作者：黃思林 1 肖華賓 2黃常抒 2郭子琦 3 吳俊烽 2謝杭璇 3
單位：1. 國家能源集團廣東電力有限公司；2. 國能粵電臺山發(fā)電有限公司；3. 南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司
引用：黃思林,肖華賓,黃常抒等.高壓級聯(lián)式儲能系統(tǒng)在火儲聯(lián)合調(diào)頻中的應用及實踐[J].儲能科學與技術(shù),2022,11(11):3583-3593.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0241
摘 要 “雙碳”目標下，新能源的大量接入給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來沖擊?；饍β?lián)合調(diào)頻項目作為優(yōu)質(zhì)調(diào)頻資源近年來獲得了廣泛的研究與應用。根據(jù)廣東地區(qū)火儲聯(lián)合調(diào)頻項目投產(chǎn)現(xiàn)狀，本工作對目前主要運用于火儲聯(lián)合調(diào)頻項目的低壓并聯(lián)和高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)兩種拓撲結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)合調(diào)頻輔助服務市場政策，通過對不同拓撲結(jié)構(gòu)下的功率控制精度、能量轉(zhuǎn)換效率及響應時間等項目開展并網(wǎng)試驗研究，對比分析了兩者的性能差異。結(jié)果表明采用高壓級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)具有更優(yōu)異的功率控制能力、更迅速的響應時間、更高的響應精度及更低的能量損耗，有助于提高火儲聯(lián)合調(diào)頻項目的綜合調(diào)頻性能，提升在調(diào)頻市場的競爭力?；诟邏杭壜?lián)儲能系統(tǒng)的優(yōu)點，國能粵電臺山發(fā)電有限公司根據(jù)自身機組容量及調(diào)頻需求將其運用在機組靈活性改造中，設(shè)計了目前國內(nèi)最大的火儲聯(lián)合調(diào)頻項目，為后續(xù)火儲聯(lián)合調(diào)頻中高壓級聯(lián)式儲能系統(tǒng)控制策略的研究提供支持，也為其他火儲聯(lián)合調(diào)頻項目的建設(shè)提供借鑒。
關(guān)鍵詞 儲能；高壓級聯(lián)；低壓并聯(lián)；火儲聯(lián)合調(diào)頻；并網(wǎng)檢測
“雙碳”目標下，由于能源的生產(chǎn)、消費和利用呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢，在此趨勢下電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、負荷特性、電網(wǎng)形態(tài)、技術(shù)基礎(chǔ)及運行特性將發(fā)生深刻變化，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)將面臨電力電量平衡、系統(tǒng)安全穩(wěn)定、新能源高效利用等挑戰(zhàn)。由于新能源發(fā)電具有波動性及不確定性，會影響電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，為了保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，電力系統(tǒng)需要更多的靈活調(diào)頻資源來提升自身調(diào)節(jié)能力?；痣姍C組作為我國重要的發(fā)電載體承擔著主要的調(diào)頻工作?；痣姍C組的自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)響應時間長、功率爬坡速度慢、穩(wěn)態(tài)精度低，無法滿足當前的調(diào)頻需求。電化學儲能系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速率快、響應時間短、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點，屬于優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源，能夠有效彌補火電機組調(diào)頻性能的不足。圖1為某火電廠增加電池儲能系統(tǒng)前后AGC跟蹤曲線，增加儲能系統(tǒng)后，火電機組能有效提高發(fā)電單元的調(diào)節(jié)速率、縮短響應時間、提高調(diào)節(jié)精度，提升綜合調(diào)頻性能，配合電力調(diào)度機構(gòu)改善電網(wǎng)的頻率波動，緩解電網(wǎng)調(diào)頻資源特別是優(yōu)質(zhì)調(diào)頻資源不足的問題。為了進一步加強電化學儲能電站安全管理，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于加強電化學儲能電站安全管理的通知》，由于電化學儲能系統(tǒng)并網(wǎng)后，其功率調(diào)節(jié)響應、充放電的規(guī)律和保護功能等都會對機組和廠用電設(shè)備的可靠運行產(chǎn)生影響。此外許多儲能項目還存在簡單的堆砌現(xiàn)象，導致許多儲能輔助調(diào)頻項目存在能量效率不高、綜合調(diào)頻性能提升不明顯等問題。因此，為了保障儲能系統(tǒng)、機組及廠用電負荷的安全運行，降低生產(chǎn)運行風險，電化學儲能調(diào)頻系統(tǒng)在并網(wǎng)前開展規(guī)范全面的并網(wǎng)檢測具有重要意義。
隨著電力市場化改革進一步深入，一系列宏觀政策鼓勵儲能參與輔助服務市場，以提升電力系統(tǒng)的靈活性和調(diào)節(jié)能力。廣東作為能源消費大省，其能源自給率較低，為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展和民生需要，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，大批量的海上風電接入，西電東送占比逐年增大，使得廣東電網(wǎng)的規(guī)模和負荷日益復雜。因此，廣東電網(wǎng)對優(yōu)質(zhì)調(diào)頻資源存在迫切需求，并于2018年9月啟動了廣東調(diào)頻輔助服務市場。截至2021年年底，廣東地區(qū)已有28個儲能調(diào)頻項目投入運行或試運行，為保障廣東地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性提供了有力支持。其中有23個項目使用了低壓并聯(lián)集成方式，5個項目使用了高壓級聯(lián)集成方式。兩種集成方式的主要區(qū)別在于其儲能變流器(power conversion system，PCS)不同引起的拓撲結(jié)構(gòu)差異。隨著電池行業(yè)與電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對儲能變流器的研究也不斷深入。但截至目前，對實際投運中兩種技術(shù)路線的儲能項目性能差異研究較少。文獻[17-20]對PCS的拓撲結(jié)構(gòu)進行了研究，對比拓撲結(jié)構(gòu)對PCS性能的影響，根據(jù)優(yōu)缺點對拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化并通過仿真進一步證實，但缺少實際運行數(shù)據(jù)的支撐。因此，通過并網(wǎng)性能測試這種實證化的分析手段來研究實際投運中不同拓撲結(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)性能具有非常重要的實用價值。
本工作結(jié)合廣東區(qū)域內(nèi)火儲聯(lián)合調(diào)頻項目的開展情況，選取幾個分別采用高壓級聯(lián)式儲能系統(tǒng)和低壓并聯(lián)式儲能系統(tǒng)的火儲聯(lián)合調(diào)頻項目，借助實證化的測試手段，研究了兩種拓撲結(jié)構(gòu)的儲能項目性能差異，為后續(xù)火儲聯(lián)合調(diào)頻項目的研究提供了實證化的研究方法。結(jié)合研究結(jié)果，在目前國內(nèi)規(guī)模最大的火儲聯(lián)合調(diào)頻項目采用了高壓級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)，項目總規(guī)模60 MW/60 MWh，用于提高國能粵電臺山發(fā)電有限公司綜合調(diào)頻性能指標，提升區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻資源的靈活性，為后續(xù)建設(shè)安全性高、性能優(yōu)異的火儲聯(lián)合調(diào)頻項目提供借鑒。
1 火儲聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
目前，廣東地區(qū)火儲聯(lián)合調(diào)頻的低壓并聯(lián)儲能系統(tǒng)采用的都是單級式的PCS拓撲結(jié)構(gòu)，具體拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。儲能電池直接連接到DC/AC變換器的直流側(cè)，再通過升壓變壓器轉(zhuǎn)成高壓輸入電網(wǎng)。這種拓撲結(jié)構(gòu)簡單，DC/AC變換器損耗小，易于控制。但是該結(jié)構(gòu)不利于儲能單元容量的擴大。盡管通過并聯(lián)足夠多的電池簇可以增加儲能系統(tǒng)的容量，但在使用過程中，由于電池單體存在一致性、充放電電流、運行環(huán)境等差異，在長期使用的過程中會導致儲能系統(tǒng)不一致性愈發(fā)凸顯，進而導致電池壽命縮短、儲能系統(tǒng)可放電能量下降等問題。加上直流側(cè)電池的電壓限制，交流側(cè)出口電壓一般在400 V左右，目前新的1500 V PCS盡管能夠支持直流側(cè)電壓升至1500 V，相應的交流側(cè)電壓在700 V左右，但仍需要經(jīng)過升壓變壓器才能接入中高壓電網(wǎng)，而并聯(lián)多臺升壓變壓器會進一步增加系統(tǒng)的損耗以及整個儲能電站設(shè)備的成本與占地面積。因此，通過并聯(lián)多個變壓器隔離的儲能單元來擴大儲能系統(tǒng)的容量也會造成系統(tǒng)效率低下及穩(wěn)定性問題。除此之外，由于并聯(lián)多個儲能系統(tǒng)，并聯(lián)的多組PCS之間的相互協(xié)調(diào)會占用部分系統(tǒng)資源，并聯(lián)的PCS越多，系統(tǒng)的響應時間越長。
在高壓級聯(lián)儲能單元中，級聯(lián)儲能PCS的每個H橋單元由一個電池組和與之并聯(lián)的濾波電容及H橋逆變電路組成，輸出相電壓電平m=2N+1(N為功率變換單元數(shù))，輸出線電壓為4N+1電平；隨著功率變換單元的增加，會使得并網(wǎng)電流波形更加平滑。多個H橋單元交流側(cè)串聯(lián)作為級聯(lián)儲能PCS的一相，三相采用星形接線方式。相較于低壓并聯(lián)，高壓級聯(lián)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)較為復雜，如圖3所示。低壓并聯(lián)和高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)性能對比如表1所示，高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)能夠直接輸出6 kV/10 kV，無需經(jīng)過變壓器，不僅減小系統(tǒng)損耗，提高效率，還減少了儲能系統(tǒng)的占地面積，降低了土地建設(shè)施工成本，提高了單位建設(shè)面積的能量密度。此外，在這種拓撲結(jié)構(gòu)下，儲能系統(tǒng)能夠最大限度地減少或消除電池簇的并聯(lián)情況，使得各個電池簇之間相互獨立，減少或消除電池單體和電池簇的環(huán)流現(xiàn)象，削弱了儲能系統(tǒng)中電池一致性導致的問題，提高電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命、降低了生產(chǎn)運行的安全風險。高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)每三相為一組控制單元，儲能系統(tǒng)不需要根據(jù)并聯(lián)儲能單元性能的差異進行協(xié)調(diào)后再響應指令，縮短了儲能系統(tǒng)的響應時間。高壓級聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)在低壓直流側(cè)可以減少開關(guān)損耗，進一步提高系統(tǒng)效率；而且低壓側(cè)的電子元件所需電流及高壓側(cè)的電力元件所需耐壓等級均明顯降低，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2 不同拓撲結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)性能
在機組投入AGC模式下，調(diào)度向機組遠程終端單元(remote terminal unit，RTU)發(fā)送AGC調(diào)頻指令，RTU接收指令后，迅速將信號傳遞至機組分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)，DCS控制機組向目標值出力，同時將信號傳送至儲能控制系統(tǒng)。儲能控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)頻機組實時負荷與AGC指令目標負荷之間的差值，控制儲能單元出力大小彌補差值，并向RTU和DCS反饋相應信號，RTU接收儲能和機組的反饋信號后，整合機組和儲能的出力情況并向相關(guān)數(shù)據(jù)上送調(diào)度，完成一個調(diào)頻周期?；饍β?lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制邏輯拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
根據(jù)南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務市場交易規(guī)則，綜合調(diào)頻性能指標k是用于衡量發(fā)電單元響應AGC指令綜合性能表現(xiàn)的參數(shù)，包括調(diào)節(jié)速率kⅠ、響應時間kⅡ和調(diào)節(jié)精度kⅢ三個因子，k的計算公式為：
其中，調(diào)節(jié)速率kⅠ指發(fā)電單元響應AGC指令的速率；響應時間kⅡ指發(fā)電單元響應AGC指令的時間延時；調(diào)節(jié)精度kⅢ指發(fā)電單元響應AGC指令的精準度；λⅠ、λⅡ、λⅢ為對應的調(diào)頻性能指標kⅠ、kⅡ、kⅢ在綜合調(diào)頻指標k的權(quán)重系數(shù)，目前，λⅠ為0.5，λⅡ和λⅢ為0.25。對于電廠來說，綜合調(diào)頻性能指標越高，其參加調(diào)頻輔助服務市場的收益就越高。因此儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速率、響應時間和調(diào)節(jié)精度是火儲聯(lián)合調(diào)頻中較為重要的性能指標。
PCS作為電網(wǎng)與電池之間交直流轉(zhuǎn)換的接口，充放電和功率控制是其最基本的功能，充放電的響應時間、有功功率的控制精度、無功功率的控制范圍都是衡量PCS性能的重要參數(shù)。響應時間會影響kⅠ和kⅡ，響應精度會影響kⅢ，從而影響火儲聯(lián)調(diào)項目的綜合調(diào)頻性能指標。無功功率控制能力則能夠表現(xiàn)儲能系統(tǒng)對功率因數(shù)調(diào)節(jié)的靈活性。
能量轉(zhuǎn)換效率是評價儲能電站性能優(yōu)劣的重要指標，它體現(xiàn)了儲能系統(tǒng)的能源利用效率。儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率越高，說明系統(tǒng)在充放電過程中能量的損耗就越少。從火儲聯(lián)合調(diào)頻項目的經(jīng)濟效益方面衡量，越高的能量轉(zhuǎn)換效率意味著更低的運維成本。
綜上所述，在火儲聯(lián)合調(diào)頻項目中，儲能系統(tǒng)的功率控制、充放電響應時間以及能量轉(zhuǎn)換效率性能是衡量火儲聯(lián)調(diào)項目儲能系統(tǒng)集成效果的重要技術(shù)性指標?？紤]到試驗樣本的一致性，以廣東省內(nèi)火電機組容量相近、儲能規(guī)模類似的4個火儲聯(lián)合調(diào)頻項目作為研究對象(項目具體參數(shù)見表2)，通過設(shè)計試驗方案對火儲聯(lián)合調(diào)頻項目中低壓并聯(lián)和高壓級聯(lián)的儲能系統(tǒng)進行有功和無功功率控制、充放電響應性能以及能量轉(zhuǎn)換效率對比分析，研究不同拓撲結(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)并網(wǎng)性能。
3 實驗方案
3.1 有功功率控制測試
將儲能系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連進行有功功率調(diào)節(jié)能力升降測試，根據(jù)GB/T 36548—2018《電化學儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測試規(guī)范》，步驟如下：
（1）設(shè)置儲能系統(tǒng)有功功率為0；
（2）逐級調(diào)節(jié)有功功率至-0.25PN、0.25PN、 -0.5PN、0.5PN、-0.75PN、0.75PN、-PN、PN，各個功率點保持至少30 s，在儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點測量時序功率，以每0.2 s有功功率平均值為一點，記錄實測數(shù)據(jù)；
（3）以每次有功功率變化后的第二個15 s計算15 s有功功率平均值；
（4）計算步驟（2）各點有功功率的控制精度、響應時間和調(diào)節(jié)時間；
（5）設(shè)置儲能系統(tǒng)有功功率為PN；
（6）逐級調(diào)節(jié)有功功率至-PN、0.75PN、-0.75PN、0.5PN、-0.5PN、0.25PN、-0.25PN、0，各個功率點保持至少30 s，在儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點測量時序功率，以每0.2 s有功功率平均值為一點，記錄實測數(shù)據(jù)；
（7）以每次有功功率變化后的第二個15 s計算15 s有功功率平均值；
（8）計算步驟（6）各點有功功率的控制精度、響應時間和調(diào)節(jié)時間。
3.2 無功功率控制測試
在功率控制方面，電化學儲能系統(tǒng)在其變流器額定功率運行范圍內(nèi)應具備四象限控制功能，有功功率和無功功率應在圖5所示的陰影區(qū)域內(nèi)動態(tài)可調(diào)。根據(jù)GB/T 36548—2018《電化學儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測試規(guī)范》，測試方法如下：
圖5 有功-無功功率包絡(luò)圖
注：PN為電化學儲能系統(tǒng)的額定功率，P和Q分別為電化學儲能系統(tǒng)當前運行的有功功率和無功功率。
將儲能系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連，所有參數(shù)調(diào)至正常工作條件，進行無功功率調(diào)節(jié)能力充/放電模式測試，測試時指令從EMS下發(fā)，步驟如下：
（1）設(shè)置儲能系統(tǒng)充/放電有功功率為PN；
（2）調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)運行在輸出最大感性無功功率工作模式；
（3）在儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點測量時序功率，至少記錄30 s有功功率和無功功率，以每0.2 s功率平均值為一點，計算第二個15 s內(nèi)有功功率和無功功率的平均值；
（4）分別調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)充電有功功率為0.9PN、0.8PN、0.7PN、0.6PN、0.5PN、0.4PN、0.3PN、0.2PN、0.1PN、0，重復步驟（2）～（3）；
（5）調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)運行在輸出最大容性無功功率工作模式，重復步驟（3）～（4）；
（6）以有功功率為橫坐標，無功功率為縱坐標，繪制儲能系統(tǒng)功率包絡(luò)圖。
3.3 充放電響應性能測試
測試過程中，儲能系統(tǒng)受到信號控制至充放電功率首次達到90%額定功率的時刻定義為充放電響應時間，儲能系統(tǒng)受到信號控制至充放電功率首次達到額定功率的時間定義為充放電調(diào)節(jié)時間。
測試過程中，儲能系統(tǒng)受到信號控制至充放電功率首次達到90%額定功率的時刻定義為充放電響應時間，儲能系統(tǒng)受到信號控制至充放電功率首次達到額定功率的時間定義為充放電調(diào)節(jié)時間。測試方法如下：
（1）在額定功率充放電條件下，記錄儲能系統(tǒng)收到控制信號的時刻t1，記錄儲能充/放電功率首次達到90%額定功率的時刻，記為t2，t2減去t1即為充/放電響應時間RTc，重復3次，充/放電響應時間取3次結(jié)果中的最大值；
（2）在額定功率充放電條件下，記錄儲能系統(tǒng)收到控制信號的時刻t3，記錄儲能充/放電功率的偏差維持在額定功率±2%以內(nèi)的起始時刻，記為t4，t4減去t3即為充/放電調(diào)節(jié)時間ATc，重復3次，充/放電調(diào)節(jié)時間取3次結(jié)果中的最大值。
3.4 能量轉(zhuǎn)換效率測試
根據(jù)國標GB/T 36548—2018《電化學儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測試規(guī)范》，儲能系統(tǒng)額定功率轉(zhuǎn)換效率是指儲能系統(tǒng)額定功率放電時輸出能量與同循環(huán)過程中額定功率充電時輸入能量的比值。測試方法如下：
（1）在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)在額定功率充放電條件下，以額定功率放電至放電終止條件時停止放電，再以額定功率充電至充電終止條件時停止充電。記錄本次充電過程中儲能系統(tǒng)充電的能量Ec和輔助能耗Wc；
（2）以額定功率放電至放電終止條件時停止放電。記錄本次放電過程中儲能系統(tǒng)放電的能量En和輔助能耗Wn；
（3）重復以上步驟3次，記錄每次充放電能量Ec、En和輔助能耗Wc、Wn，按照以下公式計算能量轉(zhuǎn)換效率η：
（1）有功功率測試結(jié)果
對4個項目進行有功功率控制測試，選取升功率結(jié)果進行分析，通過表3～表6的對比，總體上看，在有功控制性能測試方面，項目A、B的控制精度均值分別為0.51%和0.62%、響應時間的均值分別為0.578 s和0.340 s、調(diào)節(jié)時間均值分別為0.625 s和0.356 s；項目C和項目D的控制精度均值分別為1.13%和0.78%、響應時間的均值分別為1.499 s和0.642 s、調(diào)節(jié)時間均值分別為1.718 s和0.926 s；可以看出，高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)對功率的控制精度及控制時間較優(yōu)于低壓并聯(lián)儲能系統(tǒng)。在低壓并聯(lián)儲能系統(tǒng)中，以5 MW儲能單元為例，儲能管理系統(tǒng)在接收到指令后需要將指令下發(fā)到儲能單元，每個儲能單元通過8臺PCS控制電池出力，完成相應指令。而在高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)中，儲能單元只需要通過控制1臺PCS便可完成對電池的控制，因此縮短了響應時間和調(diào)節(jié)時間。
（2）無功功率測試結(jié)果
根據(jù)項目A和項目C的有功-無功功率包絡(luò)圖(圖6)分析，配置了高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)的項目A的無功功率控制范圍大于配置了低壓并聯(lián)儲能系統(tǒng)的項目C。這是由于低壓并聯(lián)儲能系統(tǒng)需要經(jīng)過變壓器升壓再接入電網(wǎng)，由于變壓器本身能夠在充放電過程中吸收或釋放非常大的無功，會對整個儲能系統(tǒng)的無功控制造成非常大的影響，而許多EMS系統(tǒng)在無功控制方面缺少對于變壓器無功影響的補償調(diào)整，導致低壓并聯(lián)方案一方面無功控制能力受限，另一方面無功功率的控制精度較差。而高壓級聯(lián)方案不受升壓變的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)無功功率的四象限控制，無論控制范圍還是控制精度明顯更具優(yōu)勢。
（3）充放電響應/調(diào)節(jié)時間測試結(jié)果
對4個項目進行充放電響應及調(diào)節(jié)時間測試，根據(jù)表7可得，配置了高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)的項目A和項目B的充放電響應時間均明顯優(yōu)于配置了低壓并聯(lián)儲能系統(tǒng)的項目C和D。這是由于為了達到高電壓及大容量的需求，低壓并聯(lián)儲能系統(tǒng)需要采用更多的PCS等器件串并聯(lián)，以10 MW左右的這4個儲能項目為例，高壓級聯(lián)系統(tǒng)只需要控制2臺5 MW PCS同時出力，而低壓并聯(lián)方案需要控制16臺PCS同時出力，這樣增加整個系統(tǒng)控制復雜度，影響儲能系統(tǒng)充放電響應和調(diào)節(jié)速率，因此高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)的響應和調(diào)節(jié)時間較短。
（4）能量轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果
對項目A和項目C進行2 C倍率充放電下的能量轉(zhuǎn)換效率測試，根據(jù)表8分析，項目A在2 C充放電倍率下的能量轉(zhuǎn)換效率為84.45%，高于項目C的82.32%。由于高壓級聯(lián)技術(shù)通過逆變級聯(lián)后直接接入電網(wǎng)，沒有經(jīng)過升壓變壓器，從而減少了系統(tǒng)的損耗；其次，通過串聯(lián)電池簇作為PCS的一相，能夠?qū)崿F(xiàn)每個電池簇的獨立控制，實現(xiàn)簇間均衡，從而降低整個儲能系統(tǒng)直流側(cè)的損耗；再加上每個H橋單元的低載波頻率又降低了開關(guān)損耗，使得配置了高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)的項目A的能量轉(zhuǎn)換效率較高。
通過以上數(shù)據(jù)分析，在火儲聯(lián)合調(diào)頻項目中，由于高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)的PCS數(shù)量較少，降低了系統(tǒng)的復雜程度，提高了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能力，因此其響應時間更短，功率控制的精度更高；此外，大部分EMS缺少對于變壓器無功影響的補償調(diào)整，導致了低壓并聯(lián)儲能系統(tǒng)的無功功率控制能力較差，加上升壓變壓器的損耗，使得高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換效率方面更具有優(yōu)勢。
5 高壓級聯(lián)式儲能系統(tǒng)在國能集團的應用實踐
目前，伴隨南方地區(qū)調(diào)頻輔助服務市場逐漸成熟，廣東地區(qū)的火電廠已逐漸完成火儲聯(lián)合調(diào)頻的改造。為了提升機組輔助調(diào)頻的能力，為電網(wǎng)輸送高質(zhì)量的調(diào)頻資源，國能粵電臺山發(fā)電有限公司對自身機組展開靈活性(輔助調(diào)頻)技術(shù)改造?；诨痣姍C組的容量、當?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)頻需求以及保障機組的安全穩(wěn)定運行，該項目共配置了60 MW/60 MWh的電池系統(tǒng)。考慮到提升機組綜合調(diào)頻性能指標k和大容量的電池系統(tǒng)，為了減少能量損耗以及降低儲能單元并聯(lián)導致電池系統(tǒng)一致性的安全風險，選擇了高壓級聯(lián)PCS的拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計了國內(nèi)最大的火儲聯(lián)合調(diào)頻項目，項目于2022年4月份開始建設(shè)，計劃2022年底實現(xiàn)正式投運。
項目計劃在1、2號機組和6、7號機組6 kV廠用電系統(tǒng)分別加裝一套25 MW/25 MWh和35 MW/35 MWh的磷酸鐵鋰電化學儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)，分別接入1、2、6、7號機組6 kV母線，1、2號機組儲能單元系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。儲能電池系統(tǒng)共計12套5 MW/5 MWh級聯(lián)儲能單元，儲能系統(tǒng)單元采取級聯(lián)H橋的拓撲結(jié)構(gòu)，一次電路采用星形連接，每相由13個鏈節(jié)串聯(lián)組成；每個鏈節(jié)由1個功率單元和1個電池柜組成，如圖8所示。每個電池柜的額定直流電壓為716.8 V，容量為129.024 kWh，每個電池柜由14個51.2 V/9.216 kWh電池箱串聯(lián)組成。該項目技術(shù)路線具有以下特點：
（1）該項目采用級聯(lián)型H橋拓撲結(jié)構(gòu)的逆變器，一次電路采用星形連接，每相由13個鏈節(jié)串聯(lián)組成；每個鏈節(jié)由1個功率單元和1個電池柜組成，除此之外，該項目配備的PCS具有簇間主動均衡功能，減小簇間SOC偏差，提高電池壽命；
（2）該項目采用無電池簇并聯(lián)方式，直接與電網(wǎng)連接，不僅解決儲能電池大規(guī)模串并聯(lián)導致的木桶短板效應，還提高了系統(tǒng)的安全性；
（3）為了進一步降低安全風險，該項目還采用了“四級”安全消防系統(tǒng)，實現(xiàn)安全可靠、高效準確的消防預警和火災抑制。
通過上述特點，在項目建設(shè)及后期運行中，結(jié)合機組實際調(diào)頻情況，將對高壓級聯(lián)功率轉(zhuǎn)換器的控制策略以及“四級”消防系統(tǒng)對火儲聯(lián)合調(diào)頻項目安全性的保障兩方面開展深入研究，為其他火儲聯(lián)調(diào)項目提供技術(shù)經(jīng)驗。
6 結(jié)論
（1）廣東地區(qū)火儲聯(lián)合調(diào)頻項目中的儲能系統(tǒng)主要以低壓并聯(lián)的單級PCS拓撲結(jié)構(gòu)和高壓級聯(lián)PCS拓撲結(jié)構(gòu)為主。本工作通過并網(wǎng)性能測試對廣東地區(qū)投運中的儲能項目進行試驗，以實證化的手段研究了不同拓撲結(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)在火儲聯(lián)合調(diào)頻項目中的性能差異：由于高壓級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)所需要的PCS數(shù)量較少，系統(tǒng)復雜程度低，因此協(xié)調(diào)控制能力高于低壓并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)，響應時間更短，響應精度更高；而且高壓級聯(lián)系統(tǒng)無需經(jīng)過升壓變壓器，降低了損耗，消除升壓變壓器對無功功率的影響，提高了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，也提高了系統(tǒng)對無功功率控制的能力。
（2）國能粵電臺山發(fā)電有限公司基于自身機組情況和調(diào)頻需求，有針對性地選擇了高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)，設(shè)計了國內(nèi)目前最大的火儲聯(lián)合調(diào)頻項目。該項目搭配了60 MW/60 MWh磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，結(jié)合“四級”消防系統(tǒng)，以便后續(xù)開展高壓級聯(lián)PCS控制策略和消防安全策略的研究，為其他火儲聯(lián)調(diào)項目提供技術(shù)經(jīng)驗。
