王立娜 ，譚麗平 ，徐志強 ，譚 鑫 ，吳昌龍 ，葉 暉 ，李愛魁

（1湖南經(jīng)研電力設(shè)計有限公司；2國網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院；3規(guī)模化電池儲能應(yīng)用技術(shù)湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410001；4大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

隨著新能源占比增加，電力輔助服務(wù)需求相應(yīng)增大[1]，通過火電機(jī)組和新能源機(jī)組靈活性改造可部分減緩輔助服務(wù)的不足，但降低了電源側(cè)的經(jīng)濟(jì)性和效率，不符合“碳達(dá)峰、碳中和”長遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。儲能可從根本上解決新能源波動性和間歇性帶來的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和可靠供電問題。電化學(xué)儲能具有響應(yīng)速度快、選址靈活且建設(shè)規(guī)?？煽氐忍攸c，是應(yīng)對高比例性能源、高電力電子化特征的新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[2]。新版《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》對新能源場站提出了10%的調(diào)節(jié)能力要求[3]，使儲能電站的一次調(diào)頻能力日益受到重視。

一次調(diào)頻是指電網(wǎng)通過調(diào)節(jié)電源、負(fù)荷等資源的并網(wǎng)有功功率以實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)功率平衡。在傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)中，通過傳統(tǒng)火電、水電機(jī)組響應(yīng)AGC信號維持系統(tǒng)能量平衡[4]。風(fēng)光等新能源具有波動性、隨機(jī)性等特點，隨著此類新能源并網(wǎng)容量增加，新型電力系統(tǒng)能量不平衡現(xiàn)象加劇[5]，傳統(tǒng)能源調(diào)頻速度慢，在響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令時具有一定滯后性，甚至?xí)霈F(xiàn)反向調(diào)節(jié)之類的錯誤動作。儲能根據(jù)頻率偏差值及死區(qū)限制迅速調(diào)節(jié)出力時間及動作幅度參與一次調(diào)頻，相比傳統(tǒng)資源，其響應(yīng)速度更快、更靈活，更適用于高度電力電子化的新型電力系統(tǒng)一次調(diào)頻。

由國家標(biāo)準(zhǔn)《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗導(dǎo)則》可知，在頻率階躍擾動實驗中，儲能電站的一次調(diào)頻性能要求比傳統(tǒng)火電/光熱/燃?xì)?燃油機(jī)組及核電/水電/新能源等其他電源明顯提高[6]。儲能電站的響應(yīng)時間(包含滯后、上升、調(diào)節(jié)時間)相比傳統(tǒng)機(jī)組可減少數(shù)秒至數(shù)十秒不等[7]，因此同等條件下儲能電站具有更優(yōu)一次調(diào)頻性能，已經(jīng)應(yīng)用于輔助火電機(jī)組二次調(diào)頻，提升了調(diào)頻指令執(zhí)行能力。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)具有高新能源占比、高電力電子化的“雙高”特征，慣量不足導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動性較強。當(dāng)前一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定中對于儲能電站響應(yīng)時間要求為秒級，需要對儲能電站響應(yīng)速度進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)而更快平抑電網(wǎng)頻率波動。

儲能參與一次調(diào)頻的形式主要包括獨立響應(yīng)一次調(diào)頻、聯(lián)合傳統(tǒng)機(jī)組參與一次調(diào)頻、聯(lián)合風(fēng)光等新能源參與一次調(diào)頻等。溫可瑞等[8]提出一種考慮電價波動場景下儲能參與一次調(diào)頻服務(wù)的“前瞻-值函數(shù)近似”混合運行策略，該策略包含儲能長期經(jīng)濟(jì)運行收益、一次調(diào)頻性能等多個目標(biāo)，策略仿真結(jié)果表明其兼顧全局經(jīng)濟(jì)效益、在線運算開銷及儲能資源的頻率響應(yīng)能力，運算求解時間超過8 s。Fang等[9]提出了一種用于儲能系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)的自適應(yīng)控制策略，在頻率衰減階段采用虛擬下垂控制和虛擬慣性控制來減緩頻率衰減。在頻率恢復(fù)階段，采用虛擬負(fù)慣性控制和虛擬下垂控制相結(jié)合的方法加速頻率恢復(fù)，并且考慮SOC 狀態(tài)來修正下垂系數(shù)，該策略能夠滿足頻率調(diào)節(jié)的要求，并有利于提高儲能單元的循環(huán)壽命。李慶成[10]以調(diào)頻效果為目標(biāo)提出儲能輔助火電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略，由仿真結(jié)果可知其采用PID 控制運算周期在1～2 s，具有較好調(diào)頻效果。傅質(zhì)馨等[11]提出基于SOC 和調(diào)節(jié)因子反饋的儲能輔助光伏參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化控制策略，策略考慮光伏可控減載運行控制、儲能電池壽命和調(diào)頻效果，仿真結(jié)果表明該策略運算周期為2～3 s，可有效減少儲能配置以降低光儲系統(tǒng)成本，同時儲能加入保障了該系統(tǒng)調(diào)頻效果?，F(xiàn)有文獻(xiàn)所提出策略考慮多因素、多功能，策略思想較為復(fù)雜造成運算周期較長(為秒級)。目前在運儲能電站或與機(jī)組耦合儲能系統(tǒng)/電站主要采用下垂或虛擬同步模式，無統(tǒng)一管控導(dǎo)致電站SOC均衡性較差，經(jīng)濟(jì)性也有待提升。

目前，儲能電池、變流器(power convert system，PCS)過載能力要求考慮分鐘級以上運行工況，如現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)電化學(xué)儲能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》規(guī)定儲能變流器過載能力滿足交流測電流在120%額定電流下持續(xù)運行時間不小于1 min[12]。而一次調(diào)頻為秒級調(diào)節(jié)，對儲能秒級過載能力未見研究，需要對PCS 秒級過載能力進(jìn)行分析優(yōu)化。

一次調(diào)頻功能成為電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)儲能電站的標(biāo)準(zhǔn)配置，圍繞一次調(diào)頻性能的電站集成設(shè)計、短時間尺度的設(shè)備選型配置及過載能力，滿足高低頻調(diào)節(jié)能力的SOC 控制等有待研究。特別是對其設(shè)備選型及參數(shù)要求、動態(tài)響應(yīng)能力以及一次調(diào)頻能力的具體要求并沒有細(xì)化，導(dǎo)致現(xiàn)有一次調(diào)頻電化學(xué)儲能電站設(shè)計仍是參考了能量型儲能電站的技術(shù)要求，在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性方面仍有較大的優(yōu)化空間。本工作針對上述問題，在響應(yīng)時間、過載能力兩方面對儲能電站進(jìn)行優(yōu)化，提出了縮短通訊、策略算法等方面響應(yīng)時間的方案和提高儲能PCS 過載能力方案，并通過某在運儲能電站實現(xiàn)了試驗驗證。

1 響應(yīng)時間

電化學(xué)儲能電站由電池、變流器及控制系統(tǒng)等組成，其中電池充放電時的電場轉(zhuǎn)換時間為微秒級，變流器和控制器動作時間為毫秒級，因此儲能電站響應(yīng)時間為毫秒級。分析儲能電站一次調(diào)頻在信息采集與傳輸系統(tǒng)、算法/策略運算回路和儲能變流器的響應(yīng)時間分布，優(yōu)化響應(yīng)速度是提高其調(diào)頻能力的主要方式。本工作對優(yōu)化空間較大的信息采集與傳輸系統(tǒng)和算法/策略運算回路響應(yīng)時間進(jìn)行了研究。

1.1 信息采集與傳輸

儲能電站響應(yīng)時間影響因素包含信號傳輸速度、PCS執(zhí)行速度、函數(shù)回路運算速度等。儲能電站的通信方式和通信規(guī)約是影響信號傳輸速度的重要因素，目前電力系統(tǒng)常用通信方式有光纖通信、以太網(wǎng)、RS485、電力載波等。當(dāng)儲能電站進(jìn)行一次調(diào)頻時，通過專用頻率變送裝置采集并網(wǎng)點頻率，傳送給儲能電站EMS，通過下垂函數(shù)換算為有功功率值下發(fā)給PCS 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也可以傳送給PCS做函數(shù)計算，此信息傳遞過程如圖1所示。

圖1 儲能電站一次調(diào)頻信息流動示意圖Fig.1 Schematic diagram of primary frequency regulation information flow of energy storage power station

其中一次調(diào)頻信息采集與傳輸響應(yīng)時間包含電網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)或測控裝置處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)、保護(hù)或測控裝置將頻率等數(shù)據(jù)發(fā)送給儲能系統(tǒng)EMS 或協(xié)調(diào)控制器、儲能系統(tǒng)的通信時延及指令下發(fā)至PCS 這幾個主要過程，如圖2 所示。其中數(shù)據(jù)處理計算時間T2一般需要5～6 個周波，約100～120 ms；測控裝置與儲能系統(tǒng)通信時延小于1 ms[13]，這兩部分過程時間較短。因此，本工作主要分析影響T1、T5過程時間的因素，并提出相應(yīng)優(yōu)化方案。

圖2 儲能電站一次調(diào)頻信息采集與傳輸響應(yīng)時間分解Fig.2 Decomposition diagram of primary frequency regulation response time of energy storage power station

首先，對于高速變化的動態(tài)被測量，本工作采用“無傳輸高速采樣存儲模式”，即連續(xù)采樣被測量并進(jìn)行存儲，待采樣過程結(jié)束之后，再對采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。這種方式實際測量頻率可以接近甚至等于采樣頻率，可有效提高采樣過程動態(tài)特性。同時對儲能電站信息采集器工作邏輯進(jìn)行改良，當(dāng)儲能電站進(jìn)行一次調(diào)頻響應(yīng)時，降低采樣常規(guī)運維數(shù)據(jù)和調(diào)峰所需數(shù)據(jù)的采集頻率及數(shù)據(jù)量，為一次調(diào)頻數(shù)據(jù)采集與傳輸提供更多空間，進(jìn)而提高儲能電站一次調(diào)頻響應(yīng)速度。

功率協(xié)調(diào)器或EMS 的指令下發(fā)給PCS 的通信方式主要包括以太網(wǎng)、RS485 和CAN 總線。以太網(wǎng)因信號衰減問題不適用于遠(yuǎn)距離傳輸，且抗環(huán)境干擾能力較差。RS485 采用Modbus 協(xié)議，Modbus 通訊協(xié)議為主從結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致作為從站不能立刻把信息傳輸出去，需要等待主站進(jìn)行詢問。CAN 總線采用無主結(jié)構(gòu)的CANBus 協(xié)議，其無需等待總站的詢問，在通信方式上更加靈活，可以縮短通信時間。

綜上可知，本工作采用無傳輸高速采集方式和分類優(yōu)先采集邏輯，以提高數(shù)據(jù)采集過程速度，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，選用IEC104 傳輸數(shù)據(jù)至儲能電站EMS 或協(xié)調(diào)控制器，在下發(fā)PCS 動作指令過程中采用CAN 總線，以廣播方式傳輸指令信息，減少傳遞時間。

1.2 策略及算法運算周期

儲能電站一次調(diào)頻響應(yīng)時間優(yōu)化可從影響運算周期的控制策略與求解算法兩方面入手。選用簡單、有效的策略和求解速度快、可靠性較高算法可縮短儲能電站運算回路周期，進(jìn)而提高儲能電站動態(tài)響應(yīng)性能。電力系統(tǒng)控制策略的求解算法主要包括經(jīng)典數(shù)學(xué)方法、智能優(yōu)化算法、強化學(xué)習(xí)等[14-17]，綜合不同求解算法特點與儲能電站設(shè)計工況，本工作選用求解速度快、可靠性高的內(nèi)點算法?，F(xiàn)有一次調(diào)頻策略大致分為下垂控制、慣性下垂控制以及虛擬同步機(jī)VSG 控制等[9-10]，通過不同策略特點分析，本工作選取SOC 比例均衡控制策略，其保證響應(yīng)時間的同時能夠減少因各儲能單元SOC 不均衡導(dǎo)致的損害電池健康的問題。該策略思想為根據(jù)各儲能電池組SOC狀態(tài)確定其輸出功率修正系數(shù)，該系數(shù)定義為SOC均衡因子GSOC,i，具體策略流程如圖3所示，當(dāng)需要儲能電站放電時，根據(jù)電池組SOC從高到低對GSOC,i依次賦值。當(dāng)需要儲能電站充電時，根據(jù)電池組SOC從低到高對GSOC,i依次賦值，SOC均衡因子表達(dá)式如式(1)～(4)。

圖3 儲能電站一次調(diào)頻SOC均衡策略流程圖Fig.3 Flow chart of primary frequency regulation SOC balance strategy for energy storage power station

式中，SOCi為第i個模塊的SOC 狀態(tài)值，為整站SOC 狀態(tài)均值或該站設(shè)定SOC 期望值，ΔSOCi為SOC差值，Pi為第i個模塊輸出功率值，Pref為需求功率值。根據(jù)式(5)計算策略SOC均衡效果。

該一次調(diào)頻策略思路簡潔，相比多目標(biāo)、多功能的儲能電站一次調(diào)頻策略更易求解，回路運算周期短，適用于工程實際。

2 過載能力

PCS 過載能力與功率器件、接觸器、變壓器、電抗器、電容等有關(guān)，其中功率器件性能是過載能力的敏感性因素。PCS過載能力主要受其內(nèi)部功率器件(模塊)性能、PCS熱管理等方面影響。在模塊制造層面，可通過改進(jìn)模塊內(nèi)部電流分布均衡性提升功率模塊容量，進(jìn)而提升PCS過載能力[18]。目前儲能電站所選用芯片模塊布局設(shè)計大部分已有固定生產(chǎn)體系，且已考慮芯片電流均衡性。

PCS功率器件的電流過載能力除了與本身容量有關(guān)外，功率模塊最高運行結(jié)溫也是決定其過載倍率的重要因素，功率模塊的結(jié)溫調(diào)控可以幫助提升其短時過載能力[19]。導(dǎo)致功率器件結(jié)溫變化的原因為運行期間產(chǎn)生的損耗以熱形式轉(zhuǎn)換，而功率器件損耗Ploss與其開關(guān)頻率及次數(shù)密切相關(guān)，二者呈正比關(guān)系，其表達(dá)式[20]如式(6)：

式中，fsw為開關(guān)頻率，Eon和Eoff分別為開通和關(guān)斷損耗，Iref、Vref、Tref為計算時給定參考電流、電壓及溫度，Iout為逆變輸出電流，VDC為功率器件直流母線電壓，Tj為功率器件結(jié)溫，KV為開關(guān)損耗電壓關(guān)系參數(shù)，TCESW為開關(guān)損耗溫度系數(shù)。

目前儲能電站用變流器類型多為三電平變流器，其中影響開關(guān)頻率的重要因素為其調(diào)制方式，常見調(diào)制方式包括脈寬調(diào)制(PWM)、正選脈寬調(diào)制(SPWM)及空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)等。三電平SVPWM 調(diào)制分為七段式、九段式等不同矢量插入形式，零矢量插入形式不同導(dǎo)致開關(guān)動作次數(shù)及頻率不同，隨著段數(shù)增加變流器開關(guān)頻率增大，功率器件損耗增大。因此，降低功耗需要適當(dāng)減少開關(guān)頻率，同時避免諧波超標(biāo)。本工作通過隨工況變化的開關(guān)頻率控制實現(xiàn)功率器件結(jié)溫調(diào)控，即儲能PCS 正常工作(未超過其滿載條件)時，變流器則采用九段式SVPWM 調(diào)制方式；當(dāng)儲能PCS 過載工況時，流經(jīng)PCS 電流IPCS會超過其額定大小，此時變流器則采用七段式SVPWM 調(diào)制方式，降低開關(guān)頻率，有效減小功率器件熱耗，進(jìn)而降低最高結(jié)溫，提升PCS 過載能力。本工作構(gòu)建三電平的儲能PCS 仿真模型，仿真中除開關(guān)頻率外，其他參數(shù)保持完全相同，PCS 額定功率為500 kW，直流側(cè)電壓1200 V，交流輸出電壓690 V(線電壓)，交流電流416 A，開關(guān)頻率10 kHz，仿真電流波形如圖4所示。

圖4 三相交流電流波形圖Fig.4 Inverter three-phase AC current waveform

本工作通過功率器件損耗值表達(dá)儲能PCS 過載能力提升效果，因此通過對電壓與電流乘積進(jìn)行積分，計算變流器內(nèi)部全部功率器件的鉗位二極管的損耗功率，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 逆變器功率器件損耗值計算結(jié)果Fig.5 Calculation result of inverter power device loss value

通過上述仿真結(jié)果可知，通過對開關(guān)頻率的降低，功率器件損耗功率降低約26.7%，使得PCS具備了更高的過載能力。當(dāng)然，開關(guān)頻率的降低也導(dǎo)致了并網(wǎng)電流品質(zhì)的下降，THD 由1.4%增加至3.5%，但依然小于5%，滿足GB/T 34120—2017《電化學(xué)儲能系統(tǒng)儲能變流器技術(shù)規(guī)范》的要求。

在變流器實際運行中，除損耗外，結(jié)溫還與環(huán)境溫度和散熱器效率等因素有關(guān)。當(dāng)前用于儲能PCS的散熱方式最多的是風(fēng)冷和水冷散熱[21]，更適用于穩(wěn)態(tài)工作條件，但對于瞬時過載等極端情況，會因熱量未及時散出而過溫失效，而相變散熱技術(shù)如浸沒、噴射、熱管等方式相比于單相氣冷、水冷等具有更高的熱導(dǎo)率，散熱效率更高。

根據(jù)以上分析，在PCS 設(shè)計選型中，選用具備一定的裕量的功率器件，同時當(dāng)需要過載時按上述方案對功率器件開關(guān)頻率進(jìn)行控制，而其他的設(shè)備則充分利用其自身的過載能力。考慮儲能電站整體經(jīng)濟(jì)性，其散熱方式采用常規(guī)風(fēng)冷。

3 試驗驗證

本工作試驗在負(fù)荷容量約500 MW 的220 kV孤網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，該孤網(wǎng)常規(guī)運行電源包含一臺350 MW 火電機(jī)組，一臺26 MW 水電機(jī)組，一臺50 MW 燃?xì)廨啓C(jī)，負(fù)荷包含沖擊性冶金負(fù)荷，頻率波動大，通過火電機(jī)組機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)和電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行，機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)頻繁動作對火電機(jī)組運行壽命和度電煤耗造成較大影響，頻繁切機(jī)影響水電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。本工作建設(shè)的儲能電站以獨立調(diào)頻模式參與平滑功率波動，減少機(jī)組和穩(wěn)控系統(tǒng)的動作頻次。儲能電站基本參數(shù)確定如表1所示，儲能電站規(guī)模為20 MW/10 MWh，共分為10 個儲能子系統(tǒng)，2 MW/1 MWh 磷酸鐵鋰電池儲能單元由4 個500 kW/250 kWh 磷酸鐵鋰電池簇組成，如圖6所示。

表1 儲能電站設(shè)計參數(shù)表Table 1 Energy storage power station design parameter table

圖6 儲能電站拓?fù)涫疽鈭DFig.6 Topology of energy storage power station

3.1 一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

在設(shè)置電化學(xué)儲能電站的一次調(diào)頻參數(shù)時，除了作為調(diào)頻電源的調(diào)頻死區(qū)、調(diào)差率等，還需要考慮電化學(xué)儲能電站在偏離額定功率出力時的運行效率較低，以及頻繁啟停對運行壽命的影響等因素。同時，還要分析沒有慣性的儲能電站投入或者退出時對電網(wǎng)的沖擊，防止形成新的擾動。為此，調(diào)頻參數(shù)還需要增加上調(diào)或者下調(diào)時的啟動頻率和截止頻率參數(shù)，以控制儲能電站的動作頻次，考慮慣量支撐，對于調(diào)差率也可進(jìn)行分區(qū)設(shè)置，進(jìn)而確保儲能電站在一次調(diào)頻時發(fā)揮最大效能，同時降低電站運行及壽命折舊成本。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 電化學(xué)儲能電站一次調(diào)頻參數(shù)表Table 2 The primary frequency modulation parameter table of electrochemical energy storage power station

3.2 動態(tài)響應(yīng)性能及過載能力驗證

基于功率型儲能電站的控制方式、設(shè)備選型和參數(shù)確定，對該電站動態(tài)響應(yīng)性能和過載能力進(jìn)行了測試驗證。儲能系統(tǒng)測試點在35 kV出線側(cè)，如圖6 所示。功率分析儀在PT、CT 二次側(cè)接入，用于記錄測試過程中的功率和充放電電量。測試儀器主要包含功率分析儀(橫河，WT1804E)和示波器(安捷倫，DSO-X 2024A)，部分測試現(xiàn)場接線如圖7所示。

圖7 儲能系統(tǒng)測試接線Fig.7 Test cables for energy storage system

通過電網(wǎng)分布式安穩(wěn)系統(tǒng)終端給儲能電站站級監(jiān)控系統(tǒng)(EMS)下發(fā)指令，控制儲能系統(tǒng)充放電，用功率分析儀和故障錄波裝置(南瑞繼保PCS-996R)測試了儲能電站在20 MW額定功率下的功率時間特性曲線和響應(yīng)時間曲線，如圖8 所示，通過本工作所提響應(yīng)時間優(yōu)化后，儲能電站完成20 MW 出力，充電響應(yīng)時間為181 ms，放電響應(yīng)時間為212 ms。

圖8 20 MW充放電響應(yīng)功率曲線Fig.8 Charge-discharge response power curve of 20MW energy storage station

采用文中所提過載能力提升思路對500 kW 儲能PCS優(yōu)化設(shè)計后，在過載情況下對其性能進(jìn)行驗證。該儲能PCS 直流側(cè)電壓范圍為580～850 V，圖9為其充放電轉(zhuǎn)換示波器截屏圖，為保證全SOC范圍內(nèi)的電流過載能力，測試的直流側(cè)電壓為最低點580 V，即相同功率下的最大過載電流。

圖9 儲能PCS不同功率下放電充電切換圖Fig.9 Discharge and charge switching diagram of energy storage PCS under different powers

驗證結(jié)果表明，PCS在600 kW充放電轉(zhuǎn)換時間為60 ms，750 kW 充放電轉(zhuǎn)換時間為80 ms，過載能力從120%額定功率提高到150%，充放電轉(zhuǎn)換時間延長20 ms，但仍然滿足國標(biāo)(GB/T 34120—2017)規(guī)定的100 ms要求?？紤]到單元器件發(fā)熱及壽命等約束條件，設(shè)計持續(xù)運行時間達(dá)到30 s。前述的電池系統(tǒng)采用大倍率電池，過載能力設(shè)計為150%額定電流下持續(xù)運行1 min，因此，功率型儲能電站的過載能力在國標(biāo)的基礎(chǔ)上，可設(shè)計為150%額定功率下持續(xù)運行30 s，設(shè)備參數(shù)設(shè)計對于一次調(diào)頻、穩(wěn)定等工況可變相提高50%的出力能力，降低了功率成本。

基于本工作設(shè)計優(yōu)化儲能PCS具備150%額定功率的過載能力，對儲能電站整體過載充放電控制也進(jìn)行了測試，其結(jié)果如圖10 所示，儲能系統(tǒng)具備相應(yīng)過載充放電能力，即22 MW 持續(xù)工作1 min，24 MW 持續(xù)工作1 min，30 MW 持續(xù)工作30 s。

圖10 儲能電站過載充放電功率控制測試曲線Fig.10 Diagram of the test curve of overload charging and discharging power control of energy storage power station

3.3 一次調(diào)頻性能驗證

根據(jù)表進(jìn)行一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)定，考慮到一次調(diào)頻試驗對電網(wǎng)的潛在影響，進(jìn)行了20%限幅，限幅值為±4 MW。把儲能電站設(shè)置為自動跟蹤頻率運行模式，用儲能電站EMS 記錄電站運行，圖11 和圖12 是儲能電站并網(wǎng)點頻率曲線以及對應(yīng)的儲能電站出力曲線。

圖11 儲能投入前后儲能電站頻率監(jiān)控界面Fig.11 Energy storage monitoring page before and after the commissioning of energy storage power station

圖12 儲能電站輸出功率實時跟蹤頻率變化監(jiān)控界面Fig.12 Real-time tracking frequency change monitoring interface diagram of output power of energy storage power station

由驗證結(jié)果可知，孤網(wǎng)中的儲能一次調(diào)頻投入之后，對頻率進(jìn)行了顯著平滑作用，進(jìn)而減少了發(fā)電機(jī)組的動作頻次，降低機(jī)組損耗。

圖13 是孤網(wǎng)內(nèi)一臺100 MW 變壓器主變跳變導(dǎo)致全網(wǎng)負(fù)荷損失20%的情況，在無輔助調(diào)頻情況下需要高頻切機(jī)以保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。此網(wǎng)中儲能電站迅速進(jìn)行了異常參數(shù)捕捉，且完成準(zhǔn)確功率輸出，有效支撐電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性，保障火電機(jī)組平穩(wěn)運行，避免高頻切除水電機(jī)組的情況。

圖13 變電站故障工況下的儲能動作截圖Fig.13 Energy storage monitoring page before and after the commissioning of energy storage power station

4 結(jié)論與展望

現(xiàn)有的儲能電站多是基于調(diào)峰的能量型功能設(shè)計，考慮的都是長時連續(xù)運行能力，沒有充分挖掘儲能電站調(diào)頻工況下的秒級過載能力以及對設(shè)備參數(shù)的要求，導(dǎo)致一次調(diào)頻能力限幅或者功能閉鎖。本工作研究了電化學(xué)儲能電站一次調(diào)頻相關(guān)性能指標(biāo)，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并在區(qū)域孤網(wǎng)進(jìn)行試驗驗證，為電化學(xué)儲能電站主動支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運行提供了實踐依據(jù)。主要結(jié)論如下。

（1）本工作設(shè)計的20 MW/10 MWh 儲能電站在500 MW區(qū)域孤網(wǎng)中具有主動支撐作用，通過一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)計實現(xiàn)頻率波動平滑，保障了變電站主變跳變等故障導(dǎo)致孤網(wǎng)負(fù)荷率降低20%工況下的電網(wǎng)穩(wěn)定運行；

（2）通過綜合分析儲能電站設(shè)備特性，挖掘了短時間尺度的設(shè)備過載能力，通過PCS 內(nèi)部功率器件開關(guān)頻率控制方案及裕量選型，充放電功率可在150%過載工況下持續(xù)30 s，支撐了儲能電站一次調(diào)頻性能優(yōu)化，提高了其經(jīng)濟(jì)性；

（3）優(yōu)化儲能電站信息采集方式與邏輯，提出了考慮SOC 均衡的功率分配策略及算法，可快速響應(yīng)區(qū)域孤網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)指令，儲能電站滿功率執(zhí)行穩(wěn)控系統(tǒng)指令的充放電響應(yīng)時間分別為181 ms 和212 ms。