中國儲能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長沙市人民政府、中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會聯(lián)合主辦，100余家機構(gòu)共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了中國電力王逸超分享主題報告《電池儲能對高比例新能源接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的支撐作用》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
王逸超：首先簡單介紹一下中國電力在新能源發(fā)展的一些情況，四個革命，一個合作的能源安全新戰(zhàn)略，以及雙碳目標的提出，為中國能源事業(yè)的發(fā)展擘畫了方向。到2030年，我國風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上，新能源將迎來強勢發(fā)展的十年。
中國電力在去年以前都還是以火電為主的企業(yè)，它作為一家傳統(tǒng)能源企業(yè)，在2021年10月發(fā)布了新的戰(zhàn)略，確定了“建設(shè)世界一流清潔能源企業(yè)”主力軍的戰(zhàn)略定位，加速向新能源綠色低碳方向發(fā)展。截至2022年的第三季度，我們的風電、光伏裝機規(guī)模已經(jīng)突破了一千萬千瓦，在清潔轉(zhuǎn)型的路上是按下了快進鍵。高比例新能源不斷的接入電網(wǎng)，搶占了火電的發(fā)展空間，降低了供電可靠性。其次新能源的動態(tài)調(diào)節(jié)能力是比較弱的，對電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定帶來了極大的隱患，所以國家標準上也是對新能源提出了相應(yīng)的要求，如《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》，這是國家的強制標準，要求35千伏及以上電源均應(yīng)具備一次調(diào)頻、快速調(diào)壓和調(diào)峰的能力。新能源和電池儲能是一對“黃金搭檔”，電池儲能在促進新能源發(fā)展、消納，提升新能源調(diào)峰和調(diào)頻能力方面發(fā)揮著不可替代的作用，所以我今天想和大家分享我在電池儲能支撐新能源穩(wěn)定，支撐電網(wǎng)頻率安全方面的認識。
為什么電力系統(tǒng)頻率會變化？電網(wǎng)選擇交流和直流在十八世紀還是有一個爭議的，最終交流系統(tǒng)的推崇者特斯拉取得了勝利，現(xiàn)在所有系統(tǒng)是以交流作為主導的電力系統(tǒng)。我們希望電力系統(tǒng)的頻率不發(fā)生改變，一直維持在額定頻率，但實際上這一點是非常難的，因為發(fā)電功率和負荷功率總是在波動，是處于不平衡的狀態(tài)，在同步發(fā)電機為主導的大電力系統(tǒng)上是有功功率的不平衡導致了電力系統(tǒng)的頻率波動。如果是在小型微電網(wǎng)系統(tǒng)中，當其線路阻抗主要呈現(xiàn)阻性為主時，那么將是無功功率的不平衡引起了電網(wǎng)頻率的波動。因為我們的大電網(wǎng)系統(tǒng)主要是以感性的線路阻抗為主，在感性線路阻抗下，有功功率的不平衡將引起電網(wǎng)頻率的波動。從能量的角度來說，電能也是一種能量，在以傳統(tǒng)同步發(fā)電機為主的電力系統(tǒng)上，實際上我們的同步發(fā)電機是將轉(zhuǎn)動勢能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，我們的電網(wǎng)頻率是和同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成正比的。
簡單分析一下頻率下降和頻率升高的原因，首先是頻率下降，當發(fā)電不足，機組突然下網(wǎng)或者負荷需求突然增高的時候，系統(tǒng)會瞬間從同步發(fā)電機轉(zhuǎn)動勢能中吸取能量，就會導致同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速變慢，從而導致頻率下降。頻率升高是由于新能源發(fā)電突然增加或負荷需求減少，系統(tǒng)會把多余的能量作為常規(guī)機組的轉(zhuǎn)動勢能進行累加，從而導致發(fā)電機的轉(zhuǎn)速加快，最終頻率上升。
在以同步發(fā)電機為主的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)頻有三大法寶：一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、慣量支撐。一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)方式是采用下垂控制，通過發(fā)電機、調(diào)速器來調(diào)節(jié)進氣量或者進水量來改變有功輸出，這種調(diào)節(jié)的響應(yīng)時間通常是秒級，但是它的效果是有差調(diào)節(jié)，最終調(diào)節(jié)的結(jié)果是電網(wǎng)頻率有一定程度的恢復，但不能回到額定值，并且這種行為可以認為是同步發(fā)電機組自發(fā)的行為，不需要組織干預。二次調(diào)頻主要的方式是采用AGC控制，通過原動機的調(diào)頻器，相應(yīng)地增減機組負荷，這種響應(yīng)時間通常是分鐘級，它的調(diào)節(jié)方式是無差調(diào)節(jié)，可以將頻率拉回額定的50赫茲，并且這種行為通常是由調(diào)度來下指令，是一種有組織的行為方式，調(diào)度相當于整個組織的中樞大腦，由它來下指令給各個發(fā)電機組。除了一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，還有一個非常有意思的法寶--慣量，實際上慣量是同步發(fā)電機的一種自然機械屬性，它具有無延時響應(yīng)的效果，主要的作用是抑制頻率突然快速變化，屬于同步發(fā)電機的一種自然特性，慣量越大，頻率快速變化的難度也會越大。我們這里就有一個很重要的概念--頻率的變化速率，慣量越大，系統(tǒng)反應(yīng)越遲鈍，當負載或者電源側(cè)的功率突然變化時，引起頻率變化的速率也會越慢。另一方面，慣量越小，反應(yīng)越靈活，一點小小的功率擾動也會導致頻率的快速變化。
我們捋一捋同步發(fā)電機為主的電力系統(tǒng)調(diào)頻過程，實際上慣量是為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻爭取時間，整個過程如下：首先是慣量支撐，它是一種自然的機械特性，無延時響應(yīng)，延緩頻率的下降速度，然后是秒級的一次調(diào)頻頂上，將頻率撐到偏離額定值的頻率值，最后是分鐘級的二次調(diào)頻發(fā)揮作用，通過調(diào)度下指令，同步發(fā)電機有組織的集體行動，將頻率恢復到額定值。轉(zhuǎn)動慣量是一種機械特性，只有同步發(fā)電機才能夠提供這種轉(zhuǎn)動慣量，新能源都是通過變流器來并網(wǎng)的，并不提供這種慣量支撐，越來越多的新能源替代同步發(fā)電機就會導致系統(tǒng)的慣量越來越小。
慣量缺失的后果是非常嚴重的，我總結(jié)了兩個方面可能發(fā)生的問題。一是轉(zhuǎn)動慣量缺失，它會使得部分同步發(fā)電機存在脫網(wǎng)風險，因為同步發(fā)電機為了保護自己，通常會設(shè)置一個頻率變化過快的脫網(wǎng)指標，變化速率過大就容易觸發(fā)脫網(wǎng)。新能源也存在一個頻率的適應(yīng)區(qū)間，慣量缺失，事故發(fā)生時頻率跌落的速度過快，一次調(diào)頻還沒有響應(yīng)過來，頻率可能已經(jīng)跌到了新能源頻率適應(yīng)區(qū)間外，觸發(fā)新能源的脫網(wǎng)。
2019年英國大電網(wǎng)停電事故時，風電滲透率已經(jīng)達到了34.71%，同步發(fā)電機組開機不足，致使系統(tǒng)慣量大幅降低。這是整個事故發(fā)生的四階段，第一階段是雷擊及電壓擾動的影響，當?shù)赜幸慌_小巴德福燃氣電站，霍恩分電場和分步式電源相繼脫網(wǎng)，損失大概是1131兆瓦的電力。第二階段是由于系統(tǒng)慣量較小，頻率快速下降，初始的下降速度已經(jīng)超過了0.125赫茲每秒，觸發(fā)部分同步機組保護機制，所以又導致?lián)p失了350兆瓦的分布式電源機組，累計損失電力是1481兆瓦，約占總負荷的5%。第三階段是頻率響應(yīng)措施啟動，英國的頻率響應(yīng)措施類似于我國的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，降低頻率的偏差，將系統(tǒng)的頻率拉到49.2赫茲，當時英國的旋轉(zhuǎn)備用大概是1000兆瓦，這個時候已經(jīng)出力了900兆瓦，它的底牌基本用光了。第四階段，小巴德福燃氣站又一臺燃氣輪機保護停機，損失功率210兆瓦，英國電網(wǎng)累計損失功率達到了1691兆瓦，這個時候旋轉(zhuǎn)備用都已經(jīng)用光了，頻率持續(xù)下降，最終觸發(fā)電網(wǎng)的第三道防線低頻減載裝置，導致大量負荷被切除，引起大停電事故。英國的大停電事故讓英國感受到了從傳統(tǒng)的慣性電網(wǎng)到分布式及高再生能源電網(wǎng)的荊棘之路，英國一方面是重新審議旋轉(zhuǎn)備用容量是否足夠，另一方面也著手修改頻率變化速率這一保護閾值，將0.125赫茲每秒提高到1赫茲每秒，來應(yīng)對慣量缺失導致的頻率快速變化問題。
儲能如何參與電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定控制的？實際上儲能要做的模擬，一是模擬同步發(fā)電機慣量特性，二是模擬同步發(fā)電機的一次調(diào)頻特性。我認為儲能模擬不出同步發(fā)電機那種自然的機械特性，模擬的只是自然機械特性所產(chǎn)生的效果，就是一種抑制頻率快速變化的阻力，所以它的公式很簡單，就是一種跟頻率變化速率相反的阻力。一次調(diào)頻相對比較簡單一點，說白了就是下垂控制，實際就是人為的設(shè)定有功頻率的映射關(guān)系，頻率低于額定值就發(fā)出有功，頻率高于額定值就吸收有功，通過檢測電網(wǎng)頻率來自主調(diào)節(jié)有功功率的輸出。這是一種最簡單的一虛擬同步發(fā)電機的實現(xiàn)方法，實際上就是把這三個指令加在一起，AGC就是二次調(diào)頻指令，中間是慣量指令，最后是一次調(diào)頻指令，從而一起實現(xiàn)同步發(fā)電機的慣量支撐，一次調(diào)頻和二次調(diào)頻等功能。儲能模擬同步發(fā)電機調(diào)頻的優(yōu)勢在于響應(yīng)速度快，將同步發(fā)電機無延時的虛擬慣量支撐、秒級的一次調(diào)頻和分鐘級的二次調(diào)頻等不同時間尺度的調(diào)頻功能統(tǒng)一為毫秒級。天下武功，唯快不破，從而彌補電網(wǎng)慣量缺失導致的頻率快速變化問題，儲能自身除了可以作為旋轉(zhuǎn)備用參與調(diào)頻服務(wù)外，還可以為常規(guī)機組爭取時間，共同提高電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定裕度。
毫秒級是很理想的情況，大容量的儲能如何做到毫秒級的調(diào)頻？我認為還是一個很有難度的挑戰(zhàn)。我們也調(diào)研了，目前大容量儲能電站在調(diào)頻方面存在的問題如下，一是數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸量大，控制命令時效性很難保證。二是如果全部使用高速以太網(wǎng)，成本過高。三是用61850協(xié)議適配場景存在局限性，適配性不強。為此，我們提出的解決方案是基于控制網(wǎng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)分離的設(shè)計模式，提高控制命令的可靠性。以降低建設(shè)成本為導向，控制網(wǎng)采用EtherCAT，信息網(wǎng)采用傳統(tǒng)的以太網(wǎng)、CAN及串口等方式來控制建設(shè)成本。同時以業(yè)務(wù)維度對數(shù)據(jù)整合，開展儲能業(yè)務(wù)規(guī)約設(shè)計，提高數(shù)據(jù)傳輸效率的同時降低開發(fā)難度。
這是我們采用工業(yè)以太網(wǎng)和常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)高度集成設(shè)計理念的拓撲圖，我們的控制網(wǎng)是采用EtherCAT來確?？刂泼畹目焖傧掳l(fā)，信息網(wǎng)是采用常規(guī)通信介質(zhì)實現(xiàn)測點信息的周期上傳，典型組網(wǎng)方案是把整個儲能艙的控制系統(tǒng)集成了EtherCAT從站的功能，協(xié)控做成了EtherCAT的主站方式，從而實現(xiàn)控制命令可以在毫秒級迅速下達到艙控制系統(tǒng)。
這是常規(guī)方案和我們方案的對比，一是在組網(wǎng)模式上，控制網(wǎng)和信息網(wǎng)是分離的，實現(xiàn)控制命令可靠性達100%。二是控制網(wǎng)基于EtherCAT的協(xié)議方式，調(diào)頻響應(yīng)速率提高近50%。三是組網(wǎng)復雜度，極大減少交換機的數(shù)量，簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。四是聯(lián)調(diào)周期，相比61850的goose降低調(diào)試難度。五是建設(shè)成本，百兆瓦級的儲能電站，如果用現(xiàn)在的組網(wǎng)方式，協(xié)控可能需要四五個，如果我們用這種方式，協(xié)控就等于EtherCAT的主站，只需要一臺協(xié)控就可以實現(xiàn)整站指令的快速下發(fā)，減少協(xié)控數(shù)量，降低建設(shè)成本。
最后做一個簡單的總結(jié)，未來新能源將迎來黃金發(fā)展十年，新能源發(fā)展的同時，電網(wǎng)的慣性將不可避免的降低，電網(wǎng)的頻率安全穩(wěn)定將面臨嚴峻考驗。傳統(tǒng)同步發(fā)電機的頻率控制方式主要包括慣量支撐、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，其中慣量支撐是同步發(fā)電機一種自然的機械特性，幾乎是無延時響應(yīng)，一次調(diào)頻的響應(yīng)時間為秒級，二次調(diào)頻的響應(yīng)時間為分鐘級，電網(wǎng)慣量的缺失將導致頻率的快速變化，容易觸發(fā)電網(wǎng)的第三道防線。儲能可以模擬同步發(fā)電機的慣量支撐響應(yīng)和一二次調(diào)頻功能，可以將同步發(fā)電機的不同時間尺度的調(diào)頻能力統(tǒng)一到毫秒級，從而彌補電網(wǎng)慣量缺失導致的頻率快速變化問題。
以上是我的匯報，請各位批評指正。
