中國儲能網(wǎng)訊：近年來，隨著風光裝機量的快速增長、新能源滲透率的快速提升，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行受到了較大的挑戰(zhàn)。新能源的高滲透率，減少了同步發(fā)電機組在電網(wǎng)中的比例，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定；新能源通過大量的電力電子裝置并入電網(wǎng)（光伏逆變器、儲能變變器等），增加了整個系統(tǒng)的非線性，降低系統(tǒng)慣量水平，惡化頻率響應特性，增加了電力系統(tǒng)的失穩(wěn)風險。如2019年8月9日英國出現(xiàn)的大停電，Little Barford 燃氣電站停機引發(fā)系統(tǒng)頻率下降，繼而霍恩海的海上風電出力下降，進而引發(fā)低頻減載動作導致大規(guī)模停電事故。然而英國在2019年的風電、光伏裝機占比僅33%，而碳中和目標實現(xiàn)時風電、光伏的占比將遠超33%，基于中國的實際情況，在碳中和目標實現(xiàn)時新能源的裝機占比將高達80%左右。
因此，調(diào)頻資源逐步成為電力系統(tǒng)的緊缺資源。二次調(diào)頻，也稱為自動發(fā)電控制（AGC），是指發(fā)電機組提供足夠的可調(diào)整容量及一定的調(diào)節(jié)速率，在允許的調(diào)節(jié)偏差下實時跟蹤頻率，以滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的要求。二次調(diào)頻可以做到頻率的無差調(diào)節(jié)，且能夠?qū)β?lián)絡(luò)線功率進行監(jiān)視和調(diào)整。電網(wǎng)AGC調(diào)頻功能主要由包括火電、水電、燃氣機組等常規(guī)電源提供，但由于這些電源系統(tǒng)都具有響應慣性，將一次能源轉(zhuǎn)換成電能將經(jīng)歷一系列復雜過程，特別是火電機組的AGC調(diào)頻性能較差，經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)延遲、超調(diào)或欠調(diào)等情況。
新型儲能系統(tǒng)能夠快速充放電并精準輸出功率，調(diào)頻效果遠好于常規(guī)發(fā)電機組，綜合來看，儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果約是水電機組的1.4倍，是天然氣機組的2.3倍，是燃煤機組的20倍以上。江蘇、山東、甘肅、廣東等相關(guān)地區(qū)針對新型儲能參與調(diào)頻已出臺相關(guān)鼓勵政策。
儲能輔助發(fā)電機組參與AGC調(diào)頻，利用儲能的快速、精準響應特性彌補常規(guī)發(fā)電機組的的缺點，引入相對少量的新型儲能（容量3%左右）就能夠有效地提高電網(wǎng)調(diào)頻能力。
儲能技術(shù)路線選擇
儲能技術(shù)在發(fā)電側(cè)調(diào)頻方面的應用，對儲能設(shè)備本體、儲能系統(tǒng)的集成及EMS系統(tǒng)提出了很高的要求，主要表現(xiàn)在：
（1）對儲能系統(tǒng)可靠性的高要求
新型儲能系統(tǒng)并入發(fā)電廠后，與發(fā)電機組聯(lián)合運行，儲能系統(tǒng)作為發(fā)電系統(tǒng)的一部分，在任何情況下儲能系統(tǒng)的投\退、運行異常等情況均不能對發(fā)電機組的正常運行和安全生產(chǎn)造成不利影響；同時，發(fā)電機組在運行異?；蚬收系那闆r下，也不應對儲能系統(tǒng)和儲能設(shè)備本體造成沖擊和損害，這對儲能系統(tǒng)的控制和儲能設(shè)備的運行保護提出了很高的要求。
（2）對儲能系統(tǒng)運行壽命及安全的高要求
我國不同區(qū)域電力系統(tǒng)運行情況差別大，AGC調(diào)頻指令的大小、持續(xù)時間、頻次差別較大。以內(nèi)蒙古、山西、廣東等地區(qū)為例，AGC調(diào)頻的平均日指令數(shù)量達數(shù)百次，這就要求儲能系統(tǒng)具備快速、頻繁地充放電能力，對儲能系統(tǒng)的運行壽命提出很高的要求。儲能系統(tǒng)的充放電倍率大、運行過程中的發(fā)熱量大，對儲能系統(tǒng)的長期安全運行帶來很大的挑戰(zhàn)。
（3）對儲能系統(tǒng)響應速度的高要求
表征AGC機組調(diào)頻性能的參數(shù)有4個，分別是：調(diào)節(jié)速率（K1）、響應時間（K2）、調(diào)節(jié)精度（K3）以及綜合性能指標（Kp）。響應時間指的是發(fā)電單元響應AGC指令的時間延時，儲能系統(tǒng)應用于AGC調(diào)頻的一大優(yōu)勢在于其快速響應能力，儲能系統(tǒng)能夠在秒級進行大功率的充放電，能夠大幅提升響應時間指標（K2）。
（4）對儲能系統(tǒng)充放電倍率的高要求
AGC調(diào)頻性能的調(diào)節(jié)速率（K1）指發(fā)電單元響應AGC指令的速率，即整個發(fā)電單元的爬坡速率，該指標要求參與調(diào)頻的儲能系統(tǒng)在最短的時間內(nèi)聯(lián)合發(fā)電機組達到目標調(diào)節(jié)值。因此，一定的容量下，充放電倍率越高的儲能系統(tǒng)，調(diào)節(jié)速率K1就越大。
綜上分析可知，AGC調(diào)頻具有調(diào)用頻繁高、充放電倍率大、響應時間短、安全性要求高等特性，屬于典型的功率型應用場景。目前國內(nèi)運行的AGC調(diào)頻儲能系統(tǒng)大部分采用了鋰離子電池技術(shù)，已經(jīng)在應用過程中暴露出了使用壽命短、安全隱患高等弊端。而飛輪儲能系統(tǒng)的充放電次數(shù)幾乎不受限制，具有很高的功率密度和安全特性，但飛輪儲能系統(tǒng)的能量成本較高，在承擔大時長的調(diào)頻指令時經(jīng)濟性差。若采用能量型鋰離子電池與功率型飛輪儲能組成混合式儲能系統(tǒng)，則可充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達到更好的性能指標。
儲能調(diào)頻系統(tǒng)工作原理
根據(jù)《電力市場調(diào)頻輔助服務交易實施細則》中的規(guī)定，調(diào)頻市場以發(fā)電單元的調(diào)頻里程為交易標的，以發(fā)電單元響應AGC指令的調(diào)節(jié)速率（K1）、響應時間（K2）和調(diào)節(jié)精度（K3）三個技術(shù)指標構(gòu)成的綜合調(diào)頻性能指標（Kp）為基礎(chǔ)。
▲火電機組運行中典型的AGC設(shè)點控制過程
在AGC調(diào)頻中，電網(wǎng)調(diào)度指令下發(fā)到火電機組，儲能系統(tǒng)同時獲取該AGC指令并參與到調(diào)頻過程中，由于火電機組響應速度較慢（分鐘級），儲能系統(tǒng)利用自身響應速度快（秒級）的特性彌補機組出力與AGC指令間的功率差值。隨著火電機組的出力逐步增加，儲能系統(tǒng)的出力隨之降低，以確保儲能系統(tǒng)和火電機組的聯(lián)合出力與AGC調(diào)度指令保持一致，實現(xiàn)高調(diào)頻性能指標。
▲儲能系統(tǒng)的AGC調(diào)頻出力特性
新型混合儲能系統(tǒng)控制策略
混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)由儲能單元、儲能變流器(PCS)、變壓器、配電設(shè)施等組成。儲能單元采用飛輪與鋰離子電池兩種儲能技術(shù)，飛輪和鋰離子電池儲能按一定的比例搭配，組成混合儲能系統(tǒng)共同輔助發(fā)電機組響應AGC調(diào)頻指令。飛輪儲能系統(tǒng)功率密度大，壽命長，適合短時大功率、頻繁地充放電場景。鋰離子電池儲能系統(tǒng)能量密度大，適合較長時間的功率和能量支撐，通過結(jié)合兩種儲能系統(tǒng)的優(yōu)點，可提升儲能系統(tǒng)的調(diào)頻性能、壽命，進而實現(xiàn)經(jīng)濟收益的最大化。
▲混合儲能系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
混合儲能系統(tǒng)工作機制為：當混合儲能系統(tǒng)接受到AGC指令時，飛輪與鋰離子電池混合儲能立即進行放（充）電響應，在發(fā)電機組的出力沒有響應之前，混合儲能系統(tǒng)以額定功率出力支撐，飛輪儲能在這個時段將儲電完全釋放（或充滿）后退出，當機組進入平穩(wěn)運行階段（T2至T3時段）時，鋰離子電池儲能退出，飛輪再次啟動并快速充電（放電），修正火電機組出力與AGC調(diào)度指令之間偏差，直至本次指令結(jié)束。
▲混合儲能系統(tǒng)控制策略
（1）對于短時間/小功率指令，由飛輪儲能系統(tǒng)單獨出力
據(jù)統(tǒng)計，AGC調(diào)頻功率小于機組額定功率1%的指令數(shù)量超過總指令數(shù)量的40%。且隨著新能源滲透率的提升，此類小指令呈上升態(tài)勢。對于此類指令可由飛輪儲能系統(tǒng)單獨出力響應。如飛輪儲能系統(tǒng)儲能量已能滿足指令需求，或者飛輪儲能系統(tǒng)與機組配合可滿足指令需求，則無需鋰電儲能系統(tǒng)動作，減小鋰電池充放電次數(shù)。
（2）對于長時間/大功率指令，兩種儲能系統(tǒng)聯(lián)合出力
對于長時間/大功率指令，優(yōu)先由飛輪儲能系統(tǒng)承擔指令初期尖峰功率需求，當飛輪儲能系統(tǒng)單獨出力無法滿足調(diào)頻指令需求時，則由鋰電儲能系統(tǒng)及時介入并聯(lián)合出力，可以減小鋰電儲能系統(tǒng)的充放電倍率，避免尖峰出力時段充放電過程對鋰離子電池的沖擊，提高系統(tǒng)的運行安全，延長鋰離子電池的使用壽命。
（3）調(diào)節(jié)精度指標
AGC調(diào)頻過程中，火電機組出力到達AGC指令調(diào)度設(shè)點（T2-T3時段）附近時，發(fā)電機組實際出力與AGC指令值之間仍會存在偏差，在目標值附近上下波動。為了減小發(fā)電機組出力波動對調(diào)節(jié)精度指標K3的影響，可以調(diào)用飛輪儲能系統(tǒng)快速充放電進行彌補，提升機組調(diào)頻精度指標K3。
新型混合儲能系統(tǒng)優(yōu)勢
現(xiàn)有電化學儲能AGC輔助調(diào)頻技術(shù)方案在提高調(diào)頻性能、增加發(fā)電廠輔助調(diào)頻收益的同時，也暴露出電池使用壽命短、系統(tǒng)可靠性低、維護工作難度大等問題?；旌蟽δ芟到y(tǒng)相對于電化學儲能系統(tǒng)具備如下優(yōu)勢：
（1）提高日調(diào)頻收益
混合儲能系統(tǒng)的調(diào)頻性能指標優(yōu)于電化學儲能系統(tǒng)，K值的提升還能帶來調(diào)節(jié)里程的提升，混合儲能系統(tǒng)日調(diào)頻收益預計可增加15-20%。
（2）延長電池的使用壽命
混合儲能系統(tǒng)中電池的使用壽命比電化學儲能系統(tǒng)中的電池使用壽命延長1.5-2倍。
（3）提高儲能系統(tǒng)可靠性及安全性
混合儲能系統(tǒng)中對電池系統(tǒng)使用頻次及充放電倍率的降低，可大幅提升系統(tǒng)的安全性，增加系統(tǒng)可靠性、降低儲能系統(tǒng)運成本。
（4）提高運營期經(jīng)濟性
目前，AGC調(diào)頻儲能系統(tǒng)大多按機組功率的3%左右配置。以廣東省某600MW的火電機組為例，儲能系統(tǒng)配置容量約為21MW。在混合儲能系統(tǒng)的配比中，鋰離子電池部分與飛輪部分的功率比例約7:3。以一套21MW/10.5MWh鋰離子電池儲能系統(tǒng)與“15MW/7.5MWh鋰離子電池”加“6MW/180MWs飛輪” 混合儲能系統(tǒng)為例進行經(jīng)濟性方面的簡單比較，運行期考慮10年。
混合儲能系統(tǒng)在初期投資略高于純鋰離子電池儲能系統(tǒng)，但考慮到運營期內(nèi)儲能設(shè)備的更換費用，則10年總運營期內(nèi)混合儲能系統(tǒng)的總成本比純鋰離子電池儲能系統(tǒng)的成本低。
《十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》明確，強化技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建新型儲能創(chuàng)新體系，推動多元化技術(shù)開發(fā)，加快多元化技術(shù)示范應用，開展復合型儲能技術(shù)示范應用。隨著新型儲能技術(shù)的發(fā)展，不同時間尺度的多類型儲能的綜合應用將開啟儲能應用的新模式。
