中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近期比亞迪儲(chǔ)能發(fā)布了一篇《全球首個(gè)！比亞迪儲(chǔ)能向英國(guó)電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償支撐服務(wù)》，里面內(nèi)容提到了比亞迪儲(chǔ)能的響應(yīng)過程和邊界實(shí)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(hào)寫得太詳實(shí)會(huì)暴露己方辛苦積累的工程經(jīng)驗(yàn)(又或許標(biāo)題有點(diǎn)違背國(guó)內(nèi)廣告法)，所以理解萬歲。
我們今天就來讀一讀英國(guó)電網(wǎng)規(guī)范（Grid Code）對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)儲(chǔ)能的技術(shù)要求，原文發(fā)表于Cigre Science & Engineering。
1. 儲(chǔ)能電網(wǎng)服務(wù)內(nèi)容
電池儲(chǔ)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(wǎng)絡(luò)中的連接。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是由多個(gè)含有固體或液體電解質(zhì)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(jiǎn)要討論了大型電池儲(chǔ)能提供的電網(wǎng)服務(wù)，目的是提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
1.1 電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)
電力網(wǎng)絡(luò)中電壓不穩(wěn)定的主要原因是與無功功率的波動(dòng)有關(guān)。電池儲(chǔ)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(bǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)能夠在有功/無功功率的四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行，這意味著它可以充當(dāng)電容器或電抗器，而變流器在20毫秒內(nèi)的快速反應(yīng)使BESS能夠根據(jù)其分配情況提高電壓穩(wěn)定性。當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝到消費(fèi)中心附近時(shí)，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(fèi)處罰。此外，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以用來減少配電網(wǎng)絡(luò)的功率損失。電池儲(chǔ)能系也可以在其他發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)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(diào)頻服務(wù)
當(dāng)所有發(fā)電單元以網(wǎng)絡(luò)同步速度旋轉(zhuǎn)，并且發(fā)電量隨時(shí)滿足需求時(shí)，電力系統(tǒng)頻率就會(huì)穩(wěn)定。然而，負(fù)荷的隨機(jī)性導(dǎo)致發(fā)電和需求之間的小功率不平衡，可能導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定問題，持續(xù)時(shí)間從幾秒鐘到甚至幾小時(shí)。大的干擾，如發(fā)電或需求的損失，會(huì)在電力系統(tǒng)中造成相當(dāng)大的頻率變化。因此，在電力系統(tǒng)中實(shí)施了三個(gè)級(jí)別的頻率調(diào)節(jié)控制，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)間和頻率調(diào)節(jié)控制所涉及的機(jī)制方面有區(qū)別，如下所示。
一次調(diào)頻（PFC）：當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，會(huì)在發(fā)電和需求之間產(chǎn)生一個(gè)突然的功率發(fā)電和需求之間發(fā)生不平衡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)頻率的快速變化。第一個(gè)糾正措施是通過發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備和它們的比例控制速度調(diào)節(jié)，允許在10到30秒內(nèi)快速響應(yīng)發(fā)出有功功率。
二次調(diào)頻（SFC）：發(fā)電機(jī)的設(shè)定點(diǎn)被自動(dòng)或手動(dòng)修改，以保持編程的功率。自動(dòng)或手動(dòng)修改，以保持系統(tǒng)各區(qū)域之間的程序化功率。SFC的時(shí)間響應(yīng)從1到30分鐘不等。響應(yīng)時(shí)間從1分鐘到30分鐘不等。
三次頻率控制（TFC）：當(dāng)達(dá)到額定頻率時(shí)。TFC的時(shí)間響應(yīng)從5分鐘到幾個(gè)小時(shí)不等。
越來越多的基于RES的逆變器資源（IBR）的接入電網(wǎng)，這影響電力系統(tǒng)瞬時(shí)穩(wěn)定性的慣量，因?yàn)镮BR這將不受同步機(jī)擺動(dòng)方程的制約。在沒有采用其他技術(shù)的情況下，大型發(fā)電機(jī)組、負(fù)載或系統(tǒng)分裂等事件會(huì)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(shè)計(jì)值。在英國(guó)，RES的加入推動(dòng)了RoCoF的變化，歷史上RoCoF被設(shè)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(shè)定為49.5 Hz。
在英國(guó)，低慣量系統(tǒng)的挑戰(zhàn)已經(jīng)發(fā)生，在擾動(dòng)事件前和事件后需要可以實(shí)現(xiàn)頻率控制調(diào)節(jié)的解決方案。英國(guó)已經(jīng)部署了一套廣域慣量測(cè)量（GE-PMU）和一套超級(jí)電容頻譜慣量測(cè)量（Reactive Technology）系統(tǒng)來實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。在事件發(fā)生后的第一毫秒，可以部署一些技術(shù)，如同步調(diào)相機(jī)（SynCons）和與靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STATCOM）的混合組合；
或者基于構(gòu)網(wǎng)型（GFM）或 虛擬同步機(jī)（VSM）虛擬慣量供應(yīng)- 儲(chǔ)能及飛輪儲(chǔ)能（FES）提供的快速頻率響應(yīng)（FFR）服務(wù)。
電池儲(chǔ)能可以提供PFC和SFC當(dāng)網(wǎng)絡(luò)頻率增加和減少時(shí)，BESS可以通過從網(wǎng)絡(luò)吸收有功功率（充電模式）和向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率（放電模式）來參與PFC調(diào)節(jié)。為了提供PFC調(diào)節(jié)，BESS的全部?jī)?chǔ)備需要在30秒內(nèi)啟動(dòng)，并持續(xù)15分鐘。
1.3 能源套利
英國(guó)的電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商在5分鐘的基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，考慮電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和安全邊界，以最經(jīng)濟(jì)的方式利用電能。在放松管制的市場(chǎng)中，以邊際成本購(gòu)買和出售的能源的運(yùn)營(yíng)成本最小化，允許建立一個(gè)現(xiàn)貨市場(chǎng)。每小時(shí)的需求變化導(dǎo)致高峰時(shí)段的邊際成本增加，非高峰時(shí)段的邊際成本減少。電池儲(chǔ)能可以參與能源套利的應(yīng)用，在日前的現(xiàn)貨市場(chǎng)上提供頻率響應(yīng)服務(wù)。儲(chǔ)能技術(shù)可以為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，包括能源套利，例如大型抽水蓄能（PHS）可以與BESS結(jié)合，每天參與能源市場(chǎng)，以低價(jià)購(gòu)買能源（充電），以高價(jià)出售能源（放電）。
1.4 延緩電網(wǎng)投資
電池儲(chǔ)能可以安裝在配電系統(tǒng)的負(fù)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(guān)的高投資成本。當(dāng)一條配電線路在高峰時(shí)段達(dá)到最大熱容量時(shí)，電池儲(chǔ)能可以通過每天注入幾個(gè)小時(shí)的有功功率來供應(yīng)部分需求。電池儲(chǔ)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(dòng)能力
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生全部或部分故障時(shí)，有必要給電網(wǎng)通電，支持發(fā)電機(jī)組和輸電線路同步接入電網(wǎng)。黑啟動(dòng)是一個(gè)重要且必需的服務(wù)，通過控制具有阻尼作用的不平衡負(fù)載使發(fā)電資源可以平滑的連接到電網(wǎng)，變流器和/或發(fā)電機(jī)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(yán)格的限度內(nèi)。操作員需要在任何時(shí)候都將系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。電池儲(chǔ)能的黑啟動(dòng)市場(chǎng)與變流器從冷狀態(tài)下給發(fā)電機(jī)供電，使其可以正常工作的時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，例如，給燃?xì)廨啓C(jī)供電所需的時(shí)間從15分鐘到1小時(shí)不等，因此電池儲(chǔ)能的放電時(shí)間需要可持續(xù)幾個(gè)小時(shí)。在這種情況下，電池儲(chǔ)能可以在黑啟動(dòng)通電期間提供足夠的有功和無功功率。
2. 電網(wǎng)規(guī)范的具體要求
2.1 無功功率支撐
儲(chǔ)能需要在上圖所示的中壓電網(wǎng)接入點(diǎn)（GEP）滿足電網(wǎng)規(guī)范第ECC 6.3.2.4.4(c)節(jié)規(guī)定的無功功率能力。當(dāng)儲(chǔ)能需要在其最大容量以下運(yùn)行時(shí)，它需要在50%和20%之間的三角形陰影區(qū)域運(yùn)行。此外，根據(jù)CC.6.3.2(b)節(jié)，儲(chǔ)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(zhuǎn)移。無功功率轉(zhuǎn)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(chǔ)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(cè)0.95PF滯后和領(lǐng)先極限之間的任何一點(diǎn)，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(zhǎng)增加風(fēng)電機(jī)組和BESS的有功功率輸出，以10%的步長(zhǎng)從0MW增加到 風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ) 總輸入容量（TEC）的最大有功功率容量，得到BESS在綜合風(fēng)能、光伏和儲(chǔ)能 互補(bǔ)項(xiàng)目的無功功率能力?？紤]到風(fēng)電機(jī)組在終端電壓下的功率能力，風(fēng)電機(jī)組需要在并網(wǎng)點(diǎn)下輸出最大的無功功率（超前或滯后）時(shí)，儲(chǔ)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(chǔ)能的穩(wěn)態(tài)性能和行為以及它與電網(wǎng)的相互作用。潮流控制評(píng)估了包括風(fēng)電場(chǎng)在內(nèi)的雙重或單一配置的電力系統(tǒng)的電壓曲線和負(fù)載，以及當(dāng)儲(chǔ)能處于充電或放電模式時(shí)的情況。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)范ECC.6.1.4.1條的允許限制，風(fēng)儲(chǔ)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(lǐng)先和滯后0.95。需要對(duì)POC的電壓曲線和電路負(fù)載進(jìn)行敏感性分析。在混合風(fēng)電系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組通常在電力輸出的優(yōu)先模式下運(yùn)行，因此當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，輸出電力模式下的儲(chǔ)能被削減。在最后一種情況下，最具挑戰(zhàn)性的運(yùn)行場(chǎng)景是當(dāng)BESS被設(shè)置為功率因數(shù)0.95（滯后）的輸出模式。在配電網(wǎng)絡(luò)中，加入STATCOM設(shè)備可以控制電壓或無功功率流過邊界到并網(wǎng)點(diǎn)，以符合電網(wǎng)規(guī)范的無功功率要求。
2.3 短路容量
儲(chǔ)能對(duì)短路容量有一定的貢獻(xiàn)。IEC60909規(guī)定了計(jì)算短路電流的建議。所有的設(shè)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(guān)閉狀態(tài)下的電流。目前在新能源發(fā)電場(chǎng)景在對(duì)IEC60909計(jì)算的調(diào)整，要求PCS的短路電流貢獻(xiàn)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(chǔ)能應(yīng)可以注入最大的無功電流而不超過其瞬時(shí)額定值，對(duì)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(wǎng)點(diǎn)處與電網(wǎng)保持連接，最長(zhǎng)時(shí)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(shí)穩(wěn)定，并且在高壓側(cè)施加的平衡電壓跌落持續(xù)時(shí)間超過140毫秒時(shí)，保證和電網(wǎng)連接而不跳閘。
BESS需要符合電網(wǎng)規(guī)范CP.A.3.5節(jié)中規(guī)定的以下故障穿越測(cè)試。
1. 在中壓并網(wǎng)點(diǎn)上施加140毫秒的對(duì)稱和不對(duì)稱故障。
a. 三相對(duì)地故障。
b. 相與相之間的故障。
c. 兩相對(duì)地故障。
d. 單相對(duì)地故障。
2. 在高壓電網(wǎng)的最近點(diǎn)上發(fā)生的持續(xù)時(shí)間不等的對(duì)稱性故障。
a. 0.384秒內(nèi)保留30%的電壓。
b. 在0.71秒內(nèi)保留50%的電壓。
c. 在2.5秒內(nèi)保留80%的電壓。
d. 在180秒內(nèi)保留85%的電壓。
BESS必須在并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)到0.9p.u.以上的500毫秒內(nèi)恢復(fù)輸出有功功率。
2.5 電壓控制調(diào)節(jié)
根據(jù)ECC.A.7.2.3.1節(jié)[30]，BESS必須在并網(wǎng)點(diǎn)提供持續(xù)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)，并保持穩(wěn)定。BESS必須符合ECP.A.3.4.1節(jié)中的動(dòng)態(tài)性能，考慮到以下應(yīng)用。
a. 當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生一個(gè)負(fù)階躍時(shí)，BESS在額定有功功率輸出時(shí)，無功功率從零變化到最大值（滯后）。
b. 當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生一個(gè)正階躍時(shí)，BESS在額定有功功率輸出時(shí)，無功功率從零變化到最大值（領(lǐng)先）。
c. 一個(gè)-2%的電壓階躍，同時(shí)在滯后無功功率限制的5%范圍內(nèi)運(yùn)行。
d. 一個(gè)+2%的電壓階躍，同時(shí)在5%的領(lǐng)先無功功率限制內(nèi)運(yùn)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(lǐng)先或滯后值。無功功率輸出響應(yīng)必須在電壓階躍的0.2秒內(nèi)開始，并在1秒內(nèi)達(dá)到90%。
2.6 頻率控制調(diào)節(jié)
BESS必須符合ECC.6.3.7[30]條款中的電網(wǎng)規(guī)范頻率響應(yīng)要求。頻率響應(yīng)要求包括高頻時(shí)的有限頻率敏感模式（LFSM-O）、低頻時(shí)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(dòng)態(tài)符合要求的具體研究。
高頻 LFSM (LFSM-O)
電網(wǎng)規(guī)范在ECC.6.3.7.1節(jié)中規(guī)定，每個(gè)BESS模塊必須能夠在系統(tǒng)頻率上升到50.4Hz以上時(shí)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(shí)，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(nèi)實(shí)現(xiàn)。BESS應(yīng)能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)功率頻率響應(yīng)。如果延遲時(shí)間超過2秒，必須提供技術(shù)證據(jù)來證明這一變化。
低頻LFSM（LFSM-U）
電網(wǎng)規(guī)范在ECC.6.3.7.2節(jié)中要求，每個(gè)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(shí)增加有功功率輸出。電網(wǎng)規(guī)范不允許BESS在低效（長(zhǎng)延時(shí)）模式下運(yùn)行以促進(jìn)LFSM-U響應(yīng)的傳遞；任何固有的能力（如果有的話）應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)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(shí)，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(shí)，必須實(shí)現(xiàn)有功功率的比例增長(zhǎng)。BESS應(yīng)能以盡可能短的初始延遲啟動(dòng)功率頻率響應(yīng)。如果延遲超過2秒，則必須提供技術(shù)證據(jù)來證明這種變化。要求BESS能提供高達(dá)其最大容量的功率增長(zhǎng)。
頻率敏感模式 (FSM)
電網(wǎng)規(guī)范在ECC.6.3.7.3.1節(jié)中指出，BESS必須安裝一個(gè)快速反應(yīng)的比例頻率控制裝置，能夠在正常運(yùn)行條件下提供頻率響應(yīng)。頻率控制裝置必須在下圖所示的有功功率輸出的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)行。
在發(fā)生頻率階躍變化的情況下，BESS應(yīng)能根據(jù)下圖的性能特征，啟動(dòng)全面和穩(wěn)定的有功功率頻率響應(yīng)（不發(fā)生功率振蕩）。
BESS初始有功功率頻率響應(yīng)的延遲不得大于1秒。如果風(fēng)電廠電源不能滿足這一要求，則需要提供技術(shù)證據(jù)，證明有功功率頻率響應(yīng)初始啟動(dòng)所需的時(shí)間。
頻率控制器模型驗(yàn)證
電網(wǎng)規(guī)范在ECP.A.3.7節(jié)中要求，當(dāng)BESS轉(zhuǎn)換器以最大容量的80%運(yùn)行時(shí)，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(fù)階躍和0.5Hz的正階躍，兩者都在頻率響應(yīng)不敏感的LFSM范圍內(nèi)，當(dāng)BESS在LFSM中運(yùn)行時(shí)必須不激活電源頻率響應(yīng)。因此，假設(shè)BESS處于FSM狀態(tài)。當(dāng)物理測(cè)試結(jié)果出來后，它們被用來驗(yàn)證頻率控制器實(shí)際應(yīng)用效果。
3. 總結(jié)
在 風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)項(xiàng)目 中并網(wǎng)型BESS對(duì)電網(wǎng)有多種好處，首先它可以幫助提高電能質(zhì)量、穩(wěn)定性和電網(wǎng)的安全性，其次是可在短期內(nèi)提供輔助服務(wù)。為了驗(yàn)證BESS的并網(wǎng)特性，有必要根據(jù)電網(wǎng)規(guī)范要求驗(yàn)證其合規(guī)性。
目前的工作是對(duì)電網(wǎng)規(guī)范的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試進(jìn)行審查，根據(jù)英國(guó)電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的要求，BESS需要在 風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)項(xiàng)目 中完成測(cè)試。
靜態(tài)測(cè)試包括幾個(gè)電壓等級(jí)的有功和無功功率能力，以及POC、LF和所有可能的運(yùn)行情況下的短路分析，以驗(yàn)證電網(wǎng)元件的極限。
動(dòng)態(tài)測(cè)試需要符合不同持續(xù)時(shí)間的對(duì)稱和不對(duì)稱故障條件下的FRT能力，而不需要從電網(wǎng)斷開；電壓和頻率調(diào)節(jié)的最低控制要求需要得到驗(yàn)證，以提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。
因此，BESS的并網(wǎng)要求越來越高，因?yàn)閮?chǔ)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(chǎn)生間歇性期間，將發(fā)揮重要的電網(wǎng)穩(wěn)定作用。如今，BESS的控制策略是基于電網(wǎng)跟隨型GFL，預(yù)計(jì)其可向風(fēng)能和光伏發(fā)電的提供一定的支撐，同時(shí)我們也可以看到如同步調(diào)相機(jī)這樣的設(shè)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(fù)和穩(wěn)定時(shí)間，減少RoCoF、頻率偏移，并為電網(wǎng)提供無功支持。
2021年，Eirgrid宣布在Moneypoint連接一個(gè)同步調(diào)相機(jī)，以提高穩(wěn)定性，盡管需要高昂的投資成本。預(yù)計(jì)未來BESS可以通過采用電網(wǎng)構(gòu)建GFM控制，以較低的成本提供頻率支持功能和其他同步機(jī)器固有的功能。這對(duì)于可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)型和未來電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性來說，短期儲(chǔ)能BESS和長(zhǎng)時(shí)氫能儲(chǔ)能（HES）等ESS的協(xié)調(diào)和運(yùn)行是必要的。
