中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近年來，隨著風(fēng)光裝機(jī)量的快速增長、新能源滲透率的快速提升，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到了較大的挑戰(zhàn)。新能源的高滲透率，減少了同步發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)中的比例，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定；新能源通過大量的電力電子裝置并入電網(wǎng)（光伏逆變器、儲(chǔ)能變變器等），增加了整個(gè)系統(tǒng)的非線性，降低系統(tǒng)慣量水平，惡化頻率響應(yīng)特性，增加了電力系統(tǒng)的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。如2019年8月9日英國出現(xiàn)的大停電，Little Barford 燃?xì)怆娬就C(jī)引發(fā)系統(tǒng)頻率下降，繼而霍恩海的海上風(fēng)電出力下降，進(jìn)而引發(fā)低頻減載動(dòng)作導(dǎo)致大規(guī)模停電事故。然而英國在2019年的風(fēng)電、光伏裝機(jī)占比僅33%，而碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)風(fēng)電、光伏的占比將遠(yuǎn)超33%，基于中國的實(shí)際情況，在碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)新能源的裝機(jī)占比將高達(dá)80%左右。
因此，調(diào)頻資源逐步成為電力系統(tǒng)的緊缺資源。二次調(diào)頻，也稱為自動(dòng)發(fā)電控制（AGC），是指發(fā)電機(jī)組提供足夠的可調(diào)整容量及一定的調(diào)節(jié)速率，在允許的調(diào)節(jié)偏差下實(shí)時(shí)跟蹤頻率，以滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的要求。二次調(diào)頻可以做到頻率的無差調(diào)節(jié)，且能夠?qū)β?lián)絡(luò)線功率進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)整。電網(wǎng)AGC調(diào)頻功能主要由包括火電、水電、燃?xì)鈾C(jī)組等常規(guī)電源提供，但由于這些電源系統(tǒng)都具有響應(yīng)慣性，將一次能源轉(zhuǎn)換成電能將經(jīng)歷一系列復(fù)雜過程，特別是火電機(jī)組的AGC調(diào)頻性能較差，經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)延遲、超調(diào)或欠調(diào)等情況。
新型儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠快速充放電并精準(zhǔn)輸出功率，調(diào)頻效果遠(yuǎn)好于常規(guī)發(fā)電機(jī)組，綜合來看，儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻效果約是水電機(jī)組的1.4倍，是天然氣機(jī)組的2.3倍，是燃煤機(jī)組的20倍以上。江蘇、山東、甘肅、廣東等相關(guān)地區(qū)針對新型儲(chǔ)能參與調(diào)頻已出臺相關(guān)鼓勵(lì)政策。
儲(chǔ)能輔助發(fā)電機(jī)組參與AGC調(diào)頻，利用儲(chǔ)能的快速、精準(zhǔn)響應(yīng)特性彌補(bǔ)常規(guī)發(fā)電機(jī)組的的缺點(diǎn)，引入相對少量的新型儲(chǔ)能（容量3%左右）就能夠有效地提高電網(wǎng)調(diào)頻能力。
儲(chǔ)能技術(shù)路線選擇
儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)電側(cè)調(diào)頻方面的應(yīng)用，對儲(chǔ)能設(shè)備本體、儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成及EMS系統(tǒng)提出了很高的要求，主要表現(xiàn)在：
（1）對儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性的高要求
新型儲(chǔ)能系統(tǒng)并入發(fā)電廠后，與發(fā)電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為發(fā)電系統(tǒng)的一部分，在任何情況下儲(chǔ)能系統(tǒng)的投\退、運(yùn)行異常等情況均不能對發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行和安全生產(chǎn)造成不利影響；同時(shí)，發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行異常或故障的情況下，也不應(yīng)對儲(chǔ)能系統(tǒng)和儲(chǔ)能設(shè)備本體造成沖擊和損害，這對儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制和儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行保護(hù)提出了很高的要求。
（2）對儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行壽命及安全的高要求
我國不同區(qū)域電力系統(tǒng)運(yùn)行情況差別大，AGC調(diào)頻指令的大小、持續(xù)時(shí)間、頻次差別較大。以內(nèi)蒙古、山西、廣東等地區(qū)為例，AGC調(diào)頻的平均日指令數(shù)量達(dá)數(shù)百次，這就要求儲(chǔ)能系統(tǒng)具備快速、頻繁地充放電能力，對儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行壽命提出很高的要求。儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電倍率大、運(yùn)行過程中的發(fā)熱量大，對儲(chǔ)能系統(tǒng)的長期安全運(yùn)行帶來很大的挑戰(zhàn)。
（3）對儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度的高要求
表征AGC機(jī)組調(diào)頻性能的參數(shù)有4個(gè)，分別是：調(diào)節(jié)速率（K1）、響應(yīng)時(shí)間（K2）、調(diào)節(jié)精度（K3）以及綜合性能指標(biāo)（Kp）。響應(yīng)時(shí)間指的是發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的時(shí)間延時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于AGC調(diào)頻的一大優(yōu)勢在于其快速響應(yīng)能力，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在秒級進(jìn)行大功率的充放電，能夠大幅提升響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)（K2）。
（4）對儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電倍率的高要求
AGC調(diào)頻性能的調(diào)節(jié)速率（K1）指發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的速率，即整個(gè)發(fā)電單元的爬坡速率，該指標(biāo)要求參與調(diào)頻的儲(chǔ)能系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)聯(lián)合發(fā)電機(jī)組達(dá)到目標(biāo)調(diào)節(jié)值。因此，一定的容量下，充放電倍率越高的儲(chǔ)能系統(tǒng)，調(diào)節(jié)速率K1就越大。
綜上分析可知，AGC調(diào)頻具有調(diào)用頻繁高、充放電倍率大、響應(yīng)時(shí)間短、安全性要求高等特性，屬于典型的功率型應(yīng)用場景。目前國內(nèi)運(yùn)行的AGC調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)大部分采用了鋰離子電池技術(shù)，已經(jīng)在應(yīng)用過程中暴露出了使用壽命短、安全隱患高等弊端。而飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電次數(shù)幾乎不受限制，具有很高的功率密度和安全特性，但飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量成本較高，在承擔(dān)大時(shí)長的調(diào)頻指令時(shí)經(jīng)濟(jì)性差。若采用能量型鋰離子電池與功率型飛輪儲(chǔ)能組成混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)，則可充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達(dá)到更好的性能指標(biāo)。
儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)工作原理
根據(jù)《電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)交易實(shí)施細(xì)則》中的規(guī)定，調(diào)頻市場以發(fā)電單元的調(diào)頻里程為交易標(biāo)的，以發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的調(diào)節(jié)速率（K1）、響應(yīng)時(shí)間（K2）和調(diào)節(jié)精度（K3）三個(gè)技術(shù)指標(biāo)構(gòu)成的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)（Kp）為基礎(chǔ)。
▲火電機(jī)組運(yùn)行中典型的AGC設(shè)點(diǎn)控制過程
在AGC調(diào)頻中，電網(wǎng)調(diào)度指令下發(fā)到火電機(jī)組，儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)獲取該AGC指令并參與到調(diào)頻過程中，由于火電機(jī)組響應(yīng)速度較慢（分鐘級），儲(chǔ)能系統(tǒng)利用自身響應(yīng)速度快（秒級）的特性彌補(bǔ)機(jī)組出力與AGC指令間的功率差值。隨著火電機(jī)組的出力逐步增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力隨之降低，以確保儲(chǔ)能系統(tǒng)和火電機(jī)組的聯(lián)合出力與AGC調(diào)度指令保持一致，實(shí)現(xiàn)高調(diào)頻性能指標(biāo)。
▲儲(chǔ)能系統(tǒng)的AGC調(diào)頻出力特性
新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略
混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)由儲(chǔ)能單元、儲(chǔ)能變流器(PCS)、變壓器、配電設(shè)施等組成。儲(chǔ)能單元采用飛輪與鋰離子電池兩種儲(chǔ)能技術(shù)，飛輪和鋰離子電池儲(chǔ)能按一定的比例搭配，組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)共同輔助發(fā)電機(jī)組響應(yīng)AGC調(diào)頻指令。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)功率密度大，壽命長，適合短時(shí)大功率、頻繁地充放電場景。鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度大，適合較長時(shí)間的功率和能量支撐，通過結(jié)合兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，可提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻性能、壽命，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益的最大化。
▲混合儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作機(jī)制為：當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)接受到AGC指令時(shí)，飛輪與鋰離子電池混合儲(chǔ)能立即進(jìn)行放（充）電響應(yīng)，在發(fā)電機(jī)組的出力沒有響應(yīng)之前，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以額定功率出力支撐，飛輪儲(chǔ)能在這個(gè)時(shí)段將儲(chǔ)電完全釋放（或充滿）后退出，當(dāng)機(jī)組進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段（T2至T3時(shí)段）時(shí)，鋰離子電池儲(chǔ)能退出，飛輪再次啟動(dòng)并快速充電（放電），修正火電機(jī)組出力與AGC調(diào)度指令之間偏差，直至本次指令結(jié)束。
▲混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略
（1）對于短時(shí)間/小功率指令，由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)出力
據(jù)統(tǒng)計(jì)，AGC調(diào)頻功率小于機(jī)組額定功率1%的指令數(shù)量超過總指令數(shù)量的40%。且隨著新能源滲透率的提升，此類小指令呈上升態(tài)勢。對于此類指令可由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)出力響應(yīng)。如飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能量已能滿足指令需求，或者飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)與機(jī)組配合可滿足指令需求，則無需鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)作，減小鋰電池充放電次數(shù)。
（2）對于長時(shí)間/大功率指令，兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合出力
對于長時(shí)間/大功率指令，優(yōu)先由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)指令初期尖峰功率需求，當(dāng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)出力無法滿足調(diào)頻指令需求時(shí)，則由鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)及時(shí)介入并聯(lián)合出力，可以減小鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電倍率，避免尖峰出力時(shí)段充放電過程對鋰離子電池的沖擊，提高系統(tǒng)的運(yùn)行安全，延長鋰離子電池的使用壽命。
（3）調(diào)節(jié)精度指標(biāo)
AGC調(diào)頻過程中，火電機(jī)組出力到達(dá)AGC指令調(diào)度設(shè)點(diǎn)（T2-T3時(shí)段）附近時(shí)，發(fā)電機(jī)組實(shí)際出力與AGC指令值之間仍會(huì)存在偏差，在目標(biāo)值附近上下波動(dòng)。為了減小發(fā)電機(jī)組出力波動(dòng)對調(diào)節(jié)精度指標(biāo)K3的影響，可以調(diào)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)快速充放電進(jìn)行彌補(bǔ)，提升機(jī)組調(diào)頻精度指標(biāo)K3。
新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)勢
現(xiàn)有電化學(xué)儲(chǔ)能AGC輔助調(diào)頻技術(shù)方案在提高調(diào)頻性能、增加發(fā)電廠輔助調(diào)頻收益的同時(shí)，也暴露出電池使用壽命短、系統(tǒng)可靠性低、維護(hù)工作難度大等問題?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)相對于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具備如下優(yōu)勢：
（1）提高日調(diào)頻收益
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻性能指標(biāo)優(yōu)于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，K值的提升還能帶來調(diào)節(jié)里程的提升，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)日調(diào)頻收益預(yù)計(jì)可增加15-20%。
（2）延長電池的使用壽命
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池的使用壽命比電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池使用壽命延長1.5-2倍。
（3）提高儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性及安全性
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中對電池系統(tǒng)使用頻次及充放電倍率的降低，可大幅提升系統(tǒng)的安全性，增加系統(tǒng)可靠性、降低儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)成本。
（4）提高運(yùn)營期經(jīng)濟(jì)性
目前，AGC調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)大多按機(jī)組功率的3%左右配置。以廣東省某600MW的火電機(jī)組為例，儲(chǔ)能系統(tǒng)配置容量約為21MW。在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的配比中，鋰離子電池部分與飛輪部分的功率比例約7:3。以一套21MW/10.5MWh鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與“15MW/7.5MWh鋰離子電池”加“6MW/180MWs飛輪” 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性方面的簡單比較，運(yùn)行期考慮10年。
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在初期投資略高于純鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，但考慮到運(yùn)營期內(nèi)儲(chǔ)能設(shè)備的更換費(fèi)用，則10年總運(yùn)營期內(nèi)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的總成本比純鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本低。
《十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》明確，強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建新型儲(chǔ)能創(chuàng)新體系，推動(dòng)多元化技術(shù)開發(fā)，加快多元化技術(shù)示范應(yīng)用，開展復(fù)合型儲(chǔ)能技術(shù)示范應(yīng)用。隨著新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，不同時(shí)間尺度的多類型儲(chǔ)能的綜合應(yīng)用將開啟儲(chǔ)能應(yīng)用的新模式。
