电池储能系统参与电网调频的优势分析

杨水丽，李建林，李蓓，惠东

（中国电力科学研究院电工与新材料研究所，北京 100192）

为了确保电网的稳定性和可靠性，需要将电网的频率维持在50 Hz（60 Hz）左右，即需要实时保持发电与负荷需求之间的平衡。而电力的供应很少等于负荷需求，因而需要不断的对两者进行校正，以维持频率的稳定。传统的调频方式，是通过增减电网的发电功率输出来响应频率的变化，而随着当今世界科技的飞速进步，电力系统规模的扩大、负荷变化速率的提高、电力市场的深化以及新能源的大规模并网应用等，都给电力系统的调频带来了新的要求与挑战。

传统调频技术中的频率控制是通过输出功率的快速增减来维持发电功率与负荷需求的平衡。而发电机的响应慢、爬坡速率低而易导致：1）因爬坡慢而不能较快地实现调度目标从而快速实现再调度，因而不能提供所有的区域控制误差校正；2）因爬坡慢而无法快速改变方向，有时甚至会提供反向调节，因而发电机有时会增加区域控制误差。

根据《国家中长期科技发展规划纲要》，风电、光伏发电等可再生能源在未来几年将会继续得到高速、大规模的发展与应用。当电力系统中风电装机容量达到一定规模时，风电功率波动或风电场因故整体退出运行，可能会导致系统有功出力与负荷之间的动态不平衡，造成系统频率偏差，严重时会导致系统频率越限，进而危及电网安全运行。就如欧洲与北非国家的电网在接入风电场后突显的问题一样[1]，因大规模并网风电而造成的频率骤降已是近年来大范围内发生的事件。我国在甘肃酒泉与张家口相继发生风电场大规模脱网事故，造成了我国局部电网频率的较大跌落。

因而，当我们要求电网能提供更高品质的电能质量，电网的运行更加稳定，且能并入更多的可再生能源以加大对清洁能源的利用时，传统调频设备显然已不能完全满足这些需求，现有调频容量不足的问题突显，亟需新的调频手段的出现。

电池储能系统具有快速响应、精确跟踪的特点，而使得其比传统调频手段高效。近年来，将大规模电池储能系统取代发电厂进行调频，已受到业界的关注。

电池储能系统参与电网调频的原理是当发电大于用电时把电能储存起来，防止系统频率的上升；在发电小于用电时把储存的电能释放出来，防止系统频率的进一步下跌。电池储能系统响应速度快、短时功率吞吐能力强，有助于提高电网的电能质量和系统稳定性。尤其是当电网薄弱时，有大量的风电或其他可再生能源并入电网，这项技术的应用显得非常有用。大容量电池储能系统以其独特的技术、经济特点和较高的环境效益，通过与自动发电控制系统的有效结合，成为维持系统频率处于标准范围之内，减少旋转备用容量需求的有效途径。

美国、智利和巴西等国家均在大规模储能系统应用于电力系统调频方面开展了大量研究与应用示范[2]，包括对储能系统和传统的燃汽轮机的调频性能与效果进行了比较，对加入储能系统可减少因新能源大规模并网而急剧上升的调频容量需求进行了分析研究，对不同类型的储能系统调频的经济性与效果进行了理论研究与仿真分析，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。自2008年始，A123公司、Xtreme Power和Altairnano公司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1.1 MW/0.5 MWh到20 MW/5 MWh级不等，并取得一定成果。

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、示范测试方面均处于起步阶段，投建的示范项目有张北风光储输示范基地和南方电网深圳宝清10 MW储能站等。

1 现有调频技术面临的问题

电力系统频率是与广大用户的电力设备以及发供电设备本身的安全和效率具有密切关系的电力系统运行的重要控制参量。肩负维持此控制参量稳定的传统调频机组爬坡速度慢，不能精确出力是其固有的不足，而日益增加的可再生能源比例，是引发电网调频困难的新因素。

1.1 传统调频机组固有的问题

常用于调频的水电与火电机组，各自具有一定的限制与不足[3]，影响电网频率的安全与品质，例如火电机组响应时滞长，不适合参与更短周期的调频，而水电机组的调频容量易受地域与季节性的制约；一次调频机组受蓄热制约而存在调频量明显不足，甚至存在远未达到一次调频调节量理论值的问题[4]；参与二次调频的机组爬坡速率慢，不能精确跟踪调度AGC指令；一、二次调频的协联配合也尚需加强[5-6]。

若电网规模的发展不那么迅速，已有的传统调频能力也能比较好地满足调频需求，但随着日益扩大的间歇能源比例，已使得目前新能源集中接入量大的地区调频问题突出，现有的调频能力已不能很好地满足调频需求，保证电网安全稳定运行。

1.2 大规模新能源接入引发的问题

风电场频繁的功率波动会引起电网的频率偏差，风电功率波动的大小对电网频率偏差的影响程度也不一样，假设风电场输出的功率波动为ΔPi，因此波动而引起的电网频率变化如式（1）所示。

式中，ρ为电网的旋转备用系数；Kg为发电机组频率静态特性系数；Kf为负荷的频率静态特性系数；Pi为区域电网总有功负荷。

基于张北某风电场2009年风电功率数据分析风电功率波动规律[7]，选取49.5 MW级风电系统的EMS中12个月的功率数据，采集时间间隔为5 min，对历史数据进行统计分析，得出风电功率波动变化率的分布概率。

通过算例分析接入变电站的风电全切后对电网频率的影响，电网数据选择2009年辽宁冬季最大负荷运行方式[8]，有功发电为1 171万kW，负荷水平为1 556万kW，接入某变电站的风电装机容量为397.8 MW。选取电网的旋转备用系数ρ=1.05。发电机组频率静态特性系数为Kg=10.4，负荷的频率静态特性系数为Kf=1.5。

假设接入某变电站的装机容量为397.8 MW的风电场的功率波动变化率的分布概率与张北某风场的一致，则拥有张北某风场功率波动规律的397.8 MW的风电场对冬季最大负荷运行方式下的辽宁电网频率带来的影响如表1所示，时间尺度为5 min。

表1 风电波动对电网频率的影响Tab.1 Impacts of wind power fluctuations on the grid frequency

由表1可知，在5分钟的时间尺度下，风电功率的波动引起电网频率波动的范围主要在0.045%fe以内，在全年出现的概率为总统计时间的82.8%左右。电网的频率死区是±0.066%fe，由表1可得出，大约有82.8%的情况下风电功率波动没有越过电网频率死区，17.2%的情况下的风电功率波动将与变动的负荷一起加剧电网频率的变化，当397.8 MW风电场突然全切时，将会引起区域电网频率越限。

2 电池储能系统参与电网调频的优势分析

电池储能系统具有自动化程度高、增减负荷灵活、对负荷随机和瞬间变化可做出快速反应等优点，能保证电网周波稳定，很好的起到调频作用。其通过与常规调频机组的调速器、现有自动发电控制系统有效结合，参与电网的一、二次调频，维持系统频率于标准范围之内，可成为提高电力系统对可再生能源的接纳能力、并减少旋转备用容量需求的有效途径。

2.1 电池储能系统参与电网调频的原理

电池储能系统进行频率的一、二次调节，是利用电池能量的双向流动性，来阻止系统频率偏离标准范围的调节方式，图1为电池储能系统的功率-频率静态特性[9]。当电力系统中原动机功率或负荷发生变化时，必然引起电力系统频率的变化，此时，储能系统进行判断，电网供电大于负荷需求，系统频率上升时，电池储能系统从电网吸收电能；电网供电小于负荷需求，系统频率下降时，电池储能系统则释放电能于电网。

图1 储能系统功率-频率特性图Fig.1 The power-frequency characteristics of BESS

2.2 电池储能系统参与电网调频的优势

频率控制通过输出功率的快速增减，来校正电网的供需平衡。电池储能系统有极快的响应速度，尤其适合于调频。更快的响应自然会使得频率控制更精确和高效。国外的大量研究表明，储能系统几乎能够即时跟踪区域控制误差，而发电机的响应则很慢，有时会违背区域控制误差。

电池储能系统响应快速而使得频率控制更精确，最终需要更少的调控容量[2]。因为：1）灵活且爬坡快的设备能够更快地实现调度目标从而快速实现再调度。因此，相对而言快速调频设备能够提供更多的区域控制误差校正。2）爬坡慢的设备无法快速改变方向，所以它们有时会提供反向调节而增加区域控制误差。灵活且爬坡快的设备则能避免因增加区域控制误差而需要的额外调频容量。

电池储能系统的调频效果究竟比传统调频机组高效多少倍[2]？将依据具体实例来进行分析。在我国的能源结构中，火力发电机组所占比重最大，占83.16%；其次是水电机组，占12.37%；核电、风电及其他新能源的比重也日渐提高，能源结构比例如图2所示。基于燃煤机组在我国的能源结构中所占的份额大，因而在电力调频中起主要作用的是燃煤机组。故，将对燃煤机组与电池储能系统的调频效果进行定量的比较。

假定燃煤机组进行调频时的爬坡速率为3%额定功率/min，因此大约需要30多分钟才能够使燃煤机组从零功率输出到满发功率。设电网功率突然下降，在接下来的10 min需要并入电网25 MW的功率。也就是说，在接下来的10 min，需要从所有调频机组那里获得每分钟2.5 MW的功率增长速率。如果只有燃煤机组以3%额定功率/min的爬坡速率进行调频，则需要83.3 MW的燃煤机组才能满足调频需要。相反，25 MW的电池储能能够在20 ms内提供25 MW的功率。

图2 我国能源结构比例图Fig.2 Theproportion diagram of China’senergy structure

因而，25 MW的电池储能系统的调频效果相当于83.3 MW的燃煤机组所具有的。这个倍数可以更大（如果系统操作员直到几分钟以后才发现问题）或更小（如果有更快的发电机并网）。

由此可知，电池储能系统的调频效率是燃煤机组的3.3倍左右。

电池储能系统在参与电力调频的应用中，不仅具有节省电力系统投资和运行费用，降低单位煤耗，达到节约燃料消耗等静态效益；而且由于响应快速、运行灵活可使其具有减少调频旋转备用容量，减少区域控制误差校正所需的调控容量，减少因所需调频容量减少而使额外间接成本（维修、寿命）降低等动态效益。另外，电池储能系统减少了电网燃料消耗，也就相应减少了污染物排放及其治理费用，不仅自身清洁生产，而且具有一定的环境效益。

2.3 国内外政策

中国目前尚未有专门的政策机制支持储能进入电力调频市场，但在国家发展改革委关于印发《电力需求侧管理城市综合试点工作中央财政奖励资金管理暂行办法》中提到“对通过需求响应临时性减少的高峰电力负荷，每千瓦奖励100元。”，这将降低用于调频类辅助服务的电池储能系统的投资成本，对电池储能系统在电力调频中的应用可起到积极的促进作用。

英格兰地区把调频性能指标纳入调频装置成本中，实施“按效果付费”[2]。美国电力市场也建议出台按效果付费的方法及相关的政策，以完善储能系统参与电力调频的价格机制，推动其在电网调频中的广泛应用。

3 结论

传统调频机组响应慢、爬坡速率低，故不能完全迎合因电力系统快速发展及并入新能源等而引发的新的频率稳定问题的需要。通过对电池储能系统的功率-频率特性、特点及优势的分析，得出电池储能系统的调频效果是燃煤机组的3.3倍左右，同时也具有一定的静态、动态及环境效益。国内外均出台了促进储能系统在电力调频中应用的相关政策，以推动电池储能系统在调频领域的广泛应用。

[1]ESTANQUEIROA I，FERREIRA JMde Jesus，RICARDO J，et al.Barriers（and Solutions…）to very high wind penetration in power systems[J].IEEE，2007:1-7.

[2]California Energy Storage Alliance.Energy storage—a cheaper， faster， &cleaner alternative to conventional frequency regulation[R].California:Strategies for Clean Energy，2011.

[3] 朱峰，李端超，汪德星，等.电力系统调频与自动发电控制[M].北京:中国电力出版社，2006.

[4] 毛丹，诸粤珊.发电机组一次调频动作不理想的原因分析与改进[J].山东电力高等专科学校学报，2010，13（4）:18-20.MAO Dan，ZHU Yue-shan.An analysis on the reasons of primary frequency modulation action not ideal and improve methods of generator set[J].Journal of Shandong Electric Power College，2010，13（4）:18-20（in Chinese）.

[5] 田涛，张雷，唐国平.葛洲坝水电厂AGC调节与机组一次调频配合缺陷的解决方法[J].水电自动化与大坝监测，2009，33（6）:34-35，39.TIAN Tao，ZHANG Lei，TANG Guo-ping.The coordinate flaw solution of Gezhouba hydropower plant AGC and primary frequency modulation[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring.2009，33（6）:34-35，39（in Chinese）.

[6] 张秋生，梁华，胡晓花.基于区域并网的AGC和一次调频控制回路的改进[J].热力发电，2010，39（7）：69-71.ZHANGQiu-sheng，LIANGHua，HU Xiao-hua.Retrofit of control system for AGC and primary frequency conversion based on regional synchronizing and closing into power grid[J].Thermal Power Generation，2010，39（7）：69-71（in Chinese）.

[7] 杨水丽，惠东，李建林，等.适用于风电场的最佳电池容量选取的方法[J].电力建设，2010，31（9）:1-4.YANGShui-li，HUI Dong，LI Jian-lin，et al.Selection of the optimal battery capacity for wind farm[J].Electric Power Construction，2010，31（9）：1-4（in Chinese）.

[8] 蒋大伟.大规模风电并网对系统频率影响分析[D].吉林：东北电力大学，2010：30-40.

[9] JOHN Taylor.Large scale Li-ion energy storage systems facilitate network integration of renewables[R].Aberdeen:All Energy Conference，2011，4.

[10]ALEXANDRE Oudalov，DANIEL Chartouni，CHRISTIAN Ohler.Optimizingabattery energy storagesystemfor primary frequency control[J].IEEE Transactions on Power Systems，2007，22（3），1259-1266.

[11]MATHIASH，Nordlund.Use of energy-storage equipped shunt compensator for frequency control[R].Sweden:Chalmers University of Technology，2010.

[12]李建林，许洪华.风力发电系统低电压运行技术 [M].北京：机械工业出版社，2008:130-135.

[13]谢志佳，马会萌，靳文涛.大规模电池储能系统PCS拓朴结构分析[J].电力建设，2012，33（8）：22-26.XIE Zhi-jia，MA Hui-meng，JIN Wen-tao.Analysis on PCS topological structure for large scale battery energy storage system[J].Electric Power Contruction，2012，33（8）：22-26（in Chinese）.

[14]李蓓，郭剑波.平抑电功率的电池储能系统控制策略[J].电网技术，2012，36（8）：38-43.LIBei，GUO Jian-bo.A control strategy for battery energy storage system to level wind power output[J].Power System Technology，2012，36（8）：38-43（in Chinese）.

[15]OLIVIA Leitermann，JAMESL.Kirtley.Energy storage for use in load frequency control[J].IEEE，2010：292-296.

[16]World Wind Energy Association.Highlights of the World Wind Energy Report 2009[R].Available:http://www.wwindea.org/home/index.php.

[17]孙元章，吴俊，李国杰.风力发电对电力系统的影响[J].电网技术，2007，31（20）:55-62.SUNYuan-zhang，WUJun，LIGuo-jie.Influence research of wind power generation on power systems[J].Power System Technology，2007，31（20）:55-62（in Chinese）.

[18]李锋，陆一川.大规模风力发电对电力系统的影响[J].中国电力，2006，39（11）:80-84.LI Feng，LU Yi-chuan.Influences of large-scale wind energy converterson transmission systems[J].Electric Power，2006，39（11）:80-84（in Chinese）.

[19]张丽英，叶廷路，辛耀中，等.大规模风电接入电网的相关问题及措施[J].中国电机工程学报，2010，30（25）:1-9.ZHANG Li-ying，YE Ting-lu，XIN Yao-zhong，et al.Problems and measures of power grid accommodating large scale wind power[J].Proceedings of the Csee，2010，30（25）:1-9（in Chinese）.

[20]KANEKOT，UEHARA A，SENJYUT，et al.An integrated control method for a wind farm to reduce frequency deviations in a small power system[J].Applied Energy，2011，88（4）:1049-1058.

[21]骆妮，李建林.储能技术在电力系统中的研究进展[J].电网与清洁能源，2012，28（2）:71-79.LUO Ni，LI Jian-lin.Research progress of energy storage technology in power system[J].Power System and Clean Energy，2012，28（2）:71-79（in Chinese）.

[22]李乐，黄伟，马雪玲．超级电容器储能系统在微电网中的应用[J]．陕西电力，2010，38（8）：12-16．LI Le，HUANG Wei，MA Xue-ling.Application of supercapacitor energy storage in microgrid[J].Shaanxi Eletric Power，2010，38（8）：12-16（in Chinese）.

[23]傅旭，李海伟，李冰寒．大规模风电场并网对电网的影响及对策综述[J].陕西电力，2010，38（1）：53-56．FU Xu，LI Hai-wei，LIBing-han.Review on influence of large-scale wind farms power systems and countermeasures[J].Shaanxi Eletric Power，2010，38（1）：53-56（in Chinese）.

[24]管俊，高赐威.储能技术在抑制风电场功率波动方面的研究综述[J].电网与清洁能源，2011，27（4）:48-53.GUAN Jun，GAO Ci-wei.An overview on the application of energy storage technologies to damp wind power output fluctuation[J].Power System and Clean Energy，2011，27（4）:48-53（in Chinese）.

[25]胡海松，张保会，张嵩，等.微网中的储能设备及飞轮储能特性的研究[J].电网与清洁能源，2010，26（4）:21-24.HU Hai-song，ZHANG Bao-hui，ZHANG Song，et al.Studies on the characteristics of energy storage devices and flywheel energy storage in the microgrid[J].Power System and Clean Energy，2010，26（4）:21-24（in Chinese）.