含有沖擊負荷孤網中的儲能應用研究

劉 納，石夢璇，黃碧月，陳文華

(1. 國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074；2. 華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074；3.萬峰電力股份有限公司，貴州 興義 562400)

1 引言

近年來，儲能在電網中的應用主要是基于可再生能源的間歇性與不可測性，基于各種儲能系統特性，研究不同類型電池的充放電特性[1-4]，電池儲能系統的控制策略[5-7]，儲能容量配置[8-9]和其對電力系統的影響[10-12]。文獻[4]建立儲能電池的多時間尺度模型，計及了電池荷電狀態和充放電電流對模型參數的影響。文獻[7]研究了儲能在離網條件下PCS所采用的定電壓/頻率控制策略。文獻[11]以國家風光儲輸示范工程為例，分析并驗證了典型運行模型下控制策略的可行性。文獻[12]分析了儲能系統的作用范圍，驗證了利用電池儲能系統實現風儲電站實時跟蹤發電計劃的合理性與可行性。但儲能針對典型負荷，應用在孤網中的應用仿真研究較少。

目前，貴州興義地方電網投運的電源只有清水河電廠的2臺350MW火電機組，其中1臺正在檢修，整個電網處于單機孤網運行狀態，該區域接近60%的負荷為冶金產業等沖擊負荷，單臺火電機組同時承擔電力及備用容量的任務，通過220kV專網以孤網方式為大型冶煉等沖擊負荷供電。由于負荷具有沖擊特性，呈現較大幅度波動和突變特性，對系統頻率控制帶來很大的影響，電網安全運行壓力較大，需要配置輔助服務電源，平抑負荷波動，參與調峰調頻，保障電網安全。

2 仿真模型

2.1 發電機頻率控制模型

發電機頻率控制模型包括發電機轉子運動方程、汽輪機模型、調速器模型以及負荷頻率控制模型，見圖1。

圖1 發電機頻率控制模型

其中，模型參數分別為：

2.2 儲能模型

儲能頻率控制模型主要包括一次頻率備用(PFR)控制、慣性響應(IR)控制、和儲能單元模型等。其中PFR控制是以頻率偏差為反饋信號，類似于發電機調速器的一次頻率控制；IR控制是以頻率變化的斜率，即頻率偏差的微分為反饋信號，慣性環節的作用是使頻率具有較為平緩的動態變化過程，兩部分控制可以單獨使用，在不需要IR控制時，可將慣性環節增益設置為0。儲能模型采用一階慣性環節表示，其時間常數非常小，表明鋰離子電池的快速響應特性。為避免儲能裝置頻繁動作，儲能控制器前增加了閾值限制，可控制儲能在頻率偏差超過閾值時啟動。

圖2 儲能頻率控制模型

儲能頻率控制模型參數分別為：

3 沖擊負荷仿真分析

3.1 突變負荷

考慮比較極端的情況，負載瞬時大幅增加，變化曲線如圖3所示。負載功率在30s時由250MW突增到290MW，持續約一分鐘后逐漸恢復。

圖3 突變負荷

在圖3所示的負載突變情況下，分別對有儲能和無儲能兩種情況進行仿真，仿真結果如圖4。

圖4 突變負荷情況下頻率控制仿真

從仿真結果可以看出，沒有儲能情況下，系統頻率嚴重跌落，最低點頻率低于49.4Hz，如圖4(a)所示，可能導致切負荷裝置動作，降低了系統供電可靠性；儲能裝置參與調頻的仿真結果如圖4(b)所示，系統頻率偏差明顯減小。

3.2 漸變負荷

漸變負荷的功率曲線如圖5所示，20s開始負荷從250MW漸變下降，下降到215MW左右后持續一段時間又漸變恢復250MW。

圖5 漸變負荷

漸變負荷情況下系統的頻率響應特性如圖6所示。

圖6 漸變負荷情況下頻率控制仿真

從仿真結果可以看出，對于漸變負荷，在功率變化范圍不超過發電機額定功率情況下，發電機調速系統具有較好的調頻效果，一般不需要儲能動作。

3.3 周期性快變負荷

周期性快變負荷的功率曲線如圖7所示，變化幅度約60MW。

圖7 周期性快變負荷

漸變負荷情況下系統的頻率響應特性如圖8所示，在儲能參與頻率調節的情況下，系統頻率波動幅度明顯減小，由于虛擬慣性環節的作用，頻率變化也相對較緩。

圖8 周期性快變負荷情況下頻率控制仿真

3.4 典型負荷

根據興義電網負荷特性，模擬負荷1小時的負荷曲線，其中包含如下分量：

包含上述四種負荷特性的模擬負荷曲線如圖9所示。

圖9 負載功率模擬

4 負荷突變對儲能容量需求分析

4.1 現有網架負荷對儲能容量需求

4.1.1 現有網架

目前興義共有2臺350MW火電機運行，該區域除日常390MW負荷(含中聯鐵合金100MW負荷)外，還包含100MW冶金負荷，分別是興仁登高電解鋁廠80MW和陽光實業20MW，冶金產業沖擊負荷約占區域內總負荷的60%。

圖10 興義現有網架結構

4.1.2 負荷突變15MW

負荷突變15MW時，無儲能情況下系統頻率跌落至49.756Hz，儲能投入1.5MW工作，系統頻率略有回升。

圖11 負荷突變15MW情況下儲能頻率控制

4.1.3 負荷突變30MW

負荷突變30MW時，低頻減載裝置接近動作閾值， 儲能投入12MW，可控制頻率波動在±0.3Hz，儲能作用效果明顯。

圖12 負荷突變30MW情況下儲能頻率控制

4.1.4 負荷突變55MW

負荷突變55MW時，系統頻率跌落至49.19Hz，儲能輸出功率達到20MW，系統頻率恢復至49.5Hz。由此可知，當10s內負荷突變達到55MW以內時，配置20MW儲能，可避免低頻減載裝置動作，控制頻率波動在±0.5Hz。

圖13 負荷突變55MW情況下儲能頻率控制

仿真結果表明：10s內負荷突變小于15MW時，機組調速器能夠響應，頻率波動在±0.2Hz；10s內負荷突變達到30MW時，低頻減載裝置接近動作閾值，配置12MW儲能，可控制頻率波動在±0.3Hz；當10s內負荷突變達到55MW以內時，配置20MW儲能，可避免低頻減載裝置動作，控制頻率波動在±0.5Hz。目前電網中的最大單機負荷為40MW(中聯鐵合金廠40MW冶金爐)，結合歷史負荷曲線，配置20MW儲能輔助服務電源，可有效抑制電網頻率波動，確保電網穩定運行。

4.2 近期規劃網架對儲能容量需求

4.2.1 近期規劃網架

根據興義、義龍地方電網現狀及“十三五”電網規劃圖，近期將投運2臺600MW機組，電源增加到1900MW，負荷總容量預計達1512MW，增加負荷主要為典型負荷，如圖14所示。

圖14 興義地區近期規劃網架結構

4.2.2 負荷突變74MW

頻率跌落至49.8Hz，機組調速器能夠響應，頻率波動為0.2Hz，剛剛達到儲能裝置動作的閾值。

圖15 荷突變74MW情況下儲能頻率控制

4.2.3 負荷突變252MW

負荷突變252MW時，系統頻率跌落至49.5Hz以下，配置20MW儲能，可將頻率恢復至49.5Hz。

圖16 負荷突變252MW情況下儲能頻率控制

仿真結果表明，當電源增加到1900MW，負荷增加到1512MW，10s內負荷突變達到74MW時，機組調速器能夠響應，頻率波動為0.2Hz；當10s內負荷突變達到252MW以內時，配置20MW儲能，可避免低頻減載裝置動作，控制頻率波動在±0.5Hz。

綜合分析，在現有網架下，負荷突變達到55MW時，系統頻率跌落至49.19Hz，觸發安穩系統；近期電網規劃中，負荷突變達到252MW時，系統頻率跌落至49.5Hz以下，觸發安穩系統。考慮經濟成本，配置20MW儲能，可避免低頻減載裝置動作，控制頻率波動在±0.5Hz，確保電網穩定運行。

5 儲能電站測試

5.1 儲能控制策略選擇

儲能電站控制策略見圖17。儲能投切頻率閾值±0.6Hz，退出頻率閾值±0.2Hz，將退出頻率閾值±0.2Hz設置在火電機組調頻死區，避免電站退出時對火電機組的運行影響。

圖17 儲能電站控制策略

5.2 儲能電站測試

儲能電站投運后，頻率波動明顯減少，見圖18，可減少火電機組閥門的開啟次數及幅度，降低磨損程度，提高火電機組的運行可靠性。

圖18 儲能電站投入前后頻率曲線

連續3天在相同時間點記錄相同頻率采樣個數，見表1。由表1可知，儲能全站參與調頻后，每天頻率大于50.06Hz或低于49.94Hz的平均次數為61次；而不參與調頻時，每天頻率大于50.06Hz或低于49.94Hz的平均次數為106次。可見投入儲能后，對電網頻率調節效果明顯，減小了電網頻率的波動，增強了電網的穩定性。

表1 儲能電站投入前后數據對比

6 結論

1)對于典型負荷中，突變負荷和周期性負荷，在儲能參與頻率調節的情況下，系統頻率波動幅度明顯減小；對于漸變負荷，在功率變化范圍不超過發電機額定功率情況下，發電機調速系統具有較好的調頻效果，一般不需要儲能動作。

2)針對目前興義電網情況，最大單機負荷為40MW(中聯鐵合金廠40MW冶金爐)，需配置20MW儲能輔助服務電源，可有效抑制電網頻率波動，確保電網穩定運行。

3)當電源增大至1900WM，負荷總容量預計達1512MW(新增負荷主要為典型負荷)，20MW儲能，能承擔10s內負荷突變252MW，避免低頻減載裝置動作，控制頻率波動在±0.5Hz。