風光儲協調控制研究及應用風光儲輸示范電站運行情況

動力電池梯次利用研究工作儲能在新能源主動支撐方面的應用010203CONTENTS目錄風光儲輸示范電站運行情況l

1

風光儲工程：

利用風光資源互補優勢

，

引入儲能提高出力品質

，提升電網對新能源的接納能力；

虛擬同步發電機工程：

新能源發電占比增加

，

電網調節能力下降穩定風險提高

，新能源需具備主動支撐能力；

梯次利用工程：

電動汽車普及

，如何提升海量退役電池的利用價值；發揮了示范引領作用！2011年2月

2011年4月2011年8月2012年12月

2014年12月

2016年12月

2017年11月

1、

國家風光儲輸示范電站——發展歷程100MW風電

、

40MW光伏

、

20MW儲能118MW風電

、

10MW儲能VGS500MW風電

、

400MW光伏3MW*3h梯次電池系統12MW光伏VSG220kV智能變電站

倒送電成功220kV智能變電站國家風光儲輸示范

工程（一期）投產國家科技支撐計劃

七大課題啟動風電、集中式儲能

VSG建成投運光伏虛擬同步發電

機全部建成投運梯次利用電池

投運確定工程技術實施方案二期工程投產4l示范應用了5種類型、

5種跟蹤方式以

及固定式的光伏發電技術

示范應用5種類型、

5種跟蹤及固定式光伏100MW；

示范應用了7種型號風機共446.5MW。;

2018年發電量突破10億kWhl示范應用國內最典型的7種型

號風機

1、

國家風光儲輸示范電站——發展歷程5

對7類共33MW/95.5MWh的電化學儲能技術進行

運行研究和實證評價

，

其中包括：

鋰電池儲能系統24MW/66MWh

鉛酸電池儲能系統2MW/12MWh

鈦酸鋰電池儲能系統1MW/0.5MWh

液流電池2MW/8MWh

超級電容儲能系統1MW*15s

梯次利用動力電池系統3MW/9MWh主要技術參數國家風光儲示范工程儲能系統能量轉換效率>90%整站響應速度<900ms單機響應速度<100ms整體出力偏差<1.5%組間一致性偏差＜8%聯合監控功率平滑<5%/10min計劃跟蹤偏差<3%

1、

國家風光儲輸示范電站——發展歷程磷酸鐵鋰電池鈦酸鋰電池液流電池鉛酸電池超級電容鉛碳電池

目前

，風光儲儲能電站已實現不間斷參與聯合發電條件

，能在“平滑波動”和“削峰填谷”

模式間切換

，實現了長周期風、光發電波動尺度控制；

跟蹤計劃能力

儲能參與斷面控制后

，平均均方根誤差降低為原來的50.4%

，計劃值容許范圍內點由原來的

60%提升至90%

，計劃跟蹤效果顯著提升。1101009080706050400

5

10

15

20

25

30光

風

機總

出

力

計

劃儲

總

出

力

值

1、

國家風光儲輸示范電站——運行性能有

功

功

率（MW)時間

/(小時)光風

風總

出

力

跟蹤計劃出力運行數據分析

統計2月份儲能用于風電場跟蹤計劃

，月可用率100%，

20MW儲能系統共吸收電能310.96MWh

，放出電能285.35MWh

，最大支撐功率14.34MW

，最大吸收功率17.81MW，通過減少棄風實現盈利16萬元。風電功率儲能功率計劃出力風儲總出力

1、

國家風光儲輸示范電站——運行性能2月份儲能用于風電場跟蹤計劃出力風/儲出力曲線

平滑出力波動

儲能參與平滑以后風光儲出力的波動性顯著降低。以1min長度的滑動窗統計各個時段內平

滑效果

，平滑系數在0~0.8區間內均勻分布。

風

風光出力

光儲出力

1、

國家風光儲輸示范電站——運行性能儲能平滑風光出力波動曲線平滑出力后平滑系數分布6.8

6.97

7.17.27.37.47.57.6時間/點

x

10400.

10.20.30.40.50.60.70.80.91平滑效果0.

10.050403530252015105儲能平滑效果分布圖有功功率/Mw概

率

平滑波動運行數據分析

采用儲能用于平滑出力波動后，

電站出力波動明顯變小；4月18日全天共充電22.48MWh，

放電26.35MWh。

1、

國家風光儲輸示范電站——運行性能4月18日風/光/儲分別出力儲能平滑前后輸出功率對比

儲能設備運行性能監測

電科院每年會對各類型電池的容量保持率、轉換效率、充放電響應時間、運行故障分析等主

要項目進行檢測

，對比研究各類電池衰退趨勢及技術性能

，為其他項目作參考。

1、

國家風光儲輸示范電站——運行性能

電池模組/單體運維

通過分析運行中各電池單體電壓標準差/標準差系數、

電壓極值位置統計、

阻抗差異等方法

對劣化電池單體或模組進行定位

，有針對性的進行運維。電壓極值位置統計

電池運行電壓標準差/標準差系數

1、

國家風光儲輸示范電站——運行性能動力電池梯次利用研究工作I

2

冀北電科院從2015年起依托①風光儲梯次利用儲能工程；②風光儲聯合發電運行技術國家

電網重點實驗室；③各層級科技項目

，不間斷地對梯次利用動力電池進行研究。

完成梯次利用電池單體、模組1500次（0.3C）實驗室循環性能測試；

搭建了儲能變流器多機并聯半實物仿真平臺

，對儲能控制技術進行深入研究；

開展儲能在新能源電站、高壓輸電網、配電網等不同應用場景下容量優化配置。梯次利用儲能系統

儲能電池檢測與半實物仿真平臺

2、

動力電池梯次利用

衰退特性和壽命預測技術

深入研究了退役動力電池與模組性能衰退規律

，基于抽樣電池進行1500次儲能工況循環試

驗明確了電池內阻、

電壓等關鍵參數剩余容量關系

，為篩選配組集成提供了技術支撐。

設計了退役界面容量分段、

歐姆內阻增長率作為修正因子的退役電池容量衰退規律預測函數，填補了梯次利用電池壽命預測的研究空白。單體電池內阻與容量的變化曲線

2、

動力電池梯次利用——三項能力單體電池各循環階段性能差異對比壽命預測模型

工程化運維關鍵技術

提出一種基于抽檢試驗的梯次利用電池儲能系統不一致性維護關鍵指標的確定方法

，可顯

著縮短維護時間。

研制出適用于梯次利用電池儲能系統的現場診斷裝置

，并在風光儲進行試驗。電池模塊狀態評估指標體系

儲能容量檢測與缺陷診斷系統

現場診斷裝置

2、

動力電池梯次利用——三項成果

技術經濟性分析

提出了考慮梯次利用電池運行特性和壽命特征的凈現值分析方法

，建立了梯次利用電池儲

能平準化模型。

建立了梯次利用電池儲能系統詳細成本模型

，在冀北電價體系下建立收益模型

，建立了儲

能電站全壽命周期總投資成本的現值與壽命期總發電量年值的比值的平準化模型

，準確計算了梯次利用儲能度電成本水平。

t

=365l

(n

—

1)+1

(1+

i)

2、

動力電池梯次利用——三項成果儲能在新能源主動支撐方面的應用l

3

隨著國家能源轉型推進

，高比例新能源成為新一代電力系統重要特征。

新能源對電網的弱支撐性與低抗擾性是造成消納受阻和影響電網安全的本質原因。通過新能源機

組故障穿越能力改造等手段

，低抗擾性問題已得到部分解決

，弱支撐性問題依然突出。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用19

主動調頻能力不足

，導致系統頻率特性發生顯著惡化；9.19錦蘇直流閉鎖

主動調壓能力不足，

電壓波動引發的大規模脫網事件頻發：

5.14冀北沽源風電脫網

機組阻尼不足導致振蕩問題頻發：冀北沽源地區振蕩&新疆哈密山北地區次同步振蕩錦蘇直流閉鎖

，

3.55%功率缺額義緣站3#主變220kV側各相電壓變化情況沽源諧振過程伴隨大量風機脫網

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用20

虛擬同步發電機技術是基于電力電子設備靈活可調優勢

，通過模擬同步機電氣方程與轉子運動方

程

，使新能源機組具備慣量、一次調頻、

阻尼和主動調壓等主動支撐電網的能力

，使新能源由“被動調節”轉為“主動支撐”。虛擬同步發電機技術原理示意圖

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用模擬21

探索新能源發電主動支撐技術、填補虛擬同步發電機在大電網應用的空白，

2016年

，依托風光儲

電站啟動新能源虛擬同步機示范工程建設。

共建設投運三大類6種虛擬同步發電機示范工程；對不同儲能類型、不同儲能方案、不同風機調頻

方案進行深入對比研究。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用22

風電虛擬同步發電機

成功研制2MW單元式光伏虛擬同步發電機；

實現方案：刷新程序或更換風機主控

，均同時采用預留備用和轉子慣量支撐兩種技術路線；

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用23

基于槳距角控制：

即預留備用

，是通過控制讓風電機組實時預留出一定比例的備用功率

，風機可實現與火電機組相

當的調頻特性；經濟性較差

，更適用于在常年限電地區。

轉子慣量支撐：

當頻率下降時

，風機釋放轉子動能增大電磁功率輸出以功率支撐；

當頻率上升

，風機適度收槳減

小電磁功率。僅修改風機控制程序

，不增加硬件成本

，且對機組發電量影響較??；但在轉速恢復

階段

，會給電網頻率帶來二次跌落的問題。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用轉子動能釋放方式實測曲線預留備用方式實測曲線24

光伏虛擬同步發電機

研制分別裝配50kW*30min鋰電池和超級電容的500kW單元式光伏虛擬同步發電機。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用光伏虛擬同步發電機拓撲結構25

光儲協調：

提出了考慮光伏MPPT運行與儲能容量的光伏虛擬同步發電機綜合調頻控制策略

，解決了光照捕獲效率和儲能支撐裕度難以兼顧的難題。

電池特性兼容：

針對超級電容和鋰電池兩種儲能單元在充放電倍率和循環壽命方面的不同

，分別提出了主-從和對

等光儲協調控制方案。鋰電池超級電容

優先儲能充放電

，若儲能吸收功率最

儲能僅增發功率

，光伏僅降低功率。

大值不足以支撐調頻

，光伏降低功率。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用26

集中式儲能虛擬同步發電機

項目建設了2臺單機容量5MW*20min集中式具備虛擬同步功能的儲能電站

，具備一次調頻、調

壓、黑啟動、次同步震蕩抑制功能

，為世界首次；

承擔100MW風電機組一次調頻任務；電站VSG拓撲結構現場照片（電池系統+變流器）

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用27

采用電壓源型控制方案

，快速響應并網點頻率和電壓變化

，提供場站級慣量/阻尼和調壓調頻能力；

提出了主控-模塊分層控制結構

，突破電力電子功率器件物理耐壓約束，

同時防止了功率單元并聯

引起環流、振蕩。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用電壓源性控制框圖

分層控制拓撲結構28

提出了電池組低壓雙級拓撲結構

，使得系統中電池單體可運行于寬電壓范圍

，對電池不一致性容忍度增高；解決了高壓穿越工況下單體電池電壓過高影響電池運行壽命的問題；

提出了基于儲能電池SOC主動均衡和容量保持控制策略

，對系統中劣化的SOC異常的功率單元進

行主動均衡

，并動態保持SOC于適宜狀態

，使得電池系統能長期保持較高的功率與容單體量備用。電池組低壓雙級拓撲結構

基于SOC主動均衡和容量保持控制策略

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用29

集中式儲能系統調頻/調壓性能優異

，慣量響應時間50ms

，一次調頻響應時間100ms

，功率精度

0.5%；

以5MW電站式VSG為啟動電源

，構建了風光儲站內孤網運行環境

，首次實現了全電力電子系統黑啟動實驗；實現50km外500kV變電站的零起升壓。集中式儲能調頻/調壓實測曲線零起升壓電壓電壓曲線

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用30儲能類型對比鋰電池VS超級電容儲能建設方案對比分布式儲能VS集中式儲能風電調頻方案對比僅儲能支撐VS僅風機轉子動能VS風儲協同

通過對虛擬同步發電機示范工程以下三方面對比研究

，可輸出幾點結論以供參考。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用31

儲能類型對比：鋰電池的調頻效果更優

運行效果：（

1）鋰電池與光伏變流器為對等控制

，可全天候調頻備用；（

2）儲能系統功率響應

速度主要取決于變流器

，超級電容響應速度并未占優。

經濟性：相同投資成本下

，鋰電池容量為50kW*30min

，超級電容為50kW*15s（2）超級電容1h內需充電20min

兩種電池參數對比

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用（

1）鋰電池了持續調頻32控制方式：

直流母線并聯10%Pn*30min儲能鋰電池

單元

，

以響應電網一次調頻。控制方式：

通過光伏逆變器

預留10%Pn備用容量

，

支撐

系統一次調頻。控制方式：

基于集中式儲能系統的調頻能力

，

支撐系統

調頻。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用光伏+分布式

儲能

儲能建設方案對比：集中式儲能更具經濟性電站式VSG預留備用33

儲能建設方案對比：集中式儲能更具經濟性

技術方面：模擬新能源裝機占比20%

，系統功率缺額5%電網場景下

，三種方案一次調頻效果相

當，

由于其功率響應速度快

，調頻效果均優于火電機組；

經濟方面：以冀北地區100MW光伏電站為例

，對比分析三種調頻方案的經濟性，

電站式VSG經濟型最好

，改造成本不超過建設投資的2.5%（基于當前儲能價格、按常規火電廠6%-10%調頻支

撐能力測算）應用模式技術性經濟性（

100MW風電場）預留10%Pn備用容量優于火電機組年經濟損失約1982萬元配置10%調頻

儲能單元年均投資300-400萬元電站式虛擬同步

發電機年均投資100-200萬元

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用34控制方式

：基于集中式儲能系統的調頻能力

，

支撐系統

調頻?？刂品绞?/p>

：通過主控系統提前變槳

，使風電機組在原有

功率特性曲線下方運行。控制方式

：調節電磁轉矩，降低或升高發電機轉速來達

到有功功率支撐。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用——風電調頻加裝儲能預留備用轉子慣量35備用容量風場限電損失電量/發

電量%年損失

（萬元）10%不限電18.57%250050%出力

以上限電11.76%1600技術方面：調頻特性與火電機組相當?；诂F場實測的風機VSG模型進行仿真

，風

機采用留備用方式參與系統調頻時

，調頻特

性與火電機組相當。風電參與系統一次調頻應用模式——預留備用經濟方面：以容量為100MW的風電場為例

，每年經濟損失最高可達2500萬元。

3、

儲能在新能源主動支撐方面的應用——風電調頻風機采用預留備用模式參與系統一次調頻曲線注

：依據冀北某風電場實際出力數據測算36最好情況技術方面：頻率二次跌落問題嚴重

，即使最好情況下頻率二次跌落的深度也和一次跌落相同；風機退出調頻時會對系統造成嚴重擾動

，惡化系統頻率動

態。風電參與系統一次調頻應用模式——基于轉子動能經濟方面：僅需風機軟件升級

，改造難度小、實施容易

，成本低。

3、