中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長(zhǎng)沙市人民政府、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長(zhǎng)沙）電池博覽會(huì)暨第二屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在長(zhǎng)沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會(huì)主題是“新能源、新機(jī)遇、新高度”。
會(huì)議期間，組委會(huì)邀請(qǐng)了中國(guó)電力王逸超分享主題報(bào)告《電池儲(chǔ)能對(duì)高比例新能源接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的支撐作用》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
王逸超：首先簡(jiǎn)單介紹一下中國(guó)電力在新能源發(fā)展的一些情況，四個(gè)革命，一個(gè)合作的能源安全新戰(zhàn)略，以及雙碳目標(biāo)的提出，為中國(guó)能源事業(yè)的發(fā)展擘畫了方向。到2030年，我國(guó)風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上，新能源將迎來強(qiáng)勢(shì)發(fā)展的十年。
中國(guó)電力在去年以前都還是以火電為主的企業(yè)，它作為一家傳統(tǒng)能源企業(yè)，在2021年10月發(fā)布了新的戰(zhàn)略，確定了“建設(shè)世界一流清潔能源企業(yè)”主力軍的戰(zhàn)略定位，加速向新能源綠色低碳方向發(fā)展。截至2022年的第三季度，我們的風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模已經(jīng)突破了一千萬千瓦，在清潔轉(zhuǎn)型的路上是按下了快進(jìn)鍵。高比例新能源不斷的接入電網(wǎng)，搶占了火電的發(fā)展空間，降低了供電可靠性。其次新能源的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力是比較弱的，對(duì)電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定帶來了極大的隱患，所以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)上也是對(duì)新能源提出了相應(yīng)的要求，如《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》，這是國(guó)家的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，要求35千伏及以上電源均應(yīng)具備一次調(diào)頻、快速調(diào)壓和調(diào)峰的能力。新能源和電池儲(chǔ)能是一對(duì)“黃金搭檔”，電池儲(chǔ)能在促進(jìn)新能源發(fā)展、消納，提升新能源調(diào)峰和調(diào)頻能力方面發(fā)揮著不可替代的作用，所以我今天想和大家分享我在電池儲(chǔ)能支撐新能源穩(wěn)定，支撐電網(wǎng)頻率安全方面的認(rèn)識(shí)。
為什么電力系統(tǒng)頻率會(huì)變化？電網(wǎng)選擇交流和直流在十八世紀(jì)還是有一個(gè)爭(zhēng)議的，最終交流系統(tǒng)的推崇者特斯拉取得了勝利，現(xiàn)在所有系統(tǒng)是以交流作為主導(dǎo)的電力系統(tǒng)。我們希望電力系統(tǒng)的頻率不發(fā)生改變，一直維持在額定頻率，但實(shí)際上這一點(diǎn)是非常難的，因?yàn)榘l(fā)電功率和負(fù)荷功率總是在波動(dòng)，是處于不平衡的狀態(tài)，在同步發(fā)電機(jī)為主導(dǎo)的大電力系統(tǒng)上是有功功率的不平衡導(dǎo)致了電力系統(tǒng)的頻率波動(dòng)。如果是在小型微電網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)其線路阻抗主要呈現(xiàn)阻性為主時(shí)，那么將是無功功率的不平衡引起了電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。因?yàn)槲覀兊拇箅娋W(wǎng)系統(tǒng)主要是以感性的線路阻抗為主，在感性線路阻抗下，有功功率的不平衡將引起電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。從能量的角度來說，電能也是一種能量，在以傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)為主的電力系統(tǒng)上，實(shí)際上我們的同步發(fā)電機(jī)是將轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，我們的電網(wǎng)頻率是和同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比的。
簡(jiǎn)單分析一下頻率下降和頻率升高的原因，首先是頻率下降，當(dāng)發(fā)電不足，機(jī)組突然下網(wǎng)或者負(fù)荷需求突然增高的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)瞬間從同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能中吸取能量，就會(huì)導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速變慢，從而導(dǎo)致頻率下降。頻率升高是由于新能源發(fā)電突然增加或負(fù)荷需求減少，系統(tǒng)會(huì)把多余的能量作為常規(guī)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能進(jìn)行累加，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速加快，最終頻率上升。
在以同步發(fā)電機(jī)為主的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)頻有三大法寶：一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、慣量支撐。一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)方式是采用下垂控制，通過發(fā)電機(jī)、調(diào)速器來調(diào)節(jié)進(jìn)氣量或者進(jìn)水量來改變有功輸出，這種調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間通常是秒級(jí)，但是它的效果是有差調(diào)節(jié)，最終調(diào)節(jié)的結(jié)果是電網(wǎng)頻率有一定程度的恢復(fù)，但不能回到額定值，并且這種行為可以認(rèn)為是同步發(fā)電機(jī)組自發(fā)的行為，不需要組織干預(yù)。二次調(diào)頻主要的方式是采用AGC控制，通過原動(dòng)機(jī)的調(diào)頻器，相應(yīng)地增減機(jī)組負(fù)荷，這種響應(yīng)時(shí)間通常是分鐘級(jí)，它的調(diào)節(jié)方式是無差調(diào)節(jié)，可以將頻率拉回額定的50赫茲，并且這種行為通常是由調(diào)度來下指令，是一種有組織的行為方式，調(diào)度相當(dāng)于整個(gè)組織的中樞大腦，由它來下指令給各個(gè)發(fā)電機(jī)組。除了一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，還有一個(gè)非常有意思的法寶--慣量，實(shí)際上慣量是同步發(fā)電機(jī)的一種自然機(jī)械屬性，它具有無延時(shí)響應(yīng)的效果，主要的作用是抑制頻率突然快速變化，屬于同步發(fā)電機(jī)的一種自然特性，慣量越大，頻率快速變化的難度也會(huì)越大。我們這里就有一個(gè)很重要的概念--頻率的變化速率，慣量越大，系統(tǒng)反應(yīng)越遲鈍，當(dāng)負(fù)載或者電源側(cè)的功率突然變化時(shí)，引起頻率變化的速率也會(huì)越慢。另一方面，慣量越小，反應(yīng)越靈活，一點(diǎn)小小的功率擾動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致頻率的快速變化。
我們捋一捋同步發(fā)電機(jī)為主的電力系統(tǒng)調(diào)頻過程，實(shí)際上慣量是為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻爭(zhēng)取時(shí)間，整個(gè)過程如下：首先是慣量支撐，它是一種自然的機(jī)械特性，無延時(shí)響應(yīng)，延緩頻率的下降速度，然后是秒級(jí)的一次調(diào)頻頂上，將頻率撐到偏離額定值的頻率值，最后是分鐘級(jí)的二次調(diào)頻發(fā)揮作用，通過調(diào)度下指令，同步發(fā)電機(jī)有組織的集體行動(dòng)，將頻率恢復(fù)到額定值。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種機(jī)械特性，只有同步發(fā)電機(jī)才能夠提供這種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，新能源都是通過變流器來并網(wǎng)的，并不提供這種慣量支撐，越來越多的新能源替代同步發(fā)電機(jī)就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的慣量越來越小。
慣量缺失的后果是非常嚴(yán)重的，我總結(jié)了兩個(gè)方面可能發(fā)生的問題。一是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量缺失，它會(huì)使得部分同步發(fā)電機(jī)存在脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)為了保護(hù)自己，通常會(huì)設(shè)置一個(gè)頻率變化過快的脫網(wǎng)指標(biāo)，變化速率過大就容易觸發(fā)脫網(wǎng)。新能源也存在一個(gè)頻率的適應(yīng)區(qū)間，慣量缺失，事故發(fā)生時(shí)頻率跌落的速度過快，一次調(diào)頻還沒有響應(yīng)過來，頻率可能已經(jīng)跌到了新能源頻率適應(yīng)區(qū)間外，觸發(fā)新能源的脫網(wǎng)。
2019年英國(guó)大電網(wǎng)停電事故時(shí)，風(fēng)電滲透率已經(jīng)達(dá)到了34.71%，同步發(fā)電機(jī)組開機(jī)不足，致使系統(tǒng)慣量大幅降低。這是整個(gè)事故發(fā)生的四階段，第一階段是雷擊及電壓擾動(dòng)的影響，當(dāng)?shù)赜幸慌_(tái)小巴德福燃?xì)怆娬?，霍恩分電?chǎng)和分步式電源相繼脫網(wǎng)，損失大概是1131兆瓦的電力。第二階段是由于系統(tǒng)慣量較小，頻率快速下降，初始的下降速度已經(jīng)超過了0.125赫茲每秒，觸發(fā)部分同步機(jī)組保護(hù)機(jī)制，所以又導(dǎo)致?lián)p失了350兆瓦的分布式電源機(jī)組，累計(jì)損失電力是1481兆瓦，約占總負(fù)荷的5%。第三階段是頻率響應(yīng)措施啟動(dòng)，英國(guó)的頻率響應(yīng)措施類似于我國(guó)的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，降低頻率的偏差，將系統(tǒng)的頻率拉到49.2赫茲，當(dāng)時(shí)英國(guó)的旋轉(zhuǎn)備用大概是1000兆瓦，這個(gè)時(shí)候已經(jīng)出力了900兆瓦，它的底牌基本用光了。第四階段，小巴德福燃?xì)庹居忠慌_(tái)燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)停機(jī)，損失功率210兆瓦，英國(guó)電網(wǎng)累計(jì)損失功率達(dá)到了1691兆瓦，這個(gè)時(shí)候旋轉(zhuǎn)備用都已經(jīng)用光了，頻率持續(xù)下降，最終觸發(fā)電網(wǎng)的第三道防線低頻減載裝置，導(dǎo)致大量負(fù)荷被切除，引起大停電事故。英國(guó)的大停電事故讓英國(guó)感受到了從傳統(tǒng)的慣性電網(wǎng)到分布式及高再生能源電網(wǎng)的荊棘之路，英國(guó)一方面是重新審議旋轉(zhuǎn)備用容量是否足夠，另一方面也著手修改頻率變化速率這一保護(hù)閾值，將0.125赫茲每秒提高到1赫茲每秒，來應(yīng)對(duì)慣量缺失導(dǎo)致的頻率快速變化問題。
儲(chǔ)能如何參與電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定控制的？實(shí)際上儲(chǔ)能要做的模擬，一是模擬同步發(fā)電機(jī)慣量特性，二是模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性。我認(rèn)為儲(chǔ)能模擬不出同步發(fā)電機(jī)那種自然的機(jī)械特性，模擬的只是自然機(jī)械特性所產(chǎn)生的效果，就是一種抑制頻率快速變化的阻力，所以它的公式很簡(jiǎn)單，就是一種跟頻率變化速率相反的阻力。一次調(diào)頻相對(duì)比較簡(jiǎn)單一點(diǎn)，說白了就是下垂控制，實(shí)際就是人為的設(shè)定有功頻率的映射關(guān)系，頻率低于額定值就發(fā)出有功，頻率高于額定值就吸收有功，通過檢測(cè)電網(wǎng)頻率來自主調(diào)節(jié)有功功率的輸出。這是一種最簡(jiǎn)單的一虛擬同步發(fā)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)際上就是把這三個(gè)指令加在一起，AGC就是二次調(diào)頻指令，中間是慣量指令，最后是一次調(diào)頻指令，從而一起實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的慣量支撐，一次調(diào)頻和二次調(diào)頻等功能。儲(chǔ)能模擬同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)速度快，將同步發(fā)電機(jī)無延時(shí)的虛擬慣量支撐、秒級(jí)的一次調(diào)頻和分鐘級(jí)的二次調(diào)頻等不同時(shí)間尺度的調(diào)頻功能統(tǒng)一為毫秒級(jí)。天下武功，唯快不破，從而彌補(bǔ)電網(wǎng)慣量缺失導(dǎo)致的頻率快速變化問題，儲(chǔ)能自身除了可以作為旋轉(zhuǎn)備用參與調(diào)頻服務(wù)外，還可以為常規(guī)機(jī)組爭(zhēng)取時(shí)間，共同提高電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定裕度。
毫秒級(jí)是很理想的情況，大容量的儲(chǔ)能如何做到毫秒級(jí)的調(diào)頻？我認(rèn)為還是一個(gè)很有難度的挑戰(zhàn)。我們也調(diào)研了，目前大容量?jī)?chǔ)能電站在調(diào)頻方面存在的問題如下，一是數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸量大，控制命令時(shí)效性很難保證。二是如果全部使用高速以太網(wǎng)，成本過高。三是用61850協(xié)議適配場(chǎng)景存在局限性，適配性不強(qiáng)。為此，我們提出的解決方案是基于控制網(wǎng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)分離的設(shè)計(jì)模式，提高控制命令的可靠性。以降低建設(shè)成本為導(dǎo)向，控制網(wǎng)采用EtherCAT，信息網(wǎng)采用傳統(tǒng)的以太網(wǎng)、CAN及串口等方式來控制建設(shè)成本。同時(shí)以業(yè)務(wù)維度對(duì)數(shù)據(jù)整合，開展儲(chǔ)能業(yè)務(wù)規(guī)約設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率的同時(shí)降低開發(fā)難度。
這是我們采用工業(yè)以太網(wǎng)和常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)高度集成設(shè)計(jì)理念的拓?fù)鋱D，我們的控制網(wǎng)是采用EtherCAT來確?？刂泼畹目焖傧掳l(fā)，信息網(wǎng)是采用常規(guī)通信介質(zhì)實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)信息的周期上傳，典型組網(wǎng)方案是把整個(gè)儲(chǔ)能艙的控制系統(tǒng)集成了EtherCAT從站的功能，協(xié)控做成了EtherCAT的主站方式，從而實(shí)現(xiàn)控制命令可以在毫秒級(jí)迅速下達(dá)到艙控制系統(tǒng)。
這是常規(guī)方案和我們方案的對(duì)比，一是在組網(wǎng)模式上，控制網(wǎng)和信息網(wǎng)是分離的，實(shí)現(xiàn)控制命令可靠性達(dá)100%。二是控制網(wǎng)基于EtherCAT的協(xié)議方式，調(diào)頻響應(yīng)速率提高近50%。三是組網(wǎng)復(fù)雜度，極大減少交換機(jī)的數(shù)量，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。四是聯(lián)調(diào)周期，相比61850的goose降低調(diào)試難度。五是建設(shè)成本，百兆瓦級(jí)的儲(chǔ)能電站，如果用現(xiàn)在的組網(wǎng)方式，協(xié)控可能需要四五個(gè)，如果我們用這種方式，協(xié)控就等于EtherCAT的主站，只需要一臺(tái)協(xié)控就可以實(shí)現(xiàn)整站指令的快速下發(fā)，減少協(xié)控?cái)?shù)量，降低建設(shè)成本。
最后做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)，未來新能源將迎來黃金發(fā)展十年，新能源發(fā)展的同時(shí)，電網(wǎng)的慣性將不可避免的降低，電網(wǎng)的頻率安全穩(wěn)定將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的頻率控制方式主要包括慣量支撐、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，其中慣量支撐是同步發(fā)電機(jī)一種自然的機(jī)械特性，幾乎是無延時(shí)響應(yīng)，一次調(diào)頻的響應(yīng)時(shí)間為秒級(jí)，二次調(diào)頻的響應(yīng)時(shí)間為分鐘級(jí)，電網(wǎng)慣量的缺失將導(dǎo)致頻率的快速變化，容易觸發(fā)電網(wǎng)的第三道防線。儲(chǔ)能可以模擬同步發(fā)電機(jī)的慣量支撐響應(yīng)和一二次調(diào)頻功能，可以將同步發(fā)電機(jī)的不同時(shí)間尺度的調(diào)頻能力統(tǒng)一到毫秒級(jí)，從而彌補(bǔ)電網(wǎng)慣量缺失導(dǎo)致的頻率快速變化問題。
以上是我的匯報(bào)，請(qǐng)各位批評(píng)指正。
