1、储能科学与技术丛书电池储能系统调频技术李建林黄际元房凯梁亮王明旺惠东杨水丽孙冰莹孙威程伟李海峰牛萌李蓓谢志佳修晓青靳文涛胡娟杜笑天陈远扬庞博编著机 械 工 业 出 版 社本书通过对电池储能系统参与电力调频的可行性与价值进行分析，确定此项技术具有广阔的应用前景；研究的电池储能系统参与电力调频的协调控制问题、电池储能系统参与调频的容量配置方法，可为储能参与电力调频的示范与产业化工程夯实基础；针对典型的调频示范工程进行介绍，提出了电池储能系统替代某传统调频机组参与电力系统调频的方案设计，为电池储能系统应用于调频领域的方向、规划与建设提供了有力的支撑。本书适合与智能电网相关的储能科研、规划、设计与运行
2、工程师，以及高等院校从事储能与应用的教师与研究生阅读。图书在版编目（CIP）数据电池储能系统调频技术/李建林等编著.北京：机械工业出版社，2018.9（储能科学与技术丛书）ISBN 978-7-111-60830-1.电.李.电池容量-研究 .TM911中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 210524 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：付承桂 责任编辑：任 鑫责任校对：郑 婕 张 薇 封面设计：鞠 杨责任印制：常天培北京圣夫亚美印刷有限公司印刷2018 年 10 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm8.75 印张2 插页17
3、6 千字0 0013000 册标准书号：ISBN 978-7-111-60830-1定价：69.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务服务咨询热线：010-88361066读者购书热线：010-68326294010-88379203封面无防伪标均为盗版网络服务机 工 官 网：机 工 官 博： 15min 的储能系统，其调频效率约为水电机组的1.4 倍、燃气机组的 2.2 倍、燃煤机组的 24 倍。电池储能系统与常规调频电源相结合，可有效提升电力系统调频能力，也可独立作为调频电源参与电网的调频服务，弥补大量可再生能源接入电网带来的频率偏差问题，提高电网的电能质量和系统
4、稳定性，同时降低有害气体排放。2016 年 6 月国家能源局下发了 国家能源局关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工作的通知，首次给予电储能设施参与辅助服务的独立合法地位。2017 年 9 月，国家发展改革委联合财政部、工业和信息化部、科学技术部和国家能源局发布 关于促进储能技术与产业发展的指导意见，指出“允许储能系统与机组联合或作为独立主体参与辅助服务交易”，储能参与电力调频辅助服务市场机制初步建立。2017 年以来，山东、新疆等多省份陆续发布并更新了电力辅助服务市场运营规则。电力调频辅助服务补偿费用持续增长。各省的新政中多次出现储能，储能在电力调频辅助服务中的重要
5、地位逐渐凸显。考虑到当前电池储能辅助参与电力调频需求较为迫切，但专题介绍电池储能调频技术的书籍较少，特编写了本书。书中较为全面地介绍了电池储能系统参与电力调频的可行性与应用价值，明确了电池储能系统在电力调频领域的重要意义，研究了电池储能系统辅助传统机组调频的协调控制策略，提出了电池储能系统参与调频的容量配置方法，并针对典型的储能调频示范案例，探讨了电池储能系统辅助传统调频机组参与电力调频的典型设计方案，为储能参与电力调频的商业化应用与示范提供了理论依据与技术保障。本书共分 7 章，主要从以下几个方面展开介绍：为何需要电池储能系统参与辅助调频；电池储能系统参与电力系统调频的可行性分析；国内外电池
6、储能系统参与电网调频的典型示范工程介绍；电池储能系统参与电力系统调频服务的控制方法与经济性研究；电池储能系统参与电网调频的优化规划与运行控制；电池储能系统替代某传统调频机组参与电力系统调频的方案设计。本书 得 到 了 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目（2017YFB0903504）、国家自然科学基金项目（51777197）、国家电网公司科技项目（2018GWJLDKY02）以及深圳市欣旺达综合能源服务有限公司项目（DGB11201700818）的大力资助，在此深表谢意。深圳市欣旺达综合能源服务有限公司的李颖等同志在本书的编写过程中提供了诸多帮助并提出宝贵意见，机械工业出版社的付承桂编辑和
7、诸多同志也为本书出版付出了辛勤的努力，在此表示诚挚的感谢。电池储能辅助电力系统调频技术涉及多学科、多领域的专业知识，尽管编者竭力求实，但受到水平和专业领域及时间所限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请读者不吝赐教。编 者2018 年 8 月电池储能系统调频技术目录前 言第 1 章 绪论1 1.1 背景及意义2 1.2 电池储能技术的发展现状4 1.3 电池储能调频应用研究9 1.4 电力系统频率调节13 1.4.1 电力系统频率一次调节13 1.4.2 电力系统频率二次调节14 1.4.3 发电机组类型与电力系统频率调节15 1.4.4 国内外电力系统频率指标和控制要求16 1.4.5 参与电力
8、调频的容量要求16 1.4.6 电力系统调频与自动发电控制性能评价17 1.4.7 现代电网频率调节面临的问题17 1.5 小结19第 2 章 电池储能系统调频特性分析20 2.1 技术特性分析21 2.1.1 电池的倍率特性21 2.1.2 电池的寿命特点22 2.2 与火电机组的对比分析23 2.2.1 出力特征对比分析23 2.2.2 调节容量对比分析24 2.2.3 经济性对比分析26 2.3 调频优势分析27 2.4 调频效率分析30 2.5 效益分析31 2.5.1 电池储能系统调频的静态效益32 2.5.2 电池储能系统调频的动态效益33 2.5.3 储能系统调频的环境效益34
9、2.6 小结35第 3 章 国内外电池储能系统调频案例分析37 3.1 国内典型案例38 3.1.1 国家风光储输示范基地38 3.1.2 南方电网宝清电池储能电站39 3.1.3 北京石景山热电厂 2MW 锂离子电池储能电力调频系统39 3.2 国外典型案例39 3.2.1 北美主要储能调频项目情况40 3.2.2 国外电池公司相关储能项目介绍42第 4 章 电池储能系统调频规划配置技术44 4.1 选址规划45 4.1.1 电池储能系统参与电网调频的选址概略45 4.1.2 电池储能系统参与电力系统调频选址步骤与模型47 4.1.3 电池储能系统参与电力系统调频应用的选址实例49 4.2
10、容量优化配置52 4.2.1 电池储能系统参与电网调频的容量配置概略52 4.2.2 电池储能系统参与电网调频的容量优化配置方法54 4.2.3 电池储能系统参与电网调频的容量配置实例61 4.3 运行控制69 4.3.1 电池储能系统参与电网调频的运行控制概略69 4.3.2 电池储能系统参与电网调频的基本控制模式71 4.3.3 考虑储能系统参与电网调频动作时机与深度的运行方法77 4.3.4 电池储能系统参与电网调频的运行控制实例80 4.4 小结86第 5 章 电池储能系统调频控制技术88 5.1 电力系统调频服务需求概述89 5.1.1 电力系统频率控制的必要性89 5.1.2 电力
11、系统调度控制系统概述90 5.1.3 电力系统频率控制的挑战90 5.2 调频服务的考核与补偿方法91 5.2.1 我国电网频率考核方法91 5.2.2 电池储能系统调频辅助服务补偿办法93 5.3 自动发电控制系统94 5.3.1 自动发电控制系统概述94 5.3.2 自动发电系统架构94 5.4 电池储能调频技术优势95电池储能系统调频技术 5.4.1 电池储能系统的技术特点95 5.4.2 电池储能系统物理模型96 5.5 电池储能调频控制方法100 5.5.1 基于 PI 控制器的电池储能系统控制策略100 5.5.2 基于模型预测控制方法的电池储能系统调频控制策略101 5.6 电池
12、储能调频回报分析103 5.6.1 电池储能系统在电力市场环境下获取收益途径103 5.6.2 电池储能系统参与调频服务回报分析104 5.7 小结106第 6 章 电池储能系统调频典型设计方法107 6.1 进行方案设计的背景与意义108 6.2 设计思想与原则109 6.3 电池储能系统调频的原理109 6.3.1 储能系统一次调频的原理109 6.3.2 储能系统二次调频的原理110 6.4 方案设计110 6.4.1 储能系统功率与容量的确定110 6.4.2 储能系统参与调频的控制策略设计112 6.4.3 电池储能系统容量控制设计114 6.5 小结115第 7 章 电池储能调频运
13、行评估技术116 7.1 电池储能调频控制系统的调试117 7.1.1 储能一次调频控制系统调试117 7.1.2 储能二次调频控制系统调试118 7.2 电池储能系统调频控制性能评价120 7.3 市场风险评估121 7.3.1 政策风险121 7.3.2 技术风险121 7.3.3 标准体系风险121 7.4 小结122参考文献123 目录第1 章绪论1.1 背景及意义集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统供电量占全世界总量的 90%，是目前电能生产、输送和分配的主要方式。为应对日益紧迫的能源安全和环境恶化问题，我国政府于 2009 年 11 月提出“到 2020 年非化石能源占一次能
14、源需求15%左右和单位 GDP CO2排放降低 40%45%”的战略目标，确立了“加快推进包括水电、核电等非化石能源发展，积极有序做好风电、太阳能、生物质能等可再生能源的转化利用”的思路。同时，环境污染与能源紧张问题使传统火电机组的化石燃料供应面临着巨大压力，为应对这些危机，越来越多的非传统能源进入发电领域，包括风力发电、光伏发电、光热发电等。然而，因风电和光伏等可再生能源出力的波动性和不确定性，其大规模并网会给系统的安全稳定运行带来重大挑战。这些新能源通常具有间歇性、可变性等特点，功率输出变化剧烈，当装机容量增加至一定规模时，其功率波动或者因故整体退出运行，会导致系统有功出力和负荷之间的动态
15、不平衡，造成系统频率偏差，引起电网的频率稳定性问题。如何确保电力系统频率稳定以及安全性、可靠性是当今电网亟待解决的问题之一。间歇式能源发电不但会导致调节容量需求增加，而其自身又不具备参与频率调节的功能，原有传统机组必须承担起这些新能源机组带来的频率调节任务。目前，在我国各大区域电网中，大型水电与火电机组是主要的调频电源，通过不断地调整调频电源出力来响应系统频率变化。但是，它们各自具有一定的限制与不足，影响着电网频率的安全与品质。例如，火电机组响应时滞长、机组爬坡速率低，不适合参与较短周期的调频，有时甚至会造成对区域控制误差的反方向调节；参与一次调频的机组受蓄热制约而存在调频量明显不足甚至远未达
16、到一次调频调节量理论值的问题；参与二次调频的机组爬坡速率慢，不能精确跟踪调度自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）指令；一次、二次调频的协联配合也尚需加强；提供调频服务不仅加剧了机组设备磨损，而且增加了燃料使用、运营成本、废物排放和系统的热备用容量等，调频的质量和灵活性也不能满足电力系统对提高电能质量的要求；各火电机组性能不同其响应速率也不同，造成调节效果千差万别，因此若需增加系统调节容量，也并非大量增加调频火电机组为好。水电机组虽然响应较快，可以在几秒钟内达到满功率输出，但是水电机组受到地理条件和季节变化的限制，水电集中在我国西南多山多水地区及沿海地区，水电机组增减出力受到河流状况的影响，这意味着水电机组整体可提供的调频容量极为受限，也会影响机组对控制信号的响应。随着高渗透率风电和光伏的大规模并网，现有调频容量不足的问题日益突出，亟须新的调频手段出现。要提高电网的频率稳定性，就必须提高区域的 AGC 控制2电池储能系统调频技术性能，即要提高机组对 AGC 信号的响应能力，包括响应时间、调节速率和调节精度等指标。在新能源大量接入以及传统机组存在
