中國儲能網(wǎng)訊：2018年10月26日，在北京西國貿(mào)大酒店的2018中國分布式儲能峰會上，本次會議下午由中國新能源電力投融資聯(lián)盟秘書長彭澎主持。在光伏+儲能及微電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新的主題中，國網(wǎng)冀北電科院新能源研究所鞏宇發(fā)表了題為“光伏直流側(cè)加裝儲能進行一次調(diào)頻的研究與工程運行分析”的演講。
國網(wǎng)冀北電科院新能源研究所鞏宇：
各位同行，大家！我來自國網(wǎng)來自冀北電科院。這次分享的題目是光伏直流側(cè)加裝儲能進行一次調(diào)頻的研究與工程運行分析。就是光伏參與電網(wǎng)一次調(diào)頻我們的最新研究，希望給大家最新的啟示。從三個方面進行介紹：
第一，關(guān)于張北虛擬同步機示范建設(shè)給大家做一個匯報。張北示范區(qū)建設(shè)有一個重大的背景，參與電網(wǎng)一次調(diào)頻是必要的也是迫切的，主要表現(xiàn)三個方面：
第一方面，截止2017年我國風(fēng)機光伏裝機占總裝機容量17%，在冀北公司冀北電網(wǎng)新能源裝機已經(jīng)到了53%的水平，新能源機組參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻是必須的。
第二個表示方式，我們通過對冀北地區(qū)35千伏目線的長期監(jiān)測，左邊這個圖是一個24小時的電網(wǎng)頻率波動范圍，在電網(wǎng)正常運行范圍內(nèi)它的波動區(qū)間在正負0.04赫茲，0.04已經(jīng)超過了火電機組調(diào)頻的死區(qū)，右邊圖可以看到，當頻率超過了火電機組調(diào)頻死區(qū)0.033赫茲的時候，系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)頻電源就要啟動，將頻率拉回來。通過統(tǒng)計，在一天之內(nèi)頻率越上限次數(shù)大概在700多次、越下限在950次，所以說電網(wǎng)在正常運行情況下為保持系統(tǒng)在一個較小的波動范圍，系統(tǒng)內(nèi)調(diào)頻電源需要頻繁的調(diào)入一次調(diào)頻功能。我們又統(tǒng)計了一下，從2019年到現(xiàn)在電網(wǎng)發(fā)生故障的一些情況，主要包括直流閉鎖和發(fā)電機的故障跳機。說明在我們堅強電網(wǎng)為主的情況下，其實也是有概率，并且概率不小的會發(fā)生這種故障，我們以華北電網(wǎng)為例做了一個仿真，右下角那個圖，它的仿真是這樣，是以新能源機組，新能源機組占比20%，發(fā)生了5%的頻率削額的情況下，我們對比了新能源機組參與調(diào)頻和不參與調(diào)頻的頻率對比，新能源機組參與調(diào)頻的時候它的頻率最低點大概在49.8%左右，是一個新能源機組可承受的范圍之內(nèi)。在新能源機組不參與調(diào)頻的時候，頻率最低點可下降到49.25%這個范圍，這個范圍已經(jīng)引起了低頻減載，會使得故障持續(xù)擴大。以上三點說明了，新能源機組參與電網(wǎng)調(diào)頻的必要性。
在這個大背景下，國網(wǎng)冀北電力公司協(xié)同中國電科院、產(chǎn)業(yè)及進行了全環(huán)節(jié)的攻關(guān)，主要在張北風(fēng)光儲對24臺光伏、59臺風(fēng)機進行了虛擬同步機改造，建設(shè)了2臺單機容量5兆瓦，電站是虛擬同步機，首次在大電網(wǎng)中示范應(yīng)用了包括光伏、風(fēng)電與電站三大類、六種型號的主動調(diào)頻設(shè)備。
第二方面，向大家匯報一下光伏參與電網(wǎng)一次調(diào)頻我們采用的調(diào)頻方案。
由于光伏逆變器通常運行與MBT運行模式，他是沒有向上支撐功率的能力，我們選擇直流母線加裝儲能的方式，使得功率單元具備了可上可下的能力，他的基本硬件結(jié)構(gòu)是儲能單元加上雙向的DC/DC并聯(lián)到直流母線，和光伏共用一個DC/DC逆變器。示范公車采用的是兩種方案，第一種是加裝了50千瓦、30分鐘的磷酸鐵鋰電池，第二種方式是加裝了50千萬、15秒的超級電容的方案，希望通過這兩個方案的對比得到一些參考方案。
調(diào)頻控制策略的基本原理，基于光伏逆變器常用的矢量控制，在DQ電流控制環(huán)節(jié)加上和頻率電壓相關(guān)的一些附加信號，使它具有調(diào)頻功能，因為是兩種不同的電池類型，所以根據(jù)這兩種電池類型分別有一個個性化的設(shè)計，對于鋰電池采用的是一個模擬轉(zhuǎn)子運動方程策略，它是以里鋰電池為主體，我頻率越上限和越下限均是以電池來響應(yīng)調(diào)頻，是調(diào)頻熱備用，我夜間也可以調(diào)頻，因為鋰電池是有非常大的容量的。帶來一個問題就是，光伏逆變器在夜間處于低載模式，不能拖網(wǎng)、不能待機，因為超級電容的容量特別小，相對不具備存儲電能的一個功能，所以說它采用的控制策略是有功下垂，它的調(diào)頻主體是超級電容和光伏，它對電池在頻道內(nèi)一天的調(diào)頻次數(shù)是比較少的，并且夜間光伏逆變器處于待機模式。
通過冀北電科院仿真，對兩者的調(diào)頻性能做了對比，首先是調(diào)頻響應(yīng)時間的對比，由于加裝了DC/DC環(huán)節(jié)，他的功率支撐、功率響應(yīng)速率他的限制環(huán)節(jié)其實在DC/DC電力電子，所以兩種方案的調(diào)頻響應(yīng)時間基本差不多，并不會突出超級電容非?？斓倪@樣一個性能。并且兩者在投資金額差不多的情況下，鋰電池可以全天候的支撐頻率，并且他的支撐時間是一次充電滿功率可以支撐30分鐘，超級電容只能支撐15秒，我們認為鋰電池作為調(diào)頻的資源可能是比較優(yōu)秀的。
第三方面，匯報一下工程運行監(jiān)測的情況。首先，今年7月份—9月份的運行發(fā)電情況做了一個統(tǒng)計，從風(fēng)光儲D5000運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，從6月—9月，正常的光伏逆變器發(fā)電和改造后的具備調(diào)頻功能的光伏逆變器的一個發(fā)電量相比，大概發(fā)電量相差了0.8，任取其中大概10天的一個日發(fā)電量的對比，就是兩者各有優(yōu)劣。得到這樣一個結(jié)論，光伏單元加裝儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻，并不會影響光伏的正常發(fā)電。
第二個，因為D5000的數(shù)據(jù)顆粒度是比較大的，對與頻率相關(guān)的一些分析是有局限性的，所以我們就地架設(shè)了高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，我們想達到的是對單機調(diào)頻性能、日調(diào)頻次數(shù)、電池充放電、故障情況等一系列的監(jiān)測，首先是對電網(wǎng)頻率的一個對比。右邊這張圖是我們采集到了新能源機組極端頻率合35千伏和110千伏電網(wǎng)線路的頻率做了一個對比，可以得出來左邊這條線，就是機端頻率合35千伏頻率基本上是重合的，并且復(fù)合度相當好，就回到了一個問題就是，新能源機組的機端頻率和電網(wǎng)頻率是相同的，這個階段也是困擾了很多人。但是從右邊圖可以看到，機端頻率相同，但是設(shè)備采到的不一定準確，因為你鎖相環(huán)鎖相方式和數(shù)據(jù)處理方式不同，可能產(chǎn)生你采到的頻率精度是不一樣的。比如右邊采用方法A，就是A方式，就是用鎖相環(huán)鎖出來的頻率，大概與真實頻率相差能到0.015赫茲，因為火電的調(diào)頻死區(qū)才0.33，用方法B精度就比較好，相差精度0.002、0.001的樣子。
我們對比了一下鋰電池方案和超級電容方案在日調(diào)頻工況下的一個不同，單機調(diào)頻的曲線設(shè)置頻率死區(qū)在正負0.03赫茲的時候，他一小時的調(diào)頻次數(shù)大概幾十次、上百次的樣子。光伏饋線的調(diào)頻性能，是有16各位改造的光伏逆變器、有4個改造以后的，在夜間他的調(diào)頻性能是比較好的，說明了改造以后具備調(diào)頻性能的光伏逆變器在多機并聯(lián)情況下他是可以正常運行的。日間調(diào)頻的曲線，因為日日間光伏的發(fā)電功率比較大，所以調(diào)頻的功率淹沒在了藍線中，我們看藍線細節(jié)可以看到功率曲線上有功率突然降低的點，這個是儲能在調(diào)頻過程中吸收功率或者放出功率時候?qū)χ绷髂妇€電壓可能會產(chǎn)生一些擾動，造成了光伏發(fā)電的一些降低恩，但是在后續(xù)我們的優(yōu)化過程中，已經(jīng)把這個問題解決了。
這個是超級電容的一個調(diào)頻曲線。從第一張圖可以明顯看到，在一小時之內(nèi)超級電容充放電兩次，并且它在充電的過程中或者充電沒充滿的時候他是不調(diào)頻的，所以說超級電容這個方案它的調(diào)頻次數(shù)是比較少的。右邊的圖是超級電容單機調(diào)頻的一個過程，可以看到，它充滿一次電，大概在電網(wǎng)正常運行的時候也只能支撐2分多鐘，就是在電網(wǎng)發(fā)生大的頻率偏差的時候，特可能一分鐘或者15秒，他的時間比較短。
這是一個調(diào)壓的現(xiàn)場測試情況，調(diào)壓側(cè)就是在Q軸電流加了一個和電壓相關(guān)的量。從下面這張圖可以看到，他改造后的單機調(diào)壓性能是具備的。從右邊那個圖，他是在持續(xù)運行工況下，無功和機端電壓的一個曲線，他有一個相當于振蕩籃球過程，所以我們覺得這種功能放在微網(wǎng)里是可以的，可能放在大電網(wǎng)里需要持續(xù)優(yōu)化。
下面我們主要關(guān)注了一下電池的運行情況，因為光伏直流側(cè)加裝儲能以后，其實儲能是作為光伏的一個設(shè)備在運行，他是作為一個整體，要是儲能BMS報出了一些故障，光伏系統(tǒng)要整體停機的，所以對儲能的運行情況、對光伏發(fā)電有非常大的影響。
我們在實驗之前首先統(tǒng)計了一下四個儲能單元它從2016年底到今年7月份歷史運行的充放電量，右邊這個條，我們可以看到，因為調(diào)頻死區(qū)設(shè)的比較大，他的充電量，尤其第二個充電199、放電11.26千瓦時，他的充電量是遠大于放電量的，這說明了在調(diào)頻死區(qū)比較大的情況下，這個儲能其實是在一個靜置備用的狀態(tài)，他充了這么多電，其實是負反應(yīng)的情況損失掉了，這個對電池有什么進一步的影響，我們需要進一步的研究。
因為電網(wǎng)的故障是不容易遇到的，所以我們想到了，改變設(shè)備的調(diào)頻死區(qū)來看一下它的單機調(diào)頻性能，我們將死區(qū)設(shè)為正負0.01、0.02、0.03、0.05恩，發(fā)現(xiàn)在0.01—0.03的調(diào)頻死區(qū)情況下，系統(tǒng)今天調(diào)頻的次數(shù)大概在1600次—2500次的范圍。統(tǒng)計了一下不同調(diào)頻死區(qū)鋰電池的充放電，發(fā)現(xiàn)在0.03赫茲這樣一個調(diào)頻死區(qū)的設(shè)置情況下，鋰電池日循環(huán)次數(shù)大概是0.67次，在0.01赫茲的時候他的日循環(huán)每天充放電量大概1.4次循環(huán)，因為他是一個調(diào)頻的工況，這么大的一個循環(huán)次數(shù)是不是對電池本體有進一步的影響，我們也需要進一步的研究。
統(tǒng)計了一下在運行期間的故障情況，我們發(fā)現(xiàn)在5—7月份，改造后的光伏發(fā)電系統(tǒng)，累計逆變器故障231次，主要是直流接地，可能是改造過程中對逆變器的一些絕緣出現(xiàn)了問題。VSG故障，就是和儲能相關(guān)的故障，可能大概在69次。
在測試過程中鋰電池會經(jīng)常出現(xiàn)低溫或者SOC或者電池不一致的情況，然而超級電容他的運行狀況一直非常好，超級電容基本上是一種不用維護的狀態(tài)，所以說雖然鋰電池一個比較好的調(diào)頻方案，但是運行的穩(wěn)定性和這種維護頻次，對他的實用性也是非常明顯的。
做一個總結(jié)，大概三點：第一，方案可行性，光伏直流側(cè)加裝儲能是光伏參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的一種可行方案。鋰電池儲能系統(tǒng)與超級電容在響應(yīng)時間、控制精度方面均可勝任一次調(diào)頻需求，其中在經(jīng)濟性、支撐時間、調(diào)頻策略等方面，鋰電池優(yōu)于超級電容，但鋰電池需要提高運行可靠性。第二，光伏發(fā)電在光伏直流側(cè)加裝儲能，參與電網(wǎng)調(diào)頻，并不影響光伏的正常發(fā)電。第三，頻率及鎖相，不同的鎖相技術(shù)采集到的精度不同，在實際應(yīng)用和推廣過程中需要進一步的論證。
謝謝大家！
