规模化电网侧电池储能电站优化电网运行的应用与展望.pdf

1、 2019 年中国电机工程学会年会论文集 规模化电网侧电池储能电站优化电网运行的应用与展望 马骏毅，任萱，张大林，徐晓海，周杨，史尧，杜炜凝，马海薇，施伟成，汤大海 国网镇江供电公司，江苏镇江 212000；Application and Prospect of Optimizing Grid Operation For Large-Scale Grid-Side Battery Energy Storage Power Stations MA Junyi,REN Xuan,ZHANG Dalin,XU Xiaohai,ZHOU Yang,SHI Yao,DU Weining,MA Haiwe

2、i,SHI Weicheng,TANG Dahai(State Grid Zhenjiang Power Supply Company,Zhenjiang 212000,Jiangsu,China)摘要：镇江规模化电网侧电池储能电站自 2018 年 7 月 18 日 投运以来，为电网提供调峰、调频、调压、应急响应等多种系 统服务，优 化了电 网运 行，有 效提高 镇江 东部电 网的 供电能 力。本 文介 绍镇江 储能 电站基 本情况，对 已开展的调峰、调频、调 压、应 急响 应等应 用模式 进行 分析归 纳，最后对 下阶段 研究 应用进 行展望，为 我国快 速增 长的储能电站建设运行与发展提供

3、经验借鉴和参考。关键词：电网侧储能电站；调峰；调频；调压；应急响应；应用模式 ABSTRACT:Since Zhenjiang large-scale grid-side battery energy storage power stations were put into operation on July 18 2018,they provide various system services such as peak shaving,frequency adjustment,voltage adjustment,emergency response and other services

4、for power grid,effectively optimizing grid operation and improving power supply capacity of Zhenjiang Eastern Power Grid.In this paper,the basic situation of Zhenjiang energy storage power stations is introduced.The application modes such as peak shaving,frequency adjustment,voltage adjustment and e

5、mergency response are analyzed and summarized.Finally,the next stage research and application are considered.This article provides the experience and reference for the construction,operation and development of Chinas fast-growing energy storage power stations.KEY WORD:grid-side energy storage power

6、station；peak shaving；frequency adjustment；voltage adjustment；emergency response；application mode 0 引言 储 能 作为 能源 服务 新产 品，是优 质、可靠 的毫秒级 控制 响应 资源，可 提供多 重支 撑，为电 网提 供 调峰、调频、备用、事 故 应急 响应 等多 种服务，有效 满足电 网在 电网 安全稳 定运 行、可再 生能源消 纳等 方面 的迫 切需 求。镇江 电网 侧电 池储能电站（以下简称镇 江储 能电站）按照“标 准化设计、工业 化生 产、智能 化技术、装 配式 建设、机械化 施工”的

7、总 体定 位，坚 持“安 全可 靠、设计优 化、先进 灵活、经 济合理”的原 则，采用“分散式布置、集中式控制”方 式，以磷酸铁锂电池 作为储能 介质，具 有安 全可 靠性强、能 量密 度高、充放电 速率 快、使用 寿命 长的优 势1。本文 介绍镇 江 储能 电站 的基 本情 况，对已 开展 的 调峰、调频、调 压、应急 响应 等应 用模式 进行 分析 归纳。调峰应 用包 含日 前调 度计 划和时 段电 量控 制，调频应用 包含 一次 调频 和二 次调频 控制，应急 响应包含源网荷友好互动系统紧急控制和调度主站系统紧急控制。同时对提升分布式发电运行能力、提高 输变配 电可 靠性、参 与黑 启动

8、等 下阶 段应用进 行思 考，并展 望储 能在虚 拟电 厂、综合 能源系统、泛 在电 力物 联网 等方面 可发 挥的 作用。2019 年中国电机工程学会年会论文集 1 镇江储能 电 站基本情况 利用退 役变 电站 场地、在运 变 电站 空余 场地及 租 用社 会工 业用 地建 设，镇江 完成 8 座电 网侧储能电 站建 设，如表 1 所示，主要 分布在 大港 新区、丹 阳和 扬中 三个 区域，总功 率 101MW，总容量 202MWh，2018 年 7 月 18 日投 运。镇 江储能电站 均采 用预 制舱 户外 布置方 式，预 制舱 的主要作用 是将 电池、功率 模 块、环境 监控、通讯 等设

9、备有 机地 集成 到一 个标 准的单 元中，该单 元拥有自己 独立 的温 度控 制系 统、隔热 系统、阻 燃系统、火 灾报 警系 统等 自动 控制和 安全 保障 系统，确保电 池系 统的 转换 效率 及运作 性能，兼顾 安全可靠的 保护 措施。根据 容 量和功 率设 置相 应的 电池预制舱和储能变流器（Power Conversion System，PCS）及 升压 变 压器成套 装置，变压 器采用干 式双 绕组 变压 器，高压侧 包含 负荷 开关、熔断器、带电显 示及 避雷 器等设 备，低压 侧断 路器、浪 涌保 护器 等设 备集 成在 PCS 内部。表 1 站址位置及建设规模 Tab.1

10、Location and construction scale 序号 所属地 区 储能电 站名 称 建设规 模 1 大港 大港储 能电 站 16MW/32MWh 2 大港 五峰山 储能 电站 24MW/48MWh 3 大港 北山储 能电 站 16MW/32MWh 4 丹阳 建山储能 电站 5MW/10MWh 5 丹阳 丹阳储 能电 站 12MW/24MWh 6 扬中 三跃储 能电 站 10MW/20MWh 7 扬中 长旺储 能电 站 8MW/16MWh 8 扬中 新坝储 能电 站 10MW/20MWh 总计 101MW/202MWh ACDCACDCACDCACDC进线101 出线111 出线

11、11X 站用变开关升压变压器PCS下网 上网充电 放电大电网系统储能单元站用电电池舱10kV母线图 1 A 储能电站接线示意图 Fig.1 Wiring diagram of energy storage power station 图 1 为 A 储能 电站 的 典型接 线 图，1 个电 池预制舱 接入 至 2 台 PCS，并 联 后接 入到 1 台 升压变，后 汇流 至 10kV 母线，通 过 101 线 接入 相应变电站,实现 与大 电网 相连。2 已开展的应用模式 2.1 调峰应用 2.1.1 日前调度计划 江苏电 网负 荷尖 峰负 荷特 征明显，夏季 尖峰负荷大、持 续时 间短。分

12、析 2018 年迎 峰度 夏期间 镇 江东 部负 荷特 性，得出 晚 峰负 荷最 高，腰荷时 段 负荷 次之，凌晨 和中午 两 个时 段负 荷相 对低谷，为 此，使用“日前 调度计 划”模 式，储能 电站两充两 放运 行。表 2 和图 2 所 示，丹阳 储能 电站10：00-11：00 和 20:45-22:15 放电，2:00-6:00 和11:30-13:00 充电 至电 池荷 电状态（State of Charge,SOC）上 限，发挥 削峰 填谷 作 用。表 2 下发丹阳储能电站充放电表 Tab.2 Charging and discharging plan of Danyang en

13、ergy storage power station 开始时间 结束时间 功率（MW）充电电 量(MW)放电电 量(MW)SOC 2:00 6:00-6 充至 SOC 上限 为止 10:00 11:00 12 12 40%11:30 13:00-9 充至 SOC 上限 为止 20:45 22:15 12 18 15%全天 现场统 计为 准 30 SOC 闭锁 值 20%-90%图 2 丹阳储能电站实际充放电 图 Fig.2 Actual charging and discharging diagram of Danyang energy storage power station 以 镇江 2

14、018 年最 大负 荷日 8 月 10 日为 例（图 3），当日镇江东部最大网供负荷1997.56MW（22:01），从 访晋分区受电压力较 2019 年中国电机工程学会年会论文集 大；储能 电站 从晚 峰时段 20:45 开始 以近 100MW持续放 电 1h30min（图 4），使 该时 段镇 江东 部从 访晋 分区 受电 最大 功率降 至 1912.26MW，减少 85.3MW，达到 削峰 目的，缓解 电网 供电 压力。图 3 8 月 10 日晚镇江东部网供 和受电曲线 Fig.3 Network supply and power transmission curve in easter

15、n Zhenjiang on the evening of August 10 图 4 8 月 10 日晚储能电站群 放电情况 Fig.4 Discharge situation of Zhenjiang energy storage power stations on the evening of August 10 2.1.2 时段电量控制 储能时段电量控制根据不同时段电价合理安排储 能电 站充 放电，参 与电网 调峰 的同 时，达到 经 济效 益最 大化。控制策 略 核心 是根 据预 设时段的 SOC 目标 值和 实际值，滚动 修正 储能 电站的基点 功率，公 式如 下：()s-SOC*

16、=*mSOC SPt（1）（1）式 中，sSOC 为 SOC 实际值，mSOC 为SOC 目 标值，P 为基 点功率，S 为储 能电 站容 量，为能量 转化效 率，t 为剩 余时间，即 结束时 间与当前 时间 的间 隔时 间。若s mSOC SOC 时，基点功率为 正，代表 储能 电站 放电。典型 时段 定义 如表 3所示,以 2:005:00 时 段为例，进行 基点 滚动 调整，mSOC 为 75%。由 于四 个时 段不 连续，若处 于未定义时 段，基点 自动 为 0，mSOC 不使 用。表 3 时段电量控制表 序号 开始时 间 结束时 间 SOC 目标 1 2:00 5:00 75%2 8

17、:45 10:45 25%3 11:00 13:00 75%4 20:30 22:30 25%选取某日三跃储能电站时段电量控制进行分 析，如图 5 和图 6 所示，0:002:00，由于 基点功率为 0，mSOC 不使用，储能 电站充 电与放 电较为随 意，波动 性大。2:005:00，基 点滚 动调 整，设定mSOC 75%，三 跃储 能电 站以 持续充 电为 主，sSOC 不断上 升，至 4:45 基本 达到 目 标值 75%，保持小 范围 的死 区波 动。其余时 段描 述同 上，可见时段 电量 控制 策略 执行 效果较 好。图 5 三跃储能电站功率曲线 Fig.5 Power curve

18、 of Sanyue energy storage power station 图 6 三跃储能电站 SOC 实际值 Fig.6 Actual value of SOC of Sanyue energy storage power station 2.2 调频应用 2.2.1 一次调频控制 镇江储 能电 站具 备一 次调 频控制 能力，一次 2019 年中国电机工程学会年会论文集 调 频由 PCS 就 地实 现，PCS 具 备频 率采 集能 力。按照 500.05Hz 设置 频率死 区，超 过死 区范 围，储能电 站一 次调 频功 能即 时响应 启动。一次 调频限 幅值 80%，转 速不 等率

19、 0.25%，稳定 运行 时间1min。图 7 为长 旺储 能电站 一 次调 频控 制曲 线。图 7 长旺储能电站一次调频曲线图 Fig.7 Primary frequency modulation curve of Changwang energy storage power station 设置退出机 制如下：（1）若储能电站 在主站自动 发电 控制（Automatic Generation Control,AGC）状 态下，一次 调频动 作 后，当采 集频 率偏差 小于 0.05Hz，丢弃 一个 AGC 指令，然后 继续跟随 AGC 指令；（2）若储 能 电站 不在 AGC 控制 状 态

20、下 时，电网 频率 偏差 超过 0.015Hz 一直 执行 一 次调 频，在偏 差范 围内 退 出一 次调 频，退出时 PCS 按 一定 速度 恢复到 一 次调 频动 作前 运行功率状 态。根据镇 江储 能电 站的 现场 实测情 况来 看，储能电站从 90%额定功率充 电转换到 90%额定功率放电 的时 间最 大为 100ms，最小 为 40ms，平均为 70ms，短时响应满 足就地一次调频的性能需求。2.2.2 二次调频控制 镇江储能电站具备快速精准调整频率的能力，在响 应速 度与 调节 精 度上均 远超 火电 机组 的调节性 能2-3。储能 电站参 与二次 调频 由 AGC 控制 实 现，

21、图 8 为储 能电站 AGC 系统 架构 图。从 定 功率 实测 效果（图 9）看，AGC 跟踪 曲线基本 与指 令曲 线重 合，调节反 向、调节 偏差 以及调节 延迟 等问 题可 以忽 略。根 据储 能电 站AGC联 网 试验 结果，AGC 调节时 间 最快为 1.62s、平均控制精度误差仅 1.03%，调节速率是煤机的1200 倍，是 燃机的 400 倍，控 制精 度与 火电 机组 相当4-5。储能AGC 功能模块 调度计划功能模块主站 系统调度数据网储能 电站监 控系统I区数据通信网关机 计划功能模块监控 后台有功控制 SCADA储能变流器PCS1储能变流器PCSn 电池管理系统BMS1

22、电池管理系统BMSn充放电计划曲线文件采集实时值，下发有功控制指令 图 8 储能电站 AGC 系统架构 Fig.8 Architecture of AGC system for energy storage power station 图 9 随动测试曲线 Fig.9 Follow-up test curve 二次调频控制策略核心是以计划值为基点功率，参与 江苏 电网 区域 控制偏 差（Area Control Error,ACE）调 整，兼顾 SOC 运 行在 中值 区域。根据 SOC 运行 上下 限和 理想 上 下限，将其 分成 5个 运 行区：超上 限运 行区、高位 运行 区、理 想运行

23、 区、低位 运行 区、超 下限 运 行区，在不 同的 运行区自 动匹 配不同 的基 点功 率 和调 节范 围。实际运 行证 明，通过 储能 参与二 次调 频，改善了江苏电网区域控制性能指标(control performance standards,CPS)，达到 了预 期效 果。2.3 应急响应 2.3.1 源网荷友好互动系统紧急控制 如图 10 所 示，镇江 储能电 站 智能 网荷 终端直接接 收来 自江 苏源 网荷 友好互 动系 统的 指令，然后将 精准 切负 荷指 令直 接发送 至各 组 PCS，避免站端 监控 系统 与 PCS 通讯的 延时，实 现快 速最 大 出力 放电。为减 少快

24、速 切 负荷 造成 电池 系统或 PCS 故 障，终端 与站端 监 控系 统通 讯，告知 2019 年中国电机工程学会年会论文集 站端监 控系 统当 前源 网荷 切负荷 状态，一旦 储能电站设 备发 生异 常可 确保 设备退 出到 安全 模式。由于负 荷恢 复过 程无 快速 性要求，设置 恢复 部分功能转 至站 端监 控系 统承 担。需要 指出 的是 优先级为 源网荷响应最 优，一次调 频次之，AGC 最后。智能网荷终端苏南主站(500kV 木渎、秦淮变)500kV 集中切负荷站苏北主站（500kV 凤城、上 河变）500kV 集中切负荷站直流调制抽水蓄能快速切泵泰州换流站淮安换流站苏州换流站

25、用户分路开关 用户分路开关燃煤电厂可中断辅机翻水站抽水泵大型储能装置用户分路开关紧急控制模式自动控制（毫秒级）华东 电网频 率紧急 协调控 制系统常规控制模式辅助决策控制负荷快速响应模块江苏 源网荷 友好互 动系统 主站 切负 荷指令 可切 负荷量切负 荷指令 预想 故障策 略快速 切负荷 指令 312局 域网2M 专用 通道营销 控制大 区网控制 电缆通道 类型智能网荷终端木渎中心站可切 负荷量可切 负荷量切负 荷指令 可切 负荷量切负 荷指令 可切 负荷量切负 荷指令 可切 负荷量500kV 访仙子站 可切 负荷量智能网荷终端可切 负荷量PCS PCS 储能监控系统串口 通信 图 10 含

26、镇江储能的江苏源网 荷友好互动系统结构图 Fig.10 Structure map of friendly and interactive system for Jiangsu source-network-load including Zhenjiang energy storage 根据现 场实 测情 况，储能电 站 平均 充放 电转换时间约 70ms，由充电 快速转放电，提升毫秒级精准 切负 荷容 量最 高达 202MW，促 进系 统向“源网 荷储”友 好互 动升 级。2.3.2 调度主站系统紧急控制 镇江储 能电 站参 与电 网紧 急控制，既包 括响应大电 网事 故后 的紧 急控 制，

27、也包 括分 区电 网主设备故 障后 的及 时调 控，可有效 发挥 储能 启动 时间短、控制 响应 快、调 节精 度高的 特点。如 图 11所 示，选择 部分 储能 电站开 展 调度 主站 系统 紧急响 应 控制。主站 调度 员通过 智 能电 网调 度技 术支持系统（D5000）向储 能电站 下 发紧 急控 制命 令，15：35：27 储能 电站 功率由 56MW 充电，至 15：36：41 完成 56MW 放电，之 后 在波 动至 60MW趋于稳 定。图 11 调度系统发出紧急控制后储能电站的功率曲线 Fig.11 Power curve of energy storage power sta

28、tion after the emergency control of dispatching system 2.4 无功电压控制 镇江储能电站可参与地区电网电压无功调节，根据调度主站下发的自动电压控制（Automatic Voltage Control，AV C）指令，协调储能 电站 进行 电压 自动控 制 和无 功优 化控 制，其原则 是采 用闭 环控 制，优先应 用储 能电 站静 止无功发 生器（Static Var Generator,SVG），在 SVG补偿不 足时 投入 PCS 平抑 电 压波 动。根据 主站侧电压上下限和无功上下限，考虑功率因数优化，得出计算值，给出一个优化指令值

29、，每隔5min 将指 令值 下发 至储 能电 站调 节，储能 电站10s 后 重新 计算 指令 值与实 时 值差 值，判断 是否在 死 区区 间。若 在死 区范围 内，不再 调节，若在死区范 围外，继 续无 功或 电压调 节。如图 12 所示，以 北山 储能 电站 10kVI 段母线为例，采用电 压自 动控 制模式，检测当 前实 时电压 值 10.41kV，判断在合理母线电压范围内（10.1-10.65kV）。调度主站计算得出电压值10.43kV，生 成指 令值 10.44kV,在 4 月 3 日 22:20电压指 令下 发储 能电 站子 站，子站 计算 指令 值与实 时 值差值 0.03kV

30、，未超过 设 定死 区值 0.1kV，无 须 进行 电压 调节。从图 13 来看，采 用电 压自动 控 制以 后，母线 电压 保持 在 合格 范围 内，维持了电压 稳定。2019 年中国电机工程学会年会论文集 图 12 北山储能电站电压无功控制界面图 Fig.12 Voltage reactive power control diagram of Beishan energy storage power station 图 13 北山储能电站 10kVI 段母线电压曲线 Fig.13 10kV I section bus voltage curve of Beishan energy stor

31、age power station 2.5 小结 镇江储 能电 站已 开展 调频、调 峰、应急 响应控制、无 功电压 控制 等运 行模式，达到了 以下 效果：（1）优化电 网潮流 分布，改善电网尖 峰负荷特性，有效提 高镇 江东 部电网 的供 电能 力，减少为满足尖峰负荷而新增省内电源或引入区外来电投 资；（2）电 网发 生故 障,尤其是 特 高压 直流 受端电网双极 闭锁等 极端情况 下,提高电 网稳定性，提升事 故情 况下 提升 毫秒 级精准 切负 荷容 量；（3）参与 调节 电网 频率，改 善 CPS 性能 指标,提高 电网 可靠 性，优化 电 网运 行；（4）调整无 功电压 水平，维持

32、电压稳 定，实现波 动平 抑。3 下阶段应用和展望 3.1 应用思考（1）提升分 布式发 电运行 能力。镇江 扬中地区正积极建设“绿色能源岛”，分布式光伏众多，出现 晴天 光伏 总出 力 超过其 当地 负荷 水平 的现象，对 电网安 全稳 定运 行带来 了不 利影 响。利用储能 电站 的双 向功 率能 力和灵 活调 节特 性，发挥光储 协调 控制 的技 术优 势，实现光 伏功 率的 平滑输出，增强光 伏计 划跟 踪能力，降低功 率波 动越 限 概率 和爬 坡率，提升高 渗 透分 布式 发电 的运行稳定 性与 接入 可靠 性6。（2）提高输 变配电 可靠性。利用储能 的持续充放 电能 力以 及充

33、 放电 状态的 快速 切换 性能，缓 解 输变 电容 量阻 塞，实现 网 络负 载均 衡，提高设 备 运行 效率，减小 变电站 内 变压 器峰 值负 荷与功 率 流的 可变 性，提升 电网 灵 活互 动能 力，为打造高端电网提供强力支撑。以大港储能电站为例，它接 入了大 港变 电站，其 1 号主 变 容量 仅为31.5 兆瓦，在用 电高 峰易出 现 1 号 主变 重过 载情况。通过 大港储 能电 站的 参与，制 定优化 协调 控制策略，在 其重 载时 放电，在其 轻载 时充 电，提高变压 器运 行效 率，延缓 设备投 资，减少 成本 支出。（3）参与 黑启 动。储能 作 为一种 可自 启动、负

34、荷响 应速 度快、扮演 电 源与负 荷双 重角 色的 新型电源，具备快 速黑 启动 能力，既 可作为 黑启 动路径的 起点，又 可设 置在 黑启动 路径 的中 途，为启动过 程加 速助 力。结合 镇江电 网特 点，以光 储联合发 电系 统作 为主 体，开展黑 启动 控制 策略 研究应用，规划黑 启动 电源 的选择 路径，加 速助 力黑启动 过程，为 电网 提供 额外电 源支 撑。通过 储能电站 带动 区域 所辖 光伏 组成联 合发 电系 统，形成 稳 定孤 岛系 统，保证 关键 负 荷供 电，使光 伏系统出力 实现 最大 功率 跟踪 提高光 能利 用率，有效跟踪负 荷变 化，实现 电网 黑启动

35、 过程，实 现电 网在极端 情况 下的 快速“自救”。3.2 研究展望（1）含规模 化储能 的虚拟 电厂示范应 用。借助镇 江储 能电 站已 有的 应用成 效，依 托泛 在电力物联 网建 设，开展 虚拟 电厂示 范应 用，实现 分布 式 发电、储能、可控 负荷、电 动汽 车等 聚合 和协调优 化，推进 智能 电网 发展。（2）规模化 储能助 力打造 以电为核心 的综合能源 体系。储能 在综 合 能源系 统可 发挥 缓冲 器作用，优化 协调 多能 源耦 合，参与 联合 优化 调度，实 现 多能 互补，支撑 综合能 源 系统 的灵 活性 和可靠性。（3）储 能云 平台 建设 服务泛在电 力物 联网

36、。大批量 多类 型储 能投 运，急需开 展泛 在储 能云 平台建设，实现 系统 升级，交互响 应，助 力服 务泛在电力 物联 网。4 结论 本文介 绍镇 江储 能电 站基 本情况，对 调峰、调 频、紧急 控 制、调 压等实 践 应用 模式 进行 了分 2019 年中国电机工程学会年会论文集 析归纳，思 考了 下阶 段储 能的应 用并 进行 展望，为我国快速增长的储能电站建设运行与发展提供经验 借鉴 和参 考。参 考 文 献 1 李 建林,王 上行,袁晓冬,等.江 苏电网侧电 池储能电 站建设运 行的启示J.电 力系 统自 动化,2018,42(21):1-11.2 李 欣然,黄 际元,陈远扬,

37、等.大 规模储能电 源参与电 网调频研 究综述J.电力 系统 保护 与控 制,2016,44(07):145-153.3 李 欣然,邓涛,黄 际元,等.储能 电池参与电 网快速调 频的自适 应控制策略J.高电 压技 术,2017,43(07):2362-2369.4 李若,李欣 然,谭 庄熙,等.考虑 储能电池参 与二次调 频的综合 控制策略J.电 力系 统自 动化,2018,42(08):74-82.5 黄 际元,李 欣然,曹一家,等.考 虑储能参与 快速调频 动作时机 与深度的容 量配 置方 法J.电工 技术 学报,2015,30(12):454-464.6 王海波,杨秀,张 美霞.平抑 光伏系统波动的混 合储能控制策 略J.电网技 术,2013,37(09):2452-2458.作者简 介：马骏毅（1987-），男，浙江 宁波 人，硕士毕 业，高级 工程 师，从 事电力调 控运 行工 作 任 萱（1973-），女，江苏 镇江 人，本 科毕业，研究 员级 高级 工程 师，从事电 力调 控运 行管 理工 作。张大林（1982-），男，湖北 十堰 人，硕士毕 业，高级 工程 师，从 事电网调 控运 行管 理工 作。