中國儲能網(wǎng)訊：近期比亞迪儲能發(fā)布了一篇《全球首個！比亞迪儲能向英國電網(wǎng)提供無功補償支撐服務》，里面內(nèi)容提到了比亞迪儲能的響應過程和邊界實際很有參考意義。但不知什么原因，文章發(fā)布后很快就被作者刪除了。不過想想也不奇怪，公眾號寫得太詳實會暴露己方辛苦積累的工程經(jīng)驗(又或許標題有點違背國內(nèi)廣告法)，所以理解萬歲。
我們今天就來讀一讀英國電網(wǎng)規(guī)范（Grid Code）對于風電并網(wǎng)點儲能的技術要求，原文發(fā)表于Cigre Science & Engineering。
1. 儲能電網(wǎng)服務內(nèi)容
電池儲能系統(tǒng)的靈活性、易用性和可靠性有利于它在輸電和配電網(wǎng)絡中的連接。電池儲能系統(tǒng)是由多個含有固體或液體電解質(zhì)的電池組成的，這使得它們能夠增加其功率能力。目前鋰離子電池是最常用的，在80%的放電深度（DoD）下，其循環(huán)次數(shù)為3000，而鋰鈷電池的效率最高為98.5%。我們首先簡要討論了大型電池儲能提供的電網(wǎng)服務，目的是提高電力系統(tǒng)的運行可靠性。
1.1 電壓自動調(diào)節(jié)
電力網(wǎng)絡中電壓不穩(wěn)定的主要原因是與無功功率的波動有關。電池儲能系統(tǒng)可以吸收和輸送無功功率，類似于目前在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中由柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）和靜態(tài)無功補償器（SVC）執(zhí)行的功能，以維持系統(tǒng)的電壓系統(tǒng)穩(wěn)定。電池儲能系統(tǒng)能夠在有功/無功功率的四個象限內(nèi)運行，這意味著它可以充當電容器或電抗器，而變流器在20毫秒內(nèi)的快速反應使BESS能夠根據(jù)其分配情況提高電壓穩(wěn)定性。當電池儲能系統(tǒng)安裝到消費中心附近時，可以糾正終端客戶的功率因數(shù)（PF），并避免違規(guī)操作和收費處罰。此外，電池儲能系統(tǒng)還可以用來減少配電網(wǎng)絡的功率損失。電池儲能系也可以在其他發(fā)電機組啟動前提供快速的有功功率和無功功率支持，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
1.2 調(diào)頻服務
當所有發(fā)電單元以網(wǎng)絡同步速度旋轉，并且發(fā)電量隨時滿足需求時，電力系統(tǒng)頻率就會穩(wěn)定。然而，負荷的隨機性導致發(fā)電和需求之間的小功率不平衡，可能導致頻率不穩(wěn)定問題，持續(xù)時間從幾秒鐘到甚至幾小時。大的干擾，如發(fā)電或需求的損失，會在電力系統(tǒng)中造成相當大的頻率變化。因此，在電力系統(tǒng)中實施了三個級別的頻率調(diào)節(jié)控制，它們在工作時間和頻率調(diào)節(jié)控制所涉及的機制方面有區(qū)別，如下所示。
一次調(diào)頻（PFC）：當故障發(fā)生時，會在發(fā)電和需求之間產(chǎn)生一個突然的功率發(fā)電和需求之間發(fā)生不平衡，導致網(wǎng)絡頻率的快速變化。第一個糾正措施是通過發(fā)電機的旋轉儲備和它們的比例控制速度調(diào)節(jié)，允許在10到30秒內(nèi)快速響應發(fā)出有功功率。
二次調(diào)頻（SFC）：發(fā)電機的設定點被自動或手動修改，以保持編程的功率。自動或手動修改，以保持系統(tǒng)各區(qū)域之間的程序化功率。SFC的時間響應從1到30分鐘不等。響應時間從1分鐘到30分鐘不等。
三次頻率控制（TFC）：當達到額定頻率時。TFC的時間響應從5分鐘到幾個小時不等。
越來越多的基于RES的逆變器資源（IBR）的接入電網(wǎng)，這影響電力系統(tǒng)瞬時穩(wěn)定性的慣量，因為IBR這將不受同步機擺動方程的制約。在沒有采用其他技術的情況下，大型發(fā)電機組、負載或系統(tǒng)分裂等事件會造成頻率偏移、頻率變化率（RoCoF）、頻率最低和最高的變化大于設計值。在英國，RES的加入推動了RoCoF的變化，歷史上RoCoF被設定為0.125 Hz/s，沒有延遲，最近更新為1 Hz/s，延遲0.5秒，頻率最低被設定為49.5 Hz。
在英國，低慣量系統(tǒng)的挑戰(zhàn)已經(jīng)發(fā)生，在擾動事件前和事件后需要可以實現(xiàn)頻率控制調(diào)節(jié)的解決方案。英國已經(jīng)部署了一套廣域慣量測量（GE-PMU）和一套超級電容頻譜慣量測量（Reactive Technology）系統(tǒng)來實時檢測運行風險。在事件發(fā)生后的第一毫秒，可以部署一些技術，如同步調(diào)相機（SynCons）和與靜態(tài)同步補償器（STATCOM）的混合組合；
或者基于構網(wǎng)型（GFM）或 虛擬同步機（VSM）虛擬慣量供應- 儲能及飛輪儲能（FES）提供的快速頻率響應（FFR）服務。
電池儲能可以提供PFC和SFC當網(wǎng)絡頻率增加和減少時，BESS可以通過從網(wǎng)絡吸收有功功率（充電模式）和向網(wǎng)絡注入有功功率（放電模式）來參與PFC調(diào)節(jié)。為了提供PFC調(diào)節(jié)，BESS的全部儲備需要在30秒內(nèi)啟動，并持續(xù)15分鐘。
1.3 能源套利
英國的電力系統(tǒng)運營商在5分鐘的基礎上進行經(jīng)濟調(diào)度，考慮電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和安全邊界，以最經(jīng)濟的方式利用電能。在放松管制的市場中，以邊際成本購買和出售的能源的運營成本最小化，允許建立一個現(xiàn)貨市場。每小時的需求變化導致高峰時段的邊際成本增加，非高峰時段的邊際成本減少。電池儲能可以參與能源套利的應用，在日前的現(xiàn)貨市場上提供頻率響應服務。儲能技術可以為電網(wǎng)提供輔助服務，包括能源套利，例如大型抽水蓄能（PHS）可以與BESS結合，每天參與能源市場，以低價購買能源（充電），以高價出售能源（放電）。
1.4 延緩電網(wǎng)投資
電池儲能可以安裝在配電系統(tǒng)的負載附近，作為緩解線路堵塞的替代方案，并避免超出線路額定值有關的高投資成本。當一條配電線路在高峰時段達到最大熱容量時，電池儲能可以通過每天注入幾個小時的有功功率來供應部分需求。電池儲能也可以被安裝在輸電系統(tǒng)中，以控制輸電線路堵塞。
1.5 黑啟動能力
當系統(tǒng)發(fā)生全部或部分故障時，有必要給電網(wǎng)通電，支持發(fā)電機組和輸電線路同步接入電網(wǎng)。黑啟動是一個重要且必需的服務，通過控制具有阻尼作用的不平衡負載使發(fā)電資源可以平滑的連接到電網(wǎng)，變流器和/或發(fā)電機需要保持有功和無功功率的平衡，并將系統(tǒng)參考電壓和頻率維持在嚴格的限度內(nèi)。操作員需要在任何時候都將系統(tǒng)崩潰的風險降到最低。電池儲能的黑啟動市場與變流器從冷狀態(tài)下給發(fā)電機供電，使其可以正常工作的時長有關，例如，給燃氣輪機供電所需的時間從15分鐘到1小時不等，因此電池儲能的放電時間需要可持續(xù)幾個小時。在這種情況下，電池儲能可以在黑啟動通電期間提供足夠的有功和無功功率。
2. 電網(wǎng)規(guī)范的具體要求
2.1 無功功率支撐
儲能需要在上圖所示的中壓電網(wǎng)接入點（GEP）滿足電網(wǎng)規(guī)范第ECC 6.3.2.4.4(c)節(jié)規(guī)定的無功功率能力。當儲能需要在其最大容量以下運行時，它需要在50%和20%之間的三角形陰影區(qū)域運行。此外，根據(jù)CC.6.3.2(b)節(jié)，儲能必須能夠在穩(wěn)態(tài)電壓條件下的所有有功功率輸出水平上保持GEP的無功功率零轉移。無功功率轉移輸入和輸出的穩(wěn)態(tài)容差不得大于額定有功功率的5%。儲能必須能夠在CC.6.3.2(c)中定義的132kV及以上電壓的變壓器高壓側0.95PF滯后和領先極限之間的任何一點，為20%以上的所有有功功率輸出水平是保證無功功率限制。
考慮到GEP的電壓從0.9到1.1p.u.，以0.05p.u.的步長增加風電機組和BESS的有功功率輸出，以10%的步長從0MW增加到 風光儲互補 總輸入容量（TEC）的最大有功功率容量，得到BESS在綜合風能、光伏和儲能 互補項目的無功功率能力。考慮到風電機組在終端電壓下的功率能力，風電機組需要在并網(wǎng)點下輸出最大的無功功率（超前或滯后）時，儲能必須提供其余的無功功率。
2.2 潮流控制
潮流控制的目的是確定儲能的穩(wěn)態(tài)性能和行為以及它與電網(wǎng)的相互作用。潮流控制評估了包括風電場在內(nèi)的雙重或單一配置的電力系統(tǒng)的電壓曲線和負載，以及當儲能處于充電或放電模式時的情況。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)范ECC.6.1.4.1條的允許限制，風儲混合系統(tǒng)必須考慮POC的最大和最小電壓變化范圍為1.0 10%，領先和滯后0.95。需要對POC的電壓曲線和電路負載進行敏感性分析。在混合風電系統(tǒng)中，風電機組通常在電力輸出的優(yōu)先模式下運行，因此當風電機組運行時，輸出電力模式下的儲能被削減。在最后一種情況下，最具挑戰(zhàn)性的運行場景是當BESS被設置為功率因數(shù)0.95（滯后）的輸出模式。在配電網(wǎng)絡中，加入STATCOM設備可以控制電壓或無功功率流過邊界到并網(wǎng)點，以符合電網(wǎng)規(guī)范的無功功率要求。
2.3 短路容量
儲能對短路容量有一定的貢獻。IEC60909規(guī)定了計算短路電流的建議。所有的設備必須能承受一秒鐘的短路電流而不超過其容量，根據(jù)IEC 62271-1的規(guī)定，容量是指在關閉狀態(tài)下的電流。目前在新能源發(fā)電場景在對IEC60909計算的調(diào)整，要求PCS的短路電流貢獻其額定值的1.5到2倍的額定電流。
2.4 故障穿越（FRT）能力
電池儲能應可以注入最大的無功電流而不超過其瞬時額定值，對快速注入故障電流沒有具體要求。在ECC.6.3.15.1[30]節(jié)中，任何故障類型，BESS都需要在并網(wǎng)點處與電網(wǎng)保持連接，最長時間為140ms。BESS 必須符合下圖的 FRT 電壓曲線特性，考慮到額定的有功功率輸出和 ECC.6.3.15.8 節(jié)中規(guī)定的最大超前功率因數(shù)。
根據(jù)下圖所示的電壓曲線特征，BESS必須保持瞬時穩(wěn)定，并且在高壓側施加的平衡電壓跌落持續(xù)時間超過140毫秒時，保證和電網(wǎng)連接而不跳閘。
BESS需要符合電網(wǎng)規(guī)范CP.A.3.5節(jié)中規(guī)定的以下故障穿越測試。
1. 在中壓并網(wǎng)點上施加140毫秒的對稱和不對稱故障。
a. 三相對地故障。
b. 相與相之間的故障。
c. 兩相對地故障。
d. 單相對地故障。
2. 在高壓電網(wǎng)的最近點上發(fā)生的持續(xù)時間不等的對稱性故障。
a. 0.384秒內(nèi)保留30%的電壓。
b. 在0.71秒內(nèi)保留50%的電壓。
c. 在2.5秒內(nèi)保留80%的電壓。
d. 在180秒內(nèi)保留85%的電壓。
BESS必須在并網(wǎng)點電壓恢復到0.9p.u.以上的500毫秒內(nèi)恢復輸出有功功率。
2.5 電壓控制調(diào)節(jié)
根據(jù)ECC.A.7.2.3.1節(jié)[30]，BESS必須在并網(wǎng)點提供持續(xù)的自動電壓調(diào)節(jié)，并保持穩(wěn)定。BESS必須符合ECP.A.3.4.1節(jié)中的動態(tài)性能，考慮到以下應用。
a. 當系統(tǒng)電壓發(fā)生一個負階躍時，BESS在額定有功功率輸出時，無功功率從零變化到最大值（滯后）。
b. 當系統(tǒng)電壓發(fā)生一個正階躍時，BESS在額定有功功率輸出時，無功功率從零變化到最大值（領先）。
c. 一個-2%的電壓階躍，同時在滯后無功功率限制的5%范圍內(nèi)運行。
d. 一個+2%的電壓階躍，同時在5%的領先無功功率限制內(nèi)運行。
該階躍必須足夠大，以要求穩(wěn)態(tài)無功功率輸出從零變化到最大的領先或滯后值。無功功率輸出響應必須在電壓階躍的0.2秒內(nèi)開始，并在1秒內(nèi)達到90%。
2.6 頻率控制調(diào)節(jié)
BESS必須符合ECC.6.3.7[30]條款中的電網(wǎng)規(guī)范頻率響應要求。頻率響應要求包括高頻時的有限頻率敏感模式（LFSM-O）、低頻時的有限頻率敏感模式（LFSM-U）、頻率敏感模式（FSM），以及證明頻率控制中動態(tài)符合要求的具體研究。
高頻 LFSM (LFSM-O)
電網(wǎng)規(guī)范在ECC.6.3.7.1節(jié)中規(guī)定，每個BESS模塊必須能夠在系統(tǒng)頻率上升到50.4Hz以上時降低有功功率輸出。如下圖所示，有功功率輸出的變化率必須是在系統(tǒng)頻率高于50.4Hz時，每偏離0.1Hz至少輸出2%（即10%的下降率）。有功功率的比例降低必須在頻率上升到50.4Hz以上的10秒內(nèi)實現(xiàn)。BESS應能在盡可能短的時間內(nèi)啟動功率頻率響應。如果延遲時間超過2秒，必須提供技術證據(jù)來證明這一變化。
低頻LFSM（LFSM-U）
電網(wǎng)規(guī)范在ECC.6.3.7.2節(jié)中要求，每個BESS模塊必須在LFSM-U中保持穩(wěn)定，并且能夠在系統(tǒng)頻率低于49.5Hz時增加有功功率輸出。電網(wǎng)規(guī)范不允許BESS在低效（長延時）模式下運行以促進LFSM-U響應的傳遞；任何固有的能力（如果有的話）應在盡可能短的時間內(nèi)傳遞。如下圖所示，有功功率輸出的變化率必須是在系統(tǒng)頻率低于49.5Hz時，每偏離0.1Hz至少有2%的輸出（即10%的下降）。在頻率低于49.5Hz時，必須實現(xiàn)有功功率的比例增長。BESS應能以盡可能短的初始延遲啟動功率頻率響應。如果延遲超過2秒，則必須提供技術證據(jù)來證明這種變化。要求BESS能提供高達其最大容量的功率增長。
頻率敏感模式 (FSM)
電網(wǎng)規(guī)范在ECC.6.3.7.3.1節(jié)中指出，BESS必須安裝一個快速反應的比例頻率控制裝置，能夠在正常運行條件下提供頻率響應。頻率控制裝置必須在下圖所示的有功功率輸出的整個運行范圍內(nèi)運行。
在發(fā)生頻率階躍變化的情況下，BESS應能根據(jù)下圖的性能特征，啟動全面和穩(wěn)定的有功功率頻率響應（不發(fā)生功率振蕩）。
BESS初始有功功率頻率響應的延遲不得大于1秒。如果風電廠電源不能滿足這一要求，則需要提供技術證據(jù)，證明有功功率頻率響應初始啟動所需的時間。
頻率控制器模型驗證
電網(wǎng)規(guī)范在ECP.A.3.7節(jié)中要求，當BESS轉換器以最大容量的80%運行時，要符合下圖中低頻事件的斜坡能力。建議頻率變化曲線的最大偏差包括0.5Hz的負階躍和0.5Hz的正階躍，兩者都在頻率響應不敏感的LFSM范圍內(nèi)，當BESS在LFSM中運行時必須不激活電源頻率響應。因此，假設BESS處于FSM狀態(tài)。當物理測試結果出來后，它們被用來驗證頻率控制器實際應用效果。
3. 總結
在 風光儲互補項目 中并網(wǎng)型BESS對電網(wǎng)有多種好處，首先它可以幫助提高電能質(zhì)量、穩(wěn)定性和電網(wǎng)的安全性，其次是可在短期內(nèi)提供輔助服務。為了驗證BESS的并網(wǎng)特性，有必要根據(jù)電網(wǎng)規(guī)范要求驗證其合規(guī)性。
目前的工作是對電網(wǎng)規(guī)范的靜態(tài)和動態(tài)測試進行審查，根據(jù)英國電力系統(tǒng)運營商的要求，BESS需要在 風光儲互補項目 中完成測試。
靜態(tài)測試包括幾個電壓等級的有功和無功功率能力，以及POC、LF和所有可能的運行情況下的短路分析，以驗證電網(wǎng)元件的極限。
動態(tài)測試需要符合不同持續(xù)時間的對稱和不對稱故障條件下的FRT能力，而不需要從電網(wǎng)斷開；電壓和頻率調(diào)節(jié)的最低控制要求需要得到驗證，以提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。
因此，BESS的并網(wǎng)要求越來越高，因為儲能在可再生能源發(fā)電和基于逆變器特性的發(fā)電組合產(chǎn)生間歇性期間，將發(fā)揮重要的電網(wǎng)穩(wěn)定作用。如今，BESS的控制策略是基于電網(wǎng)跟隨型GFL，預計其可向風能和光伏發(fā)電的提供一定的支撐，同時我們也可以看到如同步調(diào)相機這樣的設備可以幫助改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)慣量、系統(tǒng)恢復和穩(wěn)定時間，減少RoCoF、頻率偏移，并為電網(wǎng)提供無功支持。
2021年，Eirgrid宣布在Moneypoint連接一個同步調(diào)相機，以提高穩(wěn)定性，盡管需要高昂的投資成本。預計未來BESS可以通過采用電網(wǎng)構建GFM控制，以較低的成本提供頻率支持功能和其他同步機器固有的功能。這對于可持續(xù)的能源轉型和未來電力網(wǎng)絡的穩(wěn)定性來說，短期儲能BESS和長時氫能儲能（HES）等ESS的協(xié)調(diào)和運行是必要的。
