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1、电池储能系统调频技术目录前 言第 1 章 绪论1 1.1 背景及意义2 1.2 电池储能技术的发展现状4 1.3 电池储能调频应用研究9 1.4 电力系统频率调节13 1.4.1 电力系统频率一次调节13 1.4.2 电力系统频率二次调节14 1.4.3 发电机组类型与电力系统频率调节15 1.4.4 国内外电力系统频率指标和控制要求16 1.4.5 参与电力调频的容量要求16 1.4.6 电力系统调频与自动发电控制性能评价17 1.4.7 现代电网频率调节面临的问题17 1.5 小结19第 2 章 电池储能系统调频特性分析20 2.1 技术特性分析21 2.1.1 电池的倍率特性21 2.1
2、.2 电池的寿命特点22 2.2 与火电机组的对比分析23 2.2.1 出力特征对比分析23 2.2.2 调节容量对比分析24 2.2.3 经济性对比分析26 2.3 调频优势分析27 2.4 调频效率分析30 2.5 效益分析31 2.5.1 电池储能系统调频的静态效益32 2.5.2 电池储能系统调频的动态效益33 2.5.3 储能系统调频的环境效益34 2.6 小结35第 3 章 国内外电池储能系统调频案例分析37 3.1 国内典型案例38 3.1.1 国家风光储输示范基地38 3.1.2 南方电网宝清电池储能电站39 3.1.3 北京石景山热电厂 2MW 锂离子电池储能电力调频系统39
3、 3.2 国外典型案例39 3.2.1 北美主要储能调频项目情况40 3.2.2 国外电池公司相关储能项目介绍42第 4 章 电池储能系统调频规划配置技术44 4.1 选址规划45 4.1.1 电池储能系统参与电网调频的选址概略45 4.1.2 电池储能系统参与电力系统调频选址步骤与模型47 4.1.3 电池储能系统参与电力系统调频应用的选址实例49 4.2 容量优化配置52 4.2.1 电池储能系统参与电网调频的容量配置概略52 4.2.2 电池储能系统参与电网调频的容量优化配置方法54 4.2.3 电池储能系统参与电网调频的容量配置实例61 4.3 运行控制69 4.3.1 电池储能系统参
4、与电网调频的运行控制概略69 4.3.2 电池储能系统参与电网调频的基本控制模式71 4.3.3 考虑储能系统参与电网调频动作时机与深度的运行方法77 4.3.4 电池储能系统参与电网调频的运行控制实例80 4.4 小结86第 5 章 电池储能系统调频控制技术88 5.1 电力系统调频服务需求概述89 5.1.1 电力系统频率控制的必要性89 5.1.2 电力系统调度控制系统概述90 5.1.3 电力系统频率控制的挑战90 5.2 调频服务的考核与补偿方法91 5.2.1 我国电网频率考核方法91 5.2.2 电池储能系统调频辅助服务补偿办法93 5.3 自动发电控制系统94 5.3.1 自动
5、发电控制系统概述94 5.3.2 自动发电系统架构94 5.4 电池储能调频技术优势95电池储能系统调频技术 5.4.1 电池储能系统的技术特点95 5.4.2 电池储能系统物理模型96 5.5 电池储能调频控制方法100 5.5.1 基于 PI 控制器的电池储能系统控制策略100 5.5.2 基于模型预测控制方法的电池储能系统调频控制策略101 5.6 电池储能调频回报分析103 5.6.1 电池储能系统在电力市场环境下获取收益途径103 5.6.2 电池储能系统参与调频服务回报分析104 5.7 小结106第 6 章 电池储能系统调频典型设计方法107 6.1 进行方案设计的背景与意义10
6、8 6.2 设计思想与原则109 6.3 电池储能系统调频的原理109 6.3.1 储能系统一次调频的原理109 6.3.2 储能系统二次调频的原理110 6.4 方案设计110 6.4.1 储能系统功率与容量的确定110 6.4.2 储能系统参与调频的控制策略设计112 6.4.3 电池储能系统容量控制设计114 6.5 小结115第 7 章 电池储能调频运行评估技术116 7.1 电池储能调频控制系统的调试117 7.1.1 储能一次调频控制系统调试117 7.1.2 储能二次调频控制系统调试118 7.2 电池储能系统调频控制性能评价120 7.3 市场风险评估121 7.3.1 政策风
7、险121 7.3.2 技术风险121 7.3.3 标准体系风险121 7.4 小结122参考文献123 目录第1 章绪论1.1 背景及意义集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统供电量占全世界总量的 90%，是目前电能生产、输送和分配的主要方式。为应对日益紧迫的能源安全和环境恶化问题，我国政府于 2009 年 11 月提出“到 2020 年非化石能源占一次能源需求15%左右和单位 GDP CO2排放降低 40%45%”的战略目标，确立了“加快推进包括水电、核电等非化石能源发展，积极有序做好风电、太阳能、生物质能等可再生能源的转化利用”的思路。同时，环境污染与能源紧张问题使传统火电机组的化石燃
8、料供应面临着巨大压力，为应对这些危机，越来越多的非传统能源进入发电领域，包括风力发电、光伏发电、光热发电等。然而，因风电和光伏等可再生能源出力的波动性和不确定性，其大规模并网会给系统的安全稳定运行带来重大挑战。这些新能源通常具有间歇性、可变性等特点，功率输出变化剧烈，当装机容量增加至一定规模时，其功率波动或者因故整体退出运行，会导致系统有功出力和负荷之间的动态不平衡，造成系统频率偏差，引起电网的频率稳定性问题。如何确保电力系统频率稳定以及安全性、可靠性是当今电网亟待解决的问题之一。间歇式能源发电不但会导致调节容量需求增加，而其自身又不具备参与频率调节的功能，原有传统机组必须承担起这些新能源机组
9、带来的频率调节任务。目前，在我国各大区域电网中，大型水电与火电机组是主要的调频电源，通过不断地调整调频电源出力来响应系统频率变化。但是，它们各自具有一定的限制与不足，影响着电网频率的安全与品质。例如，火电机组响应时滞长、机组爬坡速率低，不适合参与较短周期的调频，有时甚至会造成对区域控制误差的反方向调节；参与一次调频的机组受蓄热制约而存在调频量明显不足甚至远未达到一次调频调节量理论值的问题；参与二次调频的机组爬坡速率慢，不能精确跟踪调度自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）指令；一次、二次调频的协联配合也尚需加强；提供调频服务不仅加剧了机组设备磨损，而且
10、增加了燃料使用、运营成本、废物排放和系统的热备用容量等，调频的质量和灵活性也不能满足电力系统对提高电能质量的要求；各火电机组性能不同其响应速率也不同，造成调节效果千差万别，因此若需增加系统调节容量，也并非大量增加调频火电机组为好。水电机组虽然响应较快，可以在几秒钟内达到满功率输出，但是水电机组受到地理条件和季节变化的限制，水电集中在我国西南多山多水地区及沿海地区，水电机组增减出力受到河流状况的影响，这意味着水电机组整体可提供的调频容量极为受限，也会影响机组对控制信号的响应。随着高渗透率风电和光伏的大规模并网，现有调频容量不足的问题日益突出，亟须新的调频手段出现。要提高电网的频率稳定性，就必须提
11、高区域的 AGC 控制2电池储能系统调频技术性能，即要提高机组对 AGC 信号的响应能力，包括响应时间、调节速率和调节精度等指标。在新能源大量接入以及传统机组存在发展局限性的情况下，电池储能技术以其快速、精确的功率响应能力成为新型调频辅助手段的关注热点。研究表明，电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）可在 1s 内完成 AGC 调度指令，几乎是火电机组响应速度的 60 倍；同时，少量的储能还可有效提升以火电为主的电力系统整体调频能力。大规模电池储能系统响应速度快，短时功率吞吐能力强，且易改变调节方向，与常规调频电源相结合，可作为辅助传统机组调频的有
12、效手段。电池储能系统的快速响应与精确跟踪能力使得其比常规调频方式高效，可显著减少电网所需旋转备用容量；由于电池储能系统参与调频而节省的旋转备用容量可用于电网调峰、事故备用等，因此能够进一步提高电网运行的安全性与可靠性。除了技术上的优势外，电池储能系统在参与电网调频的应用中，不仅能够节省电力系统的投资和运行费用，降低煤耗，提高静态效益，而且由于其响应快速，运行灵活，可以满足系统运行的调频需求而产生动态效益。在国外，电池储能技术的各方面已经逐步发展成熟，尤其是美国、智利、巴西和芬兰针对大规模电池储能系统参与电力调频已开展了理论研究与示范验证。在我国，电池储能技术参与电网调频的研究与示范尚属起步与借
13、鉴阶段。从国内目前投建的储能示范工程来看，电池储能系统参与电力调频已逐渐被业界认识和重视起来，虽然目前还未开展更深入的研究与示范应用工作，但储能技术参与电力调频将是未来智能电网必须关注的重要科学问题。我国在大容量储能技术应用于电力系统调频的理论分析与研究开展得比较少，应用示范也属于起步阶段。虽然国外的储能技术已趋于成熟，但由于其网架结构、能源结构与我国相差甚远，因此亟须探索符合我国电网特点的储能参与电力调频技术，加大储能在我国调频辅助领域中的必要性与价值分析、基础理论研究以及示范研究的力度，利用储能更好地服务于电力调频，服务于新一代“坚强”、“智能”电网。未来，电池储能技术将在高效运作的电网中
14、发挥重要作用，可保证在用电需求高峰时电能的可利用性，提高电网的可靠性，并且有效地平衡供求波动。近年来，利用大规模电池储能系统取代常规发电机组进行调频，已受到业界的关注。电池储能技术的“快速响应”特性令其作为电网调峰与调频等辅助服务手段，能够满足电网的稳定性和可靠性要求。在调频应用领域，电池储能系统将比传统的火电调频电厂、抽水蓄能电站具有更大的优势。对电池储能系统参与电力系统调频技术的研究具有重要的意义，这也是对电池储能系统参与电力系统调频进行容量配置和设计控制策略的基础。2016 年 6 月，国家能源局发布了 关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工作的通知（以下简称“
15、通知”），确立了储能参3绪 论 第 1 章与调峰调频辅助服务的主体地位，提出在按效果补偿原则下，加快调整储能参与调峰调频辅助服务的计量公式，提高补偿力度。通知 还从效用角度综合考量储能的容量与质量，在政策设计上更具合理性和可持续性，标志储能发展正式进入快车道。1.2 电池储能技术的发展现状据不完全统计，截至 2016 年底，我国投运储能项目累计装机规模 24.3GW，同比增长 4.7%。其中电化学储能项目的累计装机规模达 243MW，同比增长 72%。2016 年我国新增投运电化学储能项目的装机规模为 101.4MW，同比增长 299%，发展势头迅猛，如图 1-1 所示。从应用技术类型来看，截
16、至 2015 年年底的储能项目统计情况，锂离子电池是最为常用的技术类型，约占所有项目的 66%，其次是铅蓄电池（铅炭），约占 15%，液流电池占 13%。2016 年我国新增投运的电化学储能项目几乎全部使用锂离子电池和铅蓄电池，这两类电池的新增装机占比分别为 62%和 37%。图 1-1 截至 2016 年我国电化学储能累计装机规模根据国际可再生能源署（IRENA）日前发布“电力储存与可再生能源 2030 年的成本与市场”报告，到 2017 年年中全球储能装机容量为 176GW，其中169GW 为抽水蓄能（占 96%）；3.3GW 为热能储存（1.9%）；1.9GW 为电池储能（1.1%）；1
17、.6GW 为机械储能（0.9%），其他为 0.1%。尽管抽水蓄能仍占绝对优势，但是未来其成本下降空间有限，而各类电池储能成本可望下降 50%60%。预计 2030 年抽水蓄能装机将小幅增至 235GW，而电池储能将快速攀升至 175GW。电池储能作为电能存储的重要方式，其特点在于应用灵活，响应速度快，不4电池储能系统调频技术受地理条件限制，适合大规模应用和批量化生产。蓄电池种类众多，各具优点，因此在电网中的应用较其他储能更为灵活。各类蓄电池虽在运行机理和技术成熟度都存在差异，但一般较易实现大规模储能，储能效率为 60%90%，这取决于相应的电化学性质和服务周期。目前，实际应用于电力领域的电池储
18、能技术，除了传统铅酸电池，还有几种新兴电池诸如锂离子电池、全钒氧化还原液流电池以及钠硫电池等。进入 21 世纪后，以钠硫电池、液流电池、锂离子电池和铅碳电池为代表的电化学储能技术相继取得关键技术突破，其为储能载体至今在全世界范围内一共实施了 200 多个兆瓦级以上示范工程，展现出了巨大的应用潜力。由于化学储能具有能量转换效率高、系统设计灵活、充放电转换迅速、选址自由等诸多优势，被认为是未来大规模储能技术发展的主要方向。1.锂离子电池锂离子电池（Lithium-ion Battery）在充电时，锂离子从正极脱嵌，穿过电解质和隔膜，嵌入到负极材料之中，放电时则相反。锂离子电池具有单体电压水平高、比
19、能量大、比功率大、效率高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好等特点，是具有实现规模化储能应用潜力的二次电池。1）应用领域。近年来，锂离子电池各项关键技术尤其是安全性能方面的突破以及资源和环保方面的优势，使得锂离子电池产业发展速度极快，在新能源汽车、新能源发电、智能电网、国防军工等领域的应用越来越受到关注。大规模锂离子电池可用于改善可再生能源功率输出、辅助削峰填谷、调节电能质量以及用作备用电源等。随着锂离子电池制造技术的完善和成本的不断降低，锂离子电池储能将具有良好的应用前景。2）技术成熟度。对电极新型化学材料的研究是锂离子电池技术的研究重点，国际上锂离子电池重要部分（如电极、电解液和隔膜）的关
20、键材料都有很大程度的改进和提高。锂离子电池负极材料主要是石墨，电解液和隔膜的选择比较单一，主要通过正极材料名称区分锂离子电池类型。其中，正极的改进经历了从较昂贵的钴酸锂到较便宜、较稳定的磷酸铁锂和锰酸锂的变化。磷酸铁锂以其结构稳定、成本低、安全性能好、绿色环保等优势成为近年来研究的热点。此外，具有较高充放电速率的纳米磷酸铁锂技术（美国 A123 公司）及钛酸锂技术（Altair Nano 公司）的研究已取得突破，并实现了商业化运作。国内锂离子电池产业的发展得益于手机、笔记本电脑市场的蓬勃发展，随着新材料技术的突破与制造工艺技术的进步，以及电动交通运输工具的兴起与推广，推动了锂离子电池技术的商业
21、化发展。3）产业化进程。目前已实现产业化的锂离子电池包括钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元材料电池等，主要参数见表 1-1。5绪 论 第 1 章表 1-1 产业化锂离子电池参数钴酸锂电池锰酸锂电池磷酸铁锂电池三元材料电池比能量/（Wh/kg）130 15080 10090 130120 200比功率/（W/kg）1300 25001200 2000900 13001200 3000循环次数500100030003000安全性差良优良单体一致性优优差优效率（%）95959595支持放电倍率/C10 1515 201010 15成本/（元/kWh）3000 350020002500 300
22、03000 3500当前已趋于成熟的小型锂离子电池产业，多服务于小型电器、电动工具以及电动交通工具，而规模化储能型锂离子电池的研发规模距离产业化还有一定距离，正逐渐成为当前电池产业领域关注的焦点。目前，中国、美国、日本等国家均已建成了兆瓦级锂离子电池储能应用示范项目。2.全钒氧化还原液流电池氧化还原液流电池（Redox Flow Battery）简称液流电池，最早由美国航空航天局（NASA）资助设计，1974 年由 Thaller H.L.公开发表并申请了专利。30 多年来，多国学者通过变换氧化-还原电对，提出了多种不同的液流电池体系，如铈钒体系、全铬体系、溴体系、全铀体系、全钒体系等。在众多
23、液流电池体系中，由于全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox FlowBattery，VRB）系统的正、负极活性物质为价态不同的钒离子，可避免正、负极活性物质通过离子交换膜扩散造成的元素交叉污染，优势明显，是目前主要的液流电池产业化发展方向。正、负极活性物质均为液体的全钒电池具有其他固相化学电池所不具备的特性与优势，但因全钒电池仍存在环境温度适用范围窄、能量转换效率不高等问题尚未普及推广。其特点简述如下：1）能量与功率独立设计，输出功率取决于电堆体积，储能容量取决于电解液储量和浓度，易扩容、易维护。2）活性物质存放于电堆之外的液罐中，自放电率低，理论储存寿命长。3）响应速度快，支持充
24、放电频繁切换以及深度放电。4）安全系数稳定，支持正、负极电解液混合，且电解液可重复循环使用。5）特有的液路管道结构，导致支路电流损耗显著，影响储能系统效率。根据全钒电池运行特性，其应用领域多涉及辅助削峰填谷、改善新能源功率输出、不间断电源（UPS）及分布式电源等场合，如图 1-2 图 1-5 所示。6电池储能系统调频技术图 1-2 日本 SEI LCD 工厂1.5MWh 储能系统用于削峰填谷图 1-3 日本 SEI 北海道 Tomari 170kW 6h储能系统用于改善新能源功率输出图 1-4 美国南卡罗来纳州空军基地 30kW 2h 雷达 UPS图 1-5 奥地利 Cellstrom 10k
25、W 10h 光伏-全钒电池储能电站（用于分布式电源）3.钠硫电池钠硫电池（Sodium Sulfur battery，简称 NaS）是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管 -Al2O3为电解质隔膜的二次电池。在一定工作条件下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。钠硫电池原材料丰富，能量密度和转换效率高；但因钠和硫两种元素的大量聚集存在安全隐患，且其运行温度高达 280 350，启停周期较长，同时因垄断造成成本高且降价空7绪 论 第 1 章间小，因此尚未推广普及。图 1-6 所示即容量为 180Ah 的 NaS 电池单体实物照片。目前钠硫电池储能系统已经成功应用于平
26、滑可再生能源发电功率输出、削峰填谷、应急电源等领域。1）平滑可再生能源发电功率输出的应用如图 1-7 所示。图 1-6 钠硫单体电池 180Ah图 1-7 日本 Wakkanai 1.5MW 钠硫电池/5MW 光伏电站2）削峰填谷。通过在用电需求小于发电量时储存多余电能，而在用电需求大于供给时释放已储存电能的手段，钠硫电池储能系统可以有效解决因供需不平衡而造成的电力紧张现象，从而实现削峰填谷，提高现有设备利用率。4.铅酸电池铅酸电池的电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。铅酸电池在负荷状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池存储容
27、量一般为 1kW 10MW，铅酸电池的标称电压为 2.0V，比能量为 25 30Wh/kg，比功率为 150W/kg，工作温度为-20 40，最大放电电流为 200A，每月自放电率为 4%5%，铅酸电池在放电深度为80%时的循环次数约为 2000 次，使用寿命为 3 20 年，电池原理为氧化还原，充放电方法为恒流，最佳工作温度为-20 60。可用于容量备用电源、输配电/电网支持/削峰填谷、黑启动。铅酸电池原材料丰富、价廉、技术成熟，但是存在铅污染，电池成本高且循环使用寿命短等问题。其技术特点如下：1）较低的比能量和比功率。2）可平抑几分钟至几小时内的中频波动部分。3）成本高且循环使用寿命短。其
28、应用场合如下：1）电能质量。2）频率控制。8电池储能系统调频技术3）电站备用。4）黑启动。5）可再生储能。5.镍氢电池镍氢电池属于密封免维护型电池，但相较镍镉电池其不含有毒成分，使用时不必担心环境污染。镍氢电池的能量密度较高，是镍镉电池的 1.5 2 倍，充/放电速率快，具有较好的低温运行性能，安全性高，无记忆效应，循环寿命长。但镍氢电池的自放电率要明显大于镍镉电池，定期的全充电不可避免，成本也较高。几种主要电池储能系统的技术参数对比见表 1-2。表 1-2 常见电池储能系统关键技术指标储能技术类型安全性可集成功率等级/MW储能时长 响应速度循环寿命/次能量转换效率（%）设备占地（考虑能量密度
29、、功率密度）受地理条件限制程度产业化进程锂离子电池中100数小时级ms1000095小弱示范液流电池中100数小时级ms1300065-75中弱示范钠硫电池低300数小时级ms250090小弱商用铅酸电池中100数小时级ms200070中弱示范1.3 电池储能调频应用研究虽然电化学储能以其优越的性能在电力系统中应用前景广阔，但由于造价高昂，在电力需求量较大的电网中没有得以大规模的使用。相比而言，电网调频领域对调频电源的爬坡率要求高、电量需求少，更适宜于储能的应用与盈利（美国纽约州的研究表明，调频服务是所有辅助服务中收益潜能最大的）。在我国，储能技术参与电网调频的研究与示范尚处于起步与借鉴阶段。
30、中国电力科学研究院在张北风光储基地投建的电池储能电站完成了跟踪调频指令的测试，南方电网深圳宝清电池储能电站与上海漕溪能源转换综合展示基地也具备系统调频的功能。这三处大容量储能技术应用于电力调频的示范工程虽然具备了调频的测试功能，但均未进行投入应用的研究。从国内目前投建的储能示范工程来看，电池储能系统参与电力调频已逐渐被业界认识和重视起来，虽然目前还未开展更深入的研究与示范应用工作，但储能技术参与电力调频将是未来智能电网必须关注的重要科学问题。在国外，储能技术的各方面已经逐步成熟，尤其是美国、智利、巴西和芬兰等国家，针对大规模储能系统参与电力调频已开展理论研究与示范验证。相关研9绪 论 第 1
31、章究主要侧重于以下几方面：一是探讨风光等新能源大规模并网对电网安全稳定运行的影响，以及此时应用储能系统参与电力调频的优势及其可行性；二是从调频电源技术对比角度切入，研究储能系统与常规调频电源在调节精度和调节速率等调频能力上的区别；三是建立复杂的储能系统模型，探究储能系统出力的机理，通过小负荷扰动分析，研究储能系统参与调频对抑制频率波动和联络线交换功率的影响；四是从储能系统经济角度切入，结合不同类型储能系统的特性、限制及其参与调频所带来的各项效益，对储能系统参与电力调频进行经济性评估。储能系统与常规调频电源的协调控制研究可分为以下三个方面：其一是以传统的滞后控制来控制常规调频电源和储能系统以参与
32、调频，重点侧重于优化控制器以提高控制性能；其二，采用超前的预测控制来完成常规调频电源和储能系统的协调控制；其三，从常规调频电源的一、二次调频协调问题出发，侧重于解决一、二次调频的衔接及反调问题。容量配置是储能技术应用于电网调频领域的首要问题，不仅为控制策略研究提供了借鉴，而且合理的储能容量配置对于满足电网调频要求至关重要。目前，针对储能技术辅助参与电网调频的容量配置研究尚处于探索阶段。参考文献 31在计及收益和成本的基础上，考虑了系统的频率波动曲线和电池储能的充/放电特性，以电池储能产生的年收益最大为目标，建立了电网中用于一次调频的电池储能系统的经济模型，采用充电限制可调和应用耗能电阻的新型控
33、制算法进行仿真，求得系统的最佳储能容量配置。参考文献 32 基于一个包含水电站、火电厂以及风电场的孤岛网络，利用电池储能系统的等效模型，研究了其参与电力一次调频。在此基础上，通过动态调整 SOC 上下限，提出了电池储能系统的容量和运行方式优化方案，并给出确定 SOC 上下限的动态取值范围的方法。电力系统运行时，对系统频率调节必须进行有效的控制，而这项任务主要由二次调频完成。尽管电力系统技术不断进步，但二次调频依然面临许多挑战。由于电力系统负荷的动态和惯性特性，系统检测，原动机、发电机出力控制、调节环节总会有不同程度的误差。上述问题在风电、光伏等新能源并网之后将变得更加显著。储能系统参与电力系统
34、调频进一步丰富了系统调频的选择，因此，如何合理地协调各调频电源，以控制和调节各发电机和储能系统的输出功率使系统频率达到电网要求，也给国内外的调频控制研究提出了新的课题。参考文献 33通过使用一阶惯性环节模拟电池储能出力特性，并将系统频率偏差协方差作为评价指标，量化分析了 30MW 电池储能系统对于孤岛网络一次调频能力的影响，结果发现其能够显著减小瞬时负荷波动引起的频率偏差。参考文献 34 提出采用离散傅里叶变换分析高频和低频调频需求的方法，并对实际系统的全天和每小时内高频分量的占比进行了定量分析。根据储能资源的快速响应特点，提出了储能资源参与调频的两种策略：一是基于区域调节需求所处的区间灵活分
35、配储能资源01电池储能系统调频技术承担的调节量；二是将调频需求的高频分量指派给储能资源承担。所提方法和研究结果对于实际应用具有重要的指导意义和参考价值。针对集中式电池储能系统，参考文献 36 在计及收益和成本的基础上，考虑了系统的频率波动曲线和电池储能的充/放电特性，以电池储能产生的年收益最大为目标，建立了电网中用于一次调频的电池储能系统的经济模型，采用充电限制可调和应用耗能电阻的新型控制算法进行仿真，求得系统的最佳储能容量配置。参考文献 39 通过使用一阶惯性环节模拟电池储能出力特性，并将系统频率偏差协方差作为评价指标，量化分析了 30MW 电池储能系统对于孤岛网络一次调频能力的影响。结果发
36、现其能够显著减少瞬时负荷波动引起的频率偏差，但该文献中没有考虑经济性。参考文献 38 基于一个包含水电站、火电厂以及风电场的孤岛网络，利用电池储能系统的等效模型，研究了其参与电力一次调频。在此基础上，通过动态调整 SOC 上下限，提出了电池储能系统的容量和运行方式优化方案，并给出确定 SOC 上下限的动态取值范围的方法。此外，利用净现值法（NPV）评估了寿命期为 20 年的储能系统的经济性。针对分散式电池储能系统，如电动汽车的电池，参考文献 39 在考虑高渗透率间歇性风电接入孤岛电网的基础上，针对电动汽车参与电力一次调频与否，评估了其对电网频率的影响程度，但是该文献中没有考虑电池的 SOC，并
37、且采用固定的单位调节功率，没有提出其最佳控制方法。参考文献 40 在参考文献 39的基础上进一步考虑了电池 SOC 的限制，但仍使用固定的单位调节功率。参考文献 41 针对电动汽车，提出了一种单位调节功率优化策略，该策略考虑了分布式 V2G 的充电需求和电池的 SOC 状况，并使用基于能斯特方程的锂电池模型和经典2 区域电网模型，对该策略的用户满意度和一次调频效果进行了评估。参考文献42 在参考文献 41 的基础上，提出了一种智能充电的策略。该策略根据电池预计所需能量计算出智能充电所需时间，并假设电动汽车每次提前设置下一次离线持续时间，当智能充电所需时间超出离线持续时间时，V2G 控制转入智能
38、充电控制，这样既可在离线前达到计划充电，又可在连线空闲时间使用 V2G 控制，从而同时满足电力调频需求和用户便利性。参考文献 43 在综合前面两篇文献的基础上，提出了一种自适应单位调节功率控制策略（Battery SOC Holder，BSH）。该策略可以基于 SOC 初始状态，维持电池能量在适当范围，若 SOC 水平不足以满足充电需求，该文献又基于实际充电时间和 SOC 期望水平，提出了一种智能充电策略（Charging with Frequency Regulation，CFR）。该策略既灵活满足了用户充电需求，又在一定程度上改善一次调频效果。通过归纳总结，储能参与电力调频的研究现状如下所
39、示：基础理论研究方面包括对储能系统与燃气轮机的调频性能与效果的分析比较，对加入储能系统可减少因新能源大规模并网比例增加而急剧上升的调频容量需求11绪 论 第 1 章进行了定量分析研究，对不同类型储能系统参与电力调频的容量配置、控制方法与经济性评估等方面的研究，以及对促进储能系统参与电力调频广泛应用的政策进行了提议等。1）美国加利福尼亚州针对储能系统参与电力调频辅助服务的必要性进行了分析。其研究表明，随着日益增加的可再生能源比例，电网的可靠性面临严峻的挑战。在 2010 年，加利福尼亚州能源委员会针对 20%和 33%的可再生能源接入比例进行了系统可靠性和性能的模拟，得出加利福尼亚州电网在 20
40、%的可再生能源接入比例下，系统性能严重下降，在 33%的接入比例下系统面临崩溃。2）为了说明储能在辅助调频领域的价值，加利福尼亚州储能联盟对飞轮储能和传统的复合循环汽轮机的性能进行了比较，得出具有快速响应能力的大规模储能系统的调频效果是传统调频手段（即燃气轮机）的 2 3 倍。3）芬兰的 Fingrid Oyj 公司历时一年分析了芬兰输电系统运营公司的情况。其通过测量在 11 个不同星期的电网频率数据，对参与电网一次调频的电池储能系统功率与容量进行了设计，并利用频率死区和荷电状态控制回路以保证电池在一个合理的荷电状态值，以减轻循环操作对电池寿命的影响。其仿真结果表明，电池储能是用于一次调频的一
41、种有效装置，频率死区和荷电状态控制回路的设置保证了电池处于一个合理的荷电状态区间，最大限度地降低了循环作业对电池寿命的影响。4）针对在大规模电力系统互联情况下如何准确、快速控制系统负荷频率的问题，大致可分为经典控制方法、自适应和变结构控制方法等。从国内外已有的技术和实施方案看，针对调频应用需求，多类型储能的协调控制策略研究还处于起步阶段。5）在经济性评估方面，加利福尼亚州储能联盟对传统循环燃气轮机和飞轮储能系统进行了建模仿真，其目的是比较循环燃气轮机和飞轮系统的商业经济回报与温室气体排放造成的影响。其建模结果表明，飞轮储能系统显著提高了经济回报并且降低了温室气体排放，储能系统具有 26%的内部
42、收益率和 69975t 的终生排放量，而循环燃气轮机具有 7%的内部收益率和 986595t 的终生碳排放量。6）推动能量存储进入市场的政策提议。加利福尼亚州储能联盟建议在调频市场建立合适的价格机制，按“业绩付费”，即评估设备对调频控制信号反应的速度和精度。在储能系统参与电力调频的工程应用方面，自 2008 年始，A123 公司、Xtreme Power 公司、Altairnano 公司等已投建多处示范项目，涉及锂离子电池等多种储能技术类型，系统容量从 1.1MW/0.5MWh 到 20MW/5MWh 级不等，并取得一定成果。21电池储能系统调频技术1.4 电力系统频率调节1.4.1 电力系统
43、频率一次调节电力系统频率的一次调节是指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机组调速器的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。电力系统负荷的频率一次调节作用为：当电力系统中原动机功率或负荷功率发生变化时，必然引起电力系统频率的变化，此时，存储在系统负荷（如电动机等）的电磁场和旋转质量中的能量会发生变化，以阻止系统频率的变化，即当系统频率下降时，系统负荷会减小；当系统频率上升时，系统负荷会增加。发电机组的一次调频作用为：当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机组的转速也发生变化，如转速的变化超出发电机组规定的不灵敏区，该发电机组的调速器就会动作，改变其原动机的阀门位置，调整原动机的功率，从而
44、改善原动机功率或负荷功率的不平衡状况。亦即当系统频率下降时，汽轮机的进气阀门或水轮机的进水阀门的开度就会增大，增加原动机的功率；当系统频率上升时，汽轮机的蒸汽阀门或水轮机的进水阀门的开度就会减小，减少原动机的功率。系统频率一次调节的特点如下：1）系统频率一次调节由原动机的调速系统实施，对系统频率变化的响应快，电力系统综合的一次调节特性时间常数一般在 10 30s 之间。2）由于火力发电机组的一次调节仅作用于原动机的进气阀门位置，而未作用于火力发电机组的燃烧系统。当阀门开度增大时，使锅炉中的蓄热暂时改变了原动的功率，由于燃烧系统中的化学能量没有发生变化，随着蓄热量的减少，原动机的功率又会回到原来
45、的水平。因而，火力发电机组参与系统频率一次调节的作用时间是短暂的。由于蓄热量的不同，一次调节的作用时间为 0.5 2min 不等。3）发电机组参与系统频率一次调节采用的调整方法是有差特性法，它不能实现对系统频率的无差调整。各机组有多少力出多少，没法精确出力的大小。进行系统频率一次调节的意义如下：1）自动平衡电力系统的第一种负荷分量，即那些快速的、幅值较小的负荷随机波动。2）频率一次调节是控制系统频率的一种重要方式，但由于它的调节作用的衰减性和调整的有差性，因此不能单独依靠它来调节系统频率。要实现频率的无差调整，必须依靠频率的二次调节。3）对异常情况下的负荷突变，系统频率的一次调节可以起某种缓冲
46、作用。综合系统一次调频的原理如图 1-8 所示，其流程如下：1）初始状态：运行于 L1（f）与 G（f）的交点 a，确定频率为 f0。31绪 论 第 1 章图 1-8 综合系统一次调频原理图2）负荷功率增加 P1，负荷功频特性变为 L2（f），发电机进行一次调频，发出功率 Pg，L2（f）与 G（f）相交于 c 点，确定频率 f1。3）此时，频率的偏差为 f，一次调频结束。4）若为瞬间的波负荷，P1消失，频率回归。5）若不为瞬间的波负荷，如需要频率回到 f0，需进行二次调频，发电机增发Pd的功率。1.4.2 电力系统频率二次调节频率的二次调节就是移动发电机组的频率特性曲线，改变机组有功功率与负
47、荷变化相平衡，从而使系统的频率恢复到正常范围。各二次调频控制区采用集中的计算机控制，控制发电机组调速系统的同步电机，改变发电机组的调差特性曲线的位置，实现频率的无差调节，调整原动机功率的基准值，从而达到改变原动机功率的目的。系统频率二次调节特点如下：1）对系统频率实现无差调整。2）在区域控制的火力发电机组中，由于受能量转换过程的时间限制，频率二次调节对系统负荷变化的响应比一次调节要慢，它的响应时间一般需要 1 2min。3）在频率的二次调节中，对机组功率往往采用简单的比例分配方式，常使发电机组偏离经济运行点。系统频率二次调节的作用如下：1）由于系统频率二次调节的响应时间较慢，因而不能调整那些快
48、速变化的负荷随机波动，但它能有效地调整分钟级和更长周期的负荷波动。2）频率二次调节可以实现电力系统频率的无差调节。3）由于响应时间的不同，频率二次调节不能代替频率一次调节的作用；而频41电池储能系统调频技术率二次调节的作用开始发挥的时间与频率一次调节作用开始逐步失去的时间基本相同，因此两者基在时间上配合好，对系统发生较大扰动时快速恢复系统频率相当重要。图 1-9 二次调频原理图4）频率二次调节带来的使发电机组偏离经济运行点的问题，需要由频率的三次调节来解决；同时，集中的计算机控制也为频率的三次调节提供了有效的闭环控制手段。系统频率二次调节的原理如图 1-9所示，其流程如下：1）发电与负荷的起始
49、点为 a，频率为 f1。2）负荷增大，负荷特性曲线由 Pla变化至 Plb，发电机组特性曲线为 Pga，则发电与负荷的交点由 a 移至 b 点，频率由f1降至 f2。3）增加系统发电，发电机组的频率特性曲线从 Pga改变到 Pgb，发电与负荷的交点由 b 移至 d 点，系统频率保持在原来的 f1。4）负荷减小，原理类似。1.4.3 发电机组类型与电力系统频率调节自动发电控制的执行依赖于发电机组对其控制指令的响应，而发电机组的响应特性又与机组的类型和其控制方式有关，典型发电机组的响应特性见表 1-3。表 1-3 典型发电机组的调频响应特性发电机类型响应特性在系统频率调节中的作用制约条件汽包炉式蒸
50、汽发电机组调节范围：30%额定出力响应速率：3%MCR/min 响应速率低，不易改变调节方向直流炉式蒸汽发电机组响应速率：20%MCR/10min 响应速率低，不易改变调节方向（1）锅炉在能量转换过程中的延迟和惯性（2）调速系统有不灵敏区（3）AGC 机组经常处于变化状态，影响机组寿命联合循环燃气轮机调节范围：52%额定容量响应速率：大于5%MCR/min宜参与 10s 到数分钟之间的负荷分量的调节 机组功率大幅度地频繁变化对通流部件的寿命有较大的影响核电机组在其可调范围内响应速率：3%MCR/min 响应速率低，且不易改变调节方向 大范围改变发电机功率需调整核反应堆内的控制棒水电机组发电功率