储能技术在功率/频率调节中的作用

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：1.3.2.3 储能荷电状态的管理风电的一次调频不像传统的发电机组那样，受限于机组的机械条件，只能提供介于最小功率值与额定功率值之间的变化功率，但风电的一次调频过程会受到储能系统荷电状态的制约。

1.3.2.1 风电场的集群效应

美国能源部的一项研究评估了风电场参与系统频率调节所应满足的备用容量需求^{[KIR 04]}。研究中参考的风电场装机容量较大（138台风力发电机组，总发电功率可达103MW），这样可以更好地看到风电场的集群效应对一次调频的影响。

将上述风电场的全部机组划分为四个分区，并估计出每一组参与调频所需的备用能量，结果见表1-1。可以看到，假如四个分区单独参与频率调节，所需的备用容量是7.5MW，而风电场联合运行后所需的备用容量为4.8MW，仅为前者的65%。该项研究的作者推断出风电场的集群效应对于系统调频具有积极的作用。

表1-1 风电场集群效应对系统调频的影响^{[KIR 04]}

在这个问题上，一方面，风电对系统频率的调节作用对于一个大型的区域电网来说，其影响是微乎其微的。因此，其他发电方式的一次备用容量不会受到风电波动的影响。另一方面，大型风电场（如多风电场集群）集群效应产生的积极作用又可以减少对于备用容量的依赖。因此，风力发电对一次调频的作用应该针对整个电力系统进行评估，而不是针对单个风电场。但是，这种说法又遇到了新的问题，即什么样的风电运营商愿意或必须配置储能系统（是各个风电场在本地建设分布式储能系统，还是根据系统规划建设集中式储能）。

此外，作者在研究的结论部分指出，飞轮储能系统能够很好地满足风电场参与系统一次调频的储能性能要求（循环寿命长、响应速度快、适应于短时放电等）。由于进行一次调频最重要的是功率输出能力，因此所需的储能应该是一种“功率型储能”技术。

1.3.2.2 储能的运行策略

参与一次调频的传统发电机组应该具有符合如图1-3所示的功率/频率特性。其功率输出围绕一个参考值进行调节，如果频率保持50Hz不变，那么机组的发电量也不会发生改变。

很显然，这种运行策略无法在输出功率波动性较强的单个风电场进行验证。为了确保单个风电场具备同等的调频效能，储能系统应该具有以下两个功能：

1）根据频率调节需求调整功率输出。

图1-3 风力场和集群风电场的功率调节特性

2）维持系统的相关运行参考值（如频率为50Hz）不受发电功率变化的影响。

这些要求对储能系统来说很可能在容量配置上大得不切实际。我们知道，对于一定规模的区域电网来说，风力发电的瞬时输出在几分钟的时间内可以认为是几乎固定不变的^[2]。

在这种方式下，大型风电场集群（多个风电场的联合）对系统一次调频的作用可以通过储能系统来实现。在运行过程中，储能系统只调整风电场并网处的功率，而保持每个风力发电机组输出功率不变（往往采用最大功率输出方式运行）。由于不同风电场在地理位置上的自然分散性，起到了整体上的等效平滑效果，使得整个风电场集群的功率遵循预期的有功/频率下垂特性。

1.3.2.3 储能荷电状态的管理

风电的一次调频不像传统的发电机组那样，受限于机组的机械条件，只能提供介于最小功率值与额定功率值之间的变化功率，但风电的一次调频过程会受到储能系统荷电状态的制约。

每一种类型的储能都有一个最小荷电状态，低于这个荷电状态会导致储能器件发生性能过快下降的风险。另外，为了在充电和放电的过程中能够拥有同样的可用容量，尽可能维持储能系统的荷电状态处于一个中间值，避免出现图1-4中所示的极端情况，对于储能的电力调节应用是很有必要的。

电力系统在实际运行过程中，其频率一般围绕额定值（平均为50Hz）上下波动。在频率微幅波动和频率偏差平均值为零的条件下，储能系统的荷电状态应该维持在一种有效的状态并接近于参考值。不过，当系统频率出现明显的扰动，储能系统荷电状态的参考值可能需要重新设定。因此，确定风电场到底应该在功率和能量上设定多大的备用容量，是非常关键而必要的问题。

要实现风电场有效地参与一次调频，必须具备足够的备用容量以实现调频所需的最大功率，并至少维持15min。

图1-4 储能系统的荷电状态（在A点，处于最大荷电状态，无论储能系统容量有多大都不可能再减少系统的发电功率。相反，在B点，无论储能系统容量有多大都不可能再增加系统的发电功率）

储能技术在功率/频率调节中的作用

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