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(tuán)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(yīng)用及實(shí)踐[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2022,11(11):3583-3593.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0241
摘 要 “雙碳”目標(biāo)下，新能源的大量接入給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)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(yùn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合調(diào)頻輔助服務(wù)市場政策，通過對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的功率控制精度、能量轉(zhuǎn)換效率及響應(yīng)時間等項目開展并網(wǎng)試驗(yàn)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?fù)浣Y(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(yīng)時間、更高的響應(yīng)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(diǎn)，國能粵電臺山發(fā)電有限公司根據(jù)自身機(jī)組容量及調(diào)頻需求將其運(yùn)用在機(jī)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(biāo)下，由于能源的生產(chǎn)、消費(fèi)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(fù)荷特性、電網(wǎng)形態(tài)、技術(shù)基礎(chǔ)及運(yùn)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(yùn)行的穩(wěn)定性，為了保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(jī)組作為我國重要的發(fā)電載體承擔(dān)著主要的調(diào)頻工作?；痣姍C(jī)組的自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)響應(yīng)時間長、功率爬坡速度慢、穩(wěn)態(tài)精度低，無法滿足當(dāng)前的調(diào)頻需求。電化學(xué)儲能系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速率快、響應(yīng)時間短、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點(diǎn)，屬于優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源，能夠有效彌補(bǔ)火電機(jī)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(jī)組能有效提高發(fā)電單元的調(diào)節(jié)速率、縮短響應(yīng)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(jī)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(jìn)一步加強(qiáng)電化學(xué)儲能電站安全管理，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)電化學(xué)儲能電站安全管理的通知》，由于電化學(xué)儲能系統(tǒng)并網(wǎng)后，其功率調(diào)節(jié)響應(yīng)、充放電的規(guī)律和保護(hù)功能等都會對機(jī)組和廠用電設(shè)備的可靠運(yùn)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(dǎo)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(jī)組及廠用電負(fù)荷的安全運(yùn)行，降低生產(chǎn)運(yùn)行風(fēng)險，電化學(xué)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(jìn)一步深入，一系列宏觀政策鼓勵儲能參與輔助服務(wù)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(fèi)大省，其能源自給率較低，為滿足社會經(jīng)濟(jì)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(fēng)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(fù)荷日益復(fù)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(wù)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(yùn)行或試運(yùn)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?fù)浣Y(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(shí)際投運(yùn)中兩種技術(shù)路線的儲能項目性能差異研究較少。文獻(xiàn)[17-20]對PCS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，對比拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對PCS性能的影響，根據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并通過仿真進(jìn)一步證實(shí)，但缺少實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的支撐。因此，通過并網(wǎng)性能測試這種實(shí)證化的分析手段來研究實(shí)際投運(yùn)中不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)性能具有非常重要的實(shí)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(shí)證化的測試手段，研究了兩種拓?fù)浣Y(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(shí)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?fù)浣Y(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(biāo)，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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(kuò)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(yùn)行環(huán)境等差異，在長期使用的過程中會導(dǎo)致儲能系統(tǒng)不一致性愈發(fā)凸顯，進(jìn)而導(dǎo)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(yīng)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(jìn)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(kuò)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(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)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?fù)浣Y(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(dú)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(dǎo)致的問題，提高電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命、降低了生產(chǎn)運(yùn)行的安全風(fēng)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(jìn)行協(xié)調(diào)后再響應(yīng)指令，縮短了儲能系統(tǒng)的響應(yīng)時間。高壓級聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在低壓直流側(cè)可以減少開關(guān)損耗，進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的并網(wǎng)性能
在機(jī)組投入AGC模式下，調(diào)度向機(jī)組遠(yuǎn)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(jī)組分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)，DCS控制機(jī)組向目標(biāo)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(jī)組實(shí)時負(fù)荷與AGC指令目標(biāo)負(fù)荷之間的差值，控制儲能單元出力大小彌補(bǔ)差值，并向RTU和DCS反饋相應(yīng)信號，RTU接收儲能和機(jī)組的反饋信號后，整合機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
根據(jù)南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易規(guī)則，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k是用于衡量發(fā)電單元響應(yīng)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(yīng)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(yīng)AGC指令的速率；響應(yīng)時間kⅡ指發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的時間延時；調(diào)節(jié)精度kⅢ指發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的精準(zhǔn)度；λⅠ、λⅡ、λⅢ為對應(yīng)的調(diào)頻性能指標(biāo)kⅠ、kⅡ、kⅢ在綜合調(diào)頻指標(biāo)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(biāo)越高，其參加調(diào)頻輔助服務(wù)市場的收益就越高。因此儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)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(biāo)。
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(yīng)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(yīng)時間會影響kⅠ和kⅡ，響應(yīng)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(biāo)。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(biāo)，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(jì)效益方面衡量，越高的能量轉(zhuǎn)換效率意味著更低的運(yùn)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(yīng)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(biāo)。考慮到試驗(yàn)樣本的一致性，以廣東省內(nèi)火電機(jī)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(yàn)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(jìn)行有功和無功功率控制、充放電響應(yīng)性能以及能量轉(zhuǎn)換效率對比分析，研究不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)并網(wǎng)性能。
3 實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xué)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(diǎn)保持至少30 s，在儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)測量時序功率，以每0.2 s有功功率平均值為一點(diǎn)，記錄實(shí)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(diǎn)有功功率的控制精度、響應(yīng)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(diǎn)保持至少30 s，在儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)測量時序功率，以每0.2 s有功功率平均值為一點(diǎn)，記錄實(shí)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(diǎn)有功功率的控制精度、響應(yīng)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(xué)儲能系統(tǒng)在其變流器額定功率運(yùn)行范圍內(nèi)應(yīng)具備四象限控制功能，有功功率和無功功率應(yīng)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(xué)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(xué)儲能系統(tǒng)的額定功率，P和Q分別為電化學(xué)儲能系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)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(jìn)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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)，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(fù)步驟（2）～（3）；
（5）調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)運(yùn)行在輸出最大容性無功功率工作模式，重復(fù)步驟（3）～（4）；
（6）以有功功率為橫坐標(biāo)，無功功率為縱坐標(biāo)，繪制儲能系統(tǒng)功率包絡(luò)圖。
3.3 充放電響應(yīng)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(dá)到90%額定功率的時刻定義為充放電響應(yīng)時間，儲能系統(tǒng)受到信號控制至充放電功率首次達(dá)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(dá)到90%額定功率的時刻定義為充放電響應(yīng)時間，儲能系統(tǒng)受到信號控制至充放電功率首次達(dá)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(dá)到90%額定功率的時刻，記為t2，t2減去t1即為充/放電響應(yīng)時間RTc，重復(fù)3次，充/放電響應(yīng)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(fù)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(biāo)GB/T 36548—2018《電化學(xué)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(yùn)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(fù)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(jìn)行有功功率控制測試，選取升功率結(jié)果進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(bǔ)償調(diào)整，導(dǎo)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(yīng)/調(diào)節(jié)時間測試結(jié)果
對4個項目進(jìn)行充放電響應(yīng)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(yīng)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(dá)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(fù)雜度，影響儲能系統(tǒng)充放電響應(yīng)和調(diào)節(jié)速率，因此高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)的響應(yīng)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(jìn)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(dú)立控制，實(shí)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(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能力，因此其響應(yīng)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(bǔ)償調(diào)整，導(dǎo)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(tuán)的應(yīng)用實(shí)踐
目前，伴隨南方地區(qū)調(diào)頻輔助服務(wù)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(jī)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(jī)組展開靈活性(輔助調(diào)頻)技術(shù)改造?；诨痣姍C(jī)組的容量、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)頻需求以及保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，該項目共配置了60 MW/60 MWh的電池系統(tǒng)?？紤]到提升機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)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(dǎo)致電池系統(tǒng)一致性的安全風(fēng)險，選擇了高壓級聯(lián)PCS的拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)正式投運(yùn)。
項目計劃在1、2號機(jī)組和6、7號機(jī)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(xué)儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)，分別接入1、2、6、7號機(jī)組6 kV母線，1、2號機(jī)組儲能單元系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(diǎn)：
（1）該項目采用級聯(lián)型H橋拓?fù)浣Y(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(dǎo)致的木桶短板效應(yīng)，還提高了系統(tǒng)的安全性；
（3）為了進(jìn)一步降低安全風(fēng)險，該項目還采用了“四級”安全消防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全可靠、高效準(zhǔn)確的消防預(yù)警和火災(zāi)抑制。
通過上述特點(diǎn)，在項目建設(shè)及后期運(yùn)行中，結(jié)合機(jī)組實(shí)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(yàn)。
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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高壓級聯(lián)PCS拓?fù)浣Y(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(yùn)中的儲能項目進(jìn)行試驗(yàn)，以實(shí)證化的手段研究了不同拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需要的PCS數(shù)量較少，系統(tǒng)復(fù)雜程度低，因此協(xié)調(diào)控制能力高于低壓并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)，響應(yīng)時間更短，響應(yīng)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(jī)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(yàn)。
