黃思林，肖華賓，黃常抒，郭子琦，吳俊烽，謝杭璇

（1國(guó)家能源集團(tuán)廣東電力有限公司，廣東 廣州 510000；2國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 江門(mén) 529000；3南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

“雙碳”目標(biāo)下，由于能源的生產(chǎn)、消費(fèi)和利用呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢(shì)，在此趨勢(shì)下電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、電網(wǎng)形態(tài)、技術(shù)基礎(chǔ)及運(yùn)行特性將發(fā)生深刻變化，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)將面臨電力電量平衡、系統(tǒng)安全穩(wěn)定、新能源高效利用等挑戰(zhàn)。由于新能源發(fā)電具有波動(dòng)性及不確定性，會(huì)影響電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[1-3]，為了保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，電力系統(tǒng)需要更多的靈活調(diào)頻資源來(lái)提升自身調(diào)節(jié)能力?；痣姍C(jī)組作為我國(guó)重要的發(fā)電載體承擔(dān)著主要的調(diào)頻工作[4]?；痣姍C(jī)組的自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、功率爬坡速度慢、穩(wěn)態(tài)精度低，無(wú)法滿足當(dāng)前的調(diào)頻需求[5]。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速率快、響應(yīng)時(shí)間短、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點(diǎn)，屬于優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源[6-11]，能夠有效彌補(bǔ)火電機(jī)組調(diào)頻性能的不足。圖1為某火電廠增加電池儲(chǔ)能系統(tǒng)前后AGC 跟蹤曲線，增加儲(chǔ)能系統(tǒng)后，火電機(jī)組能有效提高發(fā)電單元的調(diào)節(jié)速率、縮短響應(yīng)時(shí)間、提高調(diào)節(jié)精度，提升綜合調(diào)頻性能，配合電力調(diào)度機(jī)構(gòu)改善電網(wǎng)的頻率波動(dòng)，緩解電網(wǎng)調(diào)頻資源特別是優(yōu)質(zhì)調(diào)頻資源不足的問(wèn)題[12-14]。為了進(jìn)一步加強(qiáng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全管理，國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全管理的通知》，由于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)后，其功率調(diào)節(jié)響應(yīng)、充放電的規(guī)律和保護(hù)功能等都會(huì)對(duì)機(jī)組和廠用電設(shè)備的可靠運(yùn)行產(chǎn)生影響[15]。此外許多儲(chǔ)能項(xiàng)目還存在簡(jiǎn)單的堆砌現(xiàn)象，導(dǎo)致許多儲(chǔ)能輔助調(diào)頻項(xiàng)目存在能量效率不高、綜合調(diào)頻性能提升不明顯等問(wèn)題。因此，為了保障儲(chǔ)能系統(tǒng)、機(jī)組及廠用電負(fù)荷的安全運(yùn)行，降低生產(chǎn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，電化學(xué)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)在并網(wǎng)前開(kāi)展規(guī)范全面的并網(wǎng)檢測(cè)具有重要意義[16]。

圖1 火電機(jī)組搭配儲(chǔ)能前后AGC跟蹤曲線圖Fig.1 AGC curves between thermal power unit and thermal-energy storage

隨著電力市場(chǎng)化改革進(jìn)一步深入，一系列宏觀政策鼓勵(lì)儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，以提升電力系統(tǒng)的靈活性和調(diào)節(jié)能力。廣東作為能源消費(fèi)大省，其能源自給率較低，為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生需要，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，大批量的海上風(fēng)電接入，西電東送占比逐年增大，使得廣東電網(wǎng)的規(guī)模和負(fù)荷日益復(fù)雜。因此，廣東電網(wǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)調(diào)頻資源存在迫切需求，并于2018 年9 月啟動(dòng)了廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)。截至2021 年年底，廣東地區(qū)已有28 個(gè)儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目投入運(yùn)行或試運(yùn)行，為保障廣東地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性提供了有力支持。其中有23 個(gè)項(xiàng)目使用了低壓并聯(lián)集成方式，5 個(gè)項(xiàng)目使用了高壓級(jí)聯(lián)集成方式。兩種集成方式的主要區(qū)別在于其儲(chǔ)能變流器(power conversion system，PCS)不同引起的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差異。隨著電池行業(yè)與電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)能變流器的研究也不斷深入。但截至目前，對(duì)實(shí)際投運(yùn)中兩種技術(shù)路線的儲(chǔ)能項(xiàng)目性能差異研究較少。文獻(xiàn)[17-20]對(duì)PCS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，對(duì)比拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)PCS 性能的影響，根據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并通過(guò)仿真進(jìn)一步證實(shí)，但缺少實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的支撐。因此，通過(guò)并網(wǎng)性能測(cè)試這種實(shí)證化的分析手段來(lái)研究實(shí)際投運(yùn)中不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)性能具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。

本工作結(jié)合廣東區(qū)域內(nèi)火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目的開(kāi)展情況，選取幾個(gè)分別采用高壓級(jí)聯(lián)式儲(chǔ)能系統(tǒng)和低壓并聯(lián)式儲(chǔ)能系統(tǒng)的火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目，借助實(shí)證化的測(cè)試手段，研究了兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能項(xiàng)目性能差異，為后續(xù)火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目的研究提供了實(shí)證化的研究方法。結(jié)合研究結(jié)果，在目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目采用了高壓級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，項(xiàng)目總規(guī)模60 MW/60 MWh，用于提高國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司綜合調(diào)頻性能指標(biāo)，提升區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻資源的靈活性，為后續(xù)建設(shè)安全性高、性能優(yōu)異的火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目提供借鑒。

1 火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前，廣東地區(qū)火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的低壓并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的都是單級(jí)式的PCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。儲(chǔ)能電池直接連接到DC/AC變換器的直流側(cè)，再通過(guò)升壓變壓器轉(zhuǎn)成高壓輸入電網(wǎng)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，DC/AC 變換器損耗小，易于控制[16,21]。但是該結(jié)構(gòu)不利于儲(chǔ)能單元容量的擴(kuò)大。盡管通過(guò)并聯(lián)足夠多的電池簇可以增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，但在使用過(guò)程中，由于電池單體存在一致性、充放電電流、運(yùn)行環(huán)境等差異，在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)不一致性愈發(fā)凸顯，進(jìn)而導(dǎo)致電池壽命縮短、儲(chǔ)能系統(tǒng)可放電能量下降等問(wèn)題[22-23]。加上直流側(cè)電池的電壓限制，交流側(cè)出口電壓一般在400 V 左右，目前新的1500 V PCS盡管能夠支持直流側(cè)電壓升至1500 V，相應(yīng)的交流側(cè)電壓在700 V左右，但仍需要經(jīng)過(guò)升壓變壓器才能接入中高壓電網(wǎng)，而并聯(lián)多臺(tái)升壓變壓器會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)的損耗以及整個(gè)儲(chǔ)能電站設(shè)備的成本與占地面積。因此，通過(guò)并聯(lián)多個(gè)變壓器隔離的儲(chǔ)能單元來(lái)擴(kuò)大儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量也會(huì)造成系統(tǒng)效率低下及穩(wěn)定性問(wèn)題。除此之外，由于并聯(lián)多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，并聯(lián)的多組PCS 之間的相互協(xié)調(diào)會(huì)占用部分系統(tǒng)資源，并聯(lián)的PCS 越多，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。

圖2 低壓并聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topology diagram of low-voltage parallel energy storage system

在高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能單元中，級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能PCS 的每個(gè)H橋單元由一個(gè)電池組和與之并聯(lián)的濾波電容及H橋逆變電路組成，輸出相電壓電平m=2N+1(N為功率變換單元數(shù))，輸出線電壓為4N+1電平[24]；隨著功率變換單元的增加，會(huì)使得并網(wǎng)電流波形更加平滑。多個(gè)H橋單元交流側(cè)串聯(lián)作為級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能PCS的一相，三相采用星形接線方式[25]。相較于低壓并聯(lián)，高壓級(jí)聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖3 所示。低壓并聯(lián)和高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能對(duì)比如表1所示，高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠直接輸出6 kV/10 kV，無(wú)需經(jīng)過(guò)變壓器，不僅減小系統(tǒng)損耗，提高效率，還減少了儲(chǔ)能系統(tǒng)的占地面積，降低了土地建設(shè)施工成本，提高了單位建設(shè)面積的能量密度。此外，在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠最大限度地減少或消除電池簇的并聯(lián)情況，使得各個(gè)電池簇之間相互獨(dú)立，減少或消除電池單體和電池簇的環(huán)流現(xiàn)象，削弱了儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池一致性導(dǎo)致的問(wèn)題，提高電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命、降低了生產(chǎn)運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)[26-27]。高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)每三相為一組控制單元，儲(chǔ)能系統(tǒng)不需要根據(jù)并聯(lián)儲(chǔ)能單元性能的差異進(jìn)行協(xié)調(diào)后再響應(yīng)指令，縮短了儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。高壓級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在低壓直流側(cè)可以減少開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率；而且低壓側(cè)的電子元件所需電流及高壓側(cè)的電力元件所需耐壓等級(jí)均明顯降低，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[21]。

圖3 高壓級(jí)聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology diagram of high-voltage cascaded energy storage system

表1 低壓并聯(lián)和高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能對(duì)比Table 1 Comparison of low-voltage parallel and high-voltage cascaded chemical energy storage system

2 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的并網(wǎng)性能

在機(jī)組投入AGC 模式下，調(diào)度向機(jī)組遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal unit，RTU)發(fā)送AGC調(diào)頻指令，RTU接收指令后，迅速將信號(hào)傳遞至機(jī)組分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)，DCS 控制機(jī)組向目標(biāo)值出力，同時(shí)將信號(hào)傳送至儲(chǔ)能控制系統(tǒng)。儲(chǔ)能控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)頻機(jī)組實(shí)時(shí)負(fù)荷與AGC 指令目標(biāo)負(fù)荷之間的差值，控制儲(chǔ)能單元出力大小彌補(bǔ)差值，并向RTU 和DCS 反饋相應(yīng)信號(hào)，RTU接收儲(chǔ)能和機(jī)組的反饋信號(hào)后，整合機(jī)組和儲(chǔ)能的出力情況并向相關(guān)數(shù)據(jù)上送調(diào)度，完成一個(gè)調(diào)頻周期?；饍?chǔ)聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的控制邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 火儲(chǔ)聯(lián)合AGC調(diào)頻系統(tǒng)二次系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.4 Topology diagram of thermal-energy storage frequency controlling

根據(jù)南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k是用于衡量發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令綜合性能表現(xiàn)的參數(shù)，包括調(diào)節(jié)速率kⅠ、響應(yīng)時(shí)間kⅡ和調(diào)節(jié)精度kⅢ三個(gè)因子，k的計(jì)算公式為：

其中，調(diào)節(jié)速率kⅠ指發(fā)電單元響應(yīng)AGC 指令的速率；響應(yīng)時(shí)間kⅡ指發(fā)電單元響應(yīng)AGC 指令的時(shí)間延時(shí)；調(diào)節(jié)精度kⅢ指發(fā)電單元響應(yīng)AGC 指令的精準(zhǔn)度；λⅠ、λⅡ、λⅢ為對(duì)應(yīng)的調(diào)頻性能指標(biāo)kⅠ、kⅡ、kⅢ在綜合調(diào)頻指標(biāo)k的權(quán)重系數(shù)，目前，λⅠ為0.5，λⅡ和λⅢ為0.25。對(duì)于電廠來(lái)說(shuō)，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)越高，其參加調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的收益就越高。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時(shí)間和調(diào)節(jié)精度是火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻中較為重要的性能指標(biāo)。

PCS 作為電網(wǎng)與電池之間交直流轉(zhuǎn)換的接口，充放電和功率控制是其最基本的功能，充放電的響應(yīng)時(shí)間、有功功率的控制精度、無(wú)功功率的控制范圍都是衡量PCS 性能的重要參數(shù)。響應(yīng)時(shí)間會(huì)影響kⅠ和kⅡ，響應(yīng)精度會(huì)影響kⅢ，從而影響火儲(chǔ)聯(lián)調(diào)項(xiàng)目的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)。無(wú)功功率控制能力則能夠表現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)功率因數(shù)調(diào)節(jié)的靈活性。

能量轉(zhuǎn)換效率是評(píng)價(jià)儲(chǔ)能電站性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，它體現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的能源利用效率。儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率越高，說(shuō)明系統(tǒng)在充放電過(guò)程中能量的損耗就越少。從火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益方面衡量，越高的能量轉(zhuǎn)換效率意味著更低的運(yùn)維成本。

綜上所述，在火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率控制、充放電響應(yīng)時(shí)間以及能量轉(zhuǎn)換效率性能是衡量火儲(chǔ)聯(lián)調(diào)項(xiàng)目?jī)?chǔ)能系統(tǒng)集成效果的重要技術(shù)性指標(biāo)。考慮到試驗(yàn)樣本的一致性，以廣東省內(nèi)火電機(jī)組容量相近、儲(chǔ)能規(guī)模類(lèi)似的4個(gè)火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目作為研究對(duì)象(項(xiàng)目具體參數(shù)見(jiàn)表2)，通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案對(duì)火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目中低壓并聯(lián)和高壓級(jí)聯(lián)的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行有功和無(wú)功功率控制、充放電響應(yīng)性能以及能量轉(zhuǎn)換效率對(duì)比分析，研究不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)性能。

表2 研究對(duì)象具體參數(shù)Table 2 Parameters of research projects

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 有功功率控制測(cè)試

將儲(chǔ)能系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連進(jìn)行有功功率調(diào)節(jié)能力升降測(cè)試，根據(jù)GB/T 36548—2018《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測(cè)試規(guī)范》，步驟如下[28]：

（1）設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率為0；

（2）逐級(jí)調(diào)節(jié)有功功率至-0.25PN、0.25PN、-0.5PN、0.5PN、-0.75PN、0.75PN、-PN、PN，各個(gè)功率點(diǎn)保持至少30 s，在儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量時(shí)序功率，以每0.2 s 有功功率平均值為一點(diǎn)，記錄實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；

（3）以每次有功功率變化后的第二個(gè)15 s計(jì)算15 s有功功率平均值；

（4）計(jì)算步驟（2）各點(diǎn)有功功率的控制精度、響應(yīng)時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間；

（5）設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率為PN；

（6）逐級(jí)調(diào)節(jié)有功功率至-PN、0.75PN、-0.75PN、0.5PN、-0.5PN、0.25PN、-0.25PN、0，各個(gè)功率點(diǎn)保持至少30 s，在儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量時(shí)序功率，以每0.2 s 有功功率平均值為一點(diǎn)，記錄實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；

（7）以每次有功功率變化后的第二個(gè)15 s計(jì)算15 s有功功率平均值；

（8）計(jì)算步驟（6）各點(diǎn)有功功率的控制精度、響應(yīng)時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間。

3.2 無(wú)功功率控制測(cè)試

在功率控制方面，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在其變流器額定功率運(yùn)行范圍內(nèi)應(yīng)具備四象限控制功能，有功功率和無(wú)功功率應(yīng)在圖5所示的陰影區(qū)域內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)[29]。根據(jù)GB/T 36548—2018《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測(cè)試規(guī)范》，測(cè)試方法如下：

圖5 有功-無(wú)功功率包絡(luò)圖Fig.5 The envelope of active-reactive power

將儲(chǔ)能系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連，所有參數(shù)調(diào)至正常工作條件，進(jìn)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力充/放電模式測(cè)試，測(cè)試時(shí)指令從EMS下發(fā)，步驟如下：

（1）設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)充/放電有功功率為PN；

（2）調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在輸出最大感性無(wú)功功率工作模式；

（3）在儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量時(shí)序功率，至少記錄30 s 有功功率和無(wú)功功率，以每0.2 s 功率平均值為一點(diǎn)，計(jì)算第二個(gè)15 s內(nèi)有功功率和無(wú)功功率的平均值；

（4）分別調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電有功功率為0.9PN、0.8PN、 0.7PN、 0.6PN、 0.5PN、 0.4PN、 0.3PN、0.2PN、0.1PN、0，重復(fù)步驟（2）～（3）；

（5）調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在輸出最大容性無(wú)功功率工作模式，重復(fù)步驟（3）～（4）；

（6）以有功功率為橫坐標(biāo)，無(wú)功功率為縱坐標(biāo)，繪制儲(chǔ)能系統(tǒng)功率包絡(luò)圖。

3.3 充放電響應(yīng)性能測(cè)試

測(cè)試過(guò)程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)受到信號(hào)控制至充放電功率首次達(dá)到90%額定功率的時(shí)刻定義為充放電響應(yīng)時(shí)間，儲(chǔ)能系統(tǒng)受到信號(hào)控制至充放電功率首次達(dá)到額定功率的時(shí)間定義為充放電調(diào)節(jié)時(shí)間。

測(cè)試過(guò)程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)受到信號(hào)控制至充放電功率首次達(dá)到90%額定功率的時(shí)刻定義為充放電響應(yīng)時(shí)間，儲(chǔ)能系統(tǒng)受到信號(hào)控制至充放電功率首次達(dá)到額定功率的時(shí)間定義為充放電調(diào)節(jié)時(shí)間。測(cè)試方法如下：

（1）在額定功率充放電條件下，記錄儲(chǔ)能系統(tǒng)收到控制信號(hào)的時(shí)刻t1，記錄儲(chǔ)能充/放電功率首次達(dá)到90%額定功率的時(shí)刻，記為t2，t2減去t1即為充/放電響應(yīng)時(shí)間RTc，重復(fù)3次，充/放電響應(yīng)時(shí)間取3次結(jié)果中的最大值；

（2）在額定功率充放電條件下，記錄儲(chǔ)能系統(tǒng)收到控制信號(hào)的時(shí)刻t3，記錄儲(chǔ)能充/放電功率的偏差維持在額定功率±2%以內(nèi)的起始時(shí)刻，記為t4，t4減去t3即為充/放電調(diào)節(jié)時(shí)間ATc，重復(fù)3次，充/放電調(diào)節(jié)時(shí)間取3次結(jié)果中的最大值[28]。

3.4 能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 36548—2018《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測(cè)試規(guī)范》，儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率轉(zhuǎn)換效率是指儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率放電時(shí)輸出能量與同循環(huán)過(guò)程中額定功率充電時(shí)輸入能量的比值[28]。測(cè)試方法如下：

（1）在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)在額定功率充放電條件下，以額定功率放電至放電終止條件時(shí)停止放電，再以額定功率充電至充電終止條件時(shí)停止充電。記錄本次充電過(guò)程中儲(chǔ)能系統(tǒng)充電的能量Ec和輔助能耗Wc；

（2）以額定功率放電至放電終止條件時(shí)停止放電。記錄本次放電過(guò)程中儲(chǔ)能系統(tǒng)放電的能量En和輔助能耗Wn；

（3）重復(fù)以上步驟3次，記錄每次充放電能量Ec、En和輔助能耗Wc、Wn，按照以下公式計(jì)算能量轉(zhuǎn)換效率η[21]：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果如表3～表8和圖6所示。

圖6 項(xiàng)目A和C有功-無(wú)功功率包絡(luò)圖Fig.6 The envelope of active-reactive power of project A and C

表8 2 C充放電下能量轉(zhuǎn)換效率Table 8 Energy conversion efficiency of charging/discharging at 2 C

（1）有功功率測(cè)試結(jié)果

對(duì)4個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行有功功率控制測(cè)試，選取升功率結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)表3～表6 的對(duì)比，總體上看，在有功控制性能測(cè)試方面，項(xiàng)目A、B 的控制精度均值分別為0.51%和0.62%、響應(yīng)時(shí)間的均值分別為0.578 s 和0.340 s、調(diào)節(jié)時(shí)間均值分別為0.625 s 和0.356 s；項(xiàng)目C 和項(xiàng)目D 的控制精度均值分別為1.13%和0.78%、響應(yīng)時(shí)間的均值分別為1.499 s 和0.642 s、調(diào)節(jié)時(shí)間均值分別為1.718 s和0.926 s；可以看出，高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)功率的控制精度及控制時(shí)間較優(yōu)于低壓并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)。在低壓并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，以5 MW 儲(chǔ)能單元為例，儲(chǔ)能管理系統(tǒng)在接收到指令后需要將指令下發(fā)到儲(chǔ)能單元，每個(gè)儲(chǔ)能單元通過(guò)8 臺(tái)PCS 控制電池出力，完成相應(yīng)指令。而在高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，儲(chǔ)能單元只需要通過(guò)控制1臺(tái)PCS便可完成對(duì)電池的控制，因此縮短了響應(yīng)時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間。

表3 項(xiàng)目A 升功率控制測(cè)試結(jié)果表Table 3 Results of liter power of project A

表4 項(xiàng)目B 升功率控制測(cè)試結(jié)果表Table 4 Results of liter power of project B

表6 項(xiàng)目D 升功率控制測(cè)試結(jié)果表Table 6 Results of liter power of project D

表5 項(xiàng)目C 升功率控制測(cè)試結(jié)果表Table 5 Results of liter power of project C

（2）無(wú)功功率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)項(xiàng)目A 和項(xiàng)目C 的有功-無(wú)功功率包絡(luò)圖(圖6)分析，配置了高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的項(xiàng)目A 的無(wú)功功率控制范圍大于配置了低壓并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的項(xiàng)目C。這是由于低壓并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)變壓器升壓再接入電網(wǎng)，由于變壓器本身能夠在充放電過(guò)程中吸收或釋放非常大的無(wú)功，會(huì)對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功控制造成非常大的影響，而許多EMS 系統(tǒng)在無(wú)功控制方面缺少對(duì)于變壓器無(wú)功影響的補(bǔ)償調(diào)整，導(dǎo)致低壓并聯(lián)方案一方面無(wú)功控制能力受限，另一方面無(wú)功功率的控制精度較差。而高壓級(jí)聯(lián)方案不受升壓變的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功功率的四象限控制，無(wú)論控制范圍還是控制精度明顯更具優(yōu)勢(shì)。

（3）充放電響應(yīng)/調(diào)節(jié)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

對(duì)4 個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行充放電響應(yīng)及調(diào)節(jié)時(shí)間測(cè)試，根據(jù)表7 可得，配置了高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的項(xiàng)目A 和項(xiàng)目B 的充放電響應(yīng)時(shí)間均明顯優(yōu)于配置了低壓并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的項(xiàng)目C 和D。這是由于為了達(dá)到高電壓及大容量的需求，低壓并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)需要采用更多的PCS 等器件串并聯(lián)，以10 MW 左右的這4 個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目為例，高壓級(jí)聯(lián)系統(tǒng)只需要控制2 臺(tái)5 MW PCS 同時(shí)出力，而低壓并聯(lián)方案需要控制16 臺(tái)PCS 同時(shí)出力，這樣增加整個(gè)系統(tǒng)控制復(fù)雜度，影響儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電響應(yīng)和調(diào)節(jié)速率，因此高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)和調(diào)節(jié)時(shí)間較短。

表7 充放電響應(yīng)/調(diào)節(jié)時(shí)間表Table 7 Response/Regulation time of charge/discharge

（4）能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果

對(duì)項(xiàng)目A 和項(xiàng)目C 進(jìn)行2 C 倍率充放電下的能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試，根據(jù)表8 分析，項(xiàng)目A 在2 C 充放電倍率下的能量轉(zhuǎn)換效率為84.45%，高于項(xiàng)目C 的82.32%。由于高壓級(jí)聯(lián)技術(shù)通過(guò)逆變級(jí)聯(lián)后直接接入電網(wǎng)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)升壓變壓器，從而減少了系統(tǒng)的損耗；其次，通過(guò)串聯(lián)電池簇作為PCS 的一相，能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)電池簇的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)簇間均衡，從而降低整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)直流側(cè)的損耗；再加上每個(gè)H 橋單元的低載波頻率又降低了開(kāi)關(guān)損耗，使得配置了高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的項(xiàng)目A 的能量轉(zhuǎn)換效率較高。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，在火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目中，由于高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的PCS 數(shù)量較少，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能力，因此其響應(yīng)時(shí)間更短，功率控制的精度更高；此外，大部分EMS 缺少對(duì)于變壓器無(wú)功影響的補(bǔ)償調(diào)整，導(dǎo)致了低壓并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功功率控制能力較差，加上升壓變壓器的損耗，使得高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換效率方面更具有優(yōu)勢(shì)。

5 高壓級(jí)聯(lián)式儲(chǔ)能系統(tǒng)在國(guó)能集團(tuán)的應(yīng)用實(shí)踐

目前，伴隨南方地區(qū)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)逐漸成熟，廣東地區(qū)的火電廠已逐漸完成火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的改造。為了提升機(jī)組輔助調(diào)頻的能力，為電網(wǎng)輸送高質(zhì)量的調(diào)頻資源，國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司對(duì)自身機(jī)組展開(kāi)靈活性(輔助調(diào)頻)技術(shù)改造?；诨痣姍C(jī)組的容量、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)頻需求以及保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，該項(xiàng)目共配置了60 MW/60 MWh的電池系統(tǒng)?？紤]到提升機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k和大容量的電池系統(tǒng)，為了減少能量損耗以及降低儲(chǔ)能單元并聯(lián)導(dǎo)致電池系統(tǒng)一致性的安全風(fēng)險(xiǎn)，選擇了高壓級(jí)聯(lián)PCS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)最大的火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目，項(xiàng)目于2022 年4 月份開(kāi)始建設(shè)，計(jì)劃2022年底實(shí)現(xiàn)正式投運(yùn)。

項(xiàng)目計(jì)劃在1、2號(hào)機(jī)組和6、7號(hào)機(jī)組6 kV廠用電系統(tǒng)分別加裝一套25 MW/25 MWh和35 MW/35 MWh的磷酸鐵鋰電化學(xué)儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)，分別接入1、2、6、7號(hào)機(jī)組6 kV母線，1、2號(hào)機(jī)組儲(chǔ)能單元系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。儲(chǔ)能電池系統(tǒng)共計(jì)12 套5 MW/5 MWh 級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能單元，儲(chǔ)能系統(tǒng)單元采取級(jí)聯(lián)H橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一次電路采用星形連接，每相由13個(gè)鏈節(jié)串聯(lián)組成；每個(gè)鏈節(jié)由1個(gè)功率單元和1個(gè)電池柜組成，如圖8所示。每個(gè)電池柜的額定直流電壓為716.8 V，容量為129.024 kWh，每個(gè)電池柜由14 個(gè)51.2 V/9.216 kWh 電池箱串聯(lián)組成。該項(xiàng)目技術(shù)路線具有以下特點(diǎn)：

圖7 國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司1、2號(hào)機(jī)組儲(chǔ)能單元系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.7 Topology diagram of energy storage system in Taishan project

圖8 國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能單元拓?fù)鋱DFig.8 Topology diagram of high-voltage cascaded energy storage system in Taishan project

（1）該項(xiàng)目采用級(jí)聯(lián)型H 橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器，一次電路采用星形連接，每相由13 個(gè)鏈節(jié)串聯(lián)組成；每個(gè)鏈節(jié)由1 個(gè)功率單元和1 個(gè)電池柜組成，除此之外，該項(xiàng)目配備的PCS 具有簇間主動(dòng)均衡功能，減小簇間SOC偏差，提高電池壽命；

（2）該項(xiàng)目采用無(wú)電池簇并聯(lián)方式，直接與電網(wǎng)連接，不僅解決儲(chǔ)能電池大規(guī)模串并聯(lián)導(dǎo)致的木桶短板效應(yīng)，還提高了系統(tǒng)的安全性；

（3）為了進(jìn)一步降低安全風(fēng)險(xiǎn)，該項(xiàng)目還采用了“四級(jí)”安全消防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全可靠、高效準(zhǔn)確的消防預(yù)警和火災(zāi)抑制。

通過(guò)上述特點(diǎn)，在項(xiàng)目建設(shè)及后期運(yùn)行中，結(jié)合機(jī)組實(shí)際調(diào)頻情況，將對(duì)高壓級(jí)聯(lián)功率轉(zhuǎn)換器的控制策略以及“四級(jí)”消防系統(tǒng)對(duì)火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目安全性的保障兩方面開(kāi)展深入研究，為其他火儲(chǔ)聯(lián)調(diào)項(xiàng)目提供技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié) 論

（1）廣東地區(qū)火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目中的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要以低壓并聯(lián)的單級(jí)PCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高壓級(jí)聯(lián)PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主。本工作通過(guò)并網(wǎng)性能測(cè)試對(duì)廣東地區(qū)投運(yùn)中的儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，以實(shí)證化的手段研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)在火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目中的性能差異：由于高壓級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需要的PCS 數(shù)量較少，系統(tǒng)復(fù)雜程度低，因此協(xié)調(diào)控制能力高于低壓并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間更短，響應(yīng)精度更高；而且高壓級(jí)聯(lián)系統(tǒng)無(wú)需經(jīng)過(guò)升壓變壓器，降低了損耗，消除升壓變壓器對(duì)無(wú)功功率的影響，提高了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，也提高了系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率控制的能力。

（2）國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司基于自身機(jī)組情況和調(diào)頻需求，有針對(duì)性地選擇了高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)目前最大的火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目。該項(xiàng)目搭配了60 MW/60 MWh磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，結(jié)合“四級(jí)”消防系統(tǒng)，以便后續(xù)開(kāi)展高壓級(jí)聯(lián)PCS控制策略和消防安全策略的研究，為其他火儲(chǔ)聯(lián)調(diào)項(xiàng)目提供技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。