電池儲能系統參與電力系統調頻的方案設計
——評《電池儲能系統調頻技術》

鐘衛連，劉時英

( 懷化職業技術學院，湖南 懷化 418000 )

由于電源和負荷的雙重特性，儲能系統常作為一種靈活可控的資源，廣泛應用于電力系統調頻、調峰和可再生能源消納。隨著間歇性可再生能源并網規模的逐漸增大，系統在供需平衡調節和功率跟蹤方面的靈活性裕度逐漸減小。由于優越的靈活性和調節能力，電池儲能系統目前正在規劃和大規模投資建設，如大連市200 MW/800 MW·h液流電池儲能電站，江蘇省125 MW/787 MW·h的用戶側儲能電站。據中國儲能聯盟(CNESA)發布的信息，截至2020年底，全球在運儲能項目累計裝機14.2 GW；中國電化學儲能累計裝機容量為3.28 GW，2025年預計將增加到30 GW。

新型儲能系統在電力系統中的應用規模將大大提高，尤其是當電力行業提出構建以新能源為主體的新格局電力系統，助力實現碳達峰和碳中和目標時，儲能在電網中的應用更為迫切。可再生能源側儲能系統能促進可再生能源的消耗，電網側儲能可用于電力系統的調峰和調頻，用戶側儲能可以參與調峰填谷的需求響應。相關數據表明，當儲能系統的持續充/放電時間為15 min時，調頻效率約為燃煤機組的24.0倍，燃氣機組的2.2倍，水電機組的1.4倍。電池儲能系統與常規調頻電源相結合，可較大提升電力系統調頻能力，也可獨立作為調頻電源參與電網的調頻服務，彌補大量可再生能源接入電網帶來的頻率偏差問題，提高電網的電能質量和系統穩定性，同時降低有害氣體排放量。

由李建林等編著的《電池儲能系統調頻技術》一書，較為全面地介紹了電池儲能系統參與電力調頻的典型設計方案，為儲能參與電力調頻的商業化應用與示范提供理論依據與技術保障。該書共分7章，主要從以下幾個方面展開介紹：電池儲能系統參與電力系統輔助調頻的必要性與可行性分析、控制方法與經濟性研究、國內外典型示范工程介紹與分析、優化規劃與運行控制、方案設計等。

1 必要性和可行性分析

從風力波動對電網頻率的影響出發，分析參與電力系統調頻的電池儲能系統的必要性和可行性。當今電網調頻情況復雜多變，傳統機組發電機響應時間長、爬坡率低，不能及時進行方向的轉換，甚至有時候會產生反方向調節，導致發電機的區域控制偏差增大，難以滿足運行要求。比如，秋冬季節是風電發電較多的時期，北方超過一半的機組已經進入供熱運行時期，但一些機組無法進行調頻，整體調頻能力有所下降，調頻效果變差，電力系統的穩定運行無法保障。我國電網普遍運用火電機組進行調頻，但受限于上述缺點，且目前新能源發電增長迅速，需要尋找新的方法進行電力系統調頻。在MATLAB/Simulink仿真環境中，構建一個負荷頻率控制的仿真模型，分別引入大規模風電和階躍負荷擾動兩種負荷擾動方式，以更加準確地分析和探討互聯系統調頻性能，并通過觀察仿真研究結果，進一步分析系統的聯絡線交換功率變化和頻率偏差等動態響應情況，對比分析調頻效果受電池儲能技術的影響程度，驗證電池儲能技術的必要性。

在技術可行性方面，對比分析傳統調頻機組和儲能調頻的調頻效果，證明了儲能調頻的效率更高。通過演示可知，電池儲能系統(BESS)可進行雙向調節，以負荷形式存在于充電過程中，以電源形式存在于放電過程中，可在幾毫秒內達到功率輸出目標，響應速度快。在任意電源點，都可以平穩輸出，并進行準確的操控，還具有靈敏的四象限調節水平，可快速調整有功功率和無功功率的輸入和輸出。從調頻電源的爬坡率角度、二次調頻效果、調頻死區等方面來看，單位容量的電池儲能的調頻效果是傳統調頻機組的數倍，因此，能更好地解決電網復雜多變的頻率波動問題。一方面，電網供電系統具有較好的供電特性，提高了接受新能源的能力；另一方面，還可以協調和實現調頻、電壓調節、應急響應等功能，提高新電網連接的電能質量。大容量儲能技術可以改變供電系統的供電運行方式，不僅能提高電網的安全性和可靠性，還可通過減少傳統化石燃料的使用，實現低碳排放。

2 儲能電站集電系統可靠性評估算法

近年來發生的儲能電站故障和火災，如澳大利亞儲能容器火災、美國電池系統儲能電站火災，以及韓國的儲能電站火災事故等，對人身和財產安全造成了較為嚴重的影響，提高儲能電站的可靠性水平具有重要意義。除了運行環境外，儲能電站的故障還與儲能電站設計期間集電系統的連接結構(即用電設備的連接方式)直接相關，即不同集電系統的拓撲結構使儲能電站的可靠性水平呈現出差異化。針對電池儲能電站的可靠性，該書對儲能電站的電氣結構、可靠性評價模型、算法和評價指標進行了分析。

儲能系統的狀態是系統中所有組件狀態的組合。系統可靠性評估過程是對系統狀態進行抽樣和評估的過程，因此，系統可靠性評估方法的差異主要取決于系統狀態采樣方法，可分為頻率持續時間法、狀態枚舉法、順序蒙特卡羅法、非順序蒙特卡羅法和失效模式后果分析法(FMEA)等。該書提出了幾種方法：第一種是采用狀態空間分析方法評估單級和兩級儲能系統處于正常狀態和故障狀態的概率，其中故障狀態包括BESS故障狀態、直流(DC)/DC故障狀態、DC/交流(AC)故障狀態和過濾器故障狀態；第二種是考慮儲能系統的隨機故障，采用枚舉法對電池儲能微電網的可靠性進行評估；第三種是采用解析法評價儲能和集電系統的可靠性，定義電池模塊、變流器和變壓器等3個可靠性評價指標。

在現有的研究中，解析法中的狀態枚舉法和頻率持續時間法對于小規模系統的可靠性評估是有效和準確的，但是，當系統規模增大時，系統待評估的狀態數將呈指數級增長，導致評估效率降低，計算耗時，甚至出現維度災難。目前的失效模式影響分析方法只考慮一階失效，不能考慮多階失效。在模擬方法中，順序蒙特卡羅法和非順序蒙特卡羅法受系統規模的影響較小，但當系統可靠性水平較高時，采樣效率會降低，評價結果會在隨機數的影響下略有波動。

單一的可靠性評估算法有自身的優勢、劣勢和適用范圍。根據儲能電站集電系統的結構特點，該書提出儲能電站集電系統差異化雙層可靠性評估的思路，即第一層是單個電池組的等效可靠性評估。單個電池組由電芯、線路和其他組件通過串并聯結構連接而成，可靠性可通過串并聯結構的可靠性評估方法來計算，評價指標是電池組的等效可用性和等效不可用性。第二層是電池儲能電站的可靠性評估。電池儲能電站由電池組、儲能變流器(PCS)、線路、母線和變壓器等電力設備組成。當規模較大時，可采用模擬方法進行評價；當規模較小時，可采用枚舉法進行評價。評價指標除可靠性外，還應包括頻率、概率、功率損耗等。

3 優化規劃與方案設計

該書通過建立常規的控制策略模型來進行對比分析，進一步提出了幾種儲能參與電力系統調頻控制的優化策略與運行控制。目前，在傳統的基于虛擬慣性的下垂控制中，一般使用固定的單位功率值Kmax參與一次調頻。由于當前的儲能容量還不夠大，相比于大電網，長期利用Kmax對電網進行充放電，在多次使用的情況下，會導致電池長時間處于過充或過放狀態。在放電模式下，荷電狀態(SOC)較低或在充電模式下SOC較高的儲能單元，會提前退出調頻過程，剩余的儲能單元必須被迫過充過放，縮短電池的使用壽命。

基于此，提出一種基于SOC反饋的改進下垂控制策略，自適應調整下垂控制單元的功率系數，并引入均衡因子，協調優化各儲能單元的功率輸出，提高整體儲能系統參與電力系統調頻的性能。使用變調差系數，提出了儲能改進下垂控制策略，可以實現儲能SOC管理與系統調頻效果的同步優化，使儲能在一次調頻過程中自適應調整充放電功率，基礎是自身電量和機組功率變化率的大小。為了優化大規模可再生能源接入時調頻性能不佳、電網自動發電控制(AGC)容量無法滿足要求的情況，采取規模化儲能參與電網二次調頻的調頻信號分配模式切換時機和雙層控制策略。在階躍負荷擾動下，系統可以綜合基于區域控制誤差(ACE)信號分配模式和基于區域控制需求(ARR)信號分配模式的優點。由于建立在調頻信號分配模式切換時機的基礎上，系統可同時做到在調頻前期縮小最大頻率偏差、在調頻中后期減少短頻率恢復所需要的時間。為了滿足規模化儲能聯合火電機組參與調頻的低成本需求，雙層控制策略的上層功率優化分配層充分照顧不同調頻電源的多技術特點，進一步提升各調頻電源出力參考值，使二次調頻成本最低化。

隨著電網規模不斷增加，新能源電網滲透率不斷上升，電網的穩定運行面臨著安全挑戰。為此，可研究各部分動態數學模型，通過仿真分析影響電力系統動態特性的因素，確定控制系統的組合模型，并構建一個負荷頻率控制(LFC)模型。該模型能夠反映互聯系統聯絡線功率約束、機組出力約束等因素，并建立一個電池儲能調頻模型，用來觀測電池內部的SOC。接著，搭建含儲能電池的兩區域互聯系統，該系統處于MATLAB/Simulink環境中，分別引入階躍信號擾動和風電擾動兩種情況來仿真模擬，通過分析聯絡線交換功率變化和系統頻率變化等動態情況，觀察電池儲能對調頻效果的對比情況。最后，提出一種調頻方法，捕捉LFC信號中不能由傳統調頻電源響應的信號，以此為基礎，讓儲能系統及時進行功率補償，并對比分析仿真實驗與常規控制策略。實驗記錄表明，該優化策略可以在大量負荷接入系統后，較好地實現對電力系統頻率的控制。

4 結語

《電池儲能系統調頻技術》一書，通過分析探討電池儲能系統參與電力調頻的可行性與價值，確定此項技術具有廣闊的應用前景；研究電池儲能系統參與電力調頻的協調控制問題、電池儲能系統參與調頻的容量配置方法，可為儲能參與電力調頻的示范與產業化工程夯實基礎；針對典型的調頻示范工程進行介紹，提出了幾種可能的方案設計，為調頻領域使用電池儲能系統的方向、規劃與建設提供有力的支撐。