电池储能系统参与电网调频的可行性分析

电池储能系统参与电网调频的可行性分析

刘成华1

(1.国能内蒙古呼伦贝尔发电有限公司, 内蒙古自治区 呼伦贝尔市 021025)

摘要：当前随着电网和电源快速发展，系统特性发生深刻变化。近年来相关区域事故引发的电网频率深跌、长时间不能恢复直接暴露出机组一次调频性能不满足标准的情况。火电机组频率响应存在延迟、发电机组的爬坡速率低，不能时时跟踪电网调度调频指令，存在延迟、调节偏差等现象。研究了电池储能系统辅助传统机组调频的协调控制策略，提出了电池储能系统参与调频的容量控制设计，同时，在调节容量和经济性方面，将储能系统与火电机组进行对比，为储能参与电力调频的应用提供了理论依据。

关键词：调频；控制策略; 电池储能; 电力调频;

0引言

目前，在我国各大电网中，电力系统的调峰电源主要包括水电站、火力发电机组和燃气轮机组，通过不断调整调频电源出力来响应电网频率变化。但是，它们在调频能量方面存在一定的限制与不足，影响电网频率的安全与品质。随着风电和光伏的大规模并网，系统调频能力不足的问题日益突出，迫切需要新的调频手段 。要改善电网频率的稳定性，就需要优化AGC性能指标，提高设备对AGC信号的响应指标，包括响应时长、速率和调节精度等重要指标。由于新能源的大规模并网且传统火电、水电等机组的局限性，电池储能技术因其快速、准确的功率响应特点，已成为新一代调频电源的研究热点。

1现代电网频率调节面临的问题

1.1 国内概况

大规模风电并网的迅速发展为电力系统带来了新的挑战，现有的调频能力不能很好地满足系统需求。风电由于受天气等因素影响较大，产生的波动性较大，对系统地影响较大，仅仅依靠传统的火电机组承担调频任务，系统频率合格率、频率响应速度不能够满足系统运行要求。同时，频繁地调整火电机组的输出功率加剧了对机组的磨损、降低机组使用寿命，机组实际出力达不到理论值，导致发电机组功率响应指标偏低，造成考核。

尤其对于北方电网，冬季负荷峰谷差较大，为满足地方供热需求，用于供热的火电机组其出力调节能力有限。冬季枯水期间，水电机组大部分停运，此时在系统负荷尖峰情况下，很多火电机组接近满发，导致系统中一次调频能力受限，会带来系统调频能力不足等问题。

1.2 目前采用手段

为解决风电规模化并网导致系统调频需求急剧增大带来的问题，目前国内采用两种手段：一是将风电和火电混合捆绑在一起输送并网；二是利用抽水蓄能，低谷用电时的风电电力负荷转化为水的势能，高峰用电时，再利用水的势能进行发电。但是，这两种方案在实际的应用中都存在弊端和障碍。“风火捆绑”模式增加了小火电机组的装机容量，违背了“上大压小”和“节能减排”的国家能源结构调整战略，同时机组固有的机械惯性，其调频响应时间较长，很难匹配波动性大的风力发电功率。

大规模储能系统应用于电网，辅佐传统调频技术手段来调频是一个新的研究方向，其可行性逐步被业界认可。近年来，欧美及中东地区一些国家正在大力研发和推广大容量电池储能技术，通过与自动发电控制系统的有效结合，维护电力系统的频率稳定性。

2电池储能系统参与电网调频的控制策略设计

电网调频是电力系统的重要调节机制 ,是电力系统中维持电网频率稳定的重要措施，其目的是保障电网安全、经济运行。电网中调整频率的方法主要是调整发电机的功率和负荷。按照调节范围和调节能力的不同，频率调整分为一次调频、二次调频。

电池储能系统一次、二次调频的控制策略可在火电机组一次、二次调频控制策略的基础上进行适当的修改即可。在一次调频中，火电机组控制系统捕捉到越过死区后的频差信号后，调整发电机的调速系统，控制汽门的大小，达到增加或减小功率的目的。电池储能系统则可在控制系统捕捉到越过死区后的频差信号后，将频差换算成功率值，然后调整储能系统的电池充放电功率指令。

在二次调频中，调度给机组下发AGC指令，火电机组自身的控制系统通过控制调节汽门与锅炉燃料，来达到改变功率输出的目的。电池储能系统则在收到调度下发的AGC指令后，通过控制充放电功率的大小，来达到改变输出或吸收功率。

2.1 电池储能调频控制方法

电池储能系统所独有的可用能量约束，及电池储能系统参与系统频率控制的控制运行策略与现有的火电机组相比存在较大差异，针对经典PI控制器和现代模型预测控制器对电池储能系统的频率控制策略进行介绍和分析。

图1 电池储能系统PI调频控制器

如图1所示，电池储能系统PI控制器包括三部分：一次调频控制、二次调频控制以及电池SOC控制。其中一次调频控制与二次调频控制器结构与传统火力发电机组类似，去除了爬坡速率限幅以及一次调频输出限幅等考虑火力发电机组物理运行限制的限幅及饱和环节，二次调频控制器增加了比例环节用于提升电池储能系统的二次频率控制动态性能。此外，考虑到电池储能系统的有限能量容量，建立了电池SOC控制回路，用于使用较小的充放电电流调节电池储能系统的SOC水平，提升电池储能系统参与系统频率控制的技术效用。

具体而言，电池储能系统的一次调频环节通过比例环节，根据本地测量获得的系统频率偏移量和设置好的一次调频比例系数。计算电池储能系统一次调频控制器的输出功率。二次调频环节类似于传统火电机组，但是在纯积分控制器的基础上增加了比例控制环节（如图1中的）,用于增强电池储能控制器的动态响应性能。

电池储能系统PI控制单元与传统火电机组相比，最大的区别在于电池储能系统所独有的SOC环节。设置这一控制单元的主要目的是在电池储能系统输出能力有运行裕量的情况下对自身的SOC进行调节，使得电池储能系统的运行状态尽量能够满足长时间提供有效的调频服务。在通常情况下，电池储能系统的长期SOC控制目标会被设定在50%的水平，以便能够最大化系统向上和向下的调频运行空间及能力。同时，基于对未来系统运行环境的预先判断，也可以改变的预先设定值增强系统向上或向下的调频运行空间以适应电网在未来时段内的运行需求。

2.2 一次、二次调频控制策略

储能系统在实现一次、二次调频功能的过程中，为了协调好一次调频与计算机监控系统二次调频的关系，提出的方案如下：

（1）当系统频率超出（50±0.033）Hz时，系统一次调频动作，电池储能控制系统发出“一次调频动作”信号，上传至控制系统。控制系统接收到“一次调频”信号后闭锁该储能控制系统的AGC功能。

（2）当一次调频持续30s后，一次调频退出，电池储能控制系统输出“一次调频功能退出”信号，上送计算机监控系统。计算机监控系统收到此信号后打开AGC功能。一次调频退出，AGC功能投入。

对于火电机组来说，一次调频控制的对象是锅炉内的蓄热，二次调频控制的对象是修改发电机的有功出力给定值；而对于储能系统来说，一次调频与二次调频的控制对象是一样的，都是下指令给电池的功率与容量控制系统，然后输出所需的功率。

按说控制对象一样，就可采用一个控制策略，但若都采用一次调频控制策略，功率偏差值是由频率偏差值换算的，结果比较粗略，而且脱离了调度的优化配置与宏观调控。但是由调度下发指令，响应周期长，而一次调频则需要快速的反应，进行功率的变化控制，因此，采用传统的控制方式（即一次调频进行就地控制，二次调频由调度远方控制）有其合理性。

尤其储能系统扮演的是辅助传统调频机组进行一次、二次调频的角色，与传统调频机组进行同类的控制策略也有利于合理的经济调度。

3电池储能系统容量控制设计

由于要求在一次调频中功率输出稳定时间40s左右，在二次调频中功率输出稳定时间为近3min，因此，对比一次调频和二次调频，二次调频在调频控制中需要更多的储能容量进行控制。

对电池储能系统容量控制的目的是为了保证二次调频功率输出的持续稳定。要实现这一控制目标，需要实现在储能系统以额定功率放电时，要有足够的容量来保证功率持续稳定输出2min30s;当储能系统需要以额定功率充电时，还需要有足够的容量空间来持续稳定的充电2min30s。也就是说，以额定功率充放电时，上调频率与下调频率都能有足够的容量空间。

储能系统的容量控制分为两种，即调频时容量控制与调频后容量控制。

调频初始时，电池储能装置的电池容量设置在百分之五十SOC范围。电网系统频率在逐步提高后，储能控制系统就会下降频率控制，在电网系统中利用吸收的有功功率最终达到迅速反馈电网功率信息或AGC信息的目的；当电网系统频率在逐步下降时，储能控制系统也会升高频率控制，并利用释放有功功率至电网系统来迅速响应频率变化信息或AGC信息，如图2所显示。

一次调频工作完成后，在保证电网频率处于调频死区范围内的情况下，恢复电池总容量在百分之五十，使下一次的频率调整做好准备，来满足频率上升或下降的需要。也就是说，当频率调整结束后，储能容量高于百分之五十SOC时，储能系统会以较小功率对电网系统进行释放电能，储能电池容量高于百分之五十SOC时，放电结束；调频调整结束后，储能电池容量低于百分之五十SOC时，储能系统会以较小功率从电网吸收电能，至电池容量涨至百分之五十SOC时结束。

图2 上、下调频区图

4电池储能调频回报分析

参与电力调频的电池储能系统，在应用中，调频时响应速度快，其灵活性能够满足系统调频产生的动态效益，能够使机组在高效区稳定运行，从而达到节约燃料的目的。另一方面储能系统的投资和运行成本低，改善用电煤耗，减少燃料消耗等静态效益，大大改善了传统发电机组的运行条件，另外，电池储能系统运行相应降低了污染物排放及其治理费用，并且有一定的环境效益。

基于美国以往至2010年广泛的文献观点和专家们研究结论中获得的评估，得出表1中的经济效益分析，括号中的数值为2019年预计达到的目标。

注：来自美国能源部报告

表1不同调频手段的经济效益分析

由表1可知，NAS电池储能电站的静态投资成本最低，燃气轮电站其次，锂离子电池储能电站的静态投资成本低，燃汽轮电站机其次，锂离子电池储能电站的静态投资成本低于抽水蓄能电站和燃煤电厂。我国主要的调频电站为燃煤火电厂，而电池储能电站的静态投资成本低于燃煤电厂。

5结论

本文对使用电池储能系统参与电网频率控制的背景、方法以及经济回报均进行了探讨。通过介绍电池储能系统的控制方法，。同时，还介绍了在调频运行下介绍了电池储能系统提供调频的运行策略。描述了模型预测控制器实现电池储能系统参与系统频率控制的具体方法和设计过程，最后，通过结合电力市场运行环境，探讨了电池储能系统获取经济回报可能路径。在经济性方面，储能的建设成本较高，但是调节成本很低，预期调频补偿收益高，环境效益好，因此，在储能技术成本逐步下降的未来，储能辅助调频的收益将非常可观。

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