新型快速储能参与调频的必要性及可行性

陈远扬，黄际元，李欣然，吴佩颖

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.湖南大学，湖南长沙410082；3.国网湖南省电力公司经济技术研究院，湖南长沙410004)

新型快速储能参与调频的必要性及可行性

陈远扬1，黄际元2，李欣然2，吴佩颖3

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.湖南大学，湖南长沙410082；3.国网湖南省电力公司经济技术研究院，湖南长沙410004)

对新型快速储能参与电网调频的必要性以及可行性展开研究。首先，通过分析区域电网及传统电源的频率特性、含传统储能—抽水蓄能的实际电网调频性能，分析引入新型快速储能的必要性；然后，通过分析新型快速储能的技术经济性能、参与调频的控制模式，说明其参与调频的可行性；最后，依据长株潭电网算例，仿真验证其对区间联络线功率性能的改善效果。结果表明，引进新型快速储能可以优化调度策略且提高网/省调的协调性。

频率；联络线；快速储能；功率调整；长株潭

国内的能源中心和电力负荷中心距离跨度大，电力系统遵循着大电网、大电机的发展方向，按照集中输配模式运行。目前，电力系统调频主要由一次调频和二次调频共同承担。其中，一次调频是由系统中的负荷和有旋转备用容量的发电机组共同自发完成的有差调节；二次调频即为狭义的自动发电控制 (Automatic Generation Control，AGC)，主要通过实时调节电网中调频电源的有功出力，对频率及联络线功率进行控制，解决区域电网的功率不平衡问题，以实现无差调节〔1〕。近十年来，随着可再生能源发电的飞速发展和对电能质量要求的不断提高，调频容量不足的问题日益突出，亟需新的调频手段、具备快速调节特性的储能来满足电网的安全稳定要求。

储能技术主要分为物理储能 (如抽水蓄能、压缩空气、飞轮等)、化学储能 (如铅酸电池、锂电池、钠硫电池和液流电池等)、电磁储能 (如超级电容、超导磁等)以及相变储能 (冰蓄冷)4种形式。抽水蓄能作为一种传统储能技术，应用最广泛、技术最成熟，主要用于调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用等，其释放时间可以从几个小时到几天，能量转换效率在70～85%之间。然而，它本身对地形环境的依赖使其应用受到地域、工程投资和建设工期等因素制约。相对于传统储能方式，新型快速储能技术主要指随材料科学及生产制造工艺不断成熟发展的化学储能和电磁储能，一般由储能元件组成的储能装置和由电力电子器件组成的能量转换系统等2部分组成，前者主要实现能量的储存、释放或快速功率交换，后者实现储能装置与电网之间的能量双向传递与转换。它具有容量范围宽 (从几十千瓦到几百兆瓦容量不等)、放电时间跨度大 (从毫秒到小时)、应用范围广等特点，可贯穿发电、输电、配电和用电系统〔2〕。目前，国内储能技术的发展研究，以中国电科院张北风光储基地电池储能电站、南方电网深圳宝清电池储能电站、上海漕溪能源转换综合展示基地以及北京石景山热电厂锂电池储能电网调频系统等4处大容量储能技术的示范工程为代表，尚属起步阶段。从上述示范工程来看，以电池储能为代表的新型快速储能技术已逐渐被业界认识和重视起来〔3－4〕。

1 新型快速储能参与调频的必要性

1.1 区域电网及传统电源的频率特性

传统电源主要包括核电、火电以及水电机组等。其中，核电机组基本处于满载运行且不宜突然改变出力，从而可忽略其参与调频的能力；而水电机组和火电机组均由具有旋转惯性的机械器件组成，将一次能源转换成电能将经历一系列过程，其参与电网调频均具有一定的限制与不足:例如，火电机组响应时滞长，不适合参与较短周期的调频，参与二次调频的火电机组受爬坡速率限制(Generation Rate Constraint，GRC)，不能精确跟踪调度调频指令；水电机组的调频容量易受地域与季节制约；另外，传统电源在机组控制中要考虑对响应功率幅值与极性改变速度的限制，甚至对同一方向的功率信号持续时间规定一个限值，在此时间段内封锁反向功率信号。以上限制均会导致调节的延迟、偏差及反向等现象，而对调频信号的不准确响应，使得电网调度需要更大更快的响应功率储备〔1〕。然而，国内的能源结构中又以火电机组为主 (比重约 83.16%)，水电机组 (比重约12.37%)为辅。因此在电网调频中起主要作用的是调频能力较弱的火电机组，导致区域电网整体调频能力更为有限。此外，火电机组若长期承担繁重的调频任务又会进一步加剧机组设备磨损，不但显著增加燃料使用、运营成本、废物排放和系统的热备用容量等，也更加恶化了其参与调频的质量和灵活性〔5〕。

如何进一步提高区域电网的调频能力，并同时提高传统电源的运行效率，是电力辅助服务市场的重要课题。

1.2 实际电网中传统储能的调频性能分析

黑麋峰抽水蓄能电厂位于长沙市望城区桥驿镇境内，紧邻湖南电网负荷中心长株潭地区〔6〕。电厂安装4台单机容量30万kW的可逆式机组，总装机容量120万kW，并通过500 kV黑沙线接入500 kV沙坪变。自2009年6月投运以来，一直担负着削峰填谷、调频调相、事故备用等任务，对优化电网电源结构，解决负荷季节性不均衡问题起到了积极意义。

一般而言，停备、并网发电、并网抽水为抽水蓄能机组主要工况。为了调节电网峰谷差，抽蓄机组一般在23∶00—9∶00(次日)区间内抽水，在9∶00—22∶00区间内发电。由于黑麋峰电厂单机达到300 MW，其并网发电时机组出力增加率较快，调节范围为180～300 MW，而并网抽水机组只有－300 MW一个运行值。因此1台机组并网抽水时相当于瞬间300 MW左右的负荷波动，并网发电也相当于有180 MW左右的波动，对电网发供电平衡影响较大，造成省间联络线相应波动，对省内平衡联络线备用容量要求较高。以抽水为例，从下令启停机组，到抽蓄机组抽水工况并网接带负荷，需要为8～12 min不等，而这期间恰恰是下备用最为紧张的时刻，联络线有可能持续低于日前计划，而瞬间接带300 MW负荷，又极有可能使联络线瞬时高于计划，这样对每15 min进行网间联络线控制偏差 (Area Control Error，ACE)绝对值调整控制，显然是不利的。

从调度下令启停机组、接带负荷、省间联络线功率冲击等相应关系的角度，统计分析了2014年7月1—16日的黑麋峰抽水蓄能电厂机组启停次数、接带负荷等相关数据。在统计时间内，黑麋峰抽水蓄能电厂一共有效开、停机共162次，其中抽水工况并网共34次，发电工况并网48次。由启、停机所引起网间联络线波动在200 MW及以上，达93次，占总启停次数的57.4%。如图1所示，启停机组使联络线产生较大波动，①，②点黑麋峰开机抽水工况并网造成联络线瞬间超用计划200 MW以上，而③，④，⑤点机组停机，又造成联络线瞬时少用计划超过100 MW。

图1 某日黑麋峰电厂实时出力及联络线计划、实际曲线

抽水蓄能电厂机组启停，对参与电网削峰填谷、调频调峰具备积极的意义，但是对省间联络线功率波动也是不容忽视，需要制定有效的措施、经验调度进行预防控制。因此，引入更加快速、灵活的调频技术来弥补传统储能在调频上的缺陷，是有必要的。

2 新型快速储能参与调频的可行性

2.1 技术经济性能

技术性能方面，在额定功率范围内，新型快速储能的输出外特性具有以下特点:①响应速度快。可在毫秒范围内满功率输出，响应能力完全满足调频时间尺度内的功率变换需求；②控制精确。可在任何功率点保持稳定输出；③双向调节能力。充电过程表现为负荷，放电过程表现为电源。因此，若采用新型快速储能，几乎能实现调频跟踪曲线与指令曲线重合，即调节反向、偏差和延迟等现象将不会出现。

新型快速储能参与调频的优势在于:在受控状态下可实现上调功率、下调功率或两者的交替，从长期来看，上调和下调功率趋于平衡，从而需配置的容量较小；响应功率储备裕度小，其对充放电命令响应快速准确，可以减少功率储备裕度；调频过程中处于浮充电状态，相对于平抑电网峰谷负荷需要深度充放电来说，对其寿命影响较小，可理解为参与调频的成本较低廉。

基于火电机组在国内的能源结构中所占的大比重，文献〔7〕分析得到1 MW储能提供的AGC调频能力相当于25 MW火电机组的调节能力，且随着电网的调节需求越紧迫，储能的优势越明显的结论，此结论与国外研究机构提出的结论相似〔8〕。

经济性能方面，新型快速储能的调频经济性能一般从投资成本、寿命期内的运行及维护成本、对系统总调频成本影响进行分析:

1)投资成本方面，经分析文献〔3〕可知储能年平均投资是火电机组的2.7～4.7倍，考虑到在实际调频效果上两者有近20倍的差异，并且储能未来还有成本下降的空间，从长期的电源投资建设来看，配置少量的储能具备一定的效益。

2)运行成本具有一定的优势。由于AGC上下调节的过程可以近似为能量平衡的过程，并且在此过程中都是在为系统提供调频服务，因此其运行成本较低，主要是由运行效率产生的能量消耗决定。

3)储能对系统总调频成本的影响较难估测，但因其快速精确的跟踪特性，可显著减少系统所需旋转备用容量，而节省的旋转备用容量可用于电网调峰、事故备用等，能够产生一定的间接效益。

2.2 参与调频的控制模式

对于新型快速储能，通过控制其变流器模拟传统电源的下垂特性可实现参与一次调频，而根据ACE信号控制其充放电可实现参与二次调频〔9〕。由于电网的频率是统一调节的，因此储能的容量必须足够大才能有效地响应频率变化，但较小的容量可对区间联络线功率水平的改善起到显著的作用。

综上可知，与传统电源相比，新型快速储能的技术优势较明显，经济优势逐步显现。因此，在合适的场景下，配置少量的新型快速储能容量，能有效提升以火电机组为主的电网整体调频能力，提高频率及ACE控制的合格率，进而保证电网安全稳定。

3 仿真验证及分析

3.1 长—株—潭三区域网络模型

长株潭城市群位于湖南中东部，包括长沙、株洲和湘潭三市，日平均供电负荷占湖南电网总负荷的35%，装机容量占总装机的25%，为典型负荷中心、受端电网。以冬小运行方式对应的开机方式为基础构建出长—株—潭三区8机的区域等效模型、区域示意和开机情况分别如图2和表1所示。

由表1可知，长沙的600 MW火电机组和株洲的300 MW火电机组均为满发状态，仅湘潭的火电机组和株洲的小容量水电机组还有额外的调节容量。按照一次调频占可调机组额定容量8%的原则，计算可得一次调频容量为32.96 MW。同时，依据 《华中电网发电机组一次调频运行管理规定》，火电机组调差系数取0.05 p.u.，一次调频容量取8%，GRC为0.001 7 p.u.MW/s；而水电机组的调差系数取0.04 p.u.，且不受一次调频容量和GRC限制。机组的其余参数可参考文献〔1〕，并以额定频率50 Hz和最大功率机组 (即长沙01的额定功率 (600 MW))为基准进行标幺化。

图2 长—株—潭三区域示意图

表1 长—株—潭区域电网机组情况MW

3.2 仿真条件

假设电网的稳态频率偏差限值为0.002 p.u.Hz (0.1 Hz)，联络线传输功率极限为0.1 p.u.MW。首先将前述三区域等效模型转换为状态空间方程〔10〕，然后接入张北风光储基地的1 MW/1 MWh磷酸铁锂电池储能至长沙地区，设置其SOC范围为 (0.2，0.8)，选用模型控制预测控制器(Model Predict Control，MPC)进行控制，其中MPC控制器采样周期为0.5 s，预测时具体如图3、图4及表2所示。控制变量中，u1和u3分别为株洲和湘潭的传统电源调频出力；ue为电池储能的调频出力；ΔPL2为阶跃负荷扰动。输出变量中，Δf1、Δf2和Δf3分别为株洲、长沙和湘潭的频率偏差；ΔPtie1、 ΔPtie2和 ΔPtie3分别为长沙与株洲、 长沙与湘潭、湘潭与株洲的联络线交换功率偏差；ACE1和ACE3分别为株洲和湘潭的ACE信号。可以有效应对常见的负荷扰动，且调节时间较短。对于典型的0.025 p.u.MW的负荷扰动，长株潭三区域互联系统在60 s便完成频率调整，且稳态频率偏差在电网技术规定的死区范围内。

图3 控制变量图

图4 输出变量图

表2 电池储能接入前后的MPC调频效果对比

3.3 结果分析

当在长沙接入电池储能后，通过MPC控制器，在负荷扰动发生后迅速以额定功率进行出力，有效地在短时间内抑制频率偏差以及联络线交换功率的偏移。相比不含储能的工况，各区域的频率超调量及波动程度明显减小，长沙的联络线交换功率偏移也显著减少，部分调频责任向长沙转移。此外，株洲及湘潭的机组出力及其调节时间也减小，有效地削弱了GRC给调频性能所带来的影响，减少了火电机组的磨损。仿真结果证明设计的MPC取得了较好的控制效果，接入电池储能可显著改善系统的区间联络线功率水平。

4 结论

1)新型快速储能比传统调频电源高效，其能够满足电网对调频资源的紧迫需求，通过对含抽水蓄能的湖南电网分析可知引入新型快速储能很有必要。

2)考虑技术经济性能及调频控制模式，在合理场景下配置较小容量的储能参与调频，不仅能有效提升电网调频能力、减少对传统电源依赖，还能使调频控制更迅速、精确地满足调频要求。

3)依据长株潭电网冬小运行方式构建的区域等效模型，仿真表明较小的电池储能容量即能有效改善区间联络线功率调节的性能，显著提高网/省调的协调性。

〔1〕Prabha Kundur.电力系统稳定与控制〔M〕.北京:中国电力出版社，2002，389-410.

〔2〕 Jim Eyer，Garth Corey.Energy Storage for the Electricity Grid: Benefits and Market Potential Assessment Guide〔R〕.Sandia: Sandia National Laboratories，2010:1-153.

〔3〕陈大宇，张粒子，王澍，等.储能在美国调频市场中的发展及启示〔J〕.电力系统自动化，2013，37(1):9-13.

〔4〕常建平，陈大宇.储能参与调频服务在我国的发展构想〔R〕.研究与参考，2012(46):1-15.

〔5〕王一振，马世英，王青，等.大型火电机组动态频率响应特性〔J〕.电网技术，2013，37(1):106-111.

〔6〕陈为化，程瑜，徐珮，等.抽水蓄能电站对网间联络线功率的影响与措施〔J〕.电网与清洁能源，2011，27(9)，71-78.

〔7〕杨水丽，李建林，李蓓，等.电池储能系统参与电网调频的优势分析〔J〕.电网与清洁能源，2013，29(2):43-47.

〔8〕 Janice Lin，Giovanni Damato，Polly Hand.Energy Storage－a Cheaper， Faster and Cleaner Alternative to Conventional Frequency Regulation〔R〕.Strategen，CESA，2011:1-15.

〔9〕李红梅，严正.用可再生能源充电SMES装置在系统调频中的应用〔J〕.电力系统自动化，2009，33(15):94-97

〔10〕吴云亮，孙元章，徐箭，等.基于多变量广义预测理论的互联电力系统负荷－频率协调控制体系〔J〕.电工技术学报，2012，27(9):101-107.

Necessity and feasibility of involving new fast energy storage systems in frequency regulation

CHEN Yuanyang1，HUANG Jiyuan2，LI Xinran2，WU Peiying3
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.Hunan University，Changsha 410082，China；3.State Grid Hunan Electric Power Corporation Economic＆Technology Institute，Changsha 410004，China)

Necessity and feasibility of involving new fast energy storage systems in power grid frequency regulation are studied in this paper.Firstly，by analyzing the basic frequency characteristics of region grids and traditional generators and the frequency regulation performance of an actual grid containing traditional storage systems(pump storage plants)，the necessity of involving new fast energy storage systems in frequency regulation is illustrated.Then，by analyzing the technical and economic performance of new fast energy storage systems and their control mode in frequency regulation，the feasibility of their involvement in frequency regulation is proved.Finally，based on Chang-Zhu-Tan(CZT)Grid Case，the improvement scale of tie-line power control performances is measured through simulations.The results show that involving new fast energy storage systems can optimize the dispatching strategy and improve the coordination between networks.

frequency；tie-line；fast energy storage；power regulation；Chang-Zhu-Tan

TM734

A

1008-0198(2015)06-0015-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.004

陈远扬 (1987)，男，硕士研究生，工程师，从事调度运行工作。

2015-05-04 改回日期:2015-07-07