中國儲能網訊：
摘 要 針對新能源場站一次調頻技術的迫切需求，本工作研究了MW級飛輪陣列在此場景下的創(chuàng)新應用，設計了飛輪儲能陣列系統(tǒng)集成接入方案，提出了飛輪儲能陣列參與新能源場站一次調頻控制策略，并在新能源場站主變低壓側(35 kV)獨立接入了一套5 MW/175 kWh的飛輪陣列系統(tǒng)。為了全面驗證該方案的可行性與性能優(yōu)勢，本工作實施了一系列的試驗測試，涵蓋單機充放電快速切換、頻率階躍擾動響應、防擾動性能校驗以及一次調頻死區(qū)測試等多個維度的工況試驗。此外，結合現(xiàn)場長期運行的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析表明，采用MW級飛輪陣列顯著增強了新能源場站的一次調頻能力，提高了系統(tǒng)響應速度。
關鍵詞 新能源場站；一次調頻；飛輪儲能；飛輪陣列
隨著國家“碳達峰、碳中和”目標的設立，預計到2030年，以化石能源為主導的電力格局將逐漸轉型為以新能源發(fā)電裝機及發(fā)電量占據(jù)主導地位的新型電力系統(tǒng)，這一變革不僅標志著我國能源結構的優(yōu)化升級，更是確保未來能源安全與保障的重要舉措。然而，以風電和光伏為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)具有間歇波動性和不確定性，必須解決新能源消納受限以及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的問題。為了維持電網頻率的穩(wěn)定，2018年6月6日，國家能源局頒布了《電力系統(tǒng)網源協(xié)調技術規(guī)范》，其中明文要求風力發(fā)電站和太陽能光伏電站必須配備有一次調頻功能，到2020年，超過15個省份強制要求新能源場站配置一次調頻功能。同年7月1日，國家開始強制實施新的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》標準(GB 38755—2019)，要求所有接入35 kV及以上電壓等級的電源都必須具備一次調頻功能。此外，從2022年5月1日開始，國家標準《并網電源一次調頻技術規(guī)定及試驗導則》(GB/T 40595—2021)進一步要求新能源場站應具備上調6%和下調10%的一次調頻調節(jié)范圍。
新能源場站具備一次調頻功能是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要手段，其參與電力系統(tǒng)調頻的方式可以大致分為兩類：第一類是通過改進新能源場站自身的功率調節(jié)功能，以提供電網頻率支撐功率。第二類則是通過附加儲能系統(tǒng)來協(xié)助新能源場站參與電力系統(tǒng)頻率的調節(jié)。電力系統(tǒng)一次調頻具有短時功率輸出大、要求響應時間迅速、持續(xù)時間短以及充放電頻次較高等特征，是功率型儲能系統(tǒng)的典型應用場景[5]。飛輪儲能系統(tǒng)作為一種新型的儲能技術，憑借其快速響應能力和卓越的高功率密度，特別適用于電網一次調頻這種短時、高頻次的充放電應用場景。近年來，已有一些研究將飛輪儲能系統(tǒng)應用于新能源場站的一次調頻中，文獻[7]引入了飛輪儲能陣列系統(tǒng)，設計了飛輪儲能陣列系統(tǒng)與風力發(fā)電機組的網絡拓撲，并提出了相應的充放電及安全協(xié)調控制策略，通過仿真實驗驗證了飛輪儲能陣列系統(tǒng)與風電場協(xié)同運行的有效性。文獻[8]則針對風電場飛輪陣列儲能系統(tǒng)，研究了基于分層架構的分布式控制策略，通過理論分析和仿真實驗，驗證了所提出的一致性算法在飛輪儲能陣列系統(tǒng)中的應用可行性。文獻[9]研究了飛輪儲能陣列在風電場中的應用，提出了相關的功率協(xié)調控制及儲能陣列分層分組控制策略，仿真實驗結果驗證，采用飛輪組合的方法確實可以穩(wěn)定風力發(fā)電的瞬時功率波動，且波動幅度維持在允許的限定區(qū)間之內。文獻[10]提出在風電場交流出口處接入飛輪儲能裝置，并設計了一種基于飛輪儲能的風電場調頻控制策略，通過仿真驗證了控制策略的有效性。以上研究工作基本上都是以理論仿真研究和樣機研制為主，應用全容量MW級飛輪陣列系統(tǒng)接入新能源場站完成一次調頻功能改造，還缺乏實際的工程化應用案例。
因此，本工作圍繞MW級飛輪陣列在新能源場站中一次調頻的工程化應用，在國家電投河南平頂山葉縣長豐50 MW風電場站，按照新能源場站額定容量的10%比例，配建了5 MW/175 kWh飛輪陣列系統(tǒng)，實現(xiàn)并完成了國內首個新能源+全容量飛輪系統(tǒng)一次調頻改造的工程應用，并進行了包括單機充放電切換測試、頻率階躍擾動、防擾動性能校驗、一次調頻死區(qū)測試及長期運行等在內的一系列試驗測試。試驗及長期運行結果表明，采用MW級飛輪陣列能顯著提升風電場一次調頻的性能，提高風電場系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經濟效益，具有重要的工程化應用示范和現(xiàn)實意義。
圖1 河南MW級先進飛輪儲能系統(tǒng)示范項目
1 飛輪儲能陣列輔助新能源場站一次調頻介紹
1.1 飛輪儲能系統(tǒng)單元
飛輪儲能是一種物理儲能方式，其運行原理是在真空磁懸浮環(huán)境下，利用旋轉體來存儲動能，通過電動/發(fā)電雙向電機來實現(xiàn)電能與動能之間的高效轉換，這種儲能技術具有其獨特的優(yōu)勢和應用潛力。飛輪儲能單元集成了飛輪本體、飛輪控制系統(tǒng)、功率系統(tǒng)、制動電阻、水冷機、真空泵等部件，可實現(xiàn)標準化和模塊化。
圖2 飛輪儲能裝置組成拓撲
1.2 飛輪陣列系統(tǒng)接入拓撲
鑒于單個飛輪儲能單元的功率和容量存在限制，為了構建具備更大功率和容量的飛輪儲能系統(tǒng)，可以將多個飛輪儲能單元通過交流或直流并機的方式組成飛輪儲能陣列。圖3為飛輪儲能陣列交流并聯(lián)系統(tǒng)架構，將多臺儲能變流器(power converter system, PCS)并聯(lián)接入到新能源場站主變壓器低壓側35 kV交流母線，進而形成了一個具有更高功率與能量的飛輪儲能陣列系統(tǒng)。其中PCS負責完成交流側到直流側的功率變換，而飛輪的機側變流器則負責完成直流側到電機定子交流端之間的功率變換，通過這兩個雙向變流器，實現(xiàn)飛輪儲能與電網之間的雙向功率流動。
圖3 飛輪儲能陣列系統(tǒng)接入拓撲
1.3 系統(tǒng)一次調頻通信架構
飛輪儲能陣列系統(tǒng)采用陣列化運行方案，飛輪儲能陣列的EMS平臺接收上層調度或者一次調頻裝置的指令，其中一次調頻指令優(yōu)先級最高，一次調頻裝置檢測并網點頻率變化超過范圍時，一次調頻裝置下發(fā)一次調頻目標值指令至飛輪儲能陣列EMS平臺，遵循一次調頻優(yōu)先動作的原則，飛輪儲能EMS平臺調用飛輪陣列功率分配算法，迅速向各飛輪控制單元下發(fā)設定功率值。當并網點頻率恢復正常，一次調頻裝置下發(fā)一次調頻目標值清零指令，飛輪儲能EMS平臺停止執(zhí)行飛輪陣列功率分配算法，開始調用電量主動均衡算法，向各飛輪控制單元下發(fā)電量均衡功率目標值，控制每個飛輪儲能單元的SOC維持在合理水平，以應對下一次調頻動作，見圖4。
圖4 飛輪儲能電站一次調頻控制結構圖
2 飛輪儲能陣列參與新能源場站一次調頻控制
2.1 新能源場站一次調頻功能
新能源(風力/光伏發(fā)電)場站根據(jù)設定的有功-頻率下垂特性曲線(圖5)，當系統(tǒng)檢測到電網頻率波動超出死區(qū)頻率圖片(圖片為頻率上限，圖片為頻率下限)，一次調頻系統(tǒng)投入，動態(tài)調節(jié)系統(tǒng)并網點功率，參與電網一次頻率的快速調節(jié)過程。
圖5 新能源場站(風電/光伏)一次調頻有功-頻率下垂特性示意圖
2.2 飛輪儲能陣列功率分配策略
2.3 電量主動均衡策略
在電量主動均衡的過程中，為保障儲能系統(tǒng)的最大可用性，考慮頻率變化的隨機性，需將飛輪儲能陣列內各單元的圖片維持在一個比較中間的水平，以應對頻率在向上或向下變化時，飛輪儲能陣列系統(tǒng)有足夠的響應電量。因此，需在一次調頻不動作的期間，采用電量主動均衡策略對多個飛輪的電量進行小功率的動態(tài)調整。
電量主動均衡策略主要考慮兩個因素，一是在電量均衡過程中，儲能系統(tǒng)不對新能源場站并網口的出力造成較大偏差，二是避免小功率按比例分配后，單臺充放電指令過小，導致充放電控制精度偏低，影響均衡效果。因此，主動電量均衡過程將采用輪調方式，逐臺進行電量均衡。
3 飛輪陣列輔助新能源場站一次調頻測試
針對新能源場站的一次調頻功能優(yōu)化改造，2023年5月國電投坎德拉(北京)新能源科技有限公司交付了河南長豐風電場5 MW/175 kWh飛輪儲能陣列系統(tǒng)項目，交流并聯(lián)接入5臺1 MW/35 kWh到風電場升壓站35 kV母線上，以滿足新能源場站一次調頻改造需求。
單臺1 MW/35 kWh飛輪儲能單元參數(shù)見表1。
表1 1 MW/35 kWh飛輪儲能單元參數(shù)
飛輪儲能陣列系統(tǒng)并網后，以5 MW獨立飛輪儲能電站為測試對象，通過現(xiàn)場試驗驗證飛輪儲能電站輔助新能源場站一次調頻功能的各項技術指標，現(xiàn)場一次調頻試驗系統(tǒng)連接方式如圖6所示，數(shù)據(jù)記錄分析儀接在35 kV并網點電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)上，頻率信號發(fā)生裝置與一次調頻裝置的頻率測量模塊相連。
圖6 飛輪儲能電站采用頻率信號發(fā)生裝置測試接線示意圖
現(xiàn)場試驗進行了包括單機充放電切換測試、頻率階躍擾動、防擾動性能校驗及一次調頻死區(qū)測試等在內的一系列試驗測試，并通過長期運行驗證了飛輪儲能陣列輔助新能源場站一次調頻的有效性。
3.1 飛輪單機充放電切換測試
飛輪單機系統(tǒng)上電啟動后，網側的儲能變流器控制直流母線電壓，維持直流側電壓穩(wěn)定在1200 V，初始啟動階段，飛輪電機按照恒轉矩模式升速至工作轉速范圍內后待機，隨后飛輪電機控制模式切換為恒功率控制模式，此時可接受飛輪陣列EMS平臺的功率調度指令。單機設定大功率充電升速持續(xù)至少10 s后，再切換為大功率放電。如圖7所示，直流側電流接入示波器監(jiān)測，可看到在大功率充放電切換的過程中，電流開始變化的a點到電流穩(wěn)定后的b點中間經歷了49.6 ms；隨后在設定大功率放電降速持續(xù)至少10 s后，再切換為大功率充電。如圖8所示，可看到在大功率充放電切換的過程中，電流開始變化的a點到電流穩(wěn)定后的b點中間經歷了42.8 ms。經過幾輪測試，得出飛輪儲能單元單機充放電轉換時間小于50 ms(-90%～90%功率區(qū)間)，性能較好，可滿足一次調頻所需的短時、高頻次的充放電應用需求。
圖7 大功率充電切換為大功率放電直流側電流變化(黃色曲線)
圖8 大功率放電切換為大功率充電直流側電流變化(黃色曲線)
3.2 頻率階躍擾動試驗
飛輪儲能電站一次調頻頻率階躍擾動試驗分為兩個方向：頻率階躍上升擾動和頻率階躍下降擾動，通過頻率信號發(fā)生裝置來設定特定上升和下降的頻率階躍擾動值。根據(jù)飛輪儲能陣列系統(tǒng)在面對這兩種頻率階躍擾動時的響應特性，進行了詳細的測試與分析，測試結果如圖9所示。在飛輪儲能電站啟動運行一段時間后，通過頻率信號發(fā)生裝置設定一個階躍上擾動，一次調頻系統(tǒng)檢測頻率超過死區(qū)后迅速開始動作，飛輪儲能電站迅速增大充電功率，隨后設定頻率恢復至50 Hz，飛輪儲能電站的充電功率迅速恢復至待機功率；設置一個階躍下擾動，飛輪儲能電站迅速切換為放電狀態(tài)，隨后設定頻率恢復至50 Hz，飛輪儲能電站迅速恢復至待機狀態(tài)。在頻率階躍擾動測試期間，平均滯后時間為117 ms，最大滯后時間273 ms，平均上升時間為236 ms，最大上升時間445 ms，平均調節(jié)時間為282 ms，最大調節(jié)時間553 ms，平均控制偏差為0.12%，最大控制偏差0.78%，性能滿足GB/T 40595—2021《并網電源一次調頻技術規(guī)定及試驗導則》要求。
圖9 頻率階躍值上升擾動與下降擾動有功功率響應波形
3.3 防擾動性能校驗
為驗證飛輪儲能陣列一次調頻系統(tǒng)的抗擾動能力，防擾動性能校驗使用頻率信號發(fā)生裝置來產生故障穿越相應的校驗信號，目的是校驗飛輪儲能陣列系統(tǒng)在面臨異常狀況時的調頻性能響應，測試結果如圖10所示。具體試驗過程中，以一次調頻控制系統(tǒng)計算頻率的單相電壓幅值，瞬間降低至額定電壓的0、0.2、0.4、0.6和0.8，每次持續(xù)時間為150毫秒，并在跌落和恢復時完成兩次相位移動，每次相移60度。
圖10 防電網暫態(tài)擾動電壓跌落響應
當電壓幅值與相位發(fā)生突變時，飛輪儲能陣列系統(tǒng)的輸出功率未發(fā)生變化。試驗結果證明，該飛輪儲能陣列系統(tǒng)的一次調頻功能具備避開單一短路故障引起的瞬間頻率突變的能力。
3.4 一次調頻死區(qū)測試
人工設定一次調頻的死區(qū)為(50±0.05) Hz，階躍擾動結果如圖11所示，當頻率設置從50 Hz階躍到50.047 Hz、49.947 Hz時，飛輪電站實測有功功率未發(fā)生變化，當頻率設置從50 Hz階躍到50.053 Hz和49.953 Hz時，飛輪電站實測有功功率發(fā)生變化，滿足一次調頻頻率死區(qū)的要求(±0.05 Hz以內)。
圖11 一次調頻死區(qū)驗證響應波形
3.5 飛輪儲能電站長期運行
5 MW獨立飛輪儲能電站為長豐風電場提供一次調頻服務，具備一次調頻在線主動測試功能，可接受省調主站一次調頻在線主動測試信號，實時向主站反饋長豐風電場站一次調頻在線測試條件，并自動響應主站的測試信號，同時將可用功率、一次調頻投入/退出/動作/復歸信號等通過PMU測點的方式實時上傳到調度中心，滿足調度側對長豐風電場站一次調頻運行和性能的在線監(jiān)視和統(tǒng)計分析等要求。目前項目已投運近一年多的時間，一次調頻功能運行正常，日均一次調頻響應動作1900次左右，日均充放電量6000 kWh左右，滿足風電場一次調頻響應要求，有效減免長豐風電場政策考核罰款，避免了采用傳統(tǒng)技術路線限制風機10%額定負荷而引發(fā)的棄風問題，并匹配風機20年的運行年限，有效保障長豐風電場發(fā)電收益。
圖12 飛輪儲能電站系統(tǒng)界面及運行曲線
4 結 論
該項目是國內首個新能源場站與全容量MW級飛輪儲能融合的一次調頻功能改造工程，本工作設計了飛輪儲能陣列系統(tǒng)的集成接入方案，提出了一次調頻控制策略，并實施了單機充放電快速切換、頻率階躍擾動響應、防擾動性能校驗和一次調頻死區(qū)測試等一系列的試驗測試，并通過現(xiàn)場長期運行數(shù)據(jù)監(jiān)控，全方位驗證了系統(tǒng)性能，結果表明飛輪陣列系統(tǒng)在頻率階躍擾動下展現(xiàn)出卓越的響應速度，平均滯后時間和調節(jié)時間均優(yōu)于行業(yè)標準，同時控制偏差保持在極低的水平。此外，系統(tǒng)還具備有效抵御單一短路故障引起的瞬間頻率突變的能力，以及調頻死區(qū)設置功能，進一步增強了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。本研究的成功實施與應用，不僅充分解決了新能源場站一次調頻考核問題，更以實際成果證明了飛輪陣列系統(tǒng)在新能源場站一次調頻改造中的技術可行性和優(yōu)越性，促進了新型儲能與雙新電力系統(tǒng)的有機融合，為新形勢下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供了有力支撐。
