中國儲能網(wǎng)訊：4月24-26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月25日上午的“儲能電站與技術(shù)應(yīng)用（二）專場”，南京南瑞繼保電氣研究院柔性輸電研究所副所長/研究員級高級工程師劉為群在會上分享了主題報告《大容量儲能系統(tǒng)的控制技術(shù)研究》，以下為演講實錄：
劉為群：大家好！儲能系統(tǒng)大家都比較熟悉。今天關(guān)注的基本上是在電化學(xué)儲能這一類。儲能系統(tǒng)的作用，我們可以看到在發(fā)輸配用各環(huán)節(jié)都能發(fā)揮作用。電源側(cè)，用儲能平抑新能源發(fā)電的功率波動，從而減少棄光棄風(fēng)，輔助電廠調(diào)頻也有很多應(yīng)用案例；在電網(wǎng)側(cè)，比如說輔助調(diào)峰；在負(fù)荷側(cè)，進(jìn)行削峰填谷。電網(wǎng)側(cè)還有調(diào)頻調(diào)壓、緊急控制、黑啟動等高級作用，這方面的應(yīng)用案例還比較少，這一塊可以共同探討。
換一個維度來看儲能的作用，對于電網(wǎng)測應(yīng)用，在不同的時間尺度上，儲能能夠發(fā)揮不同的作用。在短時毫秒到秒級，儲能參與一次調(diào)頻和調(diào)壓，還能參與暫態(tài)緊急控制；中短時間秒到分鐘級別，儲能可以參與二次調(diào)頻調(diào)壓；長時間就用來作為電網(wǎng)的調(diào)節(jié)優(yōu)化。電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的作用就不詳細(xì)講了。儲能的現(xiàn)狀：2018年也參加了這個會議，前面講的很多問題，也分析了原因。2019年以后，我們的形式有很多改善。比如現(xiàn)在的項目多起來了，原來商業(yè)項目不多，現(xiàn)在多起來了且實施很快。政策的主動性、積極性非常高。國網(wǎng)南網(wǎng)專門對儲能發(fā)文了。但還有問題，就是儲能的收益模式，并沒有明朗。怎么獲得經(jīng)濟(jì)效益不清楚，儲能還沒有電價政策。投資主動性、積極性也沒有看到。這都是問題。原因簡單分析一下，儲能的作用被認(rèn)識，但是儲能控制的重要性仍然認(rèn)識不到位?，F(xiàn)在還局限在削峰填谷，儲能實際上對電網(wǎng)有重大的調(diào)節(jié)作用，這一點我認(rèn)為我們的認(rèn)識還不到位，要去增加認(rèn)識。儲能作用即使被認(rèn)可，但是價值實現(xiàn)較難。如何充分發(fā)揮儲能價值的研究是不夠的。最后，儲能系統(tǒng)的成本，也是比較高，成本控制還有一段路程要走。
第二部分，介紹一下儲能有這么多好處，沒有實現(xiàn)，但是有很多工作可以做。從技術(shù)方面還有哪些工作可以做呢？儲能變流器首先有自身的控制策略，儲能有整個系統(tǒng)的控制模式。先看看儲能變流器本身有哪些控制策略。第一個是儲能單元架構(gòu)，大家都很清楚。這可以等效于右上角的模型，它跟電網(wǎng)之間通過連接阻抗聯(lián)系在一起。儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)交換的有功和無功功率見表達(dá)式，這個表達(dá)式里面電網(wǎng)的電壓幅值Us，儲能作為電源的幅值是Uc，兩個電壓相量的夾角δ，也稱為功角。通過調(diào)節(jié)變流器輸出的Uc和δ值，可以實現(xiàn)變流器輸出的有功和無功雙向可控，它在四象限可以運(yùn)行，調(diào)節(jié)性能非常優(yōu)秀，充分發(fā)揮儲能的調(diào)節(jié)性能。具體如何實現(xiàn)這樣的調(diào)節(jié)？右下角的圖，Uc是怎么來的，Uc是控制出來的。變流器在PWM載波控制下，其輸出幅值及與系統(tǒng)電壓的相位是由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)計算得到的調(diào)制波決定的。請看控制框圖，最左邊Xd*是某一個被控目標(biāo)值的給定值，Xd是被控目標(biāo)的測量值，當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定平衡的時候，Xd*就等于Xd，同樣的另外一個維度，Xq*就等于Xq。假如把目標(biāo)值設(shè)定成有功功率和無功功率，那么控制系統(tǒng)穩(wěn)定時，儲能系統(tǒng)輸出的有功功率就會等于有功功率給定值，無功功率也等于無功功率的給定值，這時的控制就稱為PQ模式。當(dāng)Xd和Xq分別為頻率和電壓時，這時的控制就稱為VF模式這是變流器的一種控制策略。
另外一種，我們把PCS輸出外特性控制成為同步電機(jī)的外特性，那么這樣的控制模式就是虛擬同步機(jī)模式，這里面的模型比較復(fù)雜。我們在變流器的常規(guī)控制環(huán)之外，再加上電壓控制外環(huán)，使得其呈現(xiàn)電壓源外特性，并實現(xiàn)電壓無功下垂特性；在功角輸入支路上增加慣性環(huán)節(jié)、頻率有功關(guān)系曲線，使得變流器輸出電壓在擾動后按照一定的慣性搖擺并接近新的平衡工況、同時實現(xiàn)頻率有功下垂特性。
有了變流器控制策略以后，把它用到大容量儲能系統(tǒng)里面，儲能系統(tǒng)有哪些控制模式呢？第一，以一次調(diào)頻一次調(diào)壓模式運(yùn)行是可以的。還有二次調(diào)頻二次調(diào)壓，就是PQ模式。離網(wǎng)的時候可以恒頻恒壓，還有可以PQ模式。作為一個儲能系統(tǒng)，頂層是EMS加PMS，功能強(qiáng)大，系統(tǒng)就很好。大容量儲能系統(tǒng)比如100MW系統(tǒng)，按目前的一個PCS功率500KW考慮，就要兩百臺的PCS。并網(wǎng)運(yùn)行如果參與電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，需要大家行為一致，才能對系統(tǒng)做最好的貢獻(xiàn)，但要求200臺PCS行為一致是不可能的，個體存在的微小偏差，在動態(tài)過程中相互作用，可能會放大并對最終結(jié)果產(chǎn)生較大影響，甚至不能達(dá)到系統(tǒng)控制的要求。我們的解決方案是在PCS之上增加一個控制設(shè)備，叫PMS協(xié)調(diào)控制器。協(xié)調(diào)控制器可以根據(jù)需要配置多臺，形成中間控制層，這就構(gòu)成了一個EMS+PMS+PCS的三層次控制管理架構(gòu)。有什么好處呢？高級控制功能可以放在中間層來做，根據(jù)不同應(yīng)用要求可以定制系統(tǒng)控制策略。中間層根據(jù)高級應(yīng)用策略進(jìn)行控制計算，計算結(jié)果出來之后平均分給各個PCS執(zhí)行。這樣PCS的輸出一致性就會非常好，不會有很多偏差，總的控制效果就會很好。
下面看看儲能系統(tǒng)的控制技術(shù)。并網(wǎng)有哪些控制功能，第一個功能就是一次調(diào)頻調(diào)壓。有三種情況，分別是（1）PCS設(shè)備的一次調(diào)頻調(diào)壓，（2）系統(tǒng)整體的一次調(diào)頻調(diào)壓，（3）虛擬同步發(fā)電機(jī)。這里僅就調(diào)頻進(jìn)行展開。PCS一次調(diào)頻：各個PCS按照頻率-有功下垂曲線運(yùn)行。一個系統(tǒng)頻率就對應(yīng)一個P，這個P就是我的目標(biāo)值，按照這個目標(biāo)值來閉環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)有功有波動，比如一個大容量的負(fù)荷失去了，整個系統(tǒng)電源有功功率是盈余的，這樣系統(tǒng)頻率就會上升。系統(tǒng)頻率由F1上升，每個參與一次調(diào)頻的電源都根據(jù)下垂特性曲線把自己的有功下調(diào)一些，當(dāng)系統(tǒng)頻率上升到F2時，在這條曲線上對應(yīng)的有功功率下降到P2，整個系統(tǒng)電源和負(fù)荷的有功功率達(dá)到新的平衡，系統(tǒng)頻率就會穩(wěn)定F2上運(yùn)行。PCS參與一次調(diào)頻，PCS數(shù)量比較小是可以的。如果PCS很多的時候，因各個PCS性能參數(shù)存在差異，會影響一次調(diào)頻的總體效果。這里就采用第二種方案，系統(tǒng)整體一次調(diào)頻，設(shè)置一個協(xié)調(diào)控制器，按下垂特性獲得整個PCS群的有功無功指令。再把這個指令分配給下面的各個PCS。下面的PCS就按PQ模式來運(yùn)行。這種方式適用PCS數(shù)量多，系統(tǒng)容量大的場合。協(xié)調(diào)控制器的計算結(jié)果要快速下發(fā)下去，延時不能多，否則一次調(diào)頻的效果會打折扣。第三個方式，所有PCS都按虛擬同步機(jī)的模式運(yùn)行，設(shè)置頻率-有功功率的下垂外特性，每個PCS都會主動參與頻率調(diào)節(jié)，當(dāng)然也存在著多PCS情況下的輸出外特性差異，相互作用，影響調(diào)節(jié)結(jié)果的情況。
第二個功能，儲能參與二次調(diào)頻調(diào)壓。一次調(diào)頻調(diào)壓結(jié)束以后，假設(shè)F2的頻率仍然過高，不符合電能質(zhì)量要求，整個系統(tǒng)就要進(jìn)行二次調(diào)整：把電源的有功出力再降一些。方法就是把所有參與二次調(diào)頻的電源下垂特性曲線下移，。在頻率不變的情況下，輸出有功由P2變成P3。大家都降低了有功以后，整個系統(tǒng)在頻率F2的工況下有功是不足的。整個系統(tǒng)的頻率就會下降，向50HZ靠近。下降的時候，所有源都會沿著曲線2回調(diào)一點。最后有功會到P4點。這樣，頻率就下來了。再一個就是PQ模式和調(diào)峰模式，不詳細(xì)講了
第三個功能，除了一次調(diào)頻二次調(diào)頻以外，儲能有這么好的可控性，能夠參與電網(wǎng)的緊急控制。電網(wǎng)運(yùn)行的任何時候，電源和負(fù)荷的功率是平衡的，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生事故平衡打破時，將會由穩(wěn)定控制系統(tǒng)動作建立新的平衡，措施有切機(jī)、切負(fù)荷。穩(wěn)定系統(tǒng)會根據(jù)事故后的電網(wǎng)狀態(tài)計算出穩(wěn)定方案，切除一定數(shù)量的機(jī)組或負(fù)荷。有了儲能系統(tǒng)之后，儲能系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)能力，可以以調(diào)代切，先于切機(jī)或切負(fù)荷動作，盡可能減少切機(jī)切負(fù)荷量。儲能調(diào)節(jié)性能非?？欤憫?yīng)時間短，執(zhí)行效果優(yōu)于同等容量的切機(jī)或切負(fù)荷。減少切機(jī)或切負(fù)荷以后，系統(tǒng)恢復(fù)能力比切機(jī)切負(fù)荷方案要強(qiáng)。實現(xiàn)邏輯是協(xié)調(diào)控制器接受穩(wěn)控制子站的控制命令，分解控制目標(biāo)，快速下發(fā)給各PCS。參與緊急控制的系統(tǒng)架構(gòu)是：上面是穩(wěn)控系統(tǒng)主站、穩(wěn)控子站，下面是儲能站，包括上層的協(xié)調(diào)控制裝置、下層的PCS。最終PCS快速接受指令，快速執(zhí)行達(dá)成目標(biāo)。并網(wǎng)儲能系統(tǒng)的這些功能如果用得好，對電網(wǎng)調(diào)節(jié)會非常好的作用。這是一個案例，印度國家電網(wǎng)儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻和調(diào)壓，參與削峰填谷。
離網(wǎng)方面，儲能系統(tǒng)作用更大。在離網(wǎng)模式下，整個系統(tǒng)慣量比較小，常常用虛擬同步機(jī)模式運(yùn)行，也可以V/F模式運(yùn)行。離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)離網(wǎng)系統(tǒng)多VSG并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)。我們提出一些自有的技術(shù)，比如說自校正的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程優(yōu)化控制等。下面不詳細(xì)講。離網(wǎng)儲能系統(tǒng)也有一個案例，新疆微電網(wǎng)。我們實現(xiàn)32臺PCS虛擬同步機(jī)模式并聯(lián)，作為主電源支撐整個微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定。左邊是監(jiān)控，中間是現(xiàn)場照片。儲能變流器承受變壓器直接沖擊，系統(tǒng)電壓、頻率平穩(wěn)過渡。整個系統(tǒng)黑了以后，實現(xiàn)自動邏輯的PCS黑啟動。
最后總結(jié)一下，儲能的技術(shù)優(yōu)勢就是調(diào)節(jié)控制速度快，系統(tǒng)響應(yīng)快。這里有幾個數(shù)據(jù)：PCS滿充與滿放之間轉(zhuǎn)換時間小于30ms，超過任何常規(guī)電源的調(diào)節(jié)速度。第二，一個儲能站對功率控制響應(yīng)的時間小于60ms，超過任何常規(guī)電廠的調(diào)節(jié)速度。還有一個儲能站對穩(wěn)控系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于100ms，超過任何電源和負(fù)荷控制速度。這是非常好的優(yōu)勢。它有什么樣的作用呢？在并網(wǎng)系統(tǒng)中可以作為快速調(diào)節(jié)電源，是電網(wǎng)暫態(tài)時的快速調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制的優(yōu)秀工具。第二主動參與電網(wǎng)的頻率和電壓調(diào)節(jié)，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。第三作為PQ源，進(jìn)行削峰填谷。離網(wǎng)系統(tǒng)中，作為頻率和電壓穩(wěn)定電源，自動進(jìn)行電網(wǎng)的功率平衡和穩(wěn)定控制。作為黑啟動主電源，提升黑啟動的速度和成功率。第三，作為PQ源，參與電網(wǎng)功率平衡調(diào)節(jié)。
最后，儲能發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵是控制策略先進(jìn)，控制性能優(yōu)，控制器可靠性高。還有一個就是電池效率高，壽命長，可靠性高。我的匯報就這么多，感謝大家的關(guān)心關(guān)注，謝謝！
