電網(wǎng)儲能系統(tǒng)安全并網(wǎng)控制技術(shù)探討2022年09月08日目錄CONTENT壹 研究背景貳 研究現(xiàn)狀叁 研究內(nèi)容肆 研究成果Part

01研究背景研究背景2022年上半年并網(wǎng)、投運的儲能項目66個，其中有51個電化學(xué)儲能項目。而去年上半年投運48個儲能項目，包括47個電化學(xué)儲能項目和一個抽水蓄能項目。今年上半年投運的項目個數(shù)同比增長37.5%，其中抽水蓄能項目投運個數(shù)有著顯著提升。2022上半年電化學(xué)儲能應(yīng)用場景分布表2022年1月29日， 、能源局聯(lián)合印發(fā)《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，設(shè)定了新型儲能的發(fā)展目標(biāo)。2022年4月2日，能源局、科學(xué)技術(shù)部發(fā)布《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，提出要加快戰(zhàn)略性、前瞻性電網(wǎng)核心技術(shù)攻關(guān)，支撐建設(shè)適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉春头植际诫娫从押貌⒕W(wǎng)、源網(wǎng)荷雙向互動、智能高效的先進(jìn)電網(wǎng)；突破能量型、功率型等儲能本體及系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備，滿足能源系統(tǒng)不同應(yīng)用場景儲能發(fā)展需要。2022年6月7日，

、能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步推動新型儲能參與電力市場和調(diào)度運用的通知》，通知指出要建立完善適應(yīng)儲能參與的市場機(jī)制，鼓勵新型儲能自主選擇參與電力市場，堅持以市場化方式形成價格，持續(xù)完善調(diào)度運行機(jī)制，發(fā)揮儲能技術(shù)優(yōu)勢，提升儲能總體利用水平，保障儲能合理收益，促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展。除了國家層面，各地方也接連發(fā)布支持政策。僅6月份，國家及地方共發(fā)布了54條儲能相關(guān)政策，其中地方性的儲能政策發(fā)布了48條，主要涉及儲能補(bǔ)貼、儲能裝機(jī)規(guī)劃、儲能設(shè)施建設(shè)等方面。研究背景頂層設(shè)計調(diào)度運用并網(wǎng)協(xié)議輔助服務(wù)項目管理實施方案新型儲能政策體系《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)建議》《關(guān)于進(jìn)一步推動新型儲能參與電力市場和調(diào)度運用的通知》《電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議（示范文本）》《電力并網(wǎng)運行管理規(guī)定》、《電力輔助服務(wù)管理辦法》《新型儲能項目管理規(guī)范（暫行）》《“十四五”新型儲能發(fā)展實際方案》研究背景國家相繼出臺了多項儲能電站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對儲能電站相關(guān)方面都有了初步的規(guī)定，但對于并網(wǎng)調(diào)控層面的規(guī)定仍然模糊，制約著儲能電站的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和應(yīng)用。通過建立儲能電站安全指標(biāo)體系全面反映儲能電站真實并網(wǎng)特性，客觀評價儲能電站并網(wǎng)情況，保障并網(wǎng)安全可靠運行，同時為儲能電站在電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。雖然儲能發(fā)展逐步進(jìn)入快車道，但儲能安全也不容忽視。據(jù)不完全統(tǒng)計，

從2011年至2021年9月份，全球儲能安全事故已發(fā)生50余起，

儲能運行安全問題成為全球共同面對的難題。Part

02研究現(xiàn)狀鋰離子電池作為一種復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，其電、熱、老化行為特性為存在非線性耦合特點。盡管有文獻(xiàn)對這三種行為特性展開的深入的研究，并建立了豐富的數(shù)學(xué)模型，但是這些模型尚有較大改善空間，無法同時考慮電池內(nèi)外特性變化影響。電池模型電學(xué)行為模型熱學(xué)行為模型老化行為模型電化學(xué)模型等效電路模型數(shù)據(jù)驅(qū)動模型分布參數(shù)模型集總參數(shù)熱模型解析模型經(jīng)驗/半經(jīng)驗?zāi)Ｐ突跈C(jī)器學(xué)習(xí)老化模型理論研究理論研究對于電化學(xué)儲能電站，評價指標(biāo)體系還沒有系統(tǒng)建立起來。目前狀態(tài)評價技術(shù)的相關(guān)開發(fā)研究工作主要集中在兩方面，一是直流側(cè)電池本體的評測，一是交流側(cè)電氣參數(shù)的評測，從調(diào)度管理驗收角度進(jìn)行儲能電站在建設(shè)各環(huán)節(jié)的整體評價研究較少。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T36547-2018《電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》都是按照電力系統(tǒng)中的電氣裝備要求的，沒有涉及并網(wǎng)時電網(wǎng)安全參數(shù)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T36558-2018《電力系統(tǒng)電化學(xué)儲能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》規(guī)定了儲能電站的環(huán)境指標(biāo)，沒有考慮儲能電站性能非線性衰減問題。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T36549-2018《電化學(xué)儲能電站運行指標(biāo)及評價》標(biāo)準(zhǔn)中的電站運行小時數(shù)、電站等效利用系數(shù)的運行指標(biāo)及評價主要用于削峰填谷、新能源出力平滑等額定工況，沒有考慮慣量、一次調(diào)頻和動態(tài)調(diào)壓等穩(wěn)定支撐功能。工程應(yīng)用SOC估算SOH估算內(nèi)特性參數(shù)BMS主要采用安時積分法進(jìn)行計算以3000次循環(huán)充放電作為一個壽命周期進(jìn)行計算無法實現(xiàn)內(nèi)特性參數(shù)在線監(jiān)測單個電芯的電壓、溫度和電池狀態(tài)均能實現(xiàn)在線監(jiān)測。單個電池簇平均電壓、最高電壓、最低電壓、平均溫度、最高溫度、最低溫度、SOH等電池外特性參數(shù)均能在線監(jiān)測新型SOC計算方法SOH綜合評價策略實現(xiàn)內(nèi)特性參數(shù)監(jiān)測Part

03研究內(nèi)容研究內(nèi)容

基于鋰離子電池內(nèi)部老化機(jī)理建立儲能系統(tǒng)安全控制理論體系，以電池建模、參數(shù)辨識、鋰離子電池老化機(jī)理分析等理論為基礎(chǔ)，開展儲能系統(tǒng)鋰離子電池單體及電池簇的非線性行為描述、參數(shù)及狀態(tài)估計、電網(wǎng)對儲能電池影響、故障診斷等方法研究，以確保鋰離子電池儲能系統(tǒng)安全、可靠、高效運行。?不同電網(wǎng)環(huán)境下對電池外特性影響研究?基于電池模型對鋰離子電池內(nèi)特性參數(shù)進(jìn)行辨識?通過鋰離子電池內(nèi)外特性參數(shù)變化對其健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評估?形成了基于鋰離子電池行為機(jī)理分析的儲能系統(tǒng)安全控制理論體系研究內(nèi)容網(wǎng)壓不平衡對直流側(cè)的影響及其控制策略①

電網(wǎng)側(cè)有功功率②直流側(cè)電壓③電網(wǎng)側(cè)有功功率波動幅值電網(wǎng)電壓不平衡下系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)④直流側(cè)電壓波動幅值直流側(cè)電壓二倍頻波動隨不平衡度和參數(shù)k變化三維圖電網(wǎng)側(cè)有功功率二倍頻波動隨不平衡度和參數(shù)k變化的三維圖⑤直流側(cè)電壓仿真對比結(jié)果儲能系統(tǒng)并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究內(nèi)容電網(wǎng)對儲能電池的影響分析研究鋰離子電池等效電路模型不同二倍頻電流下電池最大容量和歐姆內(nèi)阻變化曲線不同二倍頻電流幅值下電池內(nèi)外特性變化曲線不同二倍頻電流下電池電壓和溫度變化曲線電流中的二次諧波分量對鋰離子電池壽命影響的重要因素是充放電狀態(tài)期間的電流平均值。鋰離子電池的電壓和溫度都隨二次諧波分量幅值的增大而增大，但當(dāng)二次諧波分量幅值小于直流分量時，影響效果并不顯著。3）當(dāng)當(dāng)時，電流中的二次諧波分量對電池壽命的影響不顯著。時，電流中的二次諧波分量可以減緩電池的老化。當(dāng) 時，電流中的二次諧波分量幅值會加速電池的老化。應(yīng)用：基于這三個區(qū)間可為在工程應(yīng)用中優(yōu)化儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)交互影響下鋰離子電池安全運行區(qū)間提供了參考，降低儲能直流側(cè)濾波器成本。研究內(nèi)容基于鋰離子電池模型進(jìn)行內(nèi)特性參數(shù)辨識電池老化過程中，

容量整體呈現(xiàn)減少趨勢，歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻等能反映電池內(nèi)部變化機(jī)理的內(nèi)特性參數(shù)呈現(xiàn)整體增長趨勢。不同充電深度循環(huán)老化過程中的 不同放電倍率循環(huán)老化過程中的內(nèi)特性參數(shù)變化 內(nèi)特性參數(shù)變化注：本頁演示文稿中圖片1、2選自《紀(jì)常偉等：動力鋰離子電池老化速率影響因素的實驗研究》歐姆內(nèi)阻：歐姆內(nèi)阻主要是指由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻：極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極極化和濃差極化引起的電阻。二階RC等效電路模型SOH為儲能電池健康狀態(tài)利用輸入與內(nèi)外特性參數(shù)建立函數(shù)確定電池外特性內(nèi)阻容量……電池內(nèi)特性SEI膜厚度離子嵌脫界面性質(zhì)……研究內(nèi)容結(jié)合鋰離子電池內(nèi)外特性參數(shù)變化進(jìn)行綜合評估電池健康狀態(tài)歐姆內(nèi)阻等內(nèi)特性參數(shù)荷電狀態(tài)SOC電壓電流溫度

實驗平臺圖...

...電池組的不一致性實驗研究內(nèi)容基于鋰離子電池行為機(jī)理分析的儲能系統(tǒng)安全體系研究內(nèi)容研究儲能電站相關(guān)的并網(wǎng)安全指標(biāo)，一方面，不對稱故障下并網(wǎng)變流器的控制已有大量研究，但兼顧并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求和并網(wǎng)變流器交直流側(cè)運行性能的研究還鮮有報道。另一方面，為了保證電網(wǎng)在不同擾動下安全穩(wěn)定的同時，儲能系統(tǒng)在考慮自身是否適合本次調(diào)頻任務(wù)的基礎(chǔ)之上友好的參與電網(wǎng)一次調(diào)頻是尤為重要的。?研究儲能電站并網(wǎng)相關(guān)的安全指標(biāo)?提出考慮無功支撐、PCS運行性能等要求多變量協(xié)同保護(hù)的PCS故障穿越策略?建立區(qū)域電網(wǎng)參與調(diào)頻各組成部分包含儲能系統(tǒng)在內(nèi)的動態(tài)模型，提出采用模糊層次綜合評價方法對儲能電池組進(jìn)行調(diào)頻狀態(tài)評估，提出一種儲能參與調(diào)頻優(yōu)化綜合控制策略研究內(nèi)容儲能電站并網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)頻率范圍并網(wǎng)要求＜49.0Hz根據(jù)儲能電站逆變器允許運行的最低頻率而定49.0Hz≤f≤50.5Hz可并網(wǎng)運行＞50.5Hz不允許處于停運狀態(tài)的儲能電站并網(wǎng)頻率允許范圍奇次諧波電流畸變限值偶次諧波電流畸變限值奇次諧波畸變限值3次到9次＜4.0%11次到15次＜2.0%17次21次＜1.5%23次到33次＜0.6%偶次諧波畸變限值2次到8次＜1.0%10次到32次＜0.5%不同頻率下并網(wǎng)諧波含量儲能電站并網(wǎng)運行(僅對三相輸出)時電網(wǎng)接口處的三相電壓不平衡度不超過2%,短時不得超過4%。研究內(nèi)容儲能電站并網(wǎng)切換到調(diào)頻時增加負(fù)載之后，儲能電站進(jìn)入調(diào)頻運行工況，根據(jù)測量到的電網(wǎng)頻率變化得到相對應(yīng)的有功功率缺額，生成儲能電站的有功功率的給定量，控制儲能電站增大輸出電流，增加輸出功率，維持住了電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。10KV儲能電站在并網(wǎng)切換到調(diào)頻工況狀態(tài)（a)電壓電流波形圖（b)頻率變化圖并網(wǎng)/調(diào)頻工況切換（c)功率變化圖當(dāng)PCC點頻率不滿足處于50±0.03Hz范圍內(nèi)判斷儲能電站是否進(jìn)行調(diào)頻，進(jìn)行并網(wǎng)調(diào)頻切換。在工況發(fā)生之后，忽略控制器件等影響，負(fù)載側(cè)電壓不變，電流增加，調(diào)頻穩(wěn)定后，有功功率偏差不得超過額定功率的±1%

。研究內(nèi)容考慮多變量協(xié)同保護(hù)的儲能變流器故障穿越策略考慮到發(fā)生電網(wǎng)不對稱故障的場景，課題組結(jié)合之前的指標(biāo)研究，提出一種PCS多變量協(xié)同保護(hù)策略。該策略在柔性控制策略的基礎(chǔ)上，以無功支撐為首要目標(biāo)，PCS運行性能為約束條件，構(gòu)建了無功功率關(guān)于柔性控制參數(shù)k的一元函數(shù)和有功功率安全運行區(qū)域。進(jìn)一步可解得滿足要求的k取值范圍，隨后根據(jù)系統(tǒng)的要求選取合適的k值和此k值對應(yīng)的功率參考值進(jìn)行控制。參數(shù)及單位取值PCS額定功率/kVA50儲能系統(tǒng)內(nèi)阻/W0.05直流側(cè)電壓/V700電網(wǎng)額定電壓/V311直流側(cè)電容/mF5000濾波電感/mH1.5濾波電容/mF10仿真系統(tǒng)參數(shù)表研究內(nèi)容基于前述對于調(diào)頻時安全指標(biāo)的研究，課題組開展了關(guān)于儲能電站安全參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化控制策略的研究。首先結(jié)合一致性影響因素、電池單體性能影響因素和調(diào)頻能力影響因素，對各儲能電池組進(jìn)行調(diào)頻狀態(tài)評價，響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動時，將評價得分高的儲能電池組投入工作。再根據(jù)儲能電站根據(jù)頻率偏差及頻率偏差率，虛擬慣性控制和虛擬下垂控制2種控制相互配合最終實現(xiàn)頻率的快速恢復(fù)。為了評價本策略參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的效果，在分析幅頻特性的基礎(chǔ)上得出時域評價指標(biāo)。在階躍負(fù)荷擾動的工況下，該文主要提出4個關(guān)鍵評價指標(biāo)，分別為擾動后的穩(wěn)態(tài)頻率偏差、最大頻率偏差、調(diào)頻完成時間和調(diào)頻峰值時間，穩(wěn)態(tài)頻率偏差代表調(diào)頻的最終效果，最大頻率偏差代表對擾動的抑制效果調(diào)頻完成時間代表儲能系統(tǒng)整體響應(yīng)速度，調(diào)頻峰值時間代表儲能慣性響應(yīng)支撐速度，其值均越小越好。在連續(xù)負(fù)荷擾動的工況下，將頻率偏差和荷電狀態(tài)偏差的均方根值作為一次調(diào)頻的評價指標(biāo)，若電網(wǎng)頻率的分布符合以標(biāo)準(zhǔn)頻率為數(shù)學(xué)期望值的正態(tài)分布時，兩個指標(biāo)分別表示電網(wǎng)頻率分布函數(shù)的離散程度，因此，這兩個評價指標(biāo)的數(shù)值愈小，意味著頻率調(diào)節(jié)效果和SOC維持效果愈好。儲能電站安全參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的優(yōu)化控制策略儲能電站參與一次調(diào)頻的綜合控制策略儲能電站充電(Δf

<0)時的控制策略和上述過程類似。Part

04研究成果研究成果研究團(tuán)隊

近年來主持和參與完成國家省部級和其他類型科研項目多項，研究成果授權(quán)第1發(fā)明人的發(fā)明專利21項，其中11項專利進(jìn)行了成果轉(zhuǎn)化，以第1作者在SCI和EI收錄期刊上發(fā)表論文70余篇，獲得湖南省科技進(jìn)步獎勵6項。儲能團(tuán)隊介紹項目總負(fù)責(zé)人 ：夏向陽項目執(zhí)行負(fù)責(zé)人：劉代