儲(chǔ)能對(duì)高比例新能源接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的支撐作用分析報(bào)告-培訓(xùn)課件

電池儲(chǔ)能對(duì)高比例新能源接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的支撐作用中國電力國際發(fā)展有限公司王逸超“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略2020年12月12日習(xí)近平總書記在氣候雄心峰會(huì)上宣布減排新舉措,明確了碳中和路線圖。到2030年，我國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。“新能源將迎來強(qiáng)勢(shì)發(fā)展的十年"2高比例新能源接入帶來挑戰(zhàn)風(fēng)電規(guī)模480.4萬光伏規(guī)模576.9萬水電規(guī)模545.1萬搶占火電機(jī)組的發(fā)展空間，降低供電可靠性動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力弱，給電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定帶來極大的隱患清潔能源裝機(jī)大幅提升國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求35千伏及以上電源均應(yīng)具備一次調(diào)頻、快速調(diào)壓、調(diào)峰能力。中國電力已按下清潔轉(zhuǎn)型的快進(jìn)鍵電池儲(chǔ)能在促進(jìn)新能源消納，提升新能源調(diào)峰和調(diào)頻能力方面發(fā)揮著不可替代的作用。3一、電力系統(tǒng)的頻率為什么會(huì)變化特斯拉現(xiàn)代交流電系統(tǒng)之父愛迪生直流電系統(tǒng)的推崇者4一、電力系統(tǒng)的頻率為什么會(huì)變化我們希望維持電力系統(tǒng)的頻率不發(fā)生改變，

但實(shí)際上電力系統(tǒng)的頻率一直在波動(dòng)。各國頻率標(biāo)準(zhǔn)：中國 50

Hz美國 60

Hz日本 60

Hz5一、電力系統(tǒng)的頻率為什么會(huì)變化發(fā)電功

率2500MW負(fù)荷功率3000MW發(fā)電功率與負(fù)荷用電功率的不平衡導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動(dòng)6一、電力系統(tǒng)的頻率為什么會(huì)變化同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能用電負(fù)荷消耗電能電網(wǎng)的頻率與同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比7一、電力系統(tǒng)的頻率為什么會(huì)變化頻率降低發(fā)電不足：機(jī)組突然下網(wǎng)或是負(fù)荷需求突然增高汲取轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能：系統(tǒng)會(huì)瞬間從同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能中汲取能量轉(zhuǎn)速變慢：導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速變慢頻率降低：從而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降。發(fā)電過多：新能源突增出力或是負(fù)荷需求減少累積轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能：系統(tǒng)會(huì)把多余的能量作為常規(guī)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能進(jìn)行累積轉(zhuǎn)速加快：導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速突然加快頻率上升：從而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率上升。頻率升高8二、電力系統(tǒng)的頻率是怎么控制的以同步發(fā)電機(jī)為主的電力系統(tǒng)調(diào)頻的三大法寶調(diào)節(jié)方式慣量一次調(diào)頻二次調(diào)頻同步發(fā)電機(jī)的自然屬性采用下垂控制方式，通過發(fā)電機(jī)調(diào)速器來調(diào)節(jié)進(jìn)氣量或進(jìn)水量，改變有功輸出采用AGC方式，通過原動(dòng)機(jī)的調(diào)頻器相應(yīng)地增、減機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間無延時(shí)響應(yīng)秒級(jí)分鐘級(jí)效果抑制頻率的快速變化有差調(diào)節(jié)，系統(tǒng)頻率有一定程度的恢復(fù)，但不能回到額定值無差調(diào)節(jié)，將頻率拉回額定的50HZ特點(diǎn)自然特性，慣量越大，頻率快速變化難度越大同步發(fā)電機(jī)的自發(fā)行為同步發(fā)電機(jī)的有組織行為9二、電力系統(tǒng)的頻率是怎么控制的dtRoCoF

df頻率變化速率慣量越大，系統(tǒng)反應(yīng)越遲鈍，當(dāng)負(fù)載或者電源側(cè)功率突然變化時(shí)，頻率變化的速率也越慢。1慣量越小，反應(yīng)越靈活，一點(diǎn)點(diǎn)小擾動(dòng)也可能導(dǎo)致頻率的快速變化。210二、電力系統(tǒng)的頻率是怎么控制的慣量支撐自然的機(jī)械特性無延時(shí)響應(yīng)，延緩的頻率下跌速度一次調(diào)頻秒級(jí)的一次調(diào)頻頂上，將頻率撐到偏離額定值的一個(gè)頻率值二次調(diào)頻分鐘級(jí)的二次調(diào)頻發(fā)揮作用，通過有組織的集體行動(dòng)，將頻率恢復(fù)到額定值以同步發(fā)電機(jī)為主的電力系統(tǒng)的調(diào)頻過程慣量為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻爭(zhēng)取了時(shí)間1 2 311二、電力系統(tǒng)的頻率是怎么控制的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種機(jī)械特性，只有同步發(fā)電機(jī)才提供，而新能源并不提供慣量支撐，越來越多的新能源替代同步發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致系統(tǒng)慣量越來越小。12二、電力系統(tǒng)的頻率是怎么控制的慣量缺失，后果很嚴(yán)重分布式同步發(fā)電機(jī)為了保護(hù)自己，通常會(huì)設(shè)置一個(gè)頻率變化過快的脫網(wǎng)指標(biāo)，ROCOF過大觸發(fā)脫網(wǎng)新能源存在頻率適應(yīng)區(qū)間。慣量缺失，事故發(fā)生時(shí)，頻率跌落過快，一次調(diào)頻還沒響應(yīng)，頻率已經(jīng)跌到新能源的頻率適應(yīng)區(qū)間外，觸發(fā)新能源脫網(wǎng)。部分同步發(fā)電機(jī)存在脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)新能源存在脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小ROCOF過大13二、電力系統(tǒng)的頻率是怎么控制的2019

年

8

月

9

日，英國大電網(wǎng)停電事件，

事發(fā)時(shí)，風(fēng)電滲透率達(dá)到了34

.

71

%

，同步發(fā)電機(jī)開機(jī)不足，

致使系統(tǒng)慣量大幅降低。14二、電力系統(tǒng)的頻率是怎么控制的

第一階段 雷擊及電壓擾動(dòng)的影響，小巴德福燃?xì)怆娬?、霍恩風(fēng)電場(chǎng)、分步式電源相繼脫網(wǎng)損失約1131MW的電力。

第三階段 頻率響應(yīng)措施啟動(dòng)，降低頻率偏差，將系統(tǒng)頻率拉到49.2HZ，英國當(dāng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)備用容量大概是1000MW，這時(shí)已經(jīng)出力900MW，底牌用光。

第二階段 系統(tǒng)慣量較小，頻率快速下降，初始下降速率超過0.125HZ/s，觸發(fā)部分同步機(jī)組保護(hù)機(jī)制，所以又導(dǎo)致?lián)p失了350MW的分布式電源機(jī)組，累計(jì)損失電力1481MW，約占總負(fù)荷5%。

第四階段 小巴德福燃?xì)怆娬居忠慌_(tái)燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)停機(jī)，損失功率210MW，英國電網(wǎng)累計(jì)損失功率1691MW，這時(shí)旋轉(zhuǎn)備用都已經(jīng)用光了，頻率持續(xù)下降，最終觸發(fā)電網(wǎng)第三道防線低頻減載裝置，導(dǎo)致大量負(fù)荷被切除。15二、電力系統(tǒng)的頻率是怎么控制的英國大停電事件，

讓英國電網(wǎng)感受到了從傳統(tǒng)高慣性電網(wǎng)到分布式及高再生能源電網(wǎng)的荊棘之路，英國一方面是重新審議旋轉(zhuǎn)備用容量是否足夠，

另一方面也著手修改頻率變化速率這一保護(hù)閾值，將0

.

125

HZ/

s提高到1

HZ/

s，

來應(yīng)對(duì)慣量缺失導(dǎo)致的頻率快速變化問題。16三、儲(chǔ)能是如何參與電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定控制的儲(chǔ)能參與電網(wǎng)頻率調(diào)整，實(shí)際要做的是只是兩個(gè)字——

模擬模擬同步發(fā)電機(jī)慣量特性模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性17三、儲(chǔ)能是如何參與電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定控制的慣量模擬0in

ertiadtP

J

d儲(chǔ)能實(shí)際模擬不出同步發(fā)電機(jī)的那種自然的機(jī)械特性，而是模擬的慣量所產(chǎn)生的效果，一種抑制頻率快速變化的阻力。18三、儲(chǔ)能是如何參與電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定控制的一次性調(diào)頻模擬1Pdroop

m(

0)下垂控制實(shí)際就是人為的設(shè)定有功-頻率的映射關(guān)系，頻率低于額定頻率，就發(fā)出有功，頻率高于額定頻率，就吸收有功，通過檢測(cè)電網(wǎng)頻率來自主調(diào)節(jié)有功功率的輸出。1900in

ertiadroopdtmP

J

dP

1

(

)其中PAGC

是調(diào)度指令，

這個(gè)指令可以是二次調(diào)頻指令，

也可以是調(diào)峰指令。Pin

e

r

t

ia

是慣量支撐功率指令，

Pd

ro

o

p

是一次調(diào)頻功率指令。從而一起實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的慣量支撐、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻等功能。三、儲(chǔ)能是如何參與電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定控制的一種最簡(jiǎn)單的虛擬同步發(fā)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法Pref

PAGC

Pinertia

Pdroop20三、儲(chǔ)能是如何參與電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定控制的儲(chǔ)能模擬同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻，優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)速度快，將同步發(fā)電機(jī)虛擬慣量（無延時(shí)）、一次調(diào)頻（秒級(jí)）和二次調(diào)頻（分鐘級(jí)）等不同時(shí)間尺度的調(diào)頻功能統(tǒng)一為毫秒級(jí)別彌補(bǔ)電網(wǎng)慣量缺失導(dǎo)致的頻率快速變化問題，儲(chǔ)能自身除了可以作為旋轉(zhuǎn)備用參與調(diào)頻服務(wù)外，還可以為常規(guī)旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組爭(zhēng)取時(shí)間，共同提高電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定裕度。天下武功，唯快不

破21四、基于工業(yè)以太網(wǎng)的快速調(diào)頻解決方案問題描述解決方案

數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸量大，控制命令時(shí)效性難以保證；

全部使用高速以太網(wǎng)成本過高；

61850協(xié)議適配場(chǎng)景存在局限性，適配性不強(qiáng)。經(jīng)調(diào)研，調(diào)頻大容量?jī)?chǔ)能電站主要存在的問題如下：

基于控制網(wǎng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)分離的設(shè)計(jì)模式，提高控制命令的可靠性；

以降低建設(shè)成本為導(dǎo)向，控制網(wǎng)采用Ethercat，信息網(wǎng)采用Ethernet、CAN及串口，控制建設(shè)成本；

以業(yè)務(wù)維度對(duì)數(shù)據(jù)整合，開展儲(chǔ)能業(yè)務(wù)規(guī)約典型設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率的同時(shí)減低開發(fā)難度。以快速響應(yīng)調(diào)頻指令為目標(biāo)，綜合提高傳輸效率、降低建設(shè)成本及簡(jiǎn)化開發(fā)調(diào)試難度等關(guān)鍵因素，開展典型方案設(shè)計(jì)。22四、基于工業(yè)以太網(wǎng)的快速調(diào)頻解決方案基于信息網(wǎng)和控制網(wǎng)分離的設(shè)計(jì)理念，信息網(wǎng)采用常規(guī)通信介質(zhì)實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)信息的上傳，控制網(wǎng)采用Ethercat確?？刂泼羁焖傧掳l(fā)，典型組網(wǎng)方案如圖所示。采用工業(yè)高速以太網(wǎng)和常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)高度集成的設(shè)計(jì)理念，控制網(wǎng)采用Ethercat確保控制命令快速下發(fā)，信息網(wǎng)采用常規(guī)通信介質(zhì)實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)信息的周期上傳，典型組網(wǎng)方案如圖所示。23四、基于工業(yè)以太網(wǎng)的快速調(diào)頻解決方案工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)復(fù)雜度組網(wǎng)模式聯(lián)調(diào)周期建設(shè)成本控制網(wǎng)/信息網(wǎng)合并無較長較高較高控制網(wǎng)/信息網(wǎng)分離控制網(wǎng)采用Ethercat較低較短一般新源方案常規(guī)方案控制命令可靠性達(dá)100%調(diào)頻響應(yīng)效率提高近50%減少交換機(jī)數(shù)量，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比61850（goose），降低調(diào)試難度減少協(xié)控?cái)?shù)量，降低建設(shè)成本新源優(yōu)勢(shì)24總結(jié)未來新能源將迎來黃金發(fā)展十年，新能源發(fā)展的同時(shí)，電網(wǎng)的慣性將不避免的降低，電網(wǎng)的頻率安全穩(wěn)定將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的頻率控制方式主要包括慣量支撐、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，其中慣量支撐是同步發(fā)電機(jī)一種自然的機(jī)械特性