得到現場檢查人員的認可。

電化學儲能電站應于預計并網前一周提交并網周計劃，具備并網條件后，各專業根據并網條件確認情況完成日前停電工作計劃流程審批。

4 電化學儲能電站并網指標體系在湖南地區電化學儲能電站的應用

目前，湖南一期儲能示范工程規模為60MW/120MWh，共3 座電化學儲能電站(分別為：芙蓉儲能電站、榔梨儲能電站、延農儲能電站)，總無功功率調節容量為62.54 MW。通過電化學儲能電站并網指標體系的應用，進一步提高了電站運行的安全性，電站全過程管控效率比未采用并網指標體系時提高了40%。

1)在調壓場景工況下，已將電化學儲能電站納入地區電網的AVC 系統，重點采集無功響應時間、充放電容量等信息；在控制模式方面，設置電壓控制和無功控制2 種控制模式，可在不同場景工況下自由切換。針對用戶10 kV 母線高電壓質量要求，采用電壓控制模式，實時計算儲能無功功率輸出需求，實現母線電壓穩定控制；針對供電區無功平衡控制，采用無功控制模式，穩定儲能無功功率輸出，為供電區提供穩定的無功支撐電源。

2)在調峰場景工況下，已將電化學儲能電站納入省級電網的AGC 系統，采用“兩充兩放”模式，重點要求電化學儲能電站反饋電池SOH、電池壽命等信息，在提升清潔能源消納能力、提升電網供電能力、提升大電網安全穩定等方面，具有良好的示范效應。3 座電化學儲能電站有效提升了湖南地區能源系統的整體利用效率，每年可有效減少1.6 萬t 的CO2排放量，減少480 t的SO2排放量。

3)在主動支撐場景工況下，2020 年5 月6 日，電化學儲能電站完成了配合精切傳動試驗，響應時間達到要求；±800 kV 祁韶特高壓的直流功率從80 萬kW 降為零后，芙蓉儲能電站精切動作后立即從滿功率充電轉為滿功率放電，實現功率支撐5.2 萬kW。

5 結論

本文針對電化學儲能電站對電網的主動支撐和經濟運行的規范性評價指標體系不完善的問題，建立了電化學儲能電站并網指標體系，得到以下結論：

1)開展了電化學儲能電站運行評價研究，從電量、能效、可靠性及運維費用出發，結合電網實際運行和電化學儲能電站技術參數，提出具體的運行指標；從充放電能力、能效水平和運行可靠性3 個方面計算電化學儲能電站的綜合得分。

2)對湖南地區電網側、用戶側、新能源側的電化學儲能電站的調研表明，當前遠程感知信息無法滿足電化學儲能電站對電網的主動支撐和經濟運行要求，結合電化學儲能電站多場景故障類型分析和梳理的核心指標，采用“5/5-9/1”標度法改進傳統層次分析法，確定了電化學儲能電站多場景工況下遠程感知特征量及特征量的權重系數。

3)結合電網和電化學儲能電站實際情況，提出了電網調度各專業對電化學儲能電站的并網驗收要求，為電網調控機構開展電化學儲能電站過程管控、驗收和調控提供了依據，建立了規范的全過程管理體系。

電化學儲能電站并網指標體系將進一步在湖南二期、三期儲能示范工程建設中進行應用驗證及優化，該指標體系解決了電化學儲能電站規劃建設及運營驗收中的并網指標不全面、不成體系的問題。通過規范化的評價指標體系的建設，使電化學儲能電站全過程管控效率比未采用該并網指標體系時提升了40%，形成可推廣到湖南全省乃至全國新能源場站應用的電化學儲能電站建設運營的指標體系，進一步提高了電化學儲能電站建設運營的安全性。