电池储能系统在电网调频中的高效运用

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发展局限性的情况下，电池储能技术以其快速、精确的功率响应能力成为新型调频辅助手段的关注热点。研究表明，电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）可在1s内完成AGC调度指令，几乎是火电机组响应速度的60倍；同时，少量的储能还可有效提升以火电为主的电力系统整体调频能力。大规模电池储能系统响应速度快，短时功率吞吐能力强，且易改变调节方向，与常规调频电源相结合，可作为辅助传统机组调频的有效手段。电池储能系统的快速响应与精确跟踪能力使得其比常规调频方式高效，可显著减少电网所需旋转备用容量；由于电池储能系统参与调频而节省的旋转备用容量可用于电网调峰、事故备用等，因此能够进一步提高电网运行的安全性与可靠性。除了技术上的优势外，电池储能系统在参与电网调频的应用中，不仅能够节省电力系统的投资和运行费用，降低煤耗，提高静态效益，而且由于其响应快速，运行灵活，可以满足系统运行的调频需求而产生动态效益。

在国外，电池储能技术的各方面已经逐步发展成熟，尤其是美国、智利、巴西和芬兰针对大规模电池储能系统参与电力调频已开展了理论研究与示范验证。在我国，电池储能技术参与电网调频的研究与示范尚属起步与借鉴阶段。从国内目前投建的储能示范工程来看，电池储能系统参与电力调频已逐渐被业界认识和重视起来，虽然目前还未开展更深入的研究与示范应用工作，但储能技术参与电力调频将是未来智能电网必须关注的重要科学问题。

我国在大容量储能技术应用于电力系统调频的理论分析与研究开展得比较少，应用示范也属于起步阶段。虽然国外的储能技术已趋于成熟，但由于其网架结构、能源结构与我国相差甚远，因此亟须探索符合我国电网特点的储能参与电力调频技术，加大储能在我国调频辅助领域中的必要性与价值分析、基础理论研究以及示范研究的力度，利用储能更好地服务于电力调频，服务于新一代“坚强”、“智能”电网。(www.xing528.com)

未来，电池储能技术将在高效运作的电网中发挥重要作用，可保证在用电需求高峰时电能的可利用性，提高电网的可靠性，并且有效地平衡供求波动。近年来，利用大规模电池储能系统取代常规发电机组进行调频，已受到业界的关注。电池储能技术的“快速响应”特性令其作为电网调峰与调频等辅助服务手段，能够满足电网的稳定性和可靠性要求。

在调频应用领域，电池储能系统将比传统的火电调频电厂、抽水蓄能电站具有更大的优势。对电池储能系统参与电力系统调频技术的研究具有重要的意义，这也是对电池储能系统参与电力系统调频进行容量配置和设计控制策略的基础。

2016年6月，国家能源局发布了《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》（以下简称“通知”），确立了储能参与调峰调频辅助服务的主体地位，提出在按效果补偿原则下，加快调整储能参与调峰调频辅助服务的计量公式，提高补偿力度。《通知》还从效用角度综合考量储能的容量与质量，在政策设计上更具合理性和可持续性，标志储能发展正式进入快车道。