中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
作者：王立娜1,3(圖片), 譚麗平2,3, 徐志強(qiáng)2,3, 譚鑫1,3, 吳昌龍1,3, 葉暉4, 李愛(ài)魁4(圖片)
單位：1. 湖南經(jīng)研電力設(shè)計(jì)有限公司；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院；3. 規(guī)?；姵貎?chǔ)能 應(yīng)用技術(shù)湖南省工程研究中心；4. 大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院
引用： 王立娜,譚麗平,徐志強(qiáng)等.鋰電池儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻設(shè)計(jì)優(yōu)化及驗(yàn)證[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(12):3862-3871.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0410
摘 要 一次調(diào)頻是儲(chǔ)能電站支撐新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。本工作研究了鋰離子儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻集成設(shè)計(jì)，包括響應(yīng)時(shí)間和過(guò)載能力兩方面的分析及優(yōu)化，主要通過(guò)信息采集與傳遞、策略算法運(yùn)算周期兩方面縮短響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)儲(chǔ)能變流器內(nèi)部功率器件開(kāi)關(guān)頻率控制方案提升其過(guò)載能力，并通過(guò)20 MW/10 MWh鋰電池儲(chǔ)能電站實(shí)現(xiàn)了上述指標(biāo)優(yōu)化驗(yàn)證。結(jié)果表明，鋰離子儲(chǔ)能電站應(yīng)用于一次調(diào)頻工況時(shí)，變流器響應(yīng)時(shí)間為60～80 ms，變流器過(guò)載能力30 s內(nèi)均能達(dá)到150%，提高了儲(chǔ)能電站功率性價(jià)比。該儲(chǔ)能電站在孤網(wǎng)中的一次調(diào)頻試驗(yàn)中可有效平滑頻率波動(dòng)，減少發(fā)電機(jī)組的動(dòng)作頻次，可為后續(xù)功率型儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)提供思路。
關(guān)鍵詞 鋰離子電池；儲(chǔ)能電站；一次調(diào)頻；集成設(shè)計(jì)；過(guò)載
隨著新能源占比增加，電力輔助服務(wù)需求相應(yīng)增大，通過(guò)火電機(jī)組和新能源機(jī)組靈活性改造可部分減緩輔助服務(wù)的不足，但降低了電源側(cè)的經(jīng)濟(jì)性和效率，不符合“碳達(dá)峰、碳中和”長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。儲(chǔ)能可從根本上解決新能源波動(dòng)性和間歇性帶來(lái)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電問(wèn)題。電化學(xué)儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度快、選址靈活且建設(shè)規(guī)?？煽氐忍攸c(diǎn)，是應(yīng)對(duì)高比例性能源、高電力電子化特征的新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。新版《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》對(duì)新能源場(chǎng)站提出了10%的調(diào)節(jié)能力要求，使儲(chǔ)能電站的一次調(diào)頻能力日益受到重視。
一次調(diào)頻是指電網(wǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)電源、負(fù)荷等資源的并網(wǎng)有功功率以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功率平衡。在傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)中，通過(guò)傳統(tǒng)火電、水電機(jī)組響應(yīng) AGC 信號(hào)維持系統(tǒng)能量平衡。風(fēng)光等新能源具有波動(dòng)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，隨著此類新能源并網(wǎng)容量增加，新型電力系統(tǒng)能量不平衡現(xiàn)象加劇，傳統(tǒng)能源調(diào)頻速度慢，在響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令時(shí)具有一定滯后性，甚至?xí)霈F(xiàn)反向調(diào)節(jié)之類的錯(cuò)誤動(dòng)作。儲(chǔ)能根據(jù)頻率偏差值及死區(qū)限制迅速調(diào)節(jié)出力時(shí)間及動(dòng)作幅度參與一次調(diào)頻，相比傳統(tǒng)資源，其響應(yīng)速度更快、更靈活，更適用于高度電力電子化的新型電力系統(tǒng)一次調(diào)頻。
由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》可知，在頻率階躍擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，儲(chǔ)能電站的一次調(diào)頻性能要求比傳統(tǒng)火電/光熱/燃?xì)?燃油機(jī)組及核電/水電/新能源等其他電源明顯提高。儲(chǔ)能電站的響應(yīng)時(shí)間(包含滯后、上升、調(diào)節(jié)時(shí)間)相比傳統(tǒng)機(jī)組可減少數(shù)秒至數(shù)十秒不等，因此同等條件下儲(chǔ)能電站具有更優(yōu)一次調(diào)頻性能，已經(jīng)應(yīng)用于輔助火電機(jī)組二次調(diào)頻，提升了調(diào)頻指令執(zhí)行能力。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)具有高新能源占比、高電力電子化的“雙高”特征，慣量不足導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動(dòng)性較強(qiáng)。當(dāng)前一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定中對(duì)于儲(chǔ)能電站響應(yīng)時(shí)間要求為秒級(jí)，需要對(duì)儲(chǔ)能電站響應(yīng)速度進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)而更快平抑電網(wǎng)頻率波動(dòng)。
儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的形式主要包括獨(dú)立響應(yīng)一次調(diào)頻、聯(lián)合傳統(tǒng)機(jī)組參與一次調(diào)頻、聯(lián)合風(fēng)光等新能源參與一次調(diào)頻等。溫可瑞等提出一種考慮電價(jià)波動(dòng)場(chǎng)景下儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻服務(wù)的“前瞻-值函數(shù)近似”混合運(yùn)行策略，該策略包含儲(chǔ)能長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行收益、一次調(diào)頻性能等多個(gè)目標(biāo)，策略仿真結(jié)果表明其兼顧全局經(jīng)濟(jì)效益、在線運(yùn)算開(kāi)銷及儲(chǔ)能資源的頻率響應(yīng)能力，運(yùn)算求解時(shí)間超過(guò)8 s。Fang等提出了一種用于儲(chǔ)能系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)的自適應(yīng)控制策略，在頻率衰減階段采用虛擬下垂控制和虛擬慣性控制來(lái)減緩頻率衰減。在頻率恢復(fù)階段，采用虛擬負(fù)慣性控制和虛擬下垂控制相結(jié)合的方法加速頻率恢復(fù)，并且考慮SOC狀態(tài)來(lái)修正下垂系數(shù)，該策略能夠滿足頻率調(diào)節(jié)的要求，并有利于提高儲(chǔ)能單元的循環(huán)壽命。李慶成以調(diào)頻效果為目標(biāo)提出儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略，由仿真結(jié)果可知其采用PID控制運(yùn)算周期在1～2 s，具有較好調(diào)頻效果。傅質(zhì)馨等提出基于SOC和調(diào)節(jié)因子反饋的儲(chǔ)能輔助光伏參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化控制策略，策略考慮光伏可控減載運(yùn)行控制、儲(chǔ)能電池壽命和調(diào)頻效果，仿真結(jié)果表明該策略運(yùn)算周期為2～3 s，可有效減少儲(chǔ)能配置以降低光儲(chǔ)系統(tǒng)成本，同時(shí)儲(chǔ)能加入保障了該系統(tǒng)調(diào)頻效果?，F(xiàn)有文獻(xiàn)所提出策略考慮多因素、多功能，策略思想較為復(fù)雜造成運(yùn)算周期較長(zhǎng)(為秒級(jí))。目前在運(yùn)儲(chǔ)能電站或與機(jī)組耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)/電站主要采用下垂或虛擬同步模式，無(wú)統(tǒng)一管控導(dǎo)致電站SOC均衡性較差，經(jīng)濟(jì)性也有待提升。
目前，儲(chǔ)能電池、變流器(power convert system，PCS)過(guò)載能力要求考慮分鐘級(jí)以上運(yùn)行工況，如現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》規(guī)定儲(chǔ)能變流器過(guò)載能力滿足交流測(cè)電流在120%額定電流下持續(xù)運(yùn)行時(shí)間不小于1 min。而一次調(diào)頻為秒級(jí)調(diào)節(jié)，對(duì)儲(chǔ)能秒級(jí)過(guò)載能力未見(jiàn)研究，需要對(duì)PCS秒級(jí)過(guò)載能力進(jìn)行分析優(yōu)化。
一次調(diào)頻功能成為電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的標(biāo)準(zhǔn)配置，圍繞一次調(diào)頻性能的電站集成設(shè)計(jì)、短時(shí)間尺度的設(shè)備選型配置及過(guò)載能力，滿足高低頻調(diào)節(jié)能力的SOC控制等有待研究。特別是對(duì)其設(shè)備選型及參數(shù)要求、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力以及一次調(diào)頻能力的具體要求并沒(méi)有細(xì)化，導(dǎo)致現(xiàn)有一次調(diào)頻電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)仍是參考了能量型儲(chǔ)能電站的技術(shù)要求，在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性方面仍有較大的優(yōu)化空間。本工作針對(duì)上述問(wèn)題，在響應(yīng)時(shí)間、過(guò)載能力兩方面對(duì)儲(chǔ)能電站進(jìn)行優(yōu)化，提出了縮短通訊、策略算法等方面響應(yīng)時(shí)間的方案和提高儲(chǔ)能PCS過(guò)載能力方案，并通過(guò)某在運(yùn)儲(chǔ)能電站實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)驗(yàn)證。
1 響應(yīng)時(shí)間
電化學(xué)儲(chǔ)能電站由電池、變流器及控制系統(tǒng)等組成，其中電池充放電時(shí)的電場(chǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級(jí)，變流器和控制器動(dòng)作時(shí)間為毫秒級(jí)，因此儲(chǔ)能電站響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)。分析儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻在信息采集與傳輸系統(tǒng)、算法/策略運(yùn)算回路和儲(chǔ)能變流器的響應(yīng)時(shí)間分布，優(yōu)化響應(yīng)速度是提高其調(diào)頻能力的主要方式。本工作對(duì)優(yōu)化空間較大的信息采集與傳輸系統(tǒng)和算法/策略運(yùn)算回路響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了研究。
1.1 信息采集與傳輸
儲(chǔ)能電站響應(yīng)時(shí)間影響因素包含信號(hào)傳輸速度、PCS執(zhí)行速度、函數(shù)回路運(yùn)算速度等。儲(chǔ)能電站的通信方式和通信規(guī)約是影響信號(hào)傳輸速度的重要因素，目前電力系統(tǒng)常用通信方式有光纖通信、以太網(wǎng)、RS485、電力載波等。當(dāng)儲(chǔ)能電站進(jìn)行一次調(diào)頻時(shí)，通過(guò)專用頻率變送裝置采集并網(wǎng)點(diǎn)頻率，傳送給儲(chǔ)能電站EMS，通過(guò)下垂函數(shù)換算為有功功率值下發(fā)給PCS執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也可以傳送給PCS做函數(shù)計(jì)算，此信息傳遞過(guò)程如圖1所示。
其中一次調(diào)頻信息采集與傳輸響應(yīng)時(shí)間包含電網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)或測(cè)控裝置處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)、保護(hù)或測(cè)控裝置將頻率等數(shù)據(jù)發(fā)送給儲(chǔ)能系統(tǒng)EMS或協(xié)調(diào)控制器、儲(chǔ)能系統(tǒng)的通信時(shí)延及指令下發(fā)至PCS這幾個(gè)主要過(guò)程，如圖2所示。其中數(shù)據(jù)處理計(jì)算時(shí)間T2一般需要5～6個(gè)周波，約100～120 ms；測(cè)控裝置與儲(chǔ)能系統(tǒng)通信時(shí)延小于1 ms，這兩部分過(guò)程時(shí)間較短。因此，本工作主要分析影響T1、T5過(guò)程時(shí)間的因素，并提出相應(yīng)優(yōu)化方案。
圖2 儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻信息采集與傳輸響應(yīng)時(shí)間分解
首先，對(duì)于高速變化的動(dòng)態(tài)被測(cè)量，本工作采用“無(wú)傳輸高速采樣存儲(chǔ)模式”，即連續(xù)采樣被測(cè)量并進(jìn)行存儲(chǔ)，待采樣過(guò)程結(jié)束之后，再對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。這種方式實(shí)際測(cè)量頻率可以接近甚至等于采樣頻率，可有效提高采樣過(guò)程動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能電站信息采集器工作邏輯進(jìn)行改良，當(dāng)儲(chǔ)能電站進(jìn)行一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)，降低采樣常規(guī)運(yùn)維數(shù)據(jù)和調(diào)峰所需數(shù)據(jù)的采集頻率及數(shù)據(jù)量，為一次調(diào)頻數(shù)據(jù)采集與傳輸提供更多空間，進(jìn)而提高儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻響應(yīng)速度。
功率協(xié)調(diào)器或EMS的指令下發(fā)給PCS的通信方式主要包括以太網(wǎng)、RS485和CAN總線。以太網(wǎng)因信號(hào)衰減問(wèn)題不適用于遠(yuǎn)距離傳輸，且抗環(huán)境干擾能力較差。RS485采用Modbus協(xié)議，Modbus通訊協(xié)議為主從結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致作為從站不能立刻把信息傳輸出去，需要等待主站進(jìn)行詢問(wèn)。CAN總線采用無(wú)主結(jié)構(gòu)的CANBus協(xié)議，其無(wú)需等待總站的詢問(wèn)，在通信方式上更加靈活，可以縮短通信時(shí)間。
綜上可知，本工作采用無(wú)傳輸高速采集方式和分類優(yōu)先采集邏輯，以提高數(shù)據(jù)采集過(guò)程速度，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，選用IEC104傳輸數(shù)據(jù)至儲(chǔ)能電站EMS或協(xié)調(diào)控制器，在下發(fā)PCS動(dòng)作指令過(guò)程中采用CAN總線，以廣播方式傳輸指令信息，減少傳遞時(shí)間。
1.2 策略及算法運(yùn)算周期
儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間優(yōu)化可從影響運(yùn)算周期的控制策略與求解算法兩方面入手。選用簡(jiǎn)單、有效的策略和求解速度快、可靠性較高算法可縮短儲(chǔ)能電站運(yùn)算回路周期，進(jìn)而提高儲(chǔ)能電站動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。電力系統(tǒng)控制策略的求解算法主要包括經(jīng)典數(shù)學(xué)方法、智能優(yōu)化算法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等，綜合不同求解算法特點(diǎn)與儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)工況，本工作選用求解速度快、可靠性高的內(nèi)點(diǎn)算法。現(xiàn)有一次調(diào)頻策略大致分為下垂控制、慣性下垂控制以及虛擬同步機(jī)VSG控制等，通過(guò)不同策略特點(diǎn)分析，本工作選取SOC比例均衡控制策略，其保證響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)能夠減少因各儲(chǔ)能單元SOC不均衡導(dǎo)致的損害電池健康的問(wèn)題。該策略思想為根據(jù)各儲(chǔ)能電池組SOC狀態(tài)確定其輸出功率修正系數(shù)，該系數(shù)定義為SOC均衡因子圖片，具體策略流程如圖3所示，當(dāng)需要儲(chǔ)能電站放電時(shí)，根據(jù)電池組SOC從高到低對(duì)圖片依次賦值。當(dāng)需要儲(chǔ)能電站充電時(shí)，根據(jù)電池組SOC從低到高對(duì)圖片依次賦值，SOC均衡因子表達(dá)式如式(1)～(4)。
式中，圖片為第i個(gè)模塊的SOC狀態(tài)值，圖片為整站SOC狀態(tài)均值或該站設(shè)定SOC期望值，圖片為SOC差值，圖片為第i個(gè)模塊輸出功率值，圖片為需求功率值。根據(jù)式(5)計(jì)算策略SOC均衡效果。
圖3 儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻SOC均衡策略流程圖
該一次調(diào)頻策略思路簡(jiǎn)潔，相比多目標(biāo)、多功能的儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻策略更易求解，回路運(yùn)算周期短，適用于工程實(shí)際。
2 過(guò)載能力
PCS過(guò)載能力與功率器件、接觸器、變壓器、電抗器、電容等有關(guān)，其中功率器件性能是過(guò)載能力的敏感性因素。PCS過(guò)載能力主要受其內(nèi)部功率器件(模塊)性能、PCS熱管理等方面影響。在模塊制造層面，可通過(guò)改進(jìn)模塊內(nèi)部電流分布均衡性提升功率模塊容量，進(jìn)而提升PCS過(guò)載能力。目前儲(chǔ)能電站所選用芯片模塊布局設(shè)計(jì)大部分已有固定生產(chǎn)體系，且已考慮芯片電流均衡性。
PCS功率器件的電流過(guò)載能力除了與本身容量有關(guān)外，功率模塊最高運(yùn)行結(jié)溫也是決定其過(guò)載倍率的重要因素，功率模塊的結(jié)溫調(diào)控可以幫助提升其短時(shí)過(guò)載能力。導(dǎo)致功率器件結(jié)溫變化的原因?yàn)檫\(yùn)行期間產(chǎn)生的損耗以熱形式轉(zhuǎn)換，而功率器件損耗圖片與其開(kāi)關(guān)頻率及次數(shù)密切相關(guān)，二者呈正比關(guān)系，其表達(dá)式如式(6)：
式中，圖片為開(kāi)關(guān)頻率，圖片和圖片分別為開(kāi)通和關(guān)斷損耗，圖片、圖片、圖片為計(jì)算時(shí)給定參考電流、電壓及溫度，圖片為逆變輸出電流，圖片為功率器件直流母線電壓，圖片為功率器件結(jié)溫，圖片為開(kāi)關(guān)損耗電壓關(guān)系參數(shù)，圖片為開(kāi)關(guān)損耗溫度系數(shù)。
目前儲(chǔ)能電站用變流器類型多為三電平變流器，其中影響開(kāi)關(guān)頻率的重要因素為其調(diào)制方式，常見(jiàn)調(diào)制方式包括脈寬調(diào)制(PWM)、正選脈寬調(diào)制(SPWM)及空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)等。三電平SVPWM調(diào)制分為七段式、九段式等不同矢量插入形式，零矢量插入形式不同導(dǎo)致開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)及頻率不同，隨著段數(shù)增加變流器開(kāi)關(guān)頻率增大，功率器件損耗增大。因此，降低功耗需要適當(dāng)減少開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)避免諧波超標(biāo)。本工作通過(guò)隨工況變化的開(kāi)關(guān)頻率控制實(shí)現(xiàn)功率器件結(jié)溫調(diào)控，即儲(chǔ)能PCS正常工作(未超過(guò)其滿載條件)時(shí)，變流器則采用九段式SVPWM調(diào)制方式；當(dāng)儲(chǔ)能PCS過(guò)載工況時(shí)，流經(jīng)PCS電流IPCS會(huì)超過(guò)其額定大小，此時(shí)變流器則采用七段式SVPWM調(diào)制方式，降低開(kāi)關(guān)頻率，有效減小功率器件熱耗，進(jìn)而降低最高結(jié)溫，提升PCS過(guò)載能力。本工作構(gòu)建三電平的儲(chǔ)能PCS仿真模型，仿真中除開(kāi)關(guān)頻率外，其他參數(shù)保持完全相同，PCS額定功率為500 kW，直流側(cè)電壓1200 V，交流輸出電壓690 V(線電壓)，交流電流416 A，開(kāi)關(guān)頻率10 kHz，仿真電流波形如圖4所示。
本工作通過(guò)功率器件損耗值表達(dá)儲(chǔ)能PCS過(guò)載能力提升效果，因此通過(guò)對(duì)電壓與電流乘積進(jìn)行積分，計(jì)算變流器內(nèi)部全部功率器件的鉗位二極管的損耗功率，其結(jié)果如圖5所示。
通過(guò)上述仿真結(jié)果可知，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的降低，功率器件損耗功率降低約26.7%，使得PCS具備了更高的過(guò)載能力。當(dāng)然，開(kāi)關(guān)頻率的降低也導(dǎo)致了并網(wǎng)電流品質(zhì)的下降，THD由1.4%增加至3.5%，但依然小于5%，滿足GB/T 34120—2017《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能變流器技術(shù)規(guī)范》的要求。
在變流器實(shí)際運(yùn)行中，除損耗外，結(jié)溫還與環(huán)境溫度和散熱器效率等因素有關(guān)。當(dāng)前用于儲(chǔ)能PCS的散熱方式最多的是風(fēng)冷和水冷散熱，更適用于穩(wěn)態(tài)工作條件，但對(duì)于瞬時(shí)過(guò)載等極端情況，會(huì)因熱量未及時(shí)散出而過(guò)溫失效，而相變散熱技術(shù)如浸沒(méi)、噴射、熱管等方式相比于單相氣冷、水冷等具有更高的熱導(dǎo)率，散熱效率更高。
根據(jù)以上分析，在PCS設(shè)計(jì)選型中，選用具備一定的裕量的功率器件，同時(shí)當(dāng)需要過(guò)載時(shí)按上述方案對(duì)功率器件開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行控制，而其他的設(shè)備則充分利用其自身的過(guò)載能力?？紤]儲(chǔ)能電站整體經(jīng)濟(jì)性，其散熱方式采用常規(guī)風(fēng)冷。
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
本工作試驗(yàn)在負(fù)荷容量約500 MW的220 kV孤網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，該孤網(wǎng)常規(guī)運(yùn)行電源包含一臺(tái)350 MW火電機(jī)組，一臺(tái)26 MW水電機(jī)組，一臺(tái)50 MW燃?xì)廨啓C(jī)，負(fù)荷包含沖擊性冶金負(fù)荷，頻率波動(dòng)大，通過(guò)火電機(jī)組機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)和電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)頻繁動(dòng)作對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行壽命和度電煤耗造成較大影響，頻繁切機(jī)影響水電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。本工作建設(shè)的儲(chǔ)能電站以獨(dú)立調(diào)頻模式參與平滑功率波動(dòng)，減少機(jī)組和穩(wěn)控系統(tǒng)的動(dòng)作頻次。儲(chǔ)能電站基本參數(shù)確定如表1所示，儲(chǔ)能電站規(guī)模為 20 MW/10 MWh，共分為 10個(gè)儲(chǔ)能子系統(tǒng)，2 MW/1 MWh 磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能單元由 4 個(gè) 500 kW/250 kWh 磷酸鐵鋰電池簇組成，如圖6所示。
3.1 一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置
在設(shè)置電化學(xué)儲(chǔ)能電站的一次調(diào)頻參數(shù)時(shí)，除了作為調(diào)頻電源的調(diào)頻死區(qū)、調(diào)差率等，還需要考慮電化學(xué)儲(chǔ)能電站在偏離額定功率出力時(shí)的運(yùn)行效率較低，以及頻繁啟停對(duì)運(yùn)行壽命的影響等因素。同時(shí)，還要分析沒(méi)有慣性的儲(chǔ)能電站投入或者退出時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，防止形成新的擾動(dòng)。為此，調(diào)頻參數(shù)還需要增加上調(diào)或者下調(diào)時(shí)的啟動(dòng)頻率和截止頻率參數(shù)，以控制儲(chǔ)能電站的動(dòng)作頻次，考慮慣量支撐，對(duì)于調(diào)差率也可進(jìn)行分區(qū)設(shè)置，進(jìn)而確保儲(chǔ)能電站在一次調(diào)頻時(shí)發(fā)揮最大效能，同時(shí)降低電站運(yùn)行及壽命折舊成本。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。
3.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能及過(guò)載能力驗(yàn)證
基于功率型儲(chǔ)能電站的控制方式、設(shè)備選型和參數(shù)確定，對(duì)該電站動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和過(guò)載能力進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。儲(chǔ)能系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)在35 kV出線側(cè)，如圖6所示。功率分析儀在PT、CT二次側(cè)接入，用于記錄測(cè)試過(guò)程中的功率和充放電電量。測(cè)試儀器主要包含功率分析儀(橫河，WT1804E)和示波器(安捷倫，DSO-X 2024A)，部分測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)接線如圖7所示。
通過(guò)電網(wǎng)分布式安穩(wěn)系統(tǒng)終端給儲(chǔ)能電站站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)(EMS)下發(fā)指令，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電，用功率分析儀和故障錄波裝置(南瑞繼保PCS-996R)測(cè)試了儲(chǔ)能電站在20 MW額定功率下的功率時(shí)間特性曲線和響應(yīng)時(shí)間曲線，如圖8所示，通過(guò)本工作所提響應(yīng)時(shí)間優(yōu)化后，儲(chǔ)能電站完成20 MW出力，充電響應(yīng)時(shí)間為181 ms，放電響應(yīng)時(shí)間為212 ms。
采用文中所提過(guò)載能力提升思路對(duì)500 kW儲(chǔ)能PCS優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在過(guò)載情況下對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。該儲(chǔ)能PCS直流側(cè)電壓范圍為580～850 V，圖9為其充放電轉(zhuǎn)換示波器截屏圖，為保證全SOC范圍內(nèi)的電流過(guò)載能力，測(cè)試的直流側(cè)電壓為最低點(diǎn)580 V，即相同功率下的最大過(guò)載電流。
驗(yàn)證結(jié)果表明，PCS在600 kW充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間為60 ms，750 kW充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間為80 ms，過(guò)載能力從120%額定功率提高到150%，充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間延長(zhǎng)20 ms，但仍然滿足國(guó)標(biāo)(GB/T 34120—2017)規(guī)定的100 ms要求?？紤]到單元器件發(fā)熱及壽命等約束條件，設(shè)計(jì)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到30 s。前述的電池系統(tǒng)采用大倍率電池，過(guò)載能力設(shè)計(jì)為150%額定電流下持續(xù)運(yùn)行1 min，因此，功率型儲(chǔ)能電站的過(guò)載能力在國(guó)標(biāo)的基礎(chǔ)上，可設(shè)計(jì)為150%額定功率下持續(xù)運(yùn)行30 s，設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)于一次調(diào)頻、穩(wěn)定等工況可變相提高50%的出力能力，降低了功率成本。
基于本工作設(shè)計(jì)優(yōu)化儲(chǔ)能PCS具備150%額定功率的過(guò)載能力，對(duì)儲(chǔ)能電站整體過(guò)載充放電控制也進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如圖10所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)具備相應(yīng)過(guò)載充放電能力，即22 MW持續(xù)工作1 min，24 MW持續(xù)工作1 min，30 MW持續(xù)工作30 s。
3.3 一次調(diào)頻性能驗(yàn)證
根據(jù)表進(jìn)行一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)定，考慮到一次調(diào)頻試驗(yàn)對(duì)電網(wǎng)的潛在影響，進(jìn)行了20%限幅，限幅值為±4 MW。把儲(chǔ)能電站設(shè)置為自動(dòng)跟蹤頻率運(yùn)行模式，用儲(chǔ)能電站EMS記錄電站運(yùn)行，圖11和圖12是儲(chǔ)能電站并網(wǎng)點(diǎn)頻率曲線以及對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能電站出力曲線。
由驗(yàn)證結(jié)果可知，孤網(wǎng)中的儲(chǔ)能一次調(diào)頻投入之后，對(duì)頻率進(jìn)行了顯著平滑作用，進(jìn)而減少了發(fā)電機(jī)組的動(dòng)作頻次，降低機(jī)組損耗。
圖13是孤網(wǎng)內(nèi)一臺(tái)100 MW變壓器主變跳變導(dǎo)致全網(wǎng)負(fù)荷損失20%的情況，在無(wú)輔助調(diào)頻情況下需要高頻切機(jī)以保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。此網(wǎng)中儲(chǔ)能電站迅速進(jìn)行了異常參數(shù)捕捉，且完成準(zhǔn)確功率輸出，有效支撐電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性，保障火電機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，避免高頻切除水電機(jī)組的情況。
4 結(jié)論與展望
現(xiàn)有的儲(chǔ)能電站多是基于調(diào)峰的能量型功能設(shè)計(jì)，考慮的都是長(zhǎng)時(shí)連續(xù)運(yùn)行能力，沒(méi)有充分挖掘儲(chǔ)能電站調(diào)頻工況下的秒級(jí)過(guò)載能力以及對(duì)設(shè)備參數(shù)的要求，導(dǎo)致一次調(diào)頻能力限幅或者功能閉鎖。本工作研究了電化學(xué)儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻相關(guān)性能指標(biāo)，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在區(qū)域孤網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為電化學(xué)儲(chǔ)能電站主動(dòng)支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了實(shí)踐依據(jù)。主要結(jié)論如下。
（1）本工作設(shè)計(jì)的20 MW/10 MWh儲(chǔ)能電站在500 MW區(qū)域孤網(wǎng)中具有主動(dòng)支撐作用，通過(guò)一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)頻率波動(dòng)平滑，保障了變電站主變跳變等故障導(dǎo)致孤網(wǎng)負(fù)荷率降低20%工況下的電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；
（2）通過(guò)綜合分析儲(chǔ)能電站設(shè)備特性，挖掘了短時(shí)間尺度的設(shè)備過(guò)載能力，通過(guò)PCS內(nèi)部功率器件開(kāi)關(guān)頻率控制方案及裕量選型，充放電功率可在150%過(guò)載工況下持續(xù)30 s，支撐了儲(chǔ)能電站一次調(diào)頻性能優(yōu)化，提高了其經(jīng)濟(jì)性；
（3）優(yōu)化儲(chǔ)能電站信息采集方式與邏輯，提出了考慮SOC均衡的功率分配策略及算法，可快速響應(yīng)區(qū)域孤網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)指令，儲(chǔ)能電站滿功率執(zhí)行穩(wěn)控系統(tǒng)指令的充放電響應(yīng)時(shí)間分別為181 ms和212 ms。
