中國儲能網(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、長沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會聯(lián)合主辦，100余家機構(gòu)共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了平高集團(tuán)儲能科技有限公司主任工程師趙亞一分享主題報告《吉瓦時級儲能電站的低成本高性能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
趙亞一：大家好，我是平高的趙亞一，很高興能有這個機會跟各位分享我們的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。下面將從五個方面來展開介紹。
首先是公司簡介，以前平高是直屬國家電網(wǎng)公司的一個產(chǎn)業(yè)單位，去年經(jīng)過國務(wù)院國資委重組，我們現(xiàn)在屬于中國電氣裝備集團(tuán)有限公司，總部設(shè)立在上海。平高集團(tuán)儲能科技有限公司作為平高集團(tuán)儲能業(yè)務(wù)專業(yè)化運營平臺，在天津市東麗區(qū)，在全國各地有建設(shè)運營超過3.69GWh的儲能項目。公司做儲能設(shè)備集成，包括EPC工程、建設(shè)和運維等方面的業(yè)務(wù)，核心產(chǎn)品有電池管理系統(tǒng)BMS、儲能變流器PCS，能量管理系統(tǒng)EMS，加上今天要介紹的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)產(chǎn)品。
這是公司通過的一些認(rèn)證體系，獲得的一些稱號。我們是儲能電站協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)業(yè)內(nèi)首個團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的參與單位。
下面，介紹一下行業(yè)的背景。在30/60“碳達(dá)峰”、“碳中和”的目標(biāo)下，將會加快太陽能、風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。根據(jù)國際能源署的預(yù)測，可再生能源在全球發(fā)電量中的占比將會從2017年的25%攀升到2050年的86%，風(fēng)光為主的新能源將會是未來30年新能源的增長主力。我們知道，風(fēng)光日內(nèi)出力波動是比較明顯的，電網(wǎng)傳統(tǒng)上是“源隨荷動”，在風(fēng)光為主的情況下相當(dāng)于是“隨風(fēng)而動，逐日而行”；但是要構(gòu)建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)又必然要大幅提升可再生能源在社會發(fā)電中的占比，因此電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)難度會進(jìn)一步增大。
未來的電網(wǎng)將會具有“超復(fù)雜性”。對于此，國網(wǎng)也提出了能源互聯(lián)網(wǎng)，它主要是通過提升電網(wǎng)的輸電能力和信息化水平來滿足這個復(fù)雜性的要求，海外也提出平衡區(qū)的概念，實際上就是增加各電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的控制能力，協(xié)助區(qū)域內(nèi)電功率能夠保持近乎瞬時的凈功率平衡。目前能源結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)特征發(fā)生變化：從確定性可控連續(xù)電源，變?yōu)椴淮_定性隨機波動電源；從以機械電磁系統(tǒng)為主，變?yōu)橐噪娏﹄娮悠骷橹?；電力系統(tǒng)的系統(tǒng)慣量水平正在顯著下降；高比例的可再生能源、高比例的電力電子設(shè)備帶來“低旋轉(zhuǎn)備用”的能源結(jié)構(gòu)。這些電力電子并網(wǎng)設(shè)備導(dǎo)致多時間尺度物理過程緊密耦合。新能源機組快速調(diào)節(jié)特性支撐穩(wěn)定控制技術(shù)向“以調(diào)代切”方向發(fā)展。目前儲能參與的快速調(diào)節(jié)響應(yīng)的時間尺度，比如慣性響應(yīng)一般要求是在零毫秒級別，快頻和一次調(diào)頻一般是在百毫秒級別，二次調(diào)頻本地響應(yīng)一般要求是在秒級。
新能源廠站參與電網(wǎng)的頻率調(diào)整目前已經(jīng)成為國標(biāo)的要求，國家能源局、科學(xué)技術(shù)部的“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃也提出要突破新能源發(fā)電參與電網(wǎng)頻率/電壓/慣量調(diào)節(jié)的主動支撐控制、寬頻帶振蕩抑制等關(guān)鍵技術(shù)。
目前，儲能還有一個規(guī)?；陌l(fā)展趨勢，根據(jù)CNESA的統(tǒng)計，去年中國儲能市場進(jìn)入真正意義上的規(guī)?；l(fā)展，有70余個百兆瓦的項目在規(guī)劃和建設(shè)，隨著風(fēng)光大基地的建設(shè)，以及共享儲能模式的推進(jìn)，吉瓦時級別的儲能電站將會逐步增加。目前吉瓦時級別的儲能電站已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，它有幾個特點，一是設(shè)備數(shù)量多，站內(nèi)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r電纜的成本、建設(shè)和維護(hù)的工作量、難度會增大。二是電站的占地面積大，預(yù)計會超過百畝，基于銅纜的以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)無法滿足長距離通信要求。三是隨著電力市場調(diào)節(jié)服務(wù)種類的不斷增多，對吉瓦時儲能電站的控制調(diào)節(jié)功能要求也會不斷擴(kuò)展，很多功能會采用分區(qū)控制，站內(nèi)的并網(wǎng)點數(shù)量往往會比較多。四是往往采用分期建設(shè)的模式，需要我們控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性更強。五是對于儲能電站主動支撐的需求也會越來越多，要求吉瓦時儲能電站有同樣高的快速功率響應(yīng)性能，甚至?xí)絹碓礁摺?
由于單站規(guī)模遠(yuǎn)超百兆瓦級，在吉瓦時級別大容量儲能電站中信息接入的數(shù)據(jù)量顯著增多。在其信息架構(gòu)設(shè)計中，有一些關(guān)鍵點：首先，站內(nèi)有約75%以上是電池的數(shù)據(jù)，對BMS的監(jiān)測處理能力和上行信息的優(yōu)化有一定要求；其次是PCS的運行調(diào)度，我們可以把吉瓦時級儲能電站比作一個大城市，信息好比車子，網(wǎng)絡(luò)鏈路好比城市道路，在這條道路上車水馬龍，這時PCS的運行調(diào)控以及整站的快速調(diào)節(jié)實際上是要求數(shù)百輛車子從一個地方很快的同時到達(dá)另一個地方，我們需要深度思考一下怎樣才能更快的到達(dá)指定的目的地，也就是確保PCS集群能夠同步、快速以及精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)；第三因為EMS接入的數(shù)據(jù)量是比較大的，可能站內(nèi)需要有數(shù)百萬甚至千萬級別的數(shù)據(jù)量接入，所以對它的接入能力也是有一個考驗；最后，對控制設(shè)備后期的擴(kuò)展性有較高要求。
在傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)控制架構(gòu)中，一般在大容量的儲能電站中會采用分布式部署，站控層有一個集中式的EMS，在多個就地間隔層區(qū)域會設(shè)置就地EMS，這種兩級架構(gòu)會產(chǎn)生二次處理的信息延時；而且由于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量非常大，下行控制信息不一定能及時傳輸?shù)轿?；所以EMS一般來實現(xiàn)秒級控制。面對這種大容量數(shù)據(jù)的接入，如果快速調(diào)節(jié)信息不能及時傳輸，控制指令的優(yōu)先級沒法保證，就會存在安全穩(wěn)定運行風(fēng)險。
這是一種添加協(xié)調(diào)控制層的控制架構(gòu)，它在傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上加了一層協(xié)調(diào)控制層，協(xié)調(diào)控制層獨立組網(wǎng)，采用星型拓?fù)洌@種部署能實現(xiàn)快速響應(yīng)，但是它也有一些不足：一是主機接入數(shù)量有限，可能一套系統(tǒng)支持接入幾十或一百臺PCS，如果PCS數(shù)量多，可能需要擴(kuò)展主機，主機之間需要做同步；不同數(shù)量PCS接到的快速指令同步性欠佳，導(dǎo)致總體響應(yīng)時間變慢。在數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時，一是會受網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈條或路徑影響，二是受網(wǎng)絡(luò)兩端的交換節(jié)點影響，在這種區(qū)域分布比較大的站，可能指令到達(dá)各個PCS所經(jīng)過的交換節(jié)點數(shù)量和各節(jié)點延時不盡相同，傳輸延時的不同可能會進(jìn)一步造成PCS響應(yīng)不同步。
我們的一種解決方案——吉瓦時級別的大容量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品解決方案，它的系統(tǒng)拓?fù)鋵嶋H上是比較簡單的，利用光纖環(huán)網(wǎng)來組建信息高速通道。拓?fù)渖嫌蓛膳_PCS功率協(xié)調(diào)控制主機——如果不需要雙網(wǎng)配置，單機也可以——再加上多臺協(xié)調(diào)控制從站組成，主機和從站可以采用雙光纖環(huán)網(wǎng)或者單光纖環(huán)網(wǎng)連接，基于實時工業(yè)以太網(wǎng)來實現(xiàn)快速功率的控制。
協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要功能是具備一次調(diào)頻、動態(tài)調(diào)節(jié)，以及緊急支撐的一些快速功率計算和下發(fā)功能，響應(yīng)指標(biāo)滿足目前標(biāo)準(zhǔn)的要求，參數(shù)可以整定，比如一次調(diào)頻的運行穩(wěn)定、運行時間等等參數(shù)都是可以整定的。一次調(diào)頻按照有功頻率的下垂控制函數(shù)，動態(tài)無功按照無功電壓的下垂控制函數(shù)來計算處理響應(yīng)，當(dāng)并網(wǎng)點的頻率差或者電壓差越過設(shè)定的死區(qū)后會立即開展一次調(diào)頻或動態(tài)無功響應(yīng)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采集PCS或BMS的一些關(guān)鍵信息，通過高速通道來實現(xiàn)關(guān)鍵信息和控制指令的上行和下達(dá)。系統(tǒng)主機進(jìn)行各種響應(yīng)指令的優(yōu)先級判斷，比如緊急功率支撐，可以要求優(yōu)先級最高，其次是一次調(diào)頻和AGC，并且可以輔助電網(wǎng)調(diào)控機構(gòu)做一次調(diào)頻裕量的評估，具備穩(wěn)態(tài)暫態(tài)控制的友好互動功能。
協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以針對目前多母線進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整和控制，可以直采并網(wǎng)點的電壓電流信號，把一些信息傳輸給PMU，圖形化界面采用國產(chǎn)安全操作系統(tǒng)，采用分布式的采集控制技術(shù)，靈活調(diào)節(jié)各個節(jié)點的數(shù)量。目前單套設(shè)備可以支持200個CCU節(jié)點接入，以及直采32個并網(wǎng)點信息，每個CCU能接入4臺PCS，如果我們按照1500V系統(tǒng)，每臺PCS 1.5MW來計算接入容量，可以滿足1.2GW/2.4GWh的儲能電站控制需求。
下面談一下我們這個產(chǎn)品方案的優(yōu)勢，一是同步性，各節(jié)點設(shè)備間的同步信號誤差可以控制在1微秒內(nèi)，PCS集群的響應(yīng)特性極大接近于單臺PCS，各節(jié)點實現(xiàn)納秒級的抖動；數(shù)據(jù)下行時可以比喻成把數(shù)據(jù)幀組裝成一列火車，它在到達(dá)各站點的時不需要等待進(jìn)站再等待出站，在傳輸過程中處理數(shù)據(jù)，不用存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，減少通訊延時；通過硬件來實現(xiàn)各個設(shè)備本地時間的精準(zhǔn)同步。在快速性上，我們通過光纖通道，可以把控制指令在一毫秒內(nèi)下發(fā)到PCS來執(zhí)行。光纖高速通道只傳輸關(guān)鍵信息，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載沒有問題；從站實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的硬件路由，不通過軟件來尋址。采用EtherCAT高速通信的特性，可以保證PCS快速接收到指令，進(jìn)行快速有功無功響應(yīng)。
在精準(zhǔn)方面，穩(wěn)態(tài)條件下，并網(wǎng)點的電壓電流采集的誤差是不大于千分之二的，有功無功的測量誤差不大于千分之五，頻率的測量誤差不大于0.002Hz，采樣頻率也很高。所有數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中是以一種邏輯閉環(huán)的形式存在，每個節(jié)點只經(jīng)過一次。穩(wěn)定性上，通信是按周期來進(jìn)行收發(fā)，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，系統(tǒng)響應(yīng)更加穩(wěn)定；實時控制的網(wǎng)絡(luò)和整個電站的信息網(wǎng)絡(luò)是隔離的；采用雙環(huán)網(wǎng)雙冗余熱備用技術(shù)時，比較單環(huán)網(wǎng)單機配置時可靠性再進(jìn)一步大幅度提高；而且由于是光通信介質(zhì)，不受現(xiàn)場電磁環(huán)境干擾，可保證通信質(zhì)量。
系統(tǒng)方案的低成本實際上是體現(xiàn)在擴(kuò)建以及通信設(shè)備、線纜、安裝實施過程成本的減少。系統(tǒng)支持多個并網(wǎng)點的跟蹤，可以單并網(wǎng)點控制，也能多目標(biāo)匯聚控制，可以根據(jù)項目現(xiàn)場的靈活定制，減少不必要的開支；可以按實際的物理區(qū)域分區(qū)組網(wǎng)控制，減少線纜、工程建設(shè)成本；網(wǎng)絡(luò)可隨時擴(kuò)展，例如要分期建設(shè)時，一期建完之后可以把環(huán)網(wǎng)閉環(huán)，保證一期可用，等二期建設(shè)時只需把二期的節(jié)點加入到一期的網(wǎng)絡(luò)中就可以，不需要重新安裝實施一套協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。環(huán)網(wǎng)架構(gòu)可大幅減少工程現(xiàn)場的線纜數(shù)量和施工成本，也不需要采購大量專用的交換機來組柜安裝，網(wǎng)絡(luò)設(shè)施成本也進(jìn)一步下降。系統(tǒng)拓?fù)鋵嶋H上是比較簡單的，也易于安裝實施。
下面談一個工程應(yīng)用案例：蘇州昆山百兆瓦電池儲能電站，是為保障蘇州地區(qū)特高壓直流落點地區(qū)電網(wǎng)運行安全，增強受端電網(wǎng)事故應(yīng)急響應(yīng)能力貢獻(xiàn)力量，電站接入大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)。該站規(guī)模是110.88MW/193.6MWh，項目入選國家能源局首批科技創(chuàng)新（儲能）試點示范項目，經(jīng)過了中國電科院的第三方測試，系統(tǒng)性能大幅優(yōu)于國標(biāo)以及江蘇電網(wǎng)企標(biāo)的要求。在該項目上，在同時控制176臺PCS的情況下，通過協(xié)控的部署把監(jiān)控系統(tǒng)的AGC響應(yīng)時間縮短到了百毫秒級別;一次調(diào)頻響應(yīng)時間在95毫秒以內(nèi)，動態(tài)無功的響應(yīng)時間在30毫秒以內(nèi)，源網(wǎng)荷響應(yīng)——也就是常說的緊急功率控制的響應(yīng)時間，是在85毫秒以內(nèi)。
目前我們參與協(xié)控團(tuán)標(biāo)1項，正在聯(lián)合申請行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)控產(chǎn)品也獲得過第五屆國際儲能創(chuàng)新大賽的創(chuàng)新典范。
我的匯報到此結(jié)束，謝謝！
