大规模储能系统辅助常规机组调频技术分析

李建林，杨水丽，高凯

(1.中国电力科学研究院，北京市100192；2. 国网辽宁省电力有限公司，沈阳市 110004)



大规模储能系统辅助常规机组调频技术分析

李建林1，杨水丽1，高凯2

(1.中国电力科学研究院，北京市100192；2. 国网辽宁省电力有限公司，沈阳市 110004)

由于新能源发电具有间歇性、随机性等特点，随着其装机容量的逐渐增大，电网调频备用容量不足的问题日益凸显。传统调频机组因其固有特性难以使实际出力与理论计算值相吻合，并且难以应对电力系统快速发展、新能源发电并网等引起的频率稳定问题。储能作为一种新兴技术，具有响应速度快、短时功率吞吐能力强、调节方向易改变等优点，可与常规调频技术相结合，作为电网调频的有效辅佐手段。该文立足于不同的实际电网情况进行储能容量配置研究，探索储能辅助传统机组调频的控制策略，为今后储能系统参与电网调频的工程应用提供一定的借鉴意义。

可再生能源；调频；储能系统

0 引 言

风力发电和光伏发电分别以风能、太阳能作为能量来源，而风能、太阳能等自然资源易受环境、气候等多方面的影响，使得风力发电、光伏发电的功率具有间歇性、不确定性和波动性等特点[1]。随着风力发电和光伏发电大规模接入电网，其对电网安全稳定运行的影响将不容忽视[2]。这些间歇性能源，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，引起系统频率偏差，造成电网频率不稳定[3-4]。间歇式能源发电不但会导致调节容量需求增加，并且由于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带来的频率调节任务。

目前，我国的调频电源主要为火电机组，其缺点是响应时滞长、机组爬坡速率低，不能准确跟踪自动发电控制(automatic generation control，AGC)指令，有时甚至会造成对区域控制误差的反方向调节；同时，由于一次调频死区等非线性环节的存在，传统的AGC线性模型控制方式不能实现良好的动态调节性能。火电机组性能不同则其响应速率不同，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。比较而言水电机组响应较快，可以在几s内达到满功率输出。但是水电机组的建设受地理条件的限制，主要集中在我国西南多山多水地区及沿海地区。这意味着水电机组整体可提供的调频容量极为有限。同时，由于水电厂的增减出力受到河流状况的影响，也会影响到机组对控制信号的响应。

提高电网频率的稳定性，就必须提高区域的AGC控制性能，即提高机组对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发展受限的情况下，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[5-6]。研究表明，电池储能系统(battery energy storage system，BESS)可在1 s内完成AGC调度指令，几乎是火电机组响应速度的60倍；同时，少量的储能系统可有效提升以火电为主的电力系统整体调频能力[7]。大规模电池储能系统响应速度快，短时功率吞吐能力强，且调节方向易改变，与常规调频电源相结合，可作为辅助传统机组调频的有效手段。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；因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，能够进一步提高电网运行的安全性与可靠性[8]。除了技术上的优势外，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，从而产生动态效益。

鉴于上述分析，有必要对储能系统适用于电力系统调频的技术特性进行分析，这也是对其进行容量配置和设计控制策略的基础[7]。在此基础上，立足于不同的实际电网情况进行容量配置研究，探索储能辅助传统机组调频的控制策略，为今后储能系统参与电网调频的工程应用提供一定的借鉴。

1 研究现状

大容量的储能系统接入电力系统后，将改变电网实时供电的工作模式。不仅可以提高电网的可靠性，而且由于燃料消耗减少从而降低碳排放。储能的应用分为能量型和功率型两类[9]。其中，能量型应用对应的是长时间充电和小时级连续放电，通常1天只有1次充放电；功率型应用经常要求1天有多次充放电，对应的是相对短时间放电(分钟级或秒级)和短时间再充电。能量型应用包括削峰填谷、传输与配电升级延时、用户需求用电和用电费用降低、可再生能源发电转移及商业用途的能量贮存；功率型应用包括频率和电压控制、电能质量、可再生能源发电平滑等电力控制。

虽然电化学储能以其优越的性能在电力系统中的应用，前景广阔，但由于造价昂贵，在电力需求量较大的电网中没有大规模使用。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[10]。

1.1 储能参与电网调频的运行方式现状分析

据美国能源部信息中心项目库不完全统计[11]，储能参与调频辅助服务是全球规模化储能示范项目中开展最多的3个应用领域之一，根据储能系统参与电力辅助服务市场形式的不同，其参与电网调频的方式主要有独立运行、与现有发电厂联合运行以及与风电联合运行3种，已实现收益的方式主要为前2种。美国是调频辅助服务领域开展储能项目最多的国家，智利其次，中国和加拿大也有项目开展。

美国调频辅助服务储能项目的开展与该国较为开放的电力市场竞争模式以及相关政策的支持密不可分[12]，其允许储能作为合法的独立载体进入电力市场。因此，该国针对储能参与电网调频的研究与示范均围绕储能作为独立运行主体展开。

智利的几个项目均采取与火电厂联合运行的方式，为智利北部SING电网提供调频等辅助服务。我国也开始有了调频辅助服务的储能试点，与AES在智利的项目类似，在现有的政策下进行试点，已挂网运行的储能系统与石景山热电厂联合运营提供调频服务。针对储能与传统电源联合参与调频的运行方式，开展的主要研究工作为储能系统的盈利模式分析，在保证联合系统满足电网对其要求的性能考核指标下使电池处于较优运行区间的运行控制研究等。

与风电场联合运行参与电网调频的运行方式目前尚处于示范尚未实现盈利的阶段，如张北风光储输电示范基地的风、储联合系统，从风电机组和风电场层面出发，研究风电参与调频的机理、运行以及控制策略等，国内外学者也做了大量工作。

1.2 储能参与电网调频应用的技术研究现状

在我国，储能技术参与电网调频的研究与示范尚属起步与借鉴阶段。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[13]。这3处大容量储能技术应用于电力调频的示范工程虽具备了调频的测试功能，但均未进行投入应用的研究；已挂网运行的与北京石景山热电厂的火电机组联合运行参与电网AGC调频的储能系统已实现商业化运行[14]。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关注的重要科学问题。

在国外，储能技术在各方面的应用已经逐步成熟，尤其是美国、智利、巴西和芬兰，针对大规模储能系统参与电力调频已开展了理论研究与示范验证。相关研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[15]；二是从调频电源的技术对比角度切入[15]，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[16]，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[17-19]，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。

国内外针对储能参与电网调频的研究主要聚焦在基于电网调频需求分析上的储能容量配置和控制策略等方面。

2 用于电网调频的储能容量配置研究

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借鉴，同时，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。文献[20]对辅助装机容量为Pe的火电厂参与调频且与其具备同等调频能力的储能系统进行了容量配置，得出所需储能系统的功率为Pe/10，容量为(Pe/10)×15 min。文献[21]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。文献[22]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30 MW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少瞬时负荷波动引起的频率偏差，但该文献没有考虑经济性。文献[23]基于一个包含水电、火电以及风电的孤岛网络，利用电池储能系统的等效模型，研究其参与电力一次调频，在此基础上，通过动态调整荷电状态(state of charge, 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上下限动态取值范围的方法。

结合储能系统容量配置的通用方法，建议基于区域电网的常规机组特性和负荷曲线，通过模拟常规机组的下垂特性，构建电池储能系统参与电力一次调频的容量配置方法；基于调节负荷分量和调节负荷分量变化率工况曲线，以及实测负荷数据，依据储能完全替代常规调频电源的原则，构建储能系统参与电力二次调频的容量配置方法，储能系统容量配置流程如图1所示。

图1 储能系统容量配置流程框图Fig.1 Flow chart of energy storage system capacity allocation

首先，确定仿真所用模型，载入频率或负荷的实测样本数据，通过探究储能的应用场景，分析确定功率需求。然后，可按照完全应用储能的方式确定储能系统的额定功率，也可按照数理统计的方法建立储能系统理论出力的分布模型，据此分布模型可得到任意置信水平的额定功率需求。其次，将确定的额定功率代入具体应用场景进行分析，依据相关公式可计算出对应的额定容量，最终完成储能系统额定功率和额定容量的设计。同时，若相关的储能类型确定，通过建立储能系统在全寿命周期内的经济模型，可得到经济性能最优的储能容量配置方案。

3 储能用于电网调频的控制策略研究

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[24-25]。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，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、光伏发电等新能源并网之后将变得更加显著[26-28]。储能系统参与电力系统调频进一步丰富了系统调频的选择，因此，如何合理协调各调频电源，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，给国内外的调频控制研究提出了新的课题[29-32]。文献[33]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2种策略：一是基于区域调节需求所处的区间，灵活分配储能资源承担的调节量；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。

利用储能系统的快速功率调节特性，可在AGC的负荷频率控制(load frequency control, LFC)中为互联系统提供即时的补偿容量，维持系统的稳定。为了充分发挥储能系统在抑制电网频率和联络线功率波动中的作用，避免发生与LFC之间各自独立作用的情况，应用于电力系统调频的储能系统的协调控制策略研究显得尤为重要[24]。以往针对这个方向的研究较少，且主要集中于以最小方差(integral squared error，ISE)等指标为依据，离线联合整定储能系统及LFC的控制参数[34-35]。然而，这种方法难以计及储能系统与LFC等调频装置存在的各种约束，如储能系统的容量、SOC和额定功率限制，以及常规机组的发电速度限制(generation rate constraint, GRC)、可调容量、区域控制偏差(area control error, ACE)信号延时等，也未能考虑系统负荷扰动的多样性，所以鲁棒性较差。

模型预测控制(model predictive control，MPC)产生于工业过程控制的实际应用中[36-37]，并与工业应用紧密结合，进而不断完善和成熟。模型预测控制算法由于采用了多步预测、滚动优化和反馈校正等控制策略，具有控制效果好、鲁棒性强、对模型精确性要求不高的优点。目前提出的模型预测控制算法，主要有基于非参数模型的模型算法控制和动态矩阵控制，以及基于参数模型的广义预测控制和广义预测极点配置控制等方法。其中，模型算法控制采用对象的脉冲响应模型，动态矩阵控制采用对象的阶跃响应模型，这2种模型都具有易于获得的优点。广义预测控制和广义预测极点配置控制是预测控制思想与自适应控制的结合，采用受控自回归积分滑动平均模型，具有参数少、能够在线估计的优点，并且广义预测极点配置控制进一步采用极点配置技术，提高了预测控制系统的闭环稳定性和鲁棒性。

结合MPC的特点，为了解决以上调频的控制问题，建议探索一套储能系统与LFC协调控制的体系。该体系的总体设计思想为采用分层分布式框架结构，包括上层的区域协调控制器及下层本地调频控制器，如图2所示。在区域协调控制器中，引入MPC中的广义预测控制，以互联电力系统的受控自回归积分滑动平均模型为基础，结合电网实时信息预测频率与联络线功率的动态轨迹，通过建立储能系统、LFC输入与频率及联络线功率预测量的关系，构造以输出误差为目标函数，以储能系统与LFC调节能力为约束条件的优化模型。而各区域的本地调频控制器接受上层控制器的指令，即可对系统的频率及联络线功率偏差进行校正。

图2 电网中储能系统与LFC的协调控制框图Fig.2 Block diagram of coordinated control between energy storage system and LFC in power grid

4 结论与展望

储能技术参与电力系统调频呈现出如下特点：

(1)低成本、长寿命、高安全是电池储能系统的发展方向，随着电池本体技术进步，高性能电池必将在调频领域取得长足应用；

(2)衡量储能系统在调频功能上的贡献，不宜单纯以电量来评价，而应以其为电力系统提供热备份，辅助火电机组完成调频指令来衡量；

(3)电池储能系统不仅在间歇能源发电端，在常规火电厂，也可配合常规调频机组更好地完成二次调频任务。

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方面开展得比较少，应用示范也属于起步阶段，而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，亟需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。

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李建林，男，1976年，博士，教授级高级工程师，研究方向为大规模储能技术及应用;

杨水丽(1979)，女，硕士，研究方向为电能储存与转换技术、电力系统及其自动化;

高凯(1972)，男，高级工程师，主要从事电网运行方面的工作。

(编辑：张小飞)

Frequency Modulation Technology for Conventional Units Assisted by Large Scale Energy Storage System

LI Jianlin1，YANG Shuili1，GAO kai2

(1. China Electric Power Research Institute Beijing 100192, China;2. State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.， Ltd., Shenyang 110004, China)

Due to the characteristics of new energy power generation: intermittent and variable, the reserve capacity deficiency issue of frequency modulation (FM) for power grid has become increasingly prominent, along with the gradual increase of the installed capacity. Traditional FM units rarely achieve real-time equivalency of actual output with the theoretical values because of their inherent characteristics, and are difficult to deal with the problem of frequency stability caused by the rapid development of power system and the generation and paralleling in gird of new energy. Energy storage technology, as a new technology, has advantages of fast response speed, strong short-term power capacity, easy-changing adjust direction and so on, which can be combined with conventional FM technology and used as an effective assistant mean of power grid FM. This paper studied the capacity allocation of energy storage based on the actual situations of different grids; discussed the control strategy of traditional units’ FM assisted by energy storage system, which could provide references for the engineering application of energy storage system in grid FM in future.

renewable energy; frequency modulation; energy storage system

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2014AA052004)；国家电网公司科技项目(面向电力系统调频需求的储能系统优化配置及运行方法研究)。

TM 621

A

1000-7229(2015)05-0105-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.017

2015-02-03

2015-03-23

Project Supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2014AA052004).