电池储能系统参与电力系统调频的方案设计——评《电池储能系统调频技术》

钟卫连，刘时英

( 怀化职业技术学院，湖南 怀化 418000 )

由于电源和负荷的双重特性，储能系统常作为一种灵活可控的资源，广泛应用于电力系统调频、调峰和可再生能源消纳。随着间歇性可再生能源并网规模的逐渐增大，系统在供需平衡调节和功率跟踪方面的灵活性裕度逐渐减小。由于优越的灵活性和调节能力，电池储能系统目前正在规划和大规模投资建设，如大连市200 MW/800 MW·h液流电池储能电站，江苏省125 MW/787 MW·h的用户侧储能电站。据中国储能联盟(CNESA)发布的信息，截至2020年底，全球在运储能项目累计装机14.2 GW；中国电化学储能累计装机容量为3.28 GW，2025年预计将增加到30 GW。

新型储能系统在电力系统中的应用规模将大大提高，尤其是当电力行业提出构建以新能源为主体的新格局电力系统，助力实现碳达峰和碳中和目标时，储能在电网中的应用更为迫切。可再生能源侧储能系统能促进可再生能源的消耗，电网侧储能可用于电力系统的调峰和调频，用户侧储能可以参与调峰填谷的需求响应。相关数据表明，当储能系统的持续充/放电时间为15 min时，调频效率约为燃煤机组的24.0倍，燃气机组的2.2倍，水电机组的1.4倍。电池储能系统与常规调频电源相结合，可较大提升电力系统调频能力，也可独立作为调频电源参与电网的调频服务，弥补大量可再生能源接入电网带来的频率偏差问题，提高电网的电能质量和系统稳定性，同时降低有害气体排放量。

由李建林等编著的《电池储能系统调频技术》一书，较为全面地介绍了电池储能系统参与电力调频的典型设计方案，为储能参与电力调频的商业化应用与示范提供理论依据与技术保障。该书共分7章，主要从以下几个方面展开介绍：电池储能系统参与电力系统辅助调频的必要性与可行性分析、控制方法与经济性研究、国内外典型示范工程介绍与分析、优化规划与运行控制、方案设计等。

1 必要性和可行性分析

从风力波动对电网频率的影响出发，分析参与电力系统调频的电池储能系统的必要性和可行性。当今电网调频情况复杂多变，传统机组发电机响应时间长、爬坡率低，不能及时进行方向的转换，甚至有时候会产生反方向调节，导致发电机的区域控制偏差增大，难以满足运行要求。比如，秋冬季节是风电发电较多的时期，北方超过一半的机组已经进入供热运行时期，但一些机组无法进行调频，整体调频能力有所下降，调频效果变差，电力系统的稳定运行无法保障。我国电网普遍运用火电机组进行调频，但受限于上述缺点，且目前新能源发电增长迅速，需要寻找新的方法进行电力系统调频。在MATLAB/Simulink仿真环境中，构建一个负荷频率控制的仿真模型，分别引入大规模风电和阶跃负荷扰动两种负荷扰动方式，以更加准确地分析和探讨互联系统调频性能，并通过观察仿真研究结果，进一步分析系统的联络线交换功率变化和频率偏差等动态响应情况，对比分析调频效果受电池储能技术的影响程度，验证电池储能技术的必要性。

在技术可行性方面，对比分析传统调频机组和储能调频的调频效果，证明了储能调频的效率更高。通过演示可知，电池储能系统(BESS)可进行双向调节，以负荷形式存在于充电过程中，以电源形式存在于放电过程中，可在几毫秒内达到功率输出目标，响应速度快。在任意电源点，都可以平稳输出，并进行准确的操控，还具有灵敏的四象限调节水平，可快速调整有功功率和无功功率的输入和输出。从调频电源的爬坡率角度、二次调频效果、调频死区等方面来看，单位容量的电池储能的调频效果是传统调频机组的数倍，因此，能更好地解决电网复杂多变的频率波动问题。一方面，电网供电系统具有较好的供电特性，提高了接受新能源的能力；另一方面，还可以协调和实现调频、电压调节、应急响应等功能，提高新电网连接的电能质量。大容量储能技术可以改变供电系统的供电运行方式，不仅能提高电网的安全性和可靠性，还可通过减少传统化石燃料的使用，实现低碳排放。

2 储能电站集电系统可靠性评估算法

近年来发生的储能电站故障和火灾，如澳大利亚储能容器火灾、美国电池系统储能电站火灾，以及韩国的储能电站火灾事故等，对人身和财产安全造成了较为严重的影响，提高储能电站的可靠性水平具有重要意义。除了运行环境外，储能电站的故障还与储能电站设计期间集电系统的连接结构(即用电设备的连接方式)直接相关，即不同集电系统的拓扑结构使储能电站的可靠性水平呈现出差异化。针对电池储能电站的可靠性，该书对储能电站的电气结构、可靠性评价模型、算法和评价指标进行了分析。

储能系统的状态是系统中所有组件状态的组合。系统可靠性评估过程是对系统状态进行抽样和评估的过程，因此，系统可靠性评估方法的差异主要取决于系统状态采样方法，可分为频率持续时间法、状态枚举法、顺序蒙特卡罗法、非顺序蒙特卡罗法和失效模式后果分析法(FMEA)等。该书提出了几种方法：第一种是采用状态空间分析方法评估单级和两级储能系统处于正常状态和故障状态的概率，其中故障状态包括BESS故障状态、直流(DC)/DC故障状态、DC/交流(AC)故障状态和过滤器故障状态；第二种是考虑储能系统的随机故障，采用枚举法对电池储能微电网的可靠性进行评估；第三种是采用解析法评价储能和集电系统的可靠性，定义电池模块、变流器和变压器等3个可靠性评价指标。

在现有的研究中，解析法中的状态枚举法和频率持续时间法对于小规模系统的可靠性评估是有效和准确的，但是，当系统规模增大时，系统待评估的状态数将呈指数级增长，导致评估效率降低，计算耗时，甚至出现维度灾难。目前的失效模式影响分析方法只考虑一阶失效，不能考虑多阶失效。在模拟方法中，顺序蒙特卡罗法和非顺序蒙特卡罗法受系统规模的影响较小，但当系统可靠性水平较高时，采样效率会降低，评价结果会在随机数的影响下略有波动。

单一的可靠性评估算法有自身的优势、劣势和适用范围。根据储能电站集电系统的结构特点，该书提出储能电站集电系统差异化双层可靠性评估的思路，即第一层是单个电池组的等效可靠性评估。单个电池组由电芯、线路和其他组件通过串并联结构连接而成，可靠性可通过串并联结构的可靠性评估方法来计算，评价指标是电池组的等效可用性和等效不可用性。第二层是电池储能电站的可靠性评估。电池储能电站由电池组、储能变流器(PCS)、线路、母线和变压器等电力设备组成。当规模较大时，可采用模拟方法进行评价；当规模较小时，可采用枚举法进行评价。评价指标除可靠性外，还应包括频率、概率、功率损耗等。

3 优化规划与方案设计

该书通过建立常规的控制策略模型来进行对比分析，进一步提出了几种储能参与电力系统调频控制的优化策略与运行控制。目前，在传统的基于虚拟惯性的下垂控制中，一般使用固定的单位功率值Kmax参与一次调频。由于当前的储能容量还不够大，相比于大电网，长期利用Kmax对电网进行充放电，在多次使用的情况下，会导致电池长时间处于过充或过放状态。在放电模式下，荷电状态(SOC)较低或在充电模式下SOC较高的储能单元，会提前退出调频过程，剩余的储能单元必须被迫过充过放，缩短电池的使用寿命。

基于此，提出一种基于SOC反馈的改进下垂控制策略，自适应调整下垂控制单元的功率系数，并引入均衡因子，协调优化各储能单元的功率输出，提高整体储能系统参与电力系统调频的性能。使用变调差系数，提出了储能改进下垂控制策略，可以实现储能SOC管理与系统调频效果的同步优化，使储能在一次调频过程中自适应调整充放电功率，基础是自身电量和机组功率变化率的大小。为了优化大规模可再生能源接入时调频性能不佳、电网自动发电控制(AGC)容量无法满足要求的情况，采取规模化储能参与电网二次调频的调频信号分配模式切换时机和双层控制策略。在阶跃负荷扰动下，系统可以综合基于区域控制误差(ACE)信号分配模式和基于区域控制需求(ARR)信号分配模式的优点。由于建立在调频信号分配模式切换时机的基础上，系统可同时做到在调频前期缩小最大频率偏差、在调频中后期减少短频率恢复所需要的时间。为了满足规模化储能联合火电机组参与调频的低成本需求，双层控制策略的上层功率优化分配层充分照顾不同调频电源的多技术特点，进一步提升各调频电源出力参考值，使二次调频成本最低化。

随着电网规模不断增加，新能源电网渗透率不断上升，电网的稳定运行面临着安全挑战。为此，可研究各部分动态数学模型，通过仿真分析影响电力系统动态特性的因素，确定控制系统的组合模型，并构建一个负荷频率控制(LFC)模型。该模型能够反映互联系统联络线功率约束、机组出力约束等因素，并建立一个电池储能调频模型，用来观测电池内部的SOC。接着，搭建含储能电池的两区域互联系统，该系统处于MATLAB/Simulink环境中，分别引入阶跃信号扰动和风电扰动两种情况来仿真模拟，通过分析联络线交换功率变化和系统频率变化等动态情况，观察电池储能对调频效果的对比情况。最后，提出一种调频方法，捕捉LFC信号中不能由传统调频电源响应的信号，以此为基础，让储能系统及时进行功率补偿，并对比分析仿真实验与常规控制策略。实验记录表明，该优化策略可以在大量负荷接入系统后，较好地实现对电力系统频率的控制。

4 结语

《电池储能系统调频技术》一书，通过分析探讨电池储能系统参与电力调频的可行性与价值，确定此项技术具有广阔的应用前景；研究电池储能系统参与电力调频的协调控制问题、电池储能系统参与调频的容量配置方法，可为储能参与电力调频的示范与产业化工程夯实基础；针对典型的调频示范工程进行介绍，提出了几种可能的方案设计，为调频领域使用电池储能系统的方向、规划与建设提供有力的支撑。