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秦晓辉:储能在电力系统安全稳定中的应用场景

2019-8-26 11:10| 发布者: admin| 查看: 6432| 评论: 0

摘要: 8月9—10日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司、西安北大科技园、中国科学院电工研究所储能技术组、深圳市科陆电子科技股份有限公司等单位联合主办“第二届 ...

8月9—10日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司、西安北大科技园、中国科学院电工研究所储能技术组、深圳市科陆电子科技股份有限公司等单位联合主办“第二届全国发电侧储能技术与应用高层研讨会”在陕西西安金磐酒店举行。来自政府主管部门、能源监管部门、行业专家、设计院、新能源发电业主单位、电力公司、系统集成商、项目承包商、投融资机构等单位的260余位嘉宾出席了本次研讨会。

主办方邀请到中国电力科学研究电力系统研究所规划技术研究室副主任、教授级高工秦晓辉就“储能在电力系统安全稳定中的应用场景”做主题报告,以下为其报告主要内容。

秦晓辉

尊敬的各位来宾今天很荣幸跟大家一起分享一下储能在大电网安全稳定中的应用场景和一些心得。

我们总体上虽然说是重点讲安全稳定,但是因为储能现在目前的主战场还不是在安全稳定上,我们还是立足从整个电力系统的应用角度对储能的应用场景做一些切入和分类,其中重点讲讲在电力系统安全稳定中应用的问题。所以我们看一下第一部分。

随着现在储能的技术发展,已经广泛的应用在电力系统的各个环节,具体来说我们从源侧开始,比如说平抑波动、削峰填谷,抑制振荡、电压支撑和一些备用电源的作用,从负荷侧有助于分布式新能源的接入以及给用户增加一些用电可靠性。

会议现场

储能在电网功率平衡和频率调节中的作用,大家都知道电力系统主要面临的问题是功率的瞬时平衡,它是对瞬时平衡性要求比较高的系统,所以说它具有调频的问题。这些专业的问题,我感觉大家可能还不是很清楚,所以我有必要把调峰和调频的概念跟大家说清楚一点。大家从资料上看有讲调峰和调频的,借此机会我把这些个概念跟大家澄清一下。

所谓的调峰,是要根据调度预先计划安排的,是做一个较长时间尺度上的供需平衡,我们可以称之为能量平衡,因为时间比较长,所以产生的能量累积非常可观。它的特点就是一定要根据调度计划,差不多是小时级以上的,在指定的时间执行周期性的计划来削峰填谷。

会议现场

而调频是相对时间要短一点,不是长时间使用大功率的平衡问题。一次调频,如果电网中的各个单元,包括发电机,包括我们的储能单元它可以响应电网频率的偏差信号,同步电网有一个好处是全网基本上是同一个频率,所以在因功率缺失或负荷增加而引起的系统频率动态波动的过程中,不需要人为或统一控制的干预,只需要本地的自动装置检测局部的频率偏差就可以完成相应的出力增减,实际上就是我们搞控制的人所常能理解的“下垂控制”,这就是一次调频。

二次调频也是一种自动控制,它是从全网的角度来自动调控具有二次调频容量的电厂或者发电单元,接受发电自动控制系统(AGC)的指令和控制,从而来跟踪频率的信号,最终的目的是要把整个系统在扰动过程中的功率缺口补起来,把频率完全调回去,它是做积分控制的。所以我们回顾一下,一次调频是做比例偏差控制,下垂控制;二次调频是做积分控制,最终把频率调回去;而电网调峰是事前的日前的计划安排,使我们的发电根据第二天预测的负荷曲线去走,是一个计划安排层面的事情,是提前的,日前的。

储能除了在全网的功率平衡扮演着角色之外,它还可以用来缓解局部电网的投资和建设。比如说有一个地方高峰负荷很重,需要有一些新增线路或变压器来供电,但给它上了储能以后就可以把高峰负荷解决掉,这样避免了投资建设。还有一些需要扩建线路和变压器的项目,但是在负荷中心的变电站没有场地,也没有线路走廊,所以只能在变电站附近找一个相对合适的地方部署储能,来避免扩建。

会议现场

第二个场景是储能跟新能源的互动。从最开始来讲新能源发电有很大的间歇性,发电功率曲线上有很多的毛刺,大家自然想可以用储能来平抑这个事,把毛刺变得平滑一点。但是后来研究发现,多场站有自平滑效应,多个场站一平滑,虽然单个场站的毛刺很多,但多个新能源场站的发电曲线就没有那么多毛刺,所以这个应用场景慢慢的就开始变弱了。当然还有一种特殊的场景,为了增加新能源发电的可调度性,新能源我们都知道是看天吃饭的,搞MPPT最大发电功率追踪的,它是不可调度的,没有风光的时候就是没有,有风光的时候才有,所以对调度来说不友好,不可按照预设计划调度,本质上是不可调度的。所以在发电功率高的时候,在国内外的一些地方会鼓励投资上一点储能,增加新能源的可调度性,我想调你,没有风光的时候,你利用储能发出来。你多的时候,超出你的计划,你再储起来。这样可能对具有可调度性增强的新能源场站给一些优惠电价,但是这个场景目前也不是太多见。目前主要的场景现在已经演变成调峰的场景,即从系统全局的电力电量平衡角度出发,利用储能,把新能源过剩用不了的时候储起来,到供电不足需要用的时候再放出来。调峰这个场景是日前计划安排的事情,更多的是能量,因为它是小时级的,所以说它的能量吞吐的需求非常巨大。这样对于我们储能的倍率也是需要有综合的计算的,因为它是能量型的,而且由于新能源的间歇性,尖峰充放功率可能还较大,所以整体对投资的要求还是很大。

根据国外的研究机构研究结论,目前的储能技术和容量只能够满足小时和天的数量级调峰容量需求。如果是一个星期的,再往后我们给它充满了,你的风再大,我们也输不进去。所幸的是,新能源的波动主要成分中,日内波动的成分也比较大,所以如果我们能把日内的小时级新能源的波动能够削峰填谷做好,也是做出了很大的贡献。

说到安全稳定性,刚才讲到的是两个宏观的安全性,主要讲的是供电的安全性、可靠性或者叫充裕性,包括一些频率安全性。但电力系统这个系统最主要的特点是稳定性问题,它的专业性比较强。大体的意思是,比如说有这么一个点对网的输电系统,发电机通过升压变压器和输电线路向大系统来供电。那么它遭受到短路以及其他扰动的情况下,发电机的转子会摇摆起来,会发生振荡。如果说故障很严重的话,这个系统就会失去稳定。这个是最主要的特性和制约,它导致了我们输电的功率不能太大,我们称之为输电能力,这个输电能力主要是受它的稳定性的约束。以前的控制方面都是离散控制方法,真的要发生了严重的故障,即将失去稳定了,我们只能将发电机切除或者是投制动电阻将多余的功率消耗掉,因为线路短路的时候,发电机端的电压太低,它的功率没有办法发出去。那么储能在其中就可以扮演一个重要的角色,这个角色在国外据说有示范工程,但是我在国内目前没有看到。就是当功率过剩的时候,把它存储起来,但这个对时间的要求特别高,在几百毫秒之内就要把几百万千瓦的对外输送不了的电磁功率存进去,这样对于发电机转子来说,它感受到的电磁功率基本上还是不变的,它的扰动大大降低,这样它的稳定性就大大提高了。现代储能是本体加换流器的这么一个装置,所以说它不光能发有功还能发无功,它的无功比例可以起到不同的影响。我们经过研究,发现它的有功成分还是占主要的,可以起到很大的帮助。

会议现场

总之,储能提高稳定性的基础,就是用来改善发电机局部的有功不平衡,从而改善系统的稳定性。同理,我们还有一种叫动暂稳定性的现象,它与暂态稳定性相似,但总是振来振去,总是平息不下来。所以这个时候我们控制储能装置,使它能够根据系统振荡的频率做周期性的输出和反向调节,当然它有功也能支撑,无功也能支撑,都是跟随系统振荡的频率进行反向调节可以起到很好的动态稳定性阻尼作用。上面一个场景重点是要求它快充,而这个对于快充的要求性相对不是太高,重点是要控制好做周期性的充放。

还有一种场景是咱们国家比较独特的一个场景,咱们国家因为地域很大,全国范围内的跨大区,比如说从送端区域C送到受端区域B的大直流比较多,一旦大直流发生闭锁或者功率受阻等故障,那么会在交流互连的区域A和B之间产生很大的一个潮流转移,这样的话A和B之间可能就会失去稳定,从而造成较大事故。

目前怎么做呢?如果说区域C到B的大直流闭锁的话,为了不让区域A、B之间发生大规模的潮流转移和功率交换,只能把区域B内的负荷切除一部分。所以我们可以反过来想这个问题,如果把区域B里面来配大规模置储能,那么储能的快速放电作用就相当于非但不用切负荷,我还能顶你一下。所以这个时候它可以显著地减少区域B内的配置的切负荷的安全措施的量,从而给用户带来好的供电可靠性体验,也给系统带来高的安全性和可控性。这种场景的主要技术要求是大规模储能快速的功率反转,即满充到满放。经过初步调查研究,现在储能实际上可以实现快速的功率反转,如果我们直接把功率指令捅到PSC换流器的话,它在100~200毫秒就差不多就可以能完成由满充到满放的功率反转。

储能还可以扮演很多角色,比如说模拟惯量支撑。当外界有一个功率缺额导致系统频率快速下降的时候,它可以根据频率的微分做一些调节,使得发出一种脉冲功率的作用,这种功能我们把它称之为惯量支撑。这样的话再回顾前面的话,一次调频是下垂的比例偏差控制。二次调频是积分控制,惯量控制就是微分控制;所以说储能可以灵活的设置它的控制策略,满足不同的场景需求,使得储能本身可以模拟很多外部的系统需求,可以扮演不同的角色,非常的灵活。

这是另外一种场景,这个是电压调控。大家很奇怪储能主要是有功的,但是不要忘记了,有功的调节会对系统的电压产生一个很好的作用。因为电压和无功需求的问题本质说还是因为有功传输引起的,比如说这个场景里面是一个长线路末端带来大的冲击性负荷,那么这个负荷一旦增加的时候,比如说轧钢厂,它的供电电压会有大的波动。这种情况下一般会配一个无功补偿在负荷附近,用来补偿这个负荷波动带来的无功。但是它本质还是因为有功的突增引起的,所以说我们如果直接在它附近配一个储能,把它的有功冲击给对冲掉的话,那么对系统变压调控起到了事半功倍的作用。

我这里想花一点点时间把储能在电力系统安全稳定分析与控制中的特点讲讲,储能的作用在我们电力系统来看是有着非常划时代的革命意义,因为以前电力系统是非常缺乏可以快速调节有功的元件和装置的。在变流器出现以后,比如STATCOM,它使得这个系统的无功可以快速双向调节;那么有了储能以后,它使得有功也可以快速地双向调节,这个是革命性的,可以解决系统局部的功率平衡和有功调控。再解释一下所谓的四象限自由可调的问题,以前大部分的发电机元件都是待在第一象限,用来发有功、发无功。有了STATCOM之后,它拓展到了第四象限,使得无功可以正负双向快速调节。储能出现之后,有功可以快速双向调节,所以拓展到第二象限和第三象限。电力系统所有的元件都可以把它成看成一个注入电流源,特别希望注入电流源能够在四象限里面可以快速调整,储能出现以后就可以把这四个象限补平了,这是革命性的变化。

也就是说,基于储能的安全稳定控制技术,它相当于电力系统增加了一个灵活、快速、连续的有功调节手段,使得有功调控的快速性和灵活性大大的增强了。从它的能量应用角度来说,重点是能量吞吐和持续转移,就是我刚才讲的那些,从而提高电力系统和时序电力平衡能力和新能源消纳能力。

我们现在碰到了哪些问题呢?如果推动电力系统不同场景的应用中。

1.仿真建模,我们怎么把它特定模拟的准一点,你要干这个事就要具备什么样的技术要求和控制策略,并且制定一些相关的标准。

2.技术要求和控制策略。通过仿真分析,进一步蒙却储能的系统接入条件和影响因素,据此提出明确的技术要求,进行合理的参数配置,止跌高效的控制策略。

3.标准规范。研究制定储能应用于电力系统各种场景时系统对出凝的技术要求和技术规范。

比如说我们有一个例子,如果我们要减轻大直流闭锁对于暂态稳定冲击的话,我们需要做很多的工作。比如说研究储能的配置、容量,因为一个储能现在也就十万,一个储能厂,不会搞的太大,十万已经很大了,100兆。所以它一定是多个场站协同起来控制来满足的要求。这样的话对储能的配置、地点、容量、发电速率、功率都有一个比较高的要求。另外就是怎么样设计控制架构,怎么样对储能的接入标准和高电压时提出的相关要求,这都是需要在我们目前储能接入电力系统的国标的系统上做进一步的深化和细化。总体来说电力系统要在大功率、短时间使这个系统安全稳定中发挥作用,这相当于是一个难度很大的高级应用,需要对储能的特性和接入标准做更高的要求。

有什么问题我们会后可以再探讨,我的演讲就到这里,谢谢各位。



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