省級重點(diǎn)城市儲能互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建研究

柯圣舟

（國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，福建 福州350012）

0 引 言

儲能技術(shù)作為能源互聯(lián)網(wǎng)4大關(guān)鍵技術(shù)之一，可以通過給能量增加時間變量的方式，促進(jìn)電網(wǎng)發(fā)展模式的根本性變革。儲能技術(shù)將現(xiàn)有電力系統(tǒng)的“源+網(wǎng)+荷”結(jié)構(gòu)變革為“源+網(wǎng)+荷+儲”結(jié)構(gòu)，使電力系統(tǒng)變得更加“柔性”和“智能”，既可以平抑大規(guī)模清潔能源發(fā)電接入電網(wǎng)帶來的波動性，又可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及靈活性[1]。

近年來，多地電網(wǎng)在夏季負(fù)荷高峰時段，出現(xiàn)了不同程度的供電緊張問題。儲能由于可實(shí)時調(diào)整充放電功率和充放電狀態(tài)，因此建設(shè)在電網(wǎng)側(cè)可具備兩倍于自身裝機(jī)容量的調(diào)峰能力。規(guī)模化配置后，可提供高效的削峰填谷服務(wù)，有效緩解局部電網(wǎng)供電壓力，延緩配電網(wǎng)投資建設(shè)。

1 目前電化學(xué)儲能電站應(yīng)用情況

1.1 國 外

美國、德國以及英國等歐美發(fā)達(dá)國家電力市場建設(shè)較為成熟，儲能應(yīng)用主要集中在可再生能源并網(wǎng)和電力輔助服務(wù)市場（調(diào)峰、一次調(diào)頻），如美國的SDG&E Escondido 30 MW/120 MWh儲能電站。2016年澳大利亞發(fā)生一系列停電事件，增強(qiáng)了全澳對能源安全的重視程度，因此澳洲大力發(fā)展電網(wǎng)側(cè)儲能。電網(wǎng)側(cè)儲能作為事故后應(yīng)急功率支撐，現(xiàn)已收到初步成效，如南澳州的特斯拉100 MW/129 MW·h投運(yùn)后成功阻止了該地區(qū)一次潛在的由機(jī)組脫網(wǎng)引起的頻率下降事故。受福島事件影響，日本大力發(fā)展可再生能源，通過配置輸配網(wǎng)儲能，促進(jìn)風(fēng)光資源消納，從而滿足電網(wǎng)供需平衡。

1.2 國 內(nèi)

江蘇鎮(zhèn)江101 MW/202 MW·h儲能電站是迄今已建成的世界最大規(guī)模電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能項目，分散在鎮(zhèn)江地區(qū)8個儲能電站，有效緩解了2018年夏季因電廠退役引起的鎮(zhèn)江東部電網(wǎng)的供電壓力。進(jìn)入10月以來，電站主要按調(diào)頻方式運(yùn)行，兼顧事故備用、黑啟動以及需求響應(yīng)等多種功能。山東電工、許繼集團(tuán)以及江蘇綜合能源公司作為項目的總包商，投資7.5億元，采用經(jīng)營性租賃投資模式。近期，江蘇公司啟動了第二批電網(wǎng)側(cè)儲能項目合計4×105kW。項目由平高集團(tuán)投資，計劃于2019年底前實(shí)現(xiàn)項目整體投運(yùn)。江蘇公司計劃每年新投運(yùn)電網(wǎng)側(cè)儲能規(guī)模在5×105kW左右，待儲能技術(shù)取得突破性進(jìn)展后將進(jìn)一步擴(kuò)大投運(yùn)規(guī)模。重點(diǎn)考慮在特高壓直流落點(diǎn)近區(qū)、可再生能源高滲透率地區(qū)、省會城市以及負(fù)荷密度較高地區(qū)布局。

山西陽光電廠9 MW/4.5 MW·h儲能電站的功能定位是火電聯(lián)合調(diào)頻，參加電力輔助服務(wù)市場交易。山西省火電機(jī)組比重較高雖然水電等調(diào)頻資源嚴(yán)重不足，但是政府制定的調(diào)頻交易補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)高，因此山西電源側(cè)儲能發(fā)展較快。需要注意而是，山西部分電廠儲能在電池系統(tǒng)、防火設(shè)計以及運(yùn)維管理方面均存在問題，存在火災(zāi)隱患，如山西京玉電廠2017年連續(xù)發(fā)生兩次儲能系統(tǒng)起火爆炸事故。

河南100.8 MW/125.8 MW·h電網(wǎng)側(cè)儲能電站已于2018年底并網(wǎng)投運(yùn)，分散在鄭州和洛陽等9個地市的16個儲能電站。該項目為河南省特高壓交直流故障提供快速功率支援，豐富電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻手段，提高能源利用綜合收益。

湖南長沙120 MW/240 MW·h電池儲能電站由湖南綜合能源服務(wù)公司投資8.2億建成。一期60 MW/120 MW·h已于2019年1月27日投運(yùn)，分散在長沙3座220 kV變電站內(nèi)。功能定位是緩解長沙地區(qū)局部高峰期供電壓力，提升新能源供電穩(wěn)定性，提高祁韶直流特高壓輸送能力。

此外，國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的上海公司和浙江公司等也都有推進(jìn)電網(wǎng)側(cè)儲能項目的計劃。

2 省級重點(diǎn)城市儲能互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

2.1 重點(diǎn)城市儲能站布點(diǎn)方案

在福建省沿海重點(diǎn)城市福州、廈門以及泉州等城市的高密度負(fù)荷區(qū)域、電網(wǎng)卡脖子區(qū)域以及沿海風(fēng)電匯集站等區(qū)域進(jìn)行選址踏勘與布點(diǎn)工作。通信交互層面通過調(diào)度通信網(wǎng)互聯(lián)互通，統(tǒng)一由省調(diào)進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行。

2.2 儲能站設(shè)計

2.2.1 儲能站布置方案

儲能系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，根據(jù)需要在每個變電站配置1個或多個儲能單元。安裝單元以容量為1.2 MW的儲能電池集裝箱串接1臺容量為1.25 MVA的變壓器組成。儲能單元由4個安裝單元并聯(lián)接入1個兩進(jìn)四出的環(huán)網(wǎng)柜構(gòu)成，其容量為4.8 MW。1個儲能單元（4.8 MW）占地約600 m2。

2.2.2 儲能單元平面布置

根據(jù)儲能單元戶外艙體式布置型式，結(jié)合設(shè)備艙體外形尺寸，考慮到變電站空余土地，初步設(shè)計出一個布置方案，如圖1所示。

由圖1可知，儲能單元的布置應(yīng)結(jié)合變電站的實(shí)際空地情況，可以適當(dāng)調(diào)整10 kV環(huán)網(wǎng)柜和變壓器，另外需計列足夠的電纜數(shù)量。

圖1 單個儲能單元（4.8 MW）平面布置圖

2.2.3 接入系統(tǒng)電氣接線

儲能電池模塊作為電流源直接接入到相應(yīng)變電站（220 kV/110 kV站）的10 kV出線間隔，如圖2所示。

圖2 儲能接入系統(tǒng)電氣接線示意圖

2.3 儲能互聯(lián)網(wǎng)綜合運(yùn)行平臺及自動發(fā)電控制

儲能互聯(lián)網(wǎng)綜合運(yùn)行平臺由能量管理系統(tǒng)、儲能變流器、電池管理系統(tǒng)、儲能電池本體以及通信網(wǎng)絡(luò)組成。為了控制儲能電站的有功功率，要求儲能電站站內(nèi)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具備遠(yuǎn)方自動控制功能。即儲能電站站內(nèi)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備接收并自動執(zhí)行調(diào)度部門遠(yuǎn)方發(fā)送的有功功率控制信號的功能，確保儲能電站最大有功功率值和有功功率變化值不超過電網(wǎng)調(diào)度部門的給定值。儲能電站的AGC功能應(yīng)與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與調(diào)度端EMS系統(tǒng)通信，不單獨(dú)配置AGC的接口及通道[2,3]。

2.4 儲能電站日常運(yùn)行充放電模式

儲能電站按照每天“低谷時段充電、高峰時段放電”和“平時段充電、高峰時段放電”兩個充放電循環(huán)運(yùn)行。

2.4.1 第一階段充電

每天23：00～次日7：00（用電低谷時段）系統(tǒng)工作于充電狀態(tài)。以恒定功率244 kW進(jìn)行充電，3 h可將配置的732 kWh電池充滿，如果提前充滿則系統(tǒng)停機(jī)。每天7：00～8：30，PCS自動調(diào)節(jié)，如第一階段未充滿，則繼續(xù)充電。

2.4.2 第一階段放電

每天8：30～11：30（用電高峰時段）系統(tǒng)工作于放電狀態(tài)。放電功率根據(jù)智能采集模塊的負(fù)荷總功率實(shí)時進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果配變負(fù)荷≥244 kW，PCS以最大功率放電，如果配變負(fù)荷＜244 kW，PCS提供負(fù)荷當(dāng)前的實(shí)時功率。

2.4.3 第二階段充電

每天11：30～14：30（用電平時段）系統(tǒng)工作于充電狀態(tài)。充電功率為244 kW，3 h內(nèi)可充電732 kWh。如果提前充滿，則系統(tǒng)停機(jī)。

2.4.4 第二階段放電

每天14：30～17：30（用電峰時）系統(tǒng)工作于放電狀態(tài)，放電功率根據(jù)智能采樣模塊的負(fù)荷總功率實(shí)時進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果配變負(fù)荷≥244 kW，PCS以最大功率放電，如果配變負(fù)荷＜244kW，PCS提供負(fù)荷當(dāng)前的實(shí)時功率。每天17：30～23：00，PCS自動調(diào)節(jié)，若未放完，剩余電量考慮在晚高峰（19：00～21：00點(diǎn)）繼續(xù)放電。

2.5 通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

儲能互聯(lián)網(wǎng)綜合運(yùn)行平臺通信網(wǎng)絡(luò)由省調(diào)平臺、各地的儲能子站、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)以及現(xiàn)場總線網(wǎng)構(gòu)成。其中，現(xiàn)場總線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)儲能電池和控制端之間的通信。通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)儲能設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制，形成網(wǎng)絡(luò)互動和即時連接，實(shí)現(xiàn)交互式數(shù)據(jù)聚合，并選擇合理現(xiàn)場總線[4]。

3 儲能互聯(lián)網(wǎng)功能定位

利用儲能布點(diǎn)靈活的特點(diǎn)，將儲能電站分布式布置于城市各區(qū)域，解決正常運(yùn)行時局部電網(wǎng)的差異化需求。同時將這些功能定位差異的分布式儲能電站通過電網(wǎng)互聯(lián)，服從省調(diào)調(diào)度，必要時作為事故下大電網(wǎng)的緊急控制和黑啟動電源，或參與系統(tǒng)調(diào)峰等輔助服務(wù)市場交易，發(fā)揮“電力海綿”作用，提升重點(diǎn)城市電網(wǎng)防災(zāi)抗災(zāi)能力[5]。功能定位主要包括以下幾點(diǎn)。

3.1 緩解迎峰度夏期間局部電網(wǎng)供電壓力

目前，福建沿海城市中心區(qū)電網(wǎng)局部卡脖子問題迫在眉睫。通過在部分變電站布置一定容量儲能電站，可緩解迎峰度夏期間因短時尖峰負(fù)荷引起的設(shè)備重過載問題。

3.2 發(fā)揮臺風(fēng)等嚴(yán)重災(zāi)害下的應(yīng)急支援作用

福建是臺風(fēng)、地震以及冰凍等自然災(zāi)害高發(fā)地區(qū)。電網(wǎng)側(cè)儲能可在災(zāi)害發(fā)生時期作為城市（如廈門）保底電網(wǎng)的應(yīng)急控制和黑啟動電源，提升電網(wǎng)防災(zāi)抗災(zāi)能力。

3.3 參與調(diào)峰等電力輔助服務(wù)市場交易

就福建省而言，隨著峰谷差逐年增大，核電和風(fēng)電等清潔能源大幅擠占火電機(jī)組出力空間。火電機(jī)組在調(diào)節(jié)空間受限情況下還需承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，極大影響了火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。而電網(wǎng)側(cè)儲能可發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻以及調(diào)壓的作用，從輔助服務(wù)市場獲取相應(yīng)收益。

3.4 緩解未來風(fēng)電送出受限問題

目前，福建省海上風(fēng)電步入一個快速發(fā)展的階段，海上風(fēng)電規(guī)劃遠(yuǎn)期總裝機(jī)容量將達(dá)到13 300 MW。未來幾年，福建海上風(fēng)電消納存在以下兩方面問題。一方面是福建海上風(fēng)電多為大規(guī)模和集中式注入電網(wǎng)末端，而并網(wǎng)點(diǎn)所在的末端網(wǎng)架結(jié)構(gòu)通常較為薄弱。另一方面為滿足海上風(fēng)電消納需要，需配套加強(qiáng)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。但沿海線路走廊緊缺，建設(shè)難度日益加大，影響風(fēng)電送出工程的及時投產(chǎn)。若在靠近風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)布置儲能，可減少盛風(fēng)期風(fēng)電外送尖峰潮流，在一定程度上緩解未來風(fēng)電送出受限問題，并可平滑風(fēng)電出力，提升風(fēng)電并網(wǎng)友好性。

3.5 提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平

儲能作為毫秒級響應(yīng)電源，發(fā)揮比常規(guī)火電調(diào)頻速度快30倍的優(yōu)勢，可在暫態(tài)時間尺度為系統(tǒng)提供緊急功率支撐。此外，若儲能配套的并網(wǎng)逆變器采取合適的控制策略，即虛擬同步機(jī)技術(shù)，可使儲能具備傳統(tǒng)電廠同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)外特性，為未來電力電子化的電網(wǎng)提供虛擬轉(zhuǎn)動慣量，從而提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平。

3.6 提升離網(wǎng)型海島微網(wǎng)供電能力

此外，福建省某些海島遠(yuǎn)離陸地，與電網(wǎng)無電氣聯(lián)系，負(fù)荷由島內(nèi)微網(wǎng)孤立運(yùn)行供電。這種情況下，使用光儲發(fā)電系統(tǒng)替代柴油發(fā)電機(jī)，可大幅度降低居民用電成本。

4 結(jié) 論

電化學(xué)儲能技術(shù)可以充分發(fā)揮其靈活的四象限出力調(diào)節(jié)能力，廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)以及用戶側(cè)，為充分消納清潔能源、保障電網(wǎng)安全以及平抑負(fù)荷波動和分布式電源并網(wǎng)等提供支撐。此外，由于電化學(xué)儲能相對其他電源規(guī)模較小而成本較高，因此化零為整聚合分布式儲能資源和構(gòu)建省級重點(diǎn)城市儲能互聯(lián)網(wǎng)是一個較好的選擇，對解決電網(wǎng)迎峰度夏期個別變電站短時重過載，或由主網(wǎng)工程配套送出線路建設(shè)困難導(dǎo)致下級變電站重載，事故下大電網(wǎng)緊急控制和黑啟動電源等問題具有積極應(yīng)用前景。