各位好，一年多沒有更新文章，大家久等了。過去的一段時間，我工作繁忙，親歷了儲能的各種大事：2018年6月鎮(zhèn)江電網(wǎng)側(cè)200MWh儲能項目公告發(fā)布后，我和伙伴們代表力信能源，帶著商務和技術(shù)文件，到濟南投標，贏下了山東電工32MWh儲能項目，團隊另外的同事到達許昌，贏下了許繼48MWh項目；2018年9月，南瑞集團發(fā)布100MWh儲能供應商入圍公告，我也身在其中，參與答辯，最終入圍其中。與此同時，湖南電網(wǎng)發(fā)布120MWh儲能電站招標信息，我也多次往返鎮(zhèn)江與長沙，各種原因，沒能實現(xiàn)中標。18年底平高電氣352MWh儲能項目公告發(fā)布，最終因公司財務年限未滿3年而遺憾止步。19年國家電網(wǎng)叫停了如火如荼的電網(wǎng)側(cè)儲能建設(shè)，我們將重心轉(zhuǎn)移到國外和南網(wǎng)，全年儲能出了200MWh，在此期間，我們參與了調(diào)頻儲能電池的供貨，累計20MW。借著春節(jié)在家躲避瘟疫的時間，整理了一些儲能調(diào)頻相關(guān)的資料，跟各位聊聊。
1 調(diào)頻概述
頻率、電壓和波形等三項是表征電能質(zhì)量的主要指標。在穩(wěn)態(tài)情況下，同一交流電力系統(tǒng)的頻率是一致的。當電力系統(tǒng)發(fā)電出力與系統(tǒng)負荷不平衡時，頻率將隨之發(fā)生變化。因此，頻率是最為敏感、最能直接反映電力系統(tǒng)有功功率平衡運行參數(shù)，也是電能質(zhì)量指標中要求最為嚴格的一項指標。所以，獨立電力系統(tǒng)有功功率的平衡問題也就成了對系統(tǒng)頻率的監(jiān)視和對發(fā)電機功率的調(diào)節(jié)問題。當發(fā)電量小于用電負荷時，系統(tǒng)頻率降低，反之升高。
我們知道，電能具有瞬時特性，調(diào)度人員在任意時刻，都要努力實現(xiàn)發(fā)電與用電負荷相等，以此將頻率調(diào)節(jié)在安全范圍內(nèi)，比如國內(nèi)頻率50Hz，3GW以上的大容量電力系統(tǒng)允許偏差為±0.2Hz，中小容量電力系統(tǒng)允許偏差為±0.5Hz。電力系統(tǒng)典型的頻率曲線圖如下：
2 頻率調(diào)節(jié)及AGC
電力系統(tǒng)中頻率調(diào)節(jié)的主要方式是根據(jù)區(qū)域內(nèi)用電負荷的變化來調(diào)配相應的發(fā)電機組，提供對等的發(fā)電量。然而電力系統(tǒng)的負荷無時無刻都在發(fā)生不規(guī)則的變動，我們每一個人對用電設(shè)備的操作都會對區(qū)域負荷造成影響。分析負荷變動的特性，可將其變動規(guī)律分解為三種不同變化的分量（如下圖）：
（1）隨機分量
負荷變化周期短，一般在10秒鐘以內(nèi)，浮動在區(qū)域負荷的1%以內(nèi)，,波動頻繁，每小時高達上百次；
（2）脈動分量
負荷變化周期較長，一般在10秒鐘到15分鐘之間，浮動在區(qū)域負荷的2.5%以內(nèi)，,波動次數(shù)，每小時20到30次；
（3）持續(xù)分量
負荷變化周期長，浮動在區(qū)域負荷的40%左右,波動次數(shù)少，每天十次以內(nèi)。
至此，摸清負荷特性之后，我們對癥下藥，在發(fā)電側(cè)尋找對應的設(shè)備，實現(xiàn)高效經(jīng)濟調(diào)節(jié)：
（1）對于隨機分量，僅利用電廠發(fā)電機組的慣性、調(diào)速器以及負荷本身的自調(diào)節(jié)效應自然吸收，無須干預，我們稱為一次調(diào)節(jié)。
（2） 對于脈動分量，通過控制發(fā)電機組的調(diào)頻器來跟蹤，我們稱之為二次調(diào)節(jié)；
（3） 對于持續(xù)分量，需要根據(jù)負荷預測、確定機組并安排發(fā)電計劃曲線進行平衡，我們稱之為三次調(diào)節(jié)。
下面從發(fā)電側(cè)精確解讀一下一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。
我們知道，頻率變化受到用電負荷PL，發(fā)電量PG的雙重作用，行業(yè)通常將頻率隨用電負荷PL的變化稱之為負荷特性，將頻率隨發(fā)電量PG的變化稱之為發(fā)電特性或機組特性。負荷曲線與發(fā)電曲線的交叉點，為系統(tǒng)實時狀態(tài)點。如下圖中的a、b、c、d點。比如a點，發(fā)電量PG=負荷PL，頻率保持在f，此時系統(tǒng)平穩(wěn)運行，狀態(tài)坐標為（f，PG，PL）。
繼續(xù)解讀上圖，理解了這幅圖，基本就理解了調(diào)頻原理。對于電力系統(tǒng)而言，穩(wěn)定是短暫的，用電負荷處于時刻變化中，假設(shè)在某一時刻，用電負荷PL突然增加到PL_h，若要維持頻率f不變，理論上發(fā)電量由PG增加到PG_h ,達成新的狀態(tài)點b（f，PG_h，PL_h）。然而這一切都需要來自發(fā)電側(cè)的響應。
假如發(fā)電側(cè)不動作，即PG不變（PG<PL_h)，此刻頻率果斷下降，系統(tǒng)狀態(tài)點將沿著負荷曲線2由b下降到c（fL，PG_h，PL_h）。但是發(fā)電機組有自動調(diào)節(jié)功能，在發(fā)電機組調(diào)速器的作用下，將因頻率的下降而增加出力，機組狀態(tài)將由a點出發(fā)，沿著發(fā)電曲線一路抬升，與負荷曲線2形成十字交叉點d，達到新的平衡點。此刻的狀態(tài)坐標為d（fm，PG_m，PL_m) 。以上調(diào)節(jié)過程為機組自發(fā)過程，也就是一次調(diào)頻。
細致觀察后我們看到，一次調(diào)節(jié)平衡點d并不是我們目標狀態(tài)點，它離目標點b（f，PG_h，PL_h）還有差別，頻率差別Δf=f - fm，發(fā)電功率差別ΔPG=PG_h - PG_m。因此，我們將機組自主進行的一次調(diào)頻稱為有差調(diào)節(jié)。
于是需要二次調(diào)節(jié)，機組接受指令，增加ΔPG的出力，調(diào)節(jié)系統(tǒng)達到目標狀態(tài)點b，頻率回到初始點f，這一過程稱之為二次調(diào)頻。
二次調(diào)頻有人工調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)2種，人工調(diào)節(jié)誤差大，響應慢，逐漸被自動調(diào)節(jié)替代，這個自動調(diào)節(jié)過程也就是我們常常提起的AGC調(diào)頻。AGC調(diào)節(jié)同樣適用于三次調(diào)頻。
3 調(diào)頻效果表征參數(shù)
表征AGC機組調(diào)頻性能的參數(shù)有4個，分別是調(diào)節(jié)速率、響應時間、調(diào)節(jié)精度以及綜合指標；
3.1 調(diào)節(jié)速率
調(diào)節(jié)速率，代號K1，指發(fā)電機組或發(fā)電單元響應AGC控制指令的速率，有一個計算公式：
K1=本臺機組實測速率/控制區(qū)域內(nèi)所有AGC機組的平均調(diào)節(jié)速率
這里強調(diào)一下，參與AGC調(diào)頻的不止于燃煤電廠，還包括燃氣發(fā)電，水力發(fā)電以及核電，他們的調(diào)節(jié)速率各不相同，常規(guī)煤電調(diào)節(jié)速率為額定容量的1.5%/min,例如600MW煤電機組的調(diào)節(jié)速率在9MW/min;燃氣機組調(diào)節(jié)速率更快，為裝機總?cè)萘康?%/min，水電調(diào)節(jié)速率更快，約為裝機容量的20%/min;對于核電，更適合平穩(wěn)運行，非特殊情況，不用核電調(diào)頻。
關(guān)于K1的計算，比如某區(qū)域內(nèi)機組總裝機1600MW，共有2臺600MW燃煤機組，占比77.4%；2臺150MW燃氣機組，占比19.4%；一臺50MW水電，3.2%。
則區(qū)域內(nèi)AGC平均調(diào)節(jié)速率為:
Vp=1.5%×77.4%+3%×19.4%+20%×3.2%=1.75%/min;
燃煤機組的K1=1.5%/Vp=0.85
燃氣機組的K1=3%/Vp=1.71
水電機組的K1=20%/Vp=11.4
在南網(wǎng)，為避免機組響應AGC指令時過調(diào)節(jié)過超調(diào)節(jié)，對K1的值做了封頂，K1≤5，即水電機組K1=11.4，按照5來算；
對比看出，煤電的K1最低，普遍在1以下，燃氣K1值較大，普遍在1以上，水電機組K1值最高，達到滿分。
3.2 響應時間
響應時間，代號K2，指的是發(fā)電單元響應AGC指令的時間延時，定量化的核定公式如下：
K2=1-發(fā)電單元響應延遲時間/5min
這里的時間差指的是接到AGC指令到機組動作之間的延遲，比如燃煤機組
響應時間普遍在1分鐘左右，最差2分鐘，最好30s以內(nèi)，因此K2值在0.6-0.9之間；水電響應時間通常在20s以內(nèi)，其K2值在0.93以上。
3.3 調(diào)節(jié)精度
調(diào)節(jié)精度，代號K3，指的是發(fā)電單元響應AGC指令的精度
K3=1-發(fā)電單元調(diào)節(jié)誤差/發(fā)電單元調(diào)節(jié)允許誤差
其中發(fā)電單元調(diào)節(jié)允許誤差為其額定出力的1.5%，比如本次AGC指令為10MW，則其偏差在±150kW。燃煤機組調(diào)節(jié)誤差在1%以內(nèi)，因此K3在0.7-0.9之間。
3.4 綜合指標
綜合指標，代號K，是以上3個參數(shù)的綜合性能算數(shù)平均：
K=0.25×（2K1+K2+K3）
根據(jù)南方電網(wǎng)規(guī)則，K1最高為5，K2、K3最高為1，因此綜合指標K值最大為3。下圖為某燃煤電廠某臺發(fā)電機組AGC性能能統(tǒng)計曲線。
以上性能指標除了表征調(diào)頻單元參與AGC響應效果之外，更重要的是性能指標的高低直接影響機組調(diào)頻收益。調(diào)度機構(gòu)將單位報價V與K值的比值（V/K)作為競價排名的指標P，依次從低到高排序，排名靠前者中標，比如A機組報價10元/MW,K值0.8，B機組報價13元/MW，K值1.5，則調(diào)頻性能指標PA=12.5，PB=8.66，于是價格高B機組反而優(yōu)先中標。這種綜合指標評定法做到了K值越高，收益越好，也實現(xiàn)為效果付費的承諾。另外，針對K值高的機組，調(diào)度中心還能增加調(diào)頻里程（單位MW），機組收益進一步擴大，如下圖為K值與調(diào)頻里程的相關(guān)性曲線。
下圖是各級組參與AGC響應的日收益與其K值的對比曲線，我們可以看出調(diào)頻收益與K值的正相關(guān)性。圖中望洋電廠為燃氣機組，其K值高達1.65，常規(guī)燃煤機組普遍在0.6-0.9之間，和燃氣機組存在顯著的差距，為了提升燃煤機組K值水平，增加調(diào)頻收益，常規(guī)電廠在尋找各種優(yōu)化方式，其中借助儲能系統(tǒng)被證明是一種行之有效的路線。
4 儲能聯(lián)合調(diào)頻
近年來，隨著儲能電池成本的顯著下降，儲能系統(tǒng)的商業(yè)化逐漸成為可能，儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)發(fā)輸配用各個領(lǐng)域的應用迅速展開，火電AGC調(diào)頻是儲能系統(tǒng)商業(yè)化的典范。
儲能+火電的聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)可以說是絕配，兩者相互補充，發(fā)揮各自優(yōu)勢，使得常規(guī)燃煤機組調(diào)頻性能直追燃氣機組。對于高頻波動的隨機負荷分量及部分脈動分量，儲能系統(tǒng)具備幾乎實時響應的能力，而對于小波動，緩慢出力的脈動分量及持續(xù)分量（參考電網(wǎng)負荷分解曲線），火電機組應對的游刃有余。儲能在此有2個方面的優(yōu)勢：提高機組性能K值，延長機組運行壽命。
儲能系統(tǒng)的投入大幅度抬高了機組K值。我們來逐個分析：對于調(diào)節(jié)速率K1，若調(diào)頻出力在儲能系統(tǒng)的額定處理范圍之內(nèi)，系統(tǒng)可以在幾秒鐘之內(nèi)出力100%，K1直接拿滿分5分，當然每天會綜合煤電機組的調(diào)節(jié)速率（0.9左右），聯(lián)合調(diào)頻的平均調(diào)節(jié)速率會在2.5以上；響應時間K2：儲能響應時間在2S以內(nèi)，按公式計算K2=0.993以上，約等于理論最高值1；調(diào)節(jié)精度K3也會因儲能的協(xié)作有所提高，在0.9以上，但優(yōu)化效果并不像K1和K2一樣立竿見影。帶入上述數(shù)據(jù)，保守估算綜合指標：
K=0.25×（2K1+K2+K3）=0.25×（2×2.5+0.993+0.9）=1.725
該指標大于燃氣機組的1.65。根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)反饋，儲能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的K值可高達2.0以上。
儲能的參與還可以延長火電機組使用壽命。我們知道一個燃煤機組最小300MW，目前主流在600MW以上，我們以600MW為例，機組調(diào)節(jié)速率在9MW/min,調(diào)度來了個6MW的指令，要動作，90MW甚至200MW的指令，機組同樣需要動作。而經(jīng)過測算，6MW的指令，機組僅運行40s鐘，在這40s中內(nèi)，要進出一次死區(qū)，這里的死區(qū)并非無人區(qū)，而是調(diào)速閥門開啟和閉合的靜態(tài)慣性區(qū)間。比如50Hz系統(tǒng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)述在±2轉(zhuǎn)/分鐘（對應頻率變化為±0.034Hz）波動時，機組繼續(xù)平穩(wěn)運行，不做任何響應，超過這一限度，調(diào)速器就要動作。調(diào)速閥門動作越多，磨損越重，運維次數(shù)響應增多，長期積累下來，機組壽命必然會縮短。
儲能設(shè)備的加入，可將隨機負荷分量以及部分脈動分量承擔下來，啟動瞬間充放電功能，避免機組的頻繁動作。若機組因加裝了儲能系統(tǒng)而延長了一年的使用壽命，則僅這一項帶來的額外收益，足以抵消儲能系統(tǒng)的投資。
5 調(diào)頻儲能系統(tǒng)
調(diào)頻儲能系統(tǒng)，本質(zhì)上還是一套儲能系統(tǒng)，只是應用場景和接入點不同，電池，BMS，電池簇組成了儲能系統(tǒng)的直流側(cè)，PCS，變壓器組成了儲能系統(tǒng)的交流側(cè)，交流側(cè)接入高廠變的低壓端，至此完成儲能系統(tǒng)與發(fā)電機組的對接。儲能容量配置，通常按照機組額定出力的1.5%-3%，比如600MW的機組，配置9MW-18MW之間，電池路線選用磷酸鐵鋰，電池倍率行業(yè)慣用2C-1C之間，比如智中儲能中變的廣州華潤2×300MW熱電廠項目，杜宏團隊采用的是9.6MW/4.8MWh方案，再比如智光電氣五沙2×300MW熱電項目，付金建團隊采用了9MW/6MWh方案。儲能系統(tǒng)多采用集裝箱設(shè)計，配上消防和空調(diào)系統(tǒng)，集裝箱內(nèi)外的布置見下圖。
6 儲能技術(shù)路線
當前調(diào)頻儲能技術(shù)路線有3種，一是常規(guī)系統(tǒng)；二是分散集中式系統(tǒng)；三是高壓級聯(lián)系統(tǒng)。
6.1 常規(guī)系統(tǒng)
常規(guī)系統(tǒng)是使用最多，技術(shù)最成熟的方案，其特點是通過直流電池端的并聯(lián)匯流，實現(xiàn)儲能單元容量的提升，比如力信標準電池簇容量122kWh，7臺電柜出線端并聯(lián)，匯流后接入500kW儲能逆變器（PCS柜），組成800kWh儲能單元，PCS之間并聯(lián)接入變壓器，對外供電。
以上方案的不足之處是并聯(lián)電池柜之間存在環(huán)路電流，電池均衡存在木桶效應，不利于電池的精細化管理，交流側(cè)PCS并聯(lián)升壓，整個系統(tǒng)損耗較大，轉(zhuǎn)化效率偏低。
6.2 分散集中系統(tǒng)
關(guān)于分散集中的思路是我的好朋友倪同提出。記得16年，他在剛成立新艾電氣不久后，到南京找我聊儲能的前景，他仗著自己是艾默生的總工程師，和我聊儲能變換，我憑著自己做過幾年開發(fā)，跟他聊儲能電池。其中一個重要的話題就是電池柜的精細化管理，拒絕電池簇之間的直流匯流，消除簇間環(huán)流，消除容量短板效應，提高電池使用壽命，這也是分散集中式儲能系統(tǒng)的核心。現(xiàn)在來看，倪同在這條路上越走越遠。它的主要技術(shù)手段是將PCS離散化，比如將單臺500kW的PCS離散為7臺70kW的PCS小機，每臺小機的交流側(cè)集中并聯(lián)，保證外特性的不變，對內(nèi)分散，即每臺小機直流側(cè)接入一簇電池。拓撲如見下圖。當儲能逐漸商業(yè)化以后，這種系統(tǒng)的優(yōu)勢會逐步顯現(xiàn)。
6.3 高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)
解決了電池簇間環(huán)流問題，還有人不滿足，那就是智光電氣，他們借助在高壓側(cè)的多年經(jīng)驗，在分散集中式系統(tǒng)上再做變革升級，將PCS小機的交流側(cè)由并聯(lián)改為串聯(lián)，拓撲結(jié)構(gòu)如下圖：
該系統(tǒng)與前兩種相比，最顯著的差別是省去了變壓器，無需再升壓，系統(tǒng)效率更高，相同出力下，電流更低，電池壽命更長。更多關(guān)于級聯(lián)系統(tǒng)的特點，請找我的好朋友付金建，保證他會滔滔不絕，我只介紹力信電池系統(tǒng)的設(shè)計。以智光5MW/3MWh方案為例，分為3相，每相配置為1.7MW/1MWh，設(shè)備集成在一個40尺集裝箱內(nèi)。其中的電池簇由18個PACK組成，總電壓691.2V，總?cè)萘?3kWh；每個PACK由36顆40Ah電芯以3P12S方式成組，每簇電壓38.4V，結(jié)構(gòu)如下圖。
7 結(jié)論與展望
隨著電網(wǎng)現(xiàn)貨市場政策的推行以及新能源滲透比例的不斷提升，電網(wǎng)對調(diào)頻里程的需求將會顯著提升，調(diào)頻機組參與AGC響應的需求也會隨之提升，儲能與火電機組的聯(lián)合是調(diào)頻領(lǐng)域的一次有效嘗試，也是儲能實現(xiàn)其價值的舞臺。
8 參考文獻：
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4 《大規(guī)模儲能系統(tǒng)輔助常規(guī)機組調(diào)頻技術(shù)分析_李建林》
5 《儲能在發(fā)電側(cè)調(diào)峰調(diào)頻服務中的應用現(xiàn)狀和前景》，中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
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8 《級聯(lián)高壓大容量儲能技術(shù)研究進展》 智光電氣，付金建
9 《組串式變流器規(guī)格書》 新艾電器，倪同
10 《基于大規(guī)模儲能的調(diào)頻技術(shù)研究》，四方億能，劉千杰等
