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摘 要 針對新能源場站一次調(diào)頻技術(shù)的迫切需求，本工作研究了MW級飛輪陣列在此場景下的創(chuàng)新應(yīng)用，設(shè)計了飛輪儲能陣列系統(tǒng)集成接入方案，提出了飛輪儲能陣列參與新能源場站一次調(diào)頻控制策略，并在新能源場站主變低壓側(cè)(35 kV)獨立接入了一套5 MW/175 kWh的飛輪陣列系統(tǒng)。為了全面驗證該方案的可行性與性能優(yōu)勢，本工作實施了一系列的試驗測試，涵蓋單機充放電快速切換、頻率階躍擾動響應(yīng)、防擾動性能校驗以及一次調(diào)頻死區(qū)測試等多個維度的工況試驗。此外，結(jié)合現(xiàn)場長期運行的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析表明，采用MW級飛輪陣列顯著增強了新能源場站的一次調(diào)頻能力，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。
關(guān)鍵詞 新能源場站；一次調(diào)頻；飛輪儲能；飛輪陣列
隨著國家“碳達峰、碳中和”目標的設(shè)立，預(yù)計到2030年，以化石能源為主導(dǎo)的電力格局將逐漸轉(zhuǎn)型為以新能源發(fā)電裝機及發(fā)電量占據(jù)主導(dǎo)地位的新型電力系統(tǒng)，這一變革不僅標志著我國能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，更是確保未來能源安全與保障的重要舉措。然而，以風(fēng)電和光伏為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)具有間歇波動性和不確定性，必須解決新能源消納受限以及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的問題。為了維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，2018年6月6日，國家能源局頒布了《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范》，其中明文要求風(fēng)力發(fā)電站和太陽能光伏電站必須配備有一次調(diào)頻功能，到2020年，超過15個省份強制要求新能源場站配置一次調(diào)頻功能。同年7月1日，國家開始強制實施新的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》標準(GB 38755—2019)，要求所有接入35 kV及以上電壓等級的電源都必須具備一次調(diào)頻功能。此外，從2022年5月1日開始，國家標準《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗導(dǎo)則》(GB/T 40595—2021)進一步要求新能源場站應(yīng)具備上調(diào)6%和下調(diào)10%的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)范圍。
新能源場站具備一次調(diào)頻功能是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要手段，其參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的方式可以大致分為兩類：第一類是通過改進新能源場站自身的功率調(diào)節(jié)功能，以提供電網(wǎng)頻率支撐功率。第二類則是通過附加儲能系統(tǒng)來協(xié)助新能源場站參與電力系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)。電力系統(tǒng)一次調(diào)頻具有短時功率輸出大、要求響應(yīng)時間迅速、持續(xù)時間短以及充放電頻次較高等特征，是功率型儲能系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景[5]。飛輪儲能系統(tǒng)作為一種新型的儲能技術(shù)，憑借其快速響應(yīng)能力和卓越的高功率密度，特別適用于電網(wǎng)一次調(diào)頻這種短時、高頻次的充放電應(yīng)用場景。近年來，已有一些研究將飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于新能源場站的一次調(diào)頻中，文獻[7]引入了飛輪儲能陣列系統(tǒng)，設(shè)計了飛輪儲能陣列系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機組的網(wǎng)絡(luò)拓撲，并提出了相應(yīng)的充放電及安全協(xié)調(diào)控制策略，通過仿真實驗驗證了飛輪儲能陣列系統(tǒng)與風(fēng)電場協(xié)同運行的有效性。文獻[8]則針對風(fēng)電場飛輪陣列儲能系統(tǒng)，研究了基于分層架構(gòu)的分布式控制策略，通過理論分析和仿真實驗，驗證了所提出的一致性算法在飛輪儲能陣列系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性。文獻[9]研究了飛輪儲能陣列在風(fēng)電場中的應(yīng)用，提出了相關(guān)的功率協(xié)調(diào)控制及儲能陣列分層分組控制策略，仿真實驗結(jié)果驗證，采用飛輪組合的方法確實可以穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電的瞬時功率波動，且波動幅度維持在允許的限定區(qū)間之內(nèi)。文獻[10]提出在風(fēng)電場交流出口處接入飛輪儲能裝置，并設(shè)計了一種基于飛輪儲能的風(fēng)電場調(diào)頻控制策略，通過仿真驗證了控制策略的有效性。以上研究工作基本上都是以理論仿真研究和樣機研制為主，應(yīng)用全容量MW級飛輪陣列系統(tǒng)接入新能源場站完成一次調(diào)頻功能改造，還缺乏實際的工程化應(yīng)用案例。
因此，本工作圍繞MW級飛輪陣列在新能源場站中一次調(diào)頻的工程化應(yīng)用，在國家電投河南平頂山葉縣長豐50 MW風(fēng)電場站，按照新能源場站額定容量的10%比例，配建了5 MW/175 kWh飛輪陣列系統(tǒng)，實現(xiàn)并完成了國內(nèi)首個新能源+全容量飛輪系統(tǒng)一次調(diào)頻改造的工程應(yīng)用，并進行了包括單機充放電切換測試、頻率階躍擾動、防擾動性能校驗、一次調(diào)頻死區(qū)測試及長期運行等在內(nèi)的一系列試驗測試。試驗及長期運行結(jié)果表明，采用MW級飛輪陣列能顯著提升風(fēng)電場一次調(diào)頻的性能，提高風(fēng)電場系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益，具有重要的工程化應(yīng)用示范和現(xiàn)實意義。
圖1 河南MW級先進飛輪儲能系統(tǒng)示范項目
1 飛輪儲能陣列輔助新能源場站一次調(diào)頻介紹
1.1 飛輪儲能系統(tǒng)單元
飛輪儲能是一種物理儲能方式，其運行原理是在真空磁懸浮環(huán)境下，利用旋轉(zhuǎn)體來存儲動能，通過電動/發(fā)電雙向電機來實現(xiàn)電能與動能之間的高效轉(zhuǎn)換，這種儲能技術(shù)具有其獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。飛輪儲能單元集成了飛輪本體、飛輪控制系統(tǒng)、功率系統(tǒng)、制動電阻、水冷機、真空泵等部件，可實現(xiàn)標準化和模塊化。
圖2 飛輪儲能裝置組成拓撲
1.2 飛輪陣列系統(tǒng)接入拓撲
鑒于單個飛輪儲能單元的功率和容量存在限制，為了構(gòu)建具備更大功率和容量的飛輪儲能系統(tǒng)，可以將多個飛輪儲能單元通過交流或直流并機的方式組成飛輪儲能陣列。圖3為飛輪儲能陣列交流并聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)，將多臺儲能變流器(power converter system, PCS)并聯(lián)接入到新能源場站主變壓器低壓側(cè)35 kV交流母線，進而形成了一個具有更高功率與能量的飛輪儲能陣列系統(tǒng)。其中PCS負責(zé)完成交流側(cè)到直流側(cè)的功率變換，而飛輪的機側(cè)變流器則負責(zé)完成直流側(cè)到電機定子交流端之間的功率變換，通過這兩個雙向變流器，實現(xiàn)飛輪儲能與電網(wǎng)之間的雙向功率流動。
圖3 飛輪儲能陣列系統(tǒng)接入拓撲
1.3 系統(tǒng)一次調(diào)頻通信架構(gòu)
飛輪儲能陣列系統(tǒng)采用陣列化運行方案，飛輪儲能陣列的EMS平臺接收上層調(diào)度或者一次調(diào)頻裝置的指令，其中一次調(diào)頻指令優(yōu)先級最高，一次調(diào)頻裝置檢測并網(wǎng)點頻率變化超過范圍時，一次調(diào)頻裝置下發(fā)一次調(diào)頻目標值指令至飛輪儲能陣列EMS平臺，遵循一次調(diào)頻優(yōu)先動作的原則，飛輪儲能EMS平臺調(diào)用飛輪陣列功率分配算法，迅速向各飛輪控制單元下發(fā)設(shè)定功率值。當(dāng)并網(wǎng)點頻率恢復(fù)正常，一次調(diào)頻裝置下發(fā)一次調(diào)頻目標值清零指令，飛輪儲能EMS平臺停止執(zhí)行飛輪陣列功率分配算法，開始調(diào)用電量主動均衡算法，向各飛輪控制單元下發(fā)電量均衡功率目標值，控制每個飛輪儲能單元的SOC維持在合理水平，以應(yīng)對下一次調(diào)頻動作，見圖4。
圖4 飛輪儲能電站一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)圖
2 飛輪儲能陣列參與新能源場站一次調(diào)頻控制
2.1 新能源場站一次調(diào)頻功能
新能源(風(fēng)力/光伏發(fā)電)場站根據(jù)設(shè)定的有功-頻率下垂特性曲線(圖5)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)頻率波動超出死區(qū)頻率圖片(圖片為頻率上限，圖片為頻率下限)，一次調(diào)頻系統(tǒng)投入，動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)點功率，參與電網(wǎng)一次頻率的快速調(diào)節(jié)過程。
圖5 新能源場站(風(fēng)電/光伏)一次調(diào)頻有功-頻率下垂特性示意圖
2.2 飛輪儲能陣列功率分配策略
2.3 電量主動均衡策略
在電量主動均衡的過程中，為保障儲能系統(tǒng)的最大可用性，考慮頻率變化的隨機性，需將飛輪儲能陣列內(nèi)各單元的圖片維持在一個比較中間的水平，以應(yīng)對頻率在向上或向下變化時，飛輪儲能陣列系統(tǒng)有足夠的響應(yīng)電量。因此，需在一次調(diào)頻不動作的期間，采用電量主動均衡策略對多個飛輪的電量進行小功率的動態(tài)調(diào)整。
電量主動均衡策略主要考慮兩個因素，一是在電量均衡過程中，儲能系統(tǒng)不對新能源場站并網(wǎng)口的出力造成較大偏差，二是避免小功率按比例分配后，單臺充放電指令過小，導(dǎo)致充放電控制精度偏低，影響均衡效果。因此，主動電量均衡過程將采用輪調(diào)方式，逐臺進行電量均衡。
3 飛輪陣列輔助新能源場站一次調(diào)頻測試
針對新能源場站的一次調(diào)頻功能優(yōu)化改造，2023年5月國電投坎德拉(北京)新能源科技有限公司交付了河南長豐風(fēng)電場5 MW/175 kWh飛輪儲能陣列系統(tǒng)項目，交流并聯(lián)接入5臺1 MW/35 kWh到風(fēng)電場升壓站35 kV母線上，以滿足新能源場站一次調(diào)頻改造需求。
單臺1 MW/35 kWh飛輪儲能單元參數(shù)見表1。
表1 1 MW/35 kWh飛輪儲能單元參數(shù)
飛輪儲能陣列系統(tǒng)并網(wǎng)后，以5 MW獨立飛輪儲能電站為測試對象，通過現(xiàn)場試驗驗證飛輪儲能電站輔助新能源場站一次調(diào)頻功能的各項技術(shù)指標，現(xiàn)場一次調(diào)頻試驗系統(tǒng)連接方式如圖6所示，數(shù)據(jù)記錄分析儀接在35 kV并網(wǎng)點電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)上，頻率信號發(fā)生裝置與一次調(diào)頻裝置的頻率測量模塊相連。
圖6 飛輪儲能電站采用頻率信號發(fā)生裝置測試接線示意圖
現(xiàn)場試驗進行了包括單機充放電切換測試、頻率階躍擾動、防擾動性能校驗及一次調(diào)頻死區(qū)測試等在內(nèi)的一系列試驗測試，并通過長期運行驗證了飛輪儲能陣列輔助新能源場站一次調(diào)頻的有效性。
3.1 飛輪單機充放電切換測試
飛輪單機系統(tǒng)上電啟動后，網(wǎng)側(cè)的儲能變流器控制直流母線電壓，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定在1200 V，初始啟動階段，飛輪電機按照恒轉(zhuǎn)矩模式升速至工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)后待機，隨后飛輪電機控制模式切換為恒功率控制模式，此時可接受飛輪陣列EMS平臺的功率調(diào)度指令。單機設(shè)定大功率充電升速持續(xù)至少10 s后，再切換為大功率放電。如圖7所示，直流側(cè)電流接入示波器監(jiān)測，可看到在大功率充放電切換的過程中，電流開始變化的a點到電流穩(wěn)定后的b點中間經(jīng)歷了49.6 ms；隨后在設(shè)定大功率放電降速持續(xù)至少10 s后，再切換為大功率充電。如圖8所示，可看到在大功率充放電切換的過程中，電流開始變化的a點到電流穩(wěn)定后的b點中間經(jīng)歷了42.8 ms。經(jīng)過幾輪測試，得出飛輪儲能單元單機充放電轉(zhuǎn)換時間小于50 ms(-90%～90%功率區(qū)間)，性能較好，可滿足一次調(diào)頻所需的短時、高頻次的充放電應(yīng)用需求。
圖7 大功率充電切換為大功率放電直流側(cè)電流變化(黃色曲線)
圖8 大功率放電切換為大功率充電直流側(cè)電流變化(黃色曲線)
3.2 頻率階躍擾動試驗
飛輪儲能電站一次調(diào)頻頻率階躍擾動試驗分為兩個方向：頻率階躍上升擾動和頻率階躍下降擾動，通過頻率信號發(fā)生裝置來設(shè)定特定上升和下降的頻率階躍擾動值。根據(jù)飛輪儲能陣列系統(tǒng)在面對這兩種頻率階躍擾動時的響應(yīng)特性，進行了詳細的測試與分析，測試結(jié)果如圖9所示。在飛輪儲能電站啟動運行一段時間后，通過頻率信號發(fā)生裝置設(shè)定一個階躍上擾動，一次調(diào)頻系統(tǒng)檢測頻率超過死區(qū)后迅速開始動作，飛輪儲能電站迅速增大充電功率，隨后設(shè)定頻率恢復(fù)至50 Hz，飛輪儲能電站的充電功率迅速恢復(fù)至待機功率；設(shè)置一個階躍下擾動，飛輪儲能電站迅速切換為放電狀態(tài)，隨后設(shè)定頻率恢復(fù)至50 Hz，飛輪儲能電站迅速恢復(fù)至待機狀態(tài)。在頻率階躍擾動測試期間，平均滯后時間為117 ms，最大滯后時間273 ms，平均上升時間為236 ms，最大上升時間445 ms，平均調(diào)節(jié)時間為282 ms，最大調(diào)節(jié)時間553 ms，平均控制偏差為0.12%，最大控制偏差0.78%，性能滿足GB/T 40595—2021《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗導(dǎo)則》要求。
圖9 頻率階躍值上升擾動與下降擾動有功功率響應(yīng)波形
3.3 防擾動性能校驗
為驗證飛輪儲能陣列一次調(diào)頻系統(tǒng)的抗擾動能力，防擾動性能校驗使用頻率信號發(fā)生裝置來產(chǎn)生故障穿越相應(yīng)的校驗信號，目的是校驗飛輪儲能陣列系統(tǒng)在面臨異常狀況時的調(diào)頻性能響應(yīng)，測試結(jié)果如圖10所示。具體試驗過程中，以一次調(diào)頻控制系統(tǒng)計算頻率的單相電壓幅值，瞬間降低至額定電壓的0、0.2、0.4、0.6和0.8，每次持續(xù)時間為150毫秒，并在跌落和恢復(fù)時完成兩次相位移動，每次相移60度。
圖10 防電網(wǎng)暫態(tài)擾動電壓跌落響應(yīng)
當(dāng)電壓幅值與相位發(fā)生突變時，飛輪儲能陣列系統(tǒng)的輸出功率未發(fā)生變化。試驗結(jié)果證明，該飛輪儲能陣列系統(tǒng)的一次調(diào)頻功能具備避開單一短路故障引起的瞬間頻率突變的能力。
3.4 一次調(diào)頻死區(qū)測試
人工設(shè)定一次調(diào)頻的死區(qū)為(50±0.05) Hz，階躍擾動結(jié)果如圖11所示，當(dāng)頻率設(shè)置從50 Hz階躍到50.047 Hz、49.947 Hz時，飛輪電站實測有功功率未發(fā)生變化，當(dāng)頻率設(shè)置從50 Hz階躍到50.053 Hz和49.953 Hz時，飛輪電站實測有功功率發(fā)生變化，滿足一次調(diào)頻頻率死區(qū)的要求(±0.05 Hz以內(nèi))。
圖11 一次調(diào)頻死區(qū)驗證響應(yīng)波形
3.5 飛輪儲能電站長期運行
5 MW獨立飛輪儲能電站為長豐風(fēng)電場提供一次調(diào)頻服務(wù)，具備一次調(diào)頻在線主動測試功能，可接受省調(diào)主站一次調(diào)頻在線主動測試信號，實時向主站反饋長豐風(fēng)電場站一次調(diào)頻在線測試條件，并自動響應(yīng)主站的測試信號，同時將可用功率、一次調(diào)頻投入/退出/動作/復(fù)歸信號等通過PMU測點的方式實時上傳到調(diào)度中心，滿足調(diào)度側(cè)對長豐風(fēng)電場站一次調(diào)頻運行和性能的在線監(jiān)視和統(tǒng)計分析等要求。目前項目已投運近一年多的時間，一次調(diào)頻功能運行正常，日均一次調(diào)頻響應(yīng)動作1900次左右，日均充放電量6000 kWh左右，滿足風(fēng)電場一次調(diào)頻響應(yīng)要求，有效減免長豐風(fēng)電場政策考核罰款，避免了采用傳統(tǒng)技術(shù)路線限制風(fēng)機10%額定負荷而引發(fā)的棄風(fēng)問題，并匹配風(fēng)機20年的運行年限，有效保障長豐風(fēng)電場發(fā)電收益。
圖12 飛輪儲能電站系統(tǒng)界面及運行曲線
4 結(jié) 論
該項目是國內(nèi)首個新能源場站與全容量MW級飛輪儲能融合的一次調(diào)頻功能改造工程，本工作設(shè)計了飛輪儲能陣列系統(tǒng)的集成接入方案，提出了一次調(diào)頻控制策略，并實施了單機充放電快速切換、頻率階躍擾動響應(yīng)、防擾動性能校驗和一次調(diào)頻死區(qū)測試等一系列的試驗測試，并通過現(xiàn)場長期運行數(shù)據(jù)監(jiān)控，全方位驗證了系統(tǒng)性能，結(jié)果表明飛輪陣列系統(tǒng)在頻率階躍擾動下展現(xiàn)出卓越的響應(yīng)速度，平均滯后時間和調(diào)節(jié)時間均優(yōu)于行業(yè)標準，同時控制偏差保持在極低的水平。此外，系統(tǒng)還具備有效抵御單一短路故障引起的瞬間頻率突變的能力，以及調(diào)頻死區(qū)設(shè)置功能，進一步增強了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。本研究的成功實施與應(yīng)用，不僅充分解決了新能源場站一次調(diào)頻考核問題，更以實際成果證明了飛輪陣列系統(tǒng)在新能源場站一次調(diào)頻改造中的技術(shù)可行性和優(yōu)越性，促進了新型儲能與雙新電力系統(tǒng)的有機融合，為新形勢下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供了有力支撐。
