中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2018年10月26日，在北京西國(guó)貿(mào)大酒店的2018中國(guó)分布式儲(chǔ)能峰會(huì)上，本次會(huì)議下午由中國(guó)新能源電力投融資聯(lián)盟秘書長(zhǎng)彭澎主持。在光伏+儲(chǔ)能及微電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新的主題中，國(guó)網(wǎng)冀北電科院新能源研究所鞏宇發(fā)表了題為“光伏直流側(cè)加裝儲(chǔ)能進(jìn)行一次調(diào)頻的研究與工程運(yùn)行分析”的演講。
國(guó)網(wǎng)冀北電科院新能源研究所鞏宇：
各位同行，大家！我來(lái)自國(guó)網(wǎng)來(lái)自冀北電科院。這次分享的題目是光伏直流側(cè)加裝儲(chǔ)能進(jìn)行一次調(diào)頻的研究與工程運(yùn)行分析。就是光伏參與電網(wǎng)一次調(diào)頻我們的最新研究，希望給大家最新的啟示。從三個(gè)方面進(jìn)行介紹：
第一，關(guān)于張北虛擬同步機(jī)示范建設(shè)給大家做一個(gè)匯報(bào)。張北示范區(qū)建設(shè)有一個(gè)重大的背景，參與電網(wǎng)一次調(diào)頻是必要的也是迫切的，主要表現(xiàn)三個(gè)方面：
第一方面，截止2017年我國(guó)風(fēng)機(jī)光伏裝機(jī)占總裝機(jī)容量17%，在冀北公司冀北電網(wǎng)新能源裝機(jī)已經(jīng)到了53%的水平，新能源機(jī)組參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻是必須的。
第二個(gè)表示方式，我們通過(guò)對(duì)冀北地區(qū)35千伏目線的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，左邊這個(gè)圖是一個(gè)24小時(shí)的電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍，在電網(wǎng)正常運(yùn)行范圍內(nèi)它的波動(dòng)區(qū)間在正負(fù)0.04赫茲，0.04已經(jīng)超過(guò)了火電機(jī)組調(diào)頻的死區(qū)，右邊圖可以看到，當(dāng)頻率超過(guò)了火電機(jī)組調(diào)頻死區(qū)0.033赫茲的時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)頻電源就要啟動(dòng)，將頻率拉回來(lái)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，在一天之內(nèi)頻率越上限次數(shù)大概在700多次、越下限在950次，所以說(shuō)電網(wǎng)在正常運(yùn)行情況下為保持系統(tǒng)在一個(gè)較小的波動(dòng)范圍，系統(tǒng)內(nèi)調(diào)頻電源需要頻繁的調(diào)入一次調(diào)頻功能。我們又統(tǒng)計(jì)了一下，從2019年到現(xiàn)在電網(wǎng)發(fā)生故障的一些情況，主要包括直流閉鎖和發(fā)電機(jī)的故障跳機(jī)。說(shuō)明在我們堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為主的情況下，其實(shí)也是有概率，并且概率不小的會(huì)發(fā)生這種故障，我們以華北電網(wǎng)為例做了一個(gè)仿真，右下角那個(gè)圖，它的仿真是這樣，是以新能源機(jī)組，新能源機(jī)組占比20%，發(fā)生了5%的頻率削額的情況下，我們對(duì)比了新能源機(jī)組參與調(diào)頻和不參與調(diào)頻的頻率對(duì)比，新能源機(jī)組參與調(diào)頻的時(shí)候它的頻率最低點(diǎn)大概在49.8%左右，是一個(gè)新能源機(jī)組可承受的范圍之內(nèi)。在新能源機(jī)組不參與調(diào)頻的時(shí)候，頻率最低點(diǎn)可下降到49.25%這個(gè)范圍，這個(gè)范圍已經(jīng)引起了低頻減載，會(huì)使得故障持續(xù)擴(kuò)大。以上三點(diǎn)說(shuō)明了，新能源機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻的必要性。
在這個(gè)大背景下，國(guó)網(wǎng)冀北電力公司協(xié)同中國(guó)電科院、產(chǎn)業(yè)及進(jìn)行了全環(huán)節(jié)的攻關(guān)，主要在張北風(fēng)光儲(chǔ)對(duì)24臺(tái)光伏、59臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了虛擬同步機(jī)改造，建設(shè)了2臺(tái)單機(jī)容量5兆瓦，電站是虛擬同步機(jī)，首次在大電網(wǎng)中示范應(yīng)用了包括光伏、風(fēng)電與電站三大類、六種型號(hào)的主動(dòng)調(diào)頻設(shè)備。
第二方面，向大家匯報(bào)一下光伏參與電網(wǎng)一次調(diào)頻我們采用的調(diào)頻方案。
由于光伏逆變器通常運(yùn)行與MBT運(yùn)行模式，他是沒有向上支撐功率的能力，我們選擇直流母線加裝儲(chǔ)能的方式，使得功率單元具備了可上可下的能力，他的基本硬件結(jié)構(gòu)是儲(chǔ)能單元加上雙向的DC/DC并聯(lián)到直流母線，和光伏共用一個(gè)DC/DC逆變器。示范公車采用的是兩種方案，第一種是加裝了50千瓦、30分鐘的磷酸鐵鋰電池，第二種方式是加裝了50千萬(wàn)、15秒的超級(jí)電容的方案，希望通過(guò)這兩個(gè)方案的對(duì)比得到一些參考方案。
調(diào)頻控制策略的基本原理，基于光伏逆變器常用的矢量控制，在DQ電流控制環(huán)節(jié)加上和頻率電壓相關(guān)的一些附加信號(hào)，使它具有調(diào)頻功能，因?yàn)槭莾煞N不同的電池類型，所以根據(jù)這兩種電池類型分別有一個(gè)個(gè)性化的設(shè)計(jì)，對(duì)于鋰電池采用的是一個(gè)模擬轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程策略，它是以里鋰電池為主體，我頻率越上限和越下限均是以電池來(lái)響應(yīng)調(diào)頻，是調(diào)頻熱備用，我夜間也可以調(diào)頻，因?yàn)殇囯姵厥怯蟹浅４蟮娜萘康摹?lái)一個(gè)問(wèn)題就是，光伏逆變器在夜間處于低載模式，不能拖網(wǎng)、不能待機(jī)，因?yàn)槌?jí)電容的容量特別小，相對(duì)不具備存儲(chǔ)電能的一個(gè)功能，所以說(shuō)它采用的控制策略是有功下垂，它的調(diào)頻主體是超級(jí)電容和光伏，它對(duì)電池在頻道內(nèi)一天的調(diào)頻次數(shù)是比較少的，并且夜間光伏逆變器處于待機(jī)模式。
通過(guò)冀北電科院仿真，對(duì)兩者的調(diào)頻性能做了對(duì)比，首先是調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間的對(duì)比，由于加裝了DC/DC環(huán)節(jié)，他的功率支撐、功率響應(yīng)速率他的限制環(huán)節(jié)其實(shí)在DC/DC電力電子，所以兩種方案的調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間基本差不多，并不會(huì)突出超級(jí)電容非常快的這樣一個(gè)性能。并且兩者在投資金額差不多的情況下，鋰電池可以全天候的支撐頻率，并且他的支撐時(shí)間是一次充電滿功率可以支撐30分鐘，超級(jí)電容只能支撐15秒，我們認(rèn)為鋰電池作為調(diào)頻的資源可能是比較優(yōu)秀的。
第三方面，匯報(bào)一下工程運(yùn)行監(jiān)測(cè)的情況。首先，今年7月份—9月份的運(yùn)行發(fā)電情況做了一個(gè)統(tǒng)計(jì)，從風(fēng)光儲(chǔ)D5000運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，從6月—9月，正常的光伏逆變器發(fā)電和改造后的具備調(diào)頻功能的光伏逆變器的一個(gè)發(fā)電量相比，大概發(fā)電量相差了0.8，任取其中大概10天的一個(gè)日發(fā)電量的對(duì)比，就是兩者各有優(yōu)劣。得到這樣一個(gè)結(jié)論，光伏單元加裝儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻，并不會(huì)影響光伏的正常發(fā)電。
第二個(gè)，因?yàn)镈5000的數(shù)據(jù)顆粒度是比較大的，對(duì)與頻率相關(guān)的一些分析是有局限性的，所以我們就地架設(shè)了高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，我們想達(dá)到的是對(duì)單機(jī)調(diào)頻性能、日調(diào)頻次數(shù)、電池充放電、故障情況等一系列的監(jiān)測(cè)，首先是對(duì)電網(wǎng)頻率的一個(gè)對(duì)比。右邊這張圖是我們采集到了新能源機(jī)組極端頻率合35千伏和110千伏電網(wǎng)線路的頻率做了一個(gè)對(duì)比，可以得出來(lái)左邊這條線，就是機(jī)端頻率合35千伏頻率基本上是重合的，并且復(fù)合度相當(dāng)好，就回到了一個(gè)問(wèn)題就是，新能源機(jī)組的機(jī)端頻率和電網(wǎng)頻率是相同的，這個(gè)階段也是困擾了很多人。但是從右邊圖可以看到，機(jī)端頻率相同，但是設(shè)備采到的不一定準(zhǔn)確，因?yàn)槟沔i相環(huán)鎖相方式和數(shù)據(jù)處理方式不同，可能產(chǎn)生你采到的頻率精度是不一樣的。比如右邊采用方法A，就是A方式，就是用鎖相環(huán)鎖出來(lái)的頻率，大概與真實(shí)頻率相差能到0.015赫茲，因?yàn)榛痣姷恼{(diào)頻死區(qū)才0.33，用方法B精度就比較好，相差精度0.002、0.001的樣子。
我們對(duì)比了一下鋰電池方案和超級(jí)電容方案在日調(diào)頻工況下的一個(gè)不同，單機(jī)調(diào)頻的曲線設(shè)置頻率死區(qū)在正負(fù)0.03赫茲的時(shí)候，他一小時(shí)的調(diào)頻次數(shù)大概幾十次、上百次的樣子。光伏饋線的調(diào)頻性能，是有16各位改造的光伏逆變器、有4個(gè)改造以后的，在夜間他的調(diào)頻性能是比較好的，說(shuō)明了改造以后具備調(diào)頻性能的光伏逆變器在多機(jī)并聯(lián)情況下他是可以正常運(yùn)行的。日間調(diào)頻的曲線，因?yàn)槿杖臻g光伏的發(fā)電功率比較大，所以調(diào)頻的功率淹沒在了藍(lán)線中，我們看藍(lán)線細(xì)節(jié)可以看到功率曲線上有功率突然降低的點(diǎn)，這個(gè)是儲(chǔ)能在調(diào)頻過(guò)程中吸收功率或者放出功率時(shí)候?qū)χ绷髂妇€電壓可能會(huì)產(chǎn)生一些擾動(dòng)，造成了光伏發(fā)電的一些降低恩，但是在后續(xù)我們的優(yōu)化過(guò)程中，已經(jīng)把這個(gè)問(wèn)題解決了。
這個(gè)是超級(jí)電容的一個(gè)調(diào)頻曲線。從第一張圖可以明顯看到，在一小時(shí)之內(nèi)超級(jí)電容充放電兩次，并且它在充電的過(guò)程中或者充電沒充滿的時(shí)候他是不調(diào)頻的，所以說(shuō)超級(jí)電容這個(gè)方案它的調(diào)頻次數(shù)是比較少的。右邊的圖是超級(jí)電容單機(jī)調(diào)頻的一個(gè)過(guò)程，可以看到，它充滿一次電，大概在電網(wǎng)正常運(yùn)行的時(shí)候也只能支撐2分多鐘，就是在電網(wǎng)發(fā)生大的頻率偏差的時(shí)候，特可能一分鐘或者15秒，他的時(shí)間比較短。
這是一個(gè)調(diào)壓的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，調(diào)壓側(cè)就是在Q軸電流加了一個(gè)和電壓相關(guān)的量。從下面這張圖可以看到，他改造后的單機(jī)調(diào)壓性能是具備的。從右邊那個(gè)圖，他是在持續(xù)運(yùn)行工況下，無(wú)功和機(jī)端電壓的一個(gè)曲線，他有一個(gè)相當(dāng)于振蕩籃球過(guò)程，所以我們覺得這種功能放在微網(wǎng)里是可以的，可能放在大電網(wǎng)里需要持續(xù)優(yōu)化。
下面我們主要關(guān)注了一下電池的運(yùn)行情況，因?yàn)楣夥绷鱾?cè)加裝儲(chǔ)能以后，其實(shí)儲(chǔ)能是作為光伏的一個(gè)設(shè)備在運(yùn)行，他是作為一個(gè)整體，要是儲(chǔ)能BMS報(bào)出了一些故障，光伏系統(tǒng)要整體停機(jī)的，所以對(duì)儲(chǔ)能的運(yùn)行情況、對(duì)光伏發(fā)電有非常大的影響。
我們?cè)趯?shí)驗(yàn)之前首先統(tǒng)計(jì)了一下四個(gè)儲(chǔ)能單元它從2016年底到今年7月份歷史運(yùn)行的充放電量，右邊這個(gè)條，我們可以看到，因?yàn)檎{(diào)頻死區(qū)設(shè)的比較大，他的充電量，尤其第二個(gè)充電199、放電11.26千瓦時(shí)，他的充電量是遠(yuǎn)大于放電量的，這說(shuō)明了在調(diào)頻死區(qū)比較大的情況下，這個(gè)儲(chǔ)能其實(shí)是在一個(gè)靜置備用的狀態(tài)，他充了這么多電，其實(shí)是負(fù)反應(yīng)的情況損失掉了，這個(gè)對(duì)電池有什么進(jìn)一步的影響，我們需要進(jìn)一步的研究。
因?yàn)殡娋W(wǎng)的故障是不容易遇到的，所以我們想到了，改變?cè)O(shè)備的調(diào)頻死區(qū)來(lái)看一下它的單機(jī)調(diào)頻性能，我們將死區(qū)設(shè)為正負(fù)0.01、0.02、0.03、0.05恩，發(fā)現(xiàn)在0.01—0.03的調(diào)頻死區(qū)情況下，系統(tǒng)今天調(diào)頻的次數(shù)大概在1600次—2500次的范圍。統(tǒng)計(jì)了一下不同調(diào)頻死區(qū)鋰電池的充放電，發(fā)現(xiàn)在0.03赫茲這樣一個(gè)調(diào)頻死區(qū)的設(shè)置情況下，鋰電池日循環(huán)次數(shù)大概是0.67次，在0.01赫茲的時(shí)候他的日循環(huán)每天充放電量大概1.4次循環(huán)，因?yàn)樗且粋€(gè)調(diào)頻的工況，這么大的一個(gè)循環(huán)次數(shù)是不是對(duì)電池本體有進(jìn)一步的影響，我們也需要進(jìn)一步的研究。
統(tǒng)計(jì)了一下在運(yùn)行期間的故障情況，我們發(fā)現(xiàn)在5—7月份，改造后的光伏發(fā)電系統(tǒng)，累計(jì)逆變器故障231次，主要是直流接地，可能是改造過(guò)程中對(duì)逆變器的一些絕緣出現(xiàn)了問(wèn)題。VSG故障，就是和儲(chǔ)能相關(guān)的故障，可能大概在69次。
在測(cè)試過(guò)程中鋰電池會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)低溫或者SOC或者電池不一致的情況，然而超級(jí)電容他的運(yùn)行狀況一直非常好，超級(jí)電容基本上是一種不用維護(hù)的狀態(tài)，所以說(shuō)雖然鋰電池一個(gè)比較好的調(diào)頻方案，但是運(yùn)行的穩(wěn)定性和這種維護(hù)頻次，對(duì)他的實(shí)用性也是非常明顯的。
做一個(gè)總結(jié)，大概三點(diǎn)：第一，方案可行性，光伏直流側(cè)加裝儲(chǔ)能是光伏參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的一種可行方案。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與超級(jí)電容在響應(yīng)時(shí)間、控制精度方面均可勝任一次調(diào)頻需求，其中在經(jīng)濟(jì)性、支撐時(shí)間、調(diào)頻策略等方面，鋰電池優(yōu)于超級(jí)電容，但鋰電池需要提高運(yùn)行可靠性。第二，光伏發(fā)電在光伏直流側(cè)加裝儲(chǔ)能，參與電網(wǎng)調(diào)頻，并不影響光伏的正常發(fā)電。第三，頻率及鎖相，不同的鎖相技術(shù)采集到的精度不同，在實(shí)際應(yīng)用和推廣過(guò)程中需要進(jìn)一步的論證。
謝謝大家！
