辅助火电机组参与电网调频的BESS容量配置

丁 冬，杨水丽，李建林，惠 东，刘宗歧，李婷婷

（1华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2中国电力科学研究院，北京 100192； 3华能北京热电有限责任公司，北京 100023）

频率稳定是提高电力系统稳定性和可靠性的基础，而维持电网频率稳定的方法就是保持发电与负荷之间的实时动态平衡，即一、二次调频过程。我国火电机组装机容量在各类电源中数量最多，也是多个区域电网中的主要调频电源。国内外研究表明[1-3]，火电机组在调频方面存在固有不足：响应慢，不能精确跟踪自动发电控制（automatic generation control，AGC）指令，有时甚至会造成对区域控制误差的反方向调节。如果没有新能源的大量接入，现有调频机组尚能应对传统电网的调频需求。但随着新能源发电接入的比例逐渐增大，并考虑到其间歇性、波动性等特性，电网调频容量不足的问题逐渐凸显[4-9]，如大规模并网风电产生的突发事故已造成欧洲、北非和我国等电网多起频率骤降事件[10-13]。因此，亟需寻求新的调频辅助手段，以辅助解决现有电网调频容量不足、电网快速发展和新能源接入引发的频率稳定等问题。

储能技术以其快速、精确的功率响应能力成为新型调频辅助手段的关注热点[14-16]。研究表明，电池储能系统（battery energy storage system，BESS）可在1 s之内完成AGC调度指令，几乎是火电机组响应速度的60倍；同时，由于调频效果好，少量的储能将有效提升以火电为主的电力系统的整体调频能力[17]。容量配置是储能技术应用于电网调频领域的首要问题，不仅为控制策略、经济性分析研究提供借鉴，同时，合理的储能容量配置对于满足电网调频要求至关重要。目前，针对储能技术辅助参与电网调频的容量配置研究尚处于探索阶段。文献[18]采用能量持续曲线和瞬时爬坡率来评估用于调频的储能容量需求，但未考虑具备一次调频能力的储能所需容量。文献[19]根据区域电网的频率波动曲线，确定该区域的储能容量配置，但所需成本高。

针对上述问题，本文基于火电机组进行一、二次调频的理论调频能力计算，结合储能系统应用于电网一、二次调频的工作原理分析，对辅助火电机组参与调频的BESS功率与容量进行了配置，并提出了储能容量优化控制建议。实例计算与分析比较，验证了该配置方法的可行性和BESS参与电网调频的可靠性。

1 BESS参与电网一、二次调频的实现方法

电网一次调频是发电机组的调速器根据电网频率偏差，通过改变进汽/水阀门的位置，增减机组出力，达到稳定电网频率的目的。二次调频（也称AGC调频）是调度机构根据区域控制偏差（area control error，ACE）计算调频功率，通过远动通道将功率指令下达给参与AGC调频的机组，对其实现控制。

应用BESS参与电网一次调频，可由BESS直接对电网频率的偏差信号做出响应，通过改变功率输出，来稳定电网频率；BESS参与二次调频则应接受调度机构分配的AGC指令，进行出力跟踪。BESS的功率-频率特性[20]是利用电池功率的双向流动性来实现对电网的频率调节作用。

1.1 BESS参与一次调频的实现方法

当电力系统因负荷波动或机组跳闸引起频率变化时，系统的有功功率变化量ΔPG1与频率变化量Δf 满足区域电网的功率-频率特性[21]关系。若Δf没有越过频率死区，则机组不进行频率调节作用；当Δf越过频率死区时，机组通过增/减功率来平衡电网的这部分功率变化，使电网频率恢复至死区范围内。但火电机组常因蓄热不够而致实际出力不足，影响电网频率的尽快恢复；若借助新的辅助手段，缩小电网频率一次调整过程中的容量差值，则有利于电网频率的恢复。

因此，对电网功率变化的平衡可以利用火电机组的蓄热快速改变电机出力，也可以采用其它设备如BESS的快速充放电来参与调节。当系统的频率偏差越过频率死区并进一步负向增大时，BESS向电网放电，使电网的频率上升；当系统的频率偏差越过死区并继续正向增大时，BESS从电网吸收盈余的电能，使电网的频率下降。通过BESS的充、放电过程使电网功率趋于平衡，这就是BESS参与电网一次调频的调节过程。

1.2 BESS参与二次调频的实现方法

电力系统二次调频的有功功率调节量ΔPG2由调度机构依据ACE计算得出，并根据参与AGC调频的机组容量特性，随机向各机组分配功率调节指令。BESS参与电网二次调频时，当调度机构向BESS发出功率调节指令时，BESS通过下位机向其自身的功率与容量控制系统发送功率指令，发出或吸收调度机构指定的功率，实现二次调频的作用。

2 用于辅助传统调频机组的BESS容量配置

假设火电厂中一台机组的容量为P，并且该机组参与电网的一次、二次调频。若BESS与此火电机组具备同等的频率能力，所需BESS的功率与容量值，应在确定火电机组所具备的一次、二次调频能力的基础上进行优化配置。

2.1 具备同等一次调频能力的储容配置

基于火电机组一次调频参数，计算其所具备的最大一次调频能力，同时考虑BESS功率与容量的特性，确定与该火电机组具备同等一次调频能力的BESS功率与容量。为避免电网允许的小负荷波动造成BESS的频繁动作，应对BESS设置调频死区。频率偏差死区的规定可参考各区域电网的具体要求。当频率偏差越过死区后，一次调频机组/设备需动作。火电机组的一次调频幅度由额定转速阶跃至（3000±α）r/min时，设其对应的负荷变化幅度为±β倍的机组额定容量（α、β为实数）。根据火电机组一次调频的负荷变化限幅要求，可确定与此机组具备同等一次调频能力的BESS功率为

式中，PBatt_prim为 BESS一次频率调节所需功率；Pe为火电机组额定容量。

设一次调频从响应至频率恢复稳定的时间为Tprim，BESS替代此火电机组进行一次调频所需的容量为QBatt_prim，由于深充、深放不利于电池的使用寿命，且考虑保证BESS调频的可靠性，在不考虑充放电损耗的前提下，BESS所需配备的容量为

式中，SOCLim_down为BESS允许放电的容量下限值；SOCLim_up为BESS允许充电的容量上限值。我国火电机组的额定容量从 50 MW 至 1000 MW不等，其中以额定容量为200 MW至1000 MW的火电机组为主。由式(1)可知，与火电机组具备同等一次调频能力的BESS功率可由火电机组的负荷变化幅度确定，且与其成比例关系；由式(2)可知，BESS的容量取决于火电机组负荷变化幅度、调频持续时间以及BESS本身的容量上、下限。当火电机组型号确定后，其一次调频参数（如负荷变化幅度等）便可获知，为一定值；BESS类型确定，其容量上、下限值便为已知数。因此，与传统机组具备同等一次调频能力的BESS容量QBatt_prim与一次调频持续时间 Tprim为线性关系，如图 1所示。随着一次调频持续时间的增长，所需容量线性增大；同等一次调频持续时间下，机组的额定容量大，所需BESS容量也大。

图1 一次调频所需储能系统容量与持续时间关系图 Fig.1 Energy storage capacity for primary frequency regulation as the function of time duration

2.2 具备同等二次调频能力的储容配置

基于火电机组二次调频参数，计算其所具备的最大二次调频能力，结合BESS功率与容量特性，配置与火电机组具备同等二次调频能力的BESS功率与容量。

设火电机组进行 AGC调频的功率调节为γ1Pe～γ2Pe，对机组功率变化率的要求为不得低于μAGCPe，火电机组每分钟功率变化率最高为μmaxPe，其中 μAGC＜μmax。若火电机组AGG调节的持续时间为 TAGG，则火电机组在时间TAGC内可达到的最大功率为

式中，PAGC为火电机组在AGC调节时间内可达到的最大功率；μmax为火电机组每分钟的最高功率变化量。

依据式(3)，若BESS与该火电机组具备同等的AGC调频能力，其功率取与火电机组在持续时间内可达到的最大调节功率相同

若火电机组AGC调节的持续时间为TAGC，不考虑BESS充放电损耗，所需BESS容量为

为简化计算，且使BESS能完全具备与火电机组同等AGC调频的能力，所需BESS最大容量为

由式(3)和式(4)可知，火电机组额定容量确定时，所需BESS功率与AGC调频持续时间为线性关系。机组容量已知时，随着调频持续时间延长，所需BESS功率线性增大；同一调频持续时间段内，机组额定容量值越大，所需BESS功率也随之增大，如图2所示。

图2 AGC调频所需储能系统功率与持续时间关系图 Fig.2 Power of energy storage for automatic generation control as the function of time duration

由式(6)可知，在火电机组额定容量确定的情况下，所需BESS容量为AGC调频持续时间的二次函数，其特性如图3所示。由图3可知，随着AGC调频持续时间增长，所需 BESS容量增大；AGC调频持续时间确定时，随着机组额定容量的增 大，所需BESS容量也增大。

图3 AGC调频所需储能系统容量与持续时间关系图 Fig.3 Energy storage capacity for automatic generation control as the function of time duration

2.3 具备同等一、二次调频能力的储能容量确定

BESS为实现与具有一、二次调频能力、功率为 Pe的火电机组同等的调频能力，由于电网的一次、二次调频为依次发生事件，为保证BESS能顺利进行频率调节，功率应选取一、二次调频中所需的最大功率；容量的选取则假设此系统进行一次调频后又投入二次调频功能，直到动作结束时所需的容量总和，如式(7)所示。

2.4 储能系统容量控制策略

若要求储能系统在一、二次调频中功率输出的持续时间分别为 Tprim、TAGC，由于实际中 Tprim远小于TAGC，因此，二次调频对储能系统容量的要求远大于一次调频。为保证二次调频功率输出的可靠性，需在二次调频中对储能系统的容量进行控制。控制的目标是当需要储能系统以额定功率放电或充电时，有足够的容量保证功率稳定持续输出TAGC的时间，即随时满足上调频率与下调频率所需的容量要求。

对储能系统的容量控制分为调频时的控制与调频结束后的控制两种情况。引入反映储能单元剩余电量的物理量，即电池的荷电状态（state of charge，SOC），并设在时刻i电网的频率偏差为Δfi，调频死区为±ΔfSQ。

（1）调频开始时，储能系统的电池容量处于50%SOC附近，当电网频率Δfi越过频率死区ΔfSQ时，进行下调频率控制，储能系统从电网吸收有功功率以响应频率信号或 AGC信号；当Δfi越过-ΔfSQ时，进行上调频率控制，储能系统释放有功功率至电网以响应频率变化信号或 AGC信号，如图4所示。

图4 上、下调频率区示意图 Fig.4 Up regulation and down regulation zone

（2）调频结束后，在不导致电网频率越过调频死区的前提下，对电池容量进行调整，以维持容量处于50%SOC附近，为下一次的调频做好准备。即调频结束后若电池容量大于50%SOC，则储能系统以小功率向电网放电，至电池容量为50%SOC时结束；若电池容量小于50%SOC，则储能系统以小功率从电网吸收电能，至容量达到50%SOC时结束。

3 示 例

以某200 MW的火电机组为例，对与其具备同等一、二次调频能力的储能系统进行容量配置，并对两者的可靠性进行对比分析。

3.1 储能系统容量配置

火电机组的频率偏差死区ΔfSQ=±0.033 Hz，一次频率调节幅度为由额定转速阶跃至（3000±12）r/min，对应的负荷变化幅度β为±10%，一次调频稳定时间Tprim为40 s，假设电池所规定的SOC上、下限 SOCLim_up和 SOCLim_down分别为±10% SOC，则可计算与此火电机组具备同等一次调频能力的储能系统所需功率与容量大小分别为

火电机组的AGC功率调节范围中的γ1为50%，γ2为100%，机组AGC每分钟功率变化率μAGC为1%，火电机组每分钟可达到的最大变化率μmax为3%左右，AGC调频持续时间为30～180 s，因此，可计算与此火电机组具备同等二次调频能力的储能系统所需功率与容量大小分别为

综上所述可知，与200 MW火电机组具备同等一、二次调频能力的储能系统所需功率与容量分 别为

即所需BESS额定功率为20 MW，持续时间约为 8 min。

3.2 可靠性对比分析

分别从一次调频与二次调频的作用机理对比分析具备同等调频能力的200 MW火电机组与20 MW/2.44 MW·h的储能系统调频的可靠性。

（1）以火电机组的负荷变化限幅计算得出储 能系统一次调频所需的最大功率，由于火电机组的蓄热大多数情况下不足以使机组维持该功率，而储能系统约20 ms后便可持续以此功率输出，因此，储能系统提供一次调频的可靠性要高于火电机组。

（2）火电机组的爬坡速率约为每分钟 3%的额定功率，在启动AGC调频的3 min内，功率逐渐增加（由0增至18 MW），而储能系统在20 ms后的任一时刻均可提供额定大小的功率，因此，储能系统提供 AGC调频服务的可靠性要高于火电 机组。

由于火电机组在一次调频时受炉内蓄热的影响，二次调频过程中受机组爬坡速率的影响，其功率是波动的，实际输出功率小于理论计算的最大调频功率；储能系统在20 ms后能持续地以额定功率输出。因此，两者即便具备同等调频能力，储能系统的调频服务可靠性仍要优于火电机组。

4 结 论

本文基于火电机组调频能力的理论计算和储能系统的调频工作原理，对与火电机组具备同等调频能力的电池储能容量进行了配置，并提出了调频中与调频结束后的储能容量控制建议。主要研究结论如下。

（1）与火电机组具备同等一次调频能力所需 的储能系统容量与一次调频持续时间为线性关系，随着持续时间增长，所需容量增大。

（2）与火电机组具备同等AGC调频能力所需储能系统功率与AGC调频持续时间为线性关系，所需容量与AGC调频持续时间为二次函数关系，随着持续时间增长，所需功率与容量增大。

（3）在具备同等调频能力的前提下，储能系统的调频服务可靠性仍要优于火电机组。

[1] Zhao Ting（赵婷），Dai Yiping（戴义平），Gao Lin（高林）.Influence of primary frequency control ability distribution on power system security and stability[J].Electric Power（中国电力），2006，39（5）：18-22.

[2] Yu Daren（于达仁），Guo Yufeng（郭钰锋）.Analysis on random process of the primary frequency regulation[J].Proceedings of the CSEE（中国电机工程学报），2002，22（6）：38-41.

[3] Restrepo J F，Galiana F D.Unit commitment with primary frequency regulation constraints[J].IEEE Transactions on Power Systems，2005，20（4）：1836-1842.

[4] Steven Weissman，Morgan Sawchuk，Emily Bartlett，et al.2020 strategic analysis of energy storage in California[R].California：California Energy Commission，2011.

[5] Ackermann T.Wind Power in Power Systems[M].New York：Wiley Press，2005.

[6] Lalor Gillian，Mullane Alan，O’Malley Mark.Frequency control and wind turbine technologies[J].IEEE Trans.on Power Systems，2005，20（4）：1905-1913.

[7] Janaka Ekanayake，Nick Jenkins.Comparison of the response of doubly fed and fixed-speed induction generator wind turbines to changes in network frequency[J].IEEE Trans.on Energy Conversion，2004，19（4）：800-802.

[8] Bevrani H，Ghosh A，Ledwich G.Renewable energy sources and frequency regulation：Survey and new perspectives[J].Renewable Power Generation，2010，4（5）：438-457.

[9] Eriksen P B，Ackermann T，Abildgaard H，et al.System operation with high wind penetration[J].Power and Energy Magazine，2005，3（6）：65-74.

[10] Holttinen H.Impact of hourly wind power variations on the system operation in the Nordic countries[J].Wind Energy，2005，8（2）：197-218.

[11] Estanqueiro A I，Ferreira D J M，Ricardo J，et al.Barriers (and solutions...) to very high wind penetration in power systems[C]//Florida：Power Engineering Society General Meeting，IEEE，2007：1-7.

[12] Zhu Zuoyun（朱祚云），Sun Jiangang（孙健刚），Bi Yuliang（毕毓良），et al.The impact of wind power generation on Shanghai power network[J].Distribution & Utilization（供用电），2007，24（4）：5-8.

[13] Han Xiaoqi（韩小琪），Song Xuankun（宋璇坤），Li Binghan（李冰寒），et al.Study of impact of wind power variable output on frequency regulation[J].Electric Power（中国电力），2010，43（6）：26-29.

[14] Walawalkar R，Apt J，Mancini R.Economics of electric energy storage for energy arbitrage and regulation in New York[J].Energy Policy，2007，35（4）：2558-2568.

[15] Jin Wentao（靳文涛），Li Bei（李蓓），Xie Zhijia（谢志佳）.An analysis for the need of a battery energy storage system in tracking wind power schedule output[J].Energy Storage Science and Technology（储能科学与技术），2013，2（3）：294-299.

[16] Chen Dayu（陈大宇），Zhang Lizi（张粒子），Wang Shu（王澍），et al.Development of energy storage in frequency regulation of unite states and its enlightenment[J].Automation of Electric Power Systems（电力系统自动化），2013，37（1）：9-13.

[17] Makarow Y V，Ma J，Lu S，Nguyen T B.Assessing the Value of Regulation Resources Based on Their Time Response Characteristics[M].Washington ： Pacific Northwest National Laboratory，2008：18.

[18] Marcos J，Storkël O，Marroyo L，et al.Storage requirements for PV power ramp-rate control[J].Solar Energy，2014，99：28-35.

[19] Holmberg Marguerite Touma，Lahtinen Matti，McDowall Jim，et al.SVC light with energy storage for frequency[C]//Massachusetts：IEEE Conference on Innovative Technologies for an Efficient and Reliable Electricity Supply，2010：317-324.

[20] John Taylor.Large scale Li-ion energy storage systems facilitate network integration of renewables[R].Aberdeen ：All Energy Conference，2011.

[21] Prabha Kundur.Power System Stability and Control[M].New York：McGraw-Hill Press，2001：389.