中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：4月24-26日，由中國(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)主辦的第九屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在浙江省杭州市洲際酒店召開(kāi)。在4月25日上午的“儲(chǔ)能電站與技術(shù)應(yīng)用（二）專場(chǎng)”，南京南瑞繼保電氣研究院柔性輸電研究所副所長(zhǎng)/研究員級(jí)高級(jí)工程師劉為群在會(huì)上分享了主題報(bào)告《大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的控制技術(shù)研究》，以下為演講實(shí)錄：
劉為群：大家好！儲(chǔ)能系統(tǒng)大家都比較熟悉。今天關(guān)注的基本上是在電化學(xué)儲(chǔ)能這一類。儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，我們可以看到在發(fā)輸配用各環(huán)節(jié)都能發(fā)揮作用。電源側(cè)，用儲(chǔ)能平抑新能源發(fā)電的功率波動(dòng)，從而減少棄光棄風(fēng)，輔助電廠調(diào)頻也有很多應(yīng)用案例；在電網(wǎng)側(cè)，比如說(shuō)輔助調(diào)峰；在負(fù)荷側(cè)，進(jìn)行削峰填谷。電網(wǎng)側(cè)還有調(diào)頻調(diào)壓、緊急控制、黑啟動(dòng)等高級(jí)作用，這方面的應(yīng)用案例還比較少，這一塊可以共同探討。
換一個(gè)維度來(lái)看儲(chǔ)能的作用，對(duì)于電網(wǎng)測(cè)應(yīng)用，在不同的時(shí)間尺度上，儲(chǔ)能能夠發(fā)揮不同的作用。在短時(shí)毫秒到秒級(jí)，儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻和調(diào)壓，還能參與暫態(tài)緊急控制；中短時(shí)間秒到分鐘級(jí)別，儲(chǔ)能可以參與二次調(diào)頻調(diào)壓；長(zhǎng)時(shí)間就用來(lái)作為電網(wǎng)的調(diào)節(jié)優(yōu)化。電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的作用就不詳細(xì)講了。儲(chǔ)能的現(xiàn)狀：2018年也參加了這個(gè)會(huì)議，前面講的很多問(wèn)題，也分析了原因。2019年以后，我們的形式有很多改善。比如現(xiàn)在的項(xiàng)目多起來(lái)了，原來(lái)商業(yè)項(xiàng)目不多，現(xiàn)在多起來(lái)了且實(shí)施很快。政策的主動(dòng)性、積極性非常高。國(guó)網(wǎng)南網(wǎng)專門(mén)對(duì)儲(chǔ)能發(fā)文了。但還有問(wèn)題，就是儲(chǔ)能的收益模式，并沒(méi)有明朗。怎么獲得經(jīng)濟(jì)效益不清楚，儲(chǔ)能還沒(méi)有電價(jià)政策。投資主動(dòng)性、積極性也沒(méi)有看到。這都是問(wèn)題。原因簡(jiǎn)單分析一下，儲(chǔ)能的作用被認(rèn)識(shí)，但是儲(chǔ)能控制的重要性仍然認(rèn)識(shí)不到位?，F(xiàn)在還局限在削峰填谷，儲(chǔ)能實(shí)際上對(duì)電網(wǎng)有重大的調(diào)節(jié)作用，這一點(diǎn)我認(rèn)為我們的認(rèn)識(shí)還不到位，要去增加認(rèn)識(shí)。儲(chǔ)能作用即使被認(rèn)可，但是價(jià)值實(shí)現(xiàn)較難。如何充分發(fā)揮儲(chǔ)能價(jià)值的研究是不夠的。最后，儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，也是比較高，成本控制還有一段路程要走。
第二部分，介紹一下儲(chǔ)能有這么多好處，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但是有很多工作可以做。從技術(shù)方面還有哪些工作可以做呢？?jī)?chǔ)能變流器首先有自身的控制策略，儲(chǔ)能有整個(gè)系統(tǒng)的控制模式。先看看儲(chǔ)能變流器本身有哪些控制策略。第一個(gè)是儲(chǔ)能單元架構(gòu)，大家都很清楚。這可以等效于右上角的模型，它跟電網(wǎng)之間通過(guò)連接阻抗聯(lián)系在一起。儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)交換的有功和無(wú)功功率見(jiàn)表達(dá)式，這個(gè)表達(dá)式里面電網(wǎng)的電壓幅值Us，儲(chǔ)能作為電源的幅值是Uc，兩個(gè)電壓相量的夾角δ，也稱為功角。通過(guò)調(diào)節(jié)變流器輸出的Uc和δ值，可以實(shí)現(xiàn)變流器輸出的有功和無(wú)功雙向可控，它在四象限可以運(yùn)行，調(diào)節(jié)性能非常優(yōu)秀，充分發(fā)揮儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)性能。具體如何實(shí)現(xiàn)這樣的調(diào)節(jié)？右下角的圖，Uc是怎么來(lái)的，Uc是控制出來(lái)的。變流器在PWM載波控制下，其輸出幅值及與系統(tǒng)電壓的相位是由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)計(jì)算得到的調(diào)制波決定的。請(qǐng)看控制框圖，最左邊Xd*是某一個(gè)被控目標(biāo)值的給定值，Xd是被控目標(biāo)的測(cè)量值，當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定平衡的時(shí)候，Xd*就等于Xd，同樣的另外一個(gè)維度，Xq*就等于Xq。假如把目標(biāo)值設(shè)定成有功功率和無(wú)功功率，那么控制系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的有功功率就會(huì)等于有功功率給定值，無(wú)功功率也等于無(wú)功功率的給定值，這時(shí)的控制就稱為PQ模式。當(dāng)Xd和Xq分別為頻率和電壓時(shí)，這時(shí)的控制就稱為VF模式這是變流器的一種控制策略。
另外一種，我們把PCS輸出外特性控制成為同步電機(jī)的外特性，那么這樣的控制模式就是虛擬同步機(jī)模式，這里面的模型比較復(fù)雜。我們?cè)谧兞髌鞯某Ｒ?guī)控制環(huán)之外，再加上電壓控制外環(huán)，使得其呈現(xiàn)電壓源外特性，并實(shí)現(xiàn)電壓無(wú)功下垂特性；在功角輸入支路上增加慣性環(huán)節(jié)、頻率有功關(guān)系曲線，使得變流器輸出電壓在擾動(dòng)后按照一定的慣性搖擺并接近新的平衡工況、同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率有功下垂特性。
有了變流器控制策略以后，把它用到大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)里面，儲(chǔ)能系統(tǒng)有哪些控制模式呢？第一，以一次調(diào)頻一次調(diào)壓模式運(yùn)行是可以的。還有二次調(diào)頻二次調(diào)壓，就是PQ模式。離網(wǎng)的時(shí)候可以恒頻恒壓，還有可以PQ模式。作為一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，頂層是EMS加PMS，功能強(qiáng)大，系統(tǒng)就很好。大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)比如100MW系統(tǒng)，按目前的一個(gè)PCS功率500KW考慮，就要兩百臺(tái)的PCS。并網(wǎng)運(yùn)行如果參與電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，需要大家行為一致，才能對(duì)系統(tǒng)做最好的貢獻(xiàn)，但要求200臺(tái)PCS行為一致是不可能的，個(gè)體存在的微小偏差，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中相互作用，可能會(huì)放大并對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生較大影響，甚至不能達(dá)到系統(tǒng)控制的要求。我們的解決方案是在PCS之上增加一個(gè)控制設(shè)備，叫PMS協(xié)調(diào)控制器。協(xié)調(diào)控制器可以根據(jù)需要配置多臺(tái)，形成中間控制層，這就構(gòu)成了一個(gè)EMS+PMS+PCS的三層次控制管理架構(gòu)。有什么好處呢？高級(jí)控制功能可以放在中間層來(lái)做，根據(jù)不同應(yīng)用要求可以定制系統(tǒng)控制策略。中間層根據(jù)高級(jí)應(yīng)用策略進(jìn)行控制計(jì)算，計(jì)算結(jié)果出來(lái)之后平均分給各個(gè)PCS執(zhí)行。這樣PCS的輸出一致性就會(huì)非常好，不會(huì)有很多偏差，總的控制效果就會(huì)很好。
下面看看儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制技術(shù)。并網(wǎng)有哪些控制功能，第一個(gè)功能就是一次調(diào)頻調(diào)壓。有三種情況，分別是（1）PCS設(shè)備的一次調(diào)頻調(diào)壓，（2）系統(tǒng)整體的一次調(diào)頻調(diào)壓，（3）虛擬同步發(fā)電機(jī)。這里僅就調(diào)頻進(jìn)行展開(kāi)。PCS一次調(diào)頻：各個(gè)PCS按照頻率-有功下垂曲線運(yùn)行。一個(gè)系統(tǒng)頻率就對(duì)應(yīng)一個(gè)P，這個(gè)P就是我的目標(biāo)值，按照這個(gè)目標(biāo)值來(lái)閉環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)有功有波動(dòng)，比如一個(gè)大容量的負(fù)荷失去了，整個(gè)系統(tǒng)電源有功功率是盈余的，這樣系統(tǒng)頻率就會(huì)上升。系統(tǒng)頻率由F1上升，每個(gè)參與一次調(diào)頻的電源都根據(jù)下垂特性曲線把自己的有功下調(diào)一些，當(dāng)系統(tǒng)頻率上升到F2時(shí)，在這條曲線上對(duì)應(yīng)的有功功率下降到P2，整個(gè)系統(tǒng)電源和負(fù)荷的有功功率達(dá)到新的平衡，系統(tǒng)頻率就會(huì)穩(wěn)定F2上運(yùn)行。PCS參與一次調(diào)頻，PCS數(shù)量比較小是可以的。如果PCS很多的時(shí)候，因各個(gè)PCS性能參數(shù)存在差異，會(huì)影響一次調(diào)頻的總體效果。這里就采用第二種方案，系統(tǒng)整體一次調(diào)頻，設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)控制器，按下垂特性獲得整個(gè)PCS群的有功無(wú)功指令。再把這個(gè)指令分配給下面的各個(gè)PCS。下面的PCS就按PQ模式來(lái)運(yùn)行。這種方式適用PCS數(shù)量多，系統(tǒng)容量大的場(chǎng)合。協(xié)調(diào)控制器的計(jì)算結(jié)果要快速下發(fā)下去，延時(shí)不能多，否則一次調(diào)頻的效果會(huì)打折扣。第三個(gè)方式，所有PCS都按虛擬同步機(jī)的模式運(yùn)行，設(shè)置頻率-有功功率的下垂外特性，每個(gè)PCS都會(huì)主動(dòng)參與頻率調(diào)節(jié)，當(dāng)然也存在著多PCS情況下的輸出外特性差異，相互作用，影響調(diào)節(jié)結(jié)果的情況。
第二個(gè)功能，儲(chǔ)能參與二次調(diào)頻調(diào)壓。一次調(diào)頻調(diào)壓結(jié)束以后，假設(shè)F2的頻率仍然過(guò)高，不符合電能質(zhì)量要求，整個(gè)系統(tǒng)就要進(jìn)行二次調(diào)整：把電源的有功出力再降一些。方法就是把所有參與二次調(diào)頻的電源下垂特性曲線下移，。在頻率不變的情況下，輸出有功由P2變成P3。大家都降低了有功以后，整個(gè)系統(tǒng)在頻率F2的工況下有功是不足的。整個(gè)系統(tǒng)的頻率就會(huì)下降，向50HZ靠近。下降的時(shí)候，所有源都會(huì)沿著曲線2回調(diào)一點(diǎn)。最后有功會(huì)到P4點(diǎn)。這樣，頻率就下來(lái)了。再一個(gè)就是PQ模式和調(diào)峰模式，不詳細(xì)講了
第三個(gè)功能，除了一次調(diào)頻二次調(diào)頻以外，儲(chǔ)能有這么好的可控性，能夠參與電網(wǎng)的緊急控制。電網(wǎng)運(yùn)行的任何時(shí)候，電源和負(fù)荷的功率是平衡的，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生事故平衡打破時(shí)，將會(huì)由穩(wěn)定控制系統(tǒng)動(dòng)作建立新的平衡，措施有切機(jī)、切負(fù)荷。穩(wěn)定系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事故后的電網(wǎng)狀態(tài)計(jì)算出穩(wěn)定方案，切除一定數(shù)量的機(jī)組或負(fù)荷。有了儲(chǔ)能系統(tǒng)之后，儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)能力，可以以調(diào)代切，先于切機(jī)或切負(fù)荷動(dòng)作，盡可能減少切機(jī)切負(fù)荷量。儲(chǔ)能調(diào)節(jié)性能非?？?，響應(yīng)時(shí)間短，執(zhí)行效果優(yōu)于同等容量的切機(jī)或切負(fù)荷。減少切機(jī)或切負(fù)荷以后，系統(tǒng)恢復(fù)能力比切機(jī)切負(fù)荷方案要強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)邏輯是協(xié)調(diào)控制器接受穩(wěn)控制子站的控制命令，分解控制目標(biāo)，快速下發(fā)給各PCS。參與緊急控制的系統(tǒng)架構(gòu)是：上面是穩(wěn)控系統(tǒng)主站、穩(wěn)控子站，下面是儲(chǔ)能站，包括上層的協(xié)調(diào)控制裝置、下層的PCS。最終PCS快速接受指令，快速執(zhí)行達(dá)成目標(biāo)。并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的這些功能如果用得好，對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)會(huì)非常好的作用。這是一個(gè)案例，印度國(guó)家電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)頻和調(diào)壓，參與削峰填谷。
離網(wǎng)方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)作用更大。在離網(wǎng)模式下，整個(gè)系統(tǒng)慣量比較小，常常用虛擬同步機(jī)模式運(yùn)行，也可以V/F模式運(yùn)行。離網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)系統(tǒng)多VSG并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)。我們提出一些自有的技術(shù)，比如說(shuō)自校正的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程優(yōu)化控制等。下面不詳細(xì)講。離網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)也有一個(gè)案例，新疆微電網(wǎng)。我們實(shí)現(xiàn)32臺(tái)PCS虛擬同步機(jī)模式并聯(lián)，作為主電源支撐整個(gè)微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定。左邊是監(jiān)控，中間是現(xiàn)場(chǎng)照片。儲(chǔ)能變流器承受變壓器直接沖擊，系統(tǒng)電壓、頻率平穩(wěn)過(guò)渡。整個(gè)系統(tǒng)黑了以后，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)邏輯的PCS黑啟動(dòng)。
最后總結(jié)一下，儲(chǔ)能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是調(diào)節(jié)控制速度快，系統(tǒng)響應(yīng)快。這里有幾個(gè)數(shù)據(jù)：PCS滿充與滿放之間轉(zhuǎn)換時(shí)間小于30ms，超過(guò)任何常規(guī)電源的調(diào)節(jié)速度。第二，一個(gè)儲(chǔ)能站對(duì)功率控制響應(yīng)的時(shí)間小于60ms，超過(guò)任何常規(guī)電廠的調(diào)節(jié)速度。還有一個(gè)儲(chǔ)能站對(duì)穩(wěn)控系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于100ms，超過(guò)任何電源和負(fù)荷控制速度。這是非常好的優(yōu)勢(shì)。它有什么樣的作用呢？在并網(wǎng)系統(tǒng)中可以作為快速調(diào)節(jié)電源，是電網(wǎng)暫態(tài)時(shí)的快速調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制的優(yōu)秀工具。第二主動(dòng)參與電網(wǎng)的頻率和電壓調(diào)節(jié)，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。第三作為PQ源，進(jìn)行削峰填谷。離網(wǎng)系統(tǒng)中，作為頻率和電壓穩(wěn)定電源，自動(dòng)進(jìn)行電網(wǎng)的功率平衡和穩(wěn)定控制。作為黑啟動(dòng)主電源，提升黑啟動(dòng)的速度和成功率。第三，作為PQ源，參與電網(wǎng)功率平衡調(diào)節(jié)。
最后，儲(chǔ)能發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵是控制策略先進(jìn)，控制性能優(yōu)，控制器可靠性高。還有一個(gè)就是電池效率高，壽命長(zhǎng)，可靠性高。我的匯報(bào)就這么多，感謝大家的關(guān)心關(guān)注，謝謝！
