中國儲能網訊：近期比亞迪儲能發(fā)布了一篇《全球首個！比亞迪儲能向英國電網提供無功補償支撐服務》，里面內容提到了比亞迪儲能的響應過程和邊界實際很有參考意義。但不知什么原因，文章發(fā)布后很快就被作者刪除了。不過想想也不奇怪，公眾號寫得太詳實會暴露己方辛苦積累的工程經驗(又或許標題有點違背國內廣告法)，所以理解萬歲。
我們今天就來讀一讀英國電網規(guī)范（Grid Code）對于風電并網點儲能的技術要求，原文發(fā)表于Cigre Science & Engineering。
1. 儲能電網服務內容
電池儲能系統(tǒng)的靈活性、易用性和可靠性有利于它在輸電和配電網絡中的連接。電池儲能系統(tǒng)是由多個含有固體或液體電解質的電池組成的，這使得它們能夠增加其功率能力。目前鋰離子電池是最常用的，在80%的放電深度（DoD）下，其循環(huán)次數(shù)為3000，而鋰鈷電池的效率最高為98.5%。我們首先簡要討論了大型電池儲能提供的電網服務，目的是提高電力系統(tǒng)的運行可靠性。
1.1 電壓自動調節(jié)
電力網絡中電壓不穩(wěn)定的主要原因是與無功功率的波動有關。電池儲能系統(tǒng)可以吸收和輸送無功功率，類似于目前在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中由柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）和靜態(tài)無功補償器（SVC）執(zhí)行的功能，以維持系統(tǒng)的電壓系統(tǒng)穩(wěn)定。電池儲能系統(tǒng)能夠在有功/無功功率的四個象限內運行，這意味著它可以充當電容器或電抗器，而變流器在20毫秒內的快速反應使BESS能夠根據(jù)其分配情況提高電壓穩(wěn)定性。當電池儲能系統(tǒng)安裝到消費中心附近時，可以糾正終端客戶的功率因數(shù)（PF），并避免違規(guī)操作和收費處罰。此外，電池儲能系統(tǒng)還可以用來減少配電網絡的功率損失。電池儲能系也可以在其他發(fā)電機組啟動前提供快速的有功功率和無功功率支持，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
1.2 調頻服務
當所有發(fā)電單元以網絡同步速度旋轉，并且發(fā)電量隨時滿足需求時，電力系統(tǒng)頻率就會穩(wěn)定。然而，負荷的隨機性導致發(fā)電和需求之間的小功率不平衡，可能導致頻率不穩(wěn)定問題，持續(xù)時間從幾秒鐘到甚至幾小時。大的干擾，如發(fā)電或需求的損失，會在電力系統(tǒng)中造成相當大的頻率變化。因此，在電力系統(tǒng)中實施了三個級別的頻率調節(jié)控制，它們在工作時間和頻率調節(jié)控制所涉及的機制方面有區(qū)別，如下所示。
一次調頻（PFC）：當故障發(fā)生時，會在發(fā)電和需求之間產生一個突然的功率發(fā)電和需求之間發(fā)生不平衡，導致網絡頻率的快速變化。第一個糾正措施是通過發(fā)電機的旋轉儲備和它們的比例控制速度調節(jié)，允許在10到30秒內快速響應發(fā)出有功功率。
二次調頻（SFC）：發(fā)電機的設定點被自動或手動修改，以保持編程的功率。自動或手動修改，以保持系統(tǒng)各區(qū)域之間的程序化功率。SFC的時間響應從1到30分鐘不等。響應時間從1分鐘到30分鐘不等。
三次頻率控制（TFC）：當達到額定頻率時。TFC的時間響應從5分鐘到幾個小時不等。
越來越多的基于RES的逆變器資源（IBR）的接入電網，這影響電力系統(tǒng)瞬時穩(wěn)定性的慣量，因為IBR這將不受同步機擺動方程的制約。在沒有采用其他技術的情況下，大型發(fā)電機組、負載或系統(tǒng)分裂等事件會造成頻率偏移、頻率變化率（RoCoF）、頻率最低和最高的變化大于設計值。在英國，RES的加入推動了RoCoF的變化，歷史上RoCoF被設定為0.125 Hz/s，沒有延遲，最近更新為1 Hz/s，延遲0.5秒，頻率最低被設定為49.5 Hz。
在英國，低慣量系統(tǒng)的挑戰(zhàn)已經發(fā)生，在擾動事件前和事件后需要可以實現(xiàn)頻率控制調節(jié)的解決方案。英國已經部署了一套廣域慣量測量（GE-PMU）和一套超級電容頻譜慣量測量（Reactive Technology）系統(tǒng)來實時檢測運行風險。在事件發(fā)生后的第一毫秒，可以部署一些技術，如同步調相機（SynCons）和與靜態(tài)同步補償器（STATCOM）的混合組合；
或者基于構網型（GFM）或 虛擬同步機（VSM）虛擬慣量供應- 儲能及飛輪儲能（FES）提供的快速頻率響應（FFR）服務。
電池儲能可以提供PFC和SFC當網絡頻率增加和減少時，BESS可以通過從網絡吸收有功功率（充電模式）和向網絡注入有功功率（放電模式）來參與PFC調節(jié)。為了提供PFC調節(jié)，BESS的全部儲備需要在30秒內啟動，并持續(xù)15分鐘。
1.3 能源套利
英國的電力系統(tǒng)運營商在5分鐘的基礎上進行經濟調度，考慮電力系統(tǒng)的電能質量和安全邊界，以最經濟的方式利用電能。在放松管制的市場中，以邊際成本購買和出售的能源的運營成本最小化，允許建立一個現(xiàn)貨市場。每小時的需求變化導致高峰時段的邊際成本增加，非高峰時段的邊際成本減少。電池儲能可以參與能源套利的應用，在日前的現(xiàn)貨市場上提供頻率響應服務。儲能技術可以為電網提供輔助服務，包括能源套利，例如大型抽水蓄能（PHS）可以與BESS結合，每天參與能源市場，以低價購買能源（充電），以高價出售能源（放電）。
1.4 延緩電網投資
電池儲能可以安裝在配電系統(tǒng)的負載附近，作為緩解線路堵塞的替代方案，并避免超出線路額定值有關的高投資成本。當一條配電線路在高峰時段達到最大熱容量時，電池儲能可以通過每天注入幾個小時的有功功率來供應部分需求。電池儲能也可以被安裝在輸電系統(tǒng)中，以控制輸電線路堵塞。
1.5 黑啟動能力
當系統(tǒng)發(fā)生全部或部分故障時，有必要給電網通電，支持發(fā)電機組和輸電線路同步接入電網。黑啟動是一個重要且必需的服務，通過控制具有阻尼作用的不平衡負載使發(fā)電資源可以平滑的連接到電網，變流器和/或發(fā)電機需要保持有功和無功功率的平衡，并將系統(tǒng)參考電壓和頻率維持在嚴格的限度內。操作員需要在任何時候都將系統(tǒng)崩潰的風險降到最低。電池儲能的黑啟動市場與變流器從冷狀態(tài)下給發(fā)電機供電，使其可以正常工作的時長有關，例如，給燃氣輪機供電所需的時間從15分鐘到1小時不等，因此電池儲能的放電時間需要可持續(xù)幾個小時。在這種情況下，電池儲能可以在黑啟動通電期間提供足夠的有功和無功功率。
2. 電網規(guī)范的具體要求
2.1 無功功率支撐
儲能需要在上圖所示的中壓電網接入點（GEP）滿足電網規(guī)范第ECC 6.3.2.4.4(c)節(jié)規(guī)定的無功功率能力。當儲能需要在其最大容量以下運行時，它需要在50%和20%之間的三角形陰影區(qū)域運行。此外，根據(jù)CC.6.3.2(b)節(jié)，儲能必須能夠在穩(wěn)態(tài)電壓條件下的所有有功功率輸出水平上保持GEP的無功功率零轉移。無功功率轉移輸入和輸出的穩(wěn)態(tài)容差不得大于額定有功功率的5%。儲能必須能夠在CC.6.3.2(c)中定義的132kV及以上電壓的變壓器高壓側0.95PF滯后和領先極限之間的任何一點，為20%以上的所有有功功率輸出水平是保證無功功率限制。
考慮到GEP的電壓從0.9到1.1p.u.，以0.05p.u.的步長增加風電機組和BESS的有功功率輸出，以10%的步長從0MW增加到 風光儲互補 總輸入容量（TEC）的最大有功功率容量，得到BESS在綜合風能、光伏和儲能 互補項目的無功功率能力?？紤]到風電機組在終端電壓下的功率能力，風電機組需要在并網點下輸出最大的無功功率（超前或滯后）時，儲能必須提供其余的無功功率。
2.2 潮流控制
潮流控制的目的是確定儲能的穩(wěn)態(tài)性能和行為以及它與電網的相互作用。潮流控制評估了包括風電場在內的雙重或單一配置的電力系統(tǒng)的電壓曲線和負載，以及當儲能處于充電或放電模式時的情況。根據(jù)電網規(guī)范ECC.6.1.4.1條的允許限制，風儲混合系統(tǒng)必須考慮POC的最大和最小電壓變化范圍為1.0 10%，領先和滯后0.95。需要對POC的電壓曲線和電路負載進行敏感性分析。在混合風電系統(tǒng)中，風電機組通常在電力輸出的優(yōu)先模式下運行，因此當風電機組運行時，輸出電力模式下的儲能被削減。在最后一種情況下，最具挑戰(zhàn)性的運行場景是當BESS被設置為功率因數(shù)0.95（滯后）的輸出模式。在配電網絡中，加入STATCOM設備可以控制電壓或無功功率流過邊界到并網點，以符合電網規(guī)范的無功功率要求。
2.3 短路容量
儲能對短路容量有一定的貢獻。IEC60909規(guī)定了計算短路電流的建議。所有的設備必須能承受一秒鐘的短路電流而不超過其容量，根據(jù)IEC 62271-1的規(guī)定，容量是指在關閉狀態(tài)下的電流。目前在新能源發(fā)電場景在對IEC60909計算的調整，要求PCS的短路電流貢獻其額定值的1.5到2倍的額定電流。
2.4 故障穿越（FRT）能力
電池儲能應可以注入最大的無功電流而不超過其瞬時額定值，對快速注入故障電流沒有具體要求。在ECC.6.3.15.1[30]節(jié)中，任何故障類型，BESS都需要在并網點處與電網保持連接，最長時間為140ms。BESS 必須符合下圖的 FRT 電壓曲線特性，考慮到額定的有功功率輸出和 ECC.6.3.15.8 節(jié)中規(guī)定的最大超前功率因數(shù)。
根據(jù)下圖所示的電壓曲線特征，BESS必須保持瞬時穩(wěn)定，并且在高壓側施加的平衡電壓跌落持續(xù)時間超過140毫秒時，保證和電網連接而不跳閘。
BESS需要符合電網規(guī)范CP.A.3.5節(jié)中規(guī)定的以下故障穿越測試。
1. 在中壓并網點上施加140毫秒的對稱和不對稱故障。
a. 三相對地故障。
b. 相與相之間的故障。
c. 兩相對地故障。
d. 單相對地故障。
2. 在高壓電網的最近點上發(fā)生的持續(xù)時間不等的對稱性故障。
a. 0.384秒內保留30%的電壓。
b. 在0.71秒內保留50%的電壓。
c. 在2.5秒內保留80%的電壓。
d. 在180秒內保留85%的電壓。
BESS必須在并網點電壓恢復到0.9p.u.以上的500毫秒內恢復輸出有功功率。
2.5 電壓控制調節(jié)
根據(jù)ECC.A.7.2.3.1節(jié)[30]，BESS必須在并網點提供持續(xù)的自動電壓調節(jié)，并保持穩(wěn)定。BESS必須符合ECP.A.3.4.1節(jié)中的動態(tài)性能，考慮到以下應用。
a. 當系統(tǒng)電壓發(fā)生一個負階躍時，BESS在額定有功功率輸出時，無功功率從零變化到最大值（滯后）。
b. 當系統(tǒng)電壓發(fā)生一個正階躍時，BESS在額定有功功率輸出時，無功功率從零變化到最大值（領先）。
c. 一個-2%的電壓階躍，同時在滯后無功功率限制的5%范圍內運行。
d. 一個+2%的電壓階躍，同時在5%的領先無功功率限制內運行。
該階躍必須足夠大，以要求穩(wěn)態(tài)無功功率輸出從零變化到最大的領先或滯后值。無功功率輸出響應必須在電壓階躍的0.2秒內開始，并在1秒內達到90%。
2.6 頻率控制調節(jié)
BESS必須符合ECC.6.3.7[30]條款中的電網規(guī)范頻率響應要求。頻率響應要求包括高頻時的有限頻率敏感模式（LFSM-O）、低頻時的有限頻率敏感模式（LFSM-U）、頻率敏感模式（FSM），以及證明頻率控制中動態(tài)符合要求的具體研究。
高頻 LFSM (LFSM-O)
電網規(guī)范在ECC.6.3.7.1節(jié)中規(guī)定，每個BESS模塊必須能夠在系統(tǒng)頻率上升到50.4Hz以上時降低有功功率輸出。如下圖所示，有功功率輸出的變化率必須是在系統(tǒng)頻率高于50.4Hz時，每偏離0.1Hz至少輸出2%（即10%的下降率）。有功功率的比例降低必須在頻率上升到50.4Hz以上的10秒內實現(xiàn)。BESS應能在盡可能短的時間內啟動功率頻率響應。如果延遲時間超過2秒，必須提供技術證據(jù)來證明這一變化。
低頻LFSM（LFSM-U）
電網規(guī)范在ECC.6.3.7.2節(jié)中要求，每個BESS模塊必須在LFSM-U中保持穩(wěn)定，并且能夠在系統(tǒng)頻率低于49.5Hz時增加有功功率輸出。電網規(guī)范不允許BESS在低效（長延時）模式下運行以促進LFSM-U響應的傳遞；任何固有的能力（如果有的話）應在盡可能短的時間內傳遞。如下圖所示，有功功率輸出的變化率必須是在系統(tǒng)頻率低于49.5Hz時，每偏離0.1Hz至少有2%的輸出（即10%的下降）。在頻率低于49.5Hz時，必須實現(xiàn)有功功率的比例增長。BESS應能以盡可能短的初始延遲啟動功率頻率響應。如果延遲超過2秒，則必須提供技術證據(jù)來證明這種變化。要求BESS能提供高達其最大容量的功率增長。
頻率敏感模式 (FSM)
電網規(guī)范在ECC.6.3.7.3.1節(jié)中指出，BESS必須安裝一個快速反應的比例頻率控制裝置，能夠在正常運行條件下提供頻率響應。頻率控制裝置必須在下圖所示的有功功率輸出的整個運行范圍內運行。
在發(fā)生頻率階躍變化的情況下，BESS應能根據(jù)下圖的性能特征，啟動全面和穩(wěn)定的有功功率頻率響應（不發(fā)生功率振蕩）。
BESS初始有功功率頻率響應的延遲不得大于1秒。如果風電廠電源不能滿足這一要求，則需要提供技術證據(jù)，證明有功功率頻率響應初始啟動所需的時間。
頻率控制器模型驗證
電網規(guī)范在ECP.A.3.7節(jié)中要求，當BESS轉換器以最大容量的80%運行時，要符合下圖中低頻事件的斜坡能力。建議頻率變化曲線的最大偏差包括0.5Hz的負階躍和0.5Hz的正階躍，兩者都在頻率響應不敏感的LFSM范圍內，當BESS在LFSM中運行時必須不激活電源頻率響應。因此，假設BESS處于FSM狀態(tài)。當物理測試結果出來后，它們被用來驗證頻率控制器實際應用效果。
3. 總結
在 風光儲互補項目 中并網型BESS對電網有多種好處，首先它可以幫助提高電能質量、穩(wěn)定性和電網的安全性，其次是可在短期內提供輔助服務。為了驗證BESS的并網特性，有必要根據(jù)電網規(guī)范要求驗證其合規(guī)性。
目前的工作是對電網規(guī)范的靜態(tài)和動態(tài)測試進行審查，根據(jù)英國電力系統(tǒng)運營商的要求，BESS需要在 風光儲互補項目 中完成測試。
靜態(tài)測試包括幾個電壓等級的有功和無功功率能力，以及POC、LF和所有可能的運行情況下的短路分析，以驗證電網元件的極限。
動態(tài)測試需要符合不同持續(xù)時間的對稱和不對稱故障條件下的FRT能力，而不需要從電網斷開；電壓和頻率調節(jié)的最低控制要求需要得到驗證，以提高網絡的穩(wěn)定性。
因此，BESS的并網要求越來越高，因為儲能在可再生能源發(fā)電和基于逆變器特性的發(fā)電組合產生間歇性期間，將發(fā)揮重要的電網穩(wěn)定作用。如今，BESS的控制策略是基于電網跟隨型GFL，預計其可向風能和光伏發(fā)電的提供一定的支撐，同時我們也可以看到如同步調相機這樣的設備可以幫助改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)慣量、系統(tǒng)恢復和穩(wěn)定時間，減少RoCoF、頻率偏移，并為電網提供無功支持。
2021年，Eirgrid宣布在Moneypoint連接一個同步調相機，以提高穩(wěn)定性，盡管需要高昂的投資成本。預計未來BESS可以通過采用電網構建GFM控制，以較低的成本提供頻率支持功能和其他同步機器固有的功能。這對于可持續(xù)的能源轉型和未來電力網絡的穩(wěn)定性來說，短期儲能BESS和長時氫能儲能（HES）等ESS的協(xié)調和運行是必要的。
