2023年10月16日-19日，2023北京國際風(fēng)能大會暨展覽會（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國內(nèi)外參會代表共同參與的風(fēng)能盛會，再次登陸北京，聚焦中國能源革命的未來。

本屆大會以“構(gòu)筑全球穩(wěn)定供應(yīng)鏈 共建能源轉(zhuǎn)型新未來”為主題，將歷時四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對話、創(chuàng)新劇場以及關(guān)于“全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)布局及供應(yīng)鏈安全”“雙碳時代下的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展前景”“國際風(fēng)電市場發(fā)展動態(tài)及投資機會”“風(fēng)電機組可靠性論壇”等不同主題的21個分論壇。能見App全程直播本次大會。

在17日下午召開的“碳視角下的新型電力系統(tǒng)”主題論壇上，中車山東風(fēng)電有限公司高級工程師劉瑩劉瑩發(fā)表了題為《面向風(fēng)機集群調(diào)頻調(diào)峰需求的混合儲能及其能量管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用》的主題演講。

以下為發(fā)言全文：

大家好，今天下午帶給大家的課題是面向風(fēng)機集群調(diào)頻調(diào)峰需求的混合儲能及其能量管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用，分享分四個方面，第一個是調(diào)頻技術(shù)的發(fā)展背景，第二個是風(fēng)機調(diào)頻技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，第三個根據(jù)傳統(tǒng)的調(diào)頻技術(shù)帶來的解決方案，第四個針對未來的總結(jié)和展望。

首先隨著新能源滲透率的持續(xù)提升，高比例新能源、高比例電力電子的特性非常明顯，新型電力系統(tǒng)面臨兩個主要問題，一個是新能源的消納受限和安全運行的風(fēng)險逐步的增大，新能源對于電網(wǎng)的弱支撐性和低抗擾動性造成以上兩個電網(wǎng)安全的本質(zhì)原因，在這里跟大家介紹一下抗擾動性是什么意思，就是電網(wǎng)在一定區(qū)間內(nèi)發(fā)生擾動的時候，風(fēng)機對于電網(wǎng)不脫網(wǎng)性，目前風(fēng)機抗擾動性通過故障電壓穿越改造已經(jīng)逐步解決，更突出的問題聚焦在弱支撐性上，新能源對于電網(wǎng)的支撐性主要體現(xiàn)在慣量、調(diào)頻、調(diào)壓功能上，通過這個表格對比可以看得出來，新能源相較常規(guī)機組還是有較大的差距的。

風(fēng)機接入系統(tǒng)調(diào)頻面臨的問題有以下幾個方面，首先第一調(diào)頻資源受限，新能源接入到電力系統(tǒng)之后，它肯定會擠壓到常規(guī)的傳統(tǒng)的調(diào)頻資源，比如說像火力發(fā)電機組，空間受限之后，對于電力系統(tǒng)的支撐作用就會受到能力的影響。第二個方面是響應(yīng)速度慢，針對傳統(tǒng)火力發(fā)電機組來講，目前大規(guī)模風(fēng)電機組接入到電力系統(tǒng)，相較分散式接入有更強的波動性和隨機性，傳統(tǒng)的火力發(fā)電機組具有響應(yīng)速度慢的問題，面向新能源變化速率難以跟蹤，所以這是響應(yīng)速度慢。第三是系統(tǒng)解耦，主要講風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的解耦，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過快速變頻裝置接入到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電力系統(tǒng)沒有一個直接的聯(lián)系，這個地方缺少一個頻率的主動支撐的能力。第四個是電流源的控制，電流源控制核心就是MTTP控制，主要還是受AGC的控制，它對于電力系統(tǒng)的主動支撐的頻率和電壓的能力是非常弱的。

從下面這幾張圖上可以看得出來，隨著新能源的滲透率不斷增高，穩(wěn)態(tài)頻率逐步下降，從左下角藍(lán)綠色的曲線可以看得出來，這是新能源的滲透率達(dá)到40%到50%的時候，穩(wěn)態(tài)區(qū)間已經(jīng)接近49赫茲，第二個圖可以體現(xiàn)出頻率變化的幅度和范圍增大了，從最低點50赫茲到最高點50.16，這個范圍會逐漸的增大，還有穩(wěn)態(tài)頻率的逐級下降，綜合以上風(fēng)電接入電力系統(tǒng)，調(diào)頻帶來的影響是比較大的。從2020年執(zhí)行的國標(biāo)GB38755指出，新能源場站電壓和頻率耐受能力上原則上需要和同步發(fā)電機一致，隨后各地的能資源管理部門和電力調(diào)度部門發(fā)文明確要求并網(wǎng)新能源場站具備一次調(diào)頻能力，新能源場站逐步正在開展關(guān)于調(diào)頻的入網(wǎng)整改，2021年國家能源局發(fā)布的并網(wǎng)電源主體輔助服務(wù)的文件里面也講到，對于一次調(diào)頻會進行一個明確的政策補償，所以新能源參與系統(tǒng)調(diào)頻增加穩(wěn)定這個調(diào)節(jié)能力具有一個重要的工程價值和經(jīng)濟價值。

第二個方面是風(fēng)電領(lǐng)域的調(diào)頻的應(yīng)用現(xiàn)狀，目前是依賴于傳統(tǒng)的風(fēng)電機組的調(diào)頻手段，是有四個手段，第一是槳距角控制，第二是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，第三是虛擬慣量，第四是結(jié)合以上三種控制多種策略的協(xié)調(diào)控制，下面具體逐一展開給大家匯報一下各種方式控制的策略。

第一個槳距角控制，核心主要就是預(yù)留備用，當(dāng)系統(tǒng)整體的頻率下降的時候，為了增加風(fēng)電機組的出力響應(yīng)頻率的變化，會減小槳距角來支撐整體系統(tǒng)響應(yīng)的頻率，從右下角圖上可以看得出來，如果采用槳距角控制，正常運行曲線是上方的藍(lán)色，但是如果要是采用槳距角線減載低于大概10%到20%的功率曲線運行，這個地方可以看得出來經(jīng)濟性比較差一些，主要適用于常年限電的區(qū)域，第二以后它需要控制槳距角槳葉的變化，所以響應(yīng)速度會非常慢，還有葉片的變動，會對于機械損失帶來一個磨損。

第二個控制是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)系統(tǒng)的頻率降低的時候，風(fēng)機會釋放轉(zhuǎn)子動能，這個地方類比于傳統(tǒng)同步發(fā)電機，它就會存儲的轉(zhuǎn)子的動能，頻率頂峰的時候就需要釋放轉(zhuǎn)子的動能增加電磁功率，輸出來進行功率支撐。它存在的問題主要在低風(fēng)速的時候，存儲的動能會比較小，所以它的調(diào)頻能力就會比較受限。第二個方面是在參與調(diào)頻之后，如果轉(zhuǎn)速需要恢復(fù)，它需要一個高長的恢復(fù)時間，會對電網(wǎng)頻率帶來一個二次跌落的問題。虛擬慣量的控制，將一個附加的頻率控制引入到風(fēng)機的功率調(diào)整和控制里邊，類似于傳統(tǒng)發(fā)電機傳統(tǒng)慣性的效應(yīng)，最終實現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)壓的功能，它主要問題也是，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速回歸到最大風(fēng)速跟蹤，也就是MPTT控制的時候，風(fēng)電機組會吸收有功造成頻率的跌落問題。

下面這個是基于以上三種方式綜合協(xié)調(diào)控制，風(fēng)機在不同風(fēng)速的時候會有不同的穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合這個曲線給大家介紹一下不同頻率支撐的策略，首先粉色的區(qū)域是低風(fēng)速區(qū)，就是啟動區(qū)，這個時候風(fēng)機是小于切入風(fēng)速的，風(fēng)機正在啟動過程中不參與整體系統(tǒng)頻率調(diào)整的，黃色區(qū)域是最大跟蹤區(qū)，主要是通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整來捕獲風(fēng)能，第三個轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到最大了，轉(zhuǎn)速已經(jīng)恒定了，風(fēng)速還沒有達(dá)到最高，在風(fēng)速持續(xù)上升，這個時候功率和風(fēng)速是正相關(guān)，可以有效參與調(diào)頻過程，藍(lán)色區(qū)域是一個高風(fēng)速區(qū)，就是恒功率區(qū)，就是達(dá)到了最大功率區(qū)，這個階段如果需要參與啟動調(diào)頻，就需要槳距角動作參與到調(diào)頻過程中。

以上匯報了幾種基于風(fēng)機自身能力的調(diào)頻的方式和相關(guān)的問題，總結(jié)來看主要是以下幾個方面，第一是經(jīng)濟性差，經(jīng)濟性差主要體現(xiàn)在預(yù)留備用槳距角控制方式上，第二支撐時間短，風(fēng)機尤其是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參與動態(tài)的頻率響應(yīng)的時候，存在一個支撐時間短的問題，第三是響應(yīng)速率慢，第四是控制復(fù)雜，存在附加的控制手段，壽命折減，因為它是基于風(fēng)機本身頻繁槳距的調(diào)整，對風(fēng)機的壽命進行一定的折損。

綜合以上不同的風(fēng)速導(dǎo)致風(fēng)機有不同的功率狀態(tài)，參與調(diào)頻的程度也會不同，每一種單獨的控制策略對于系統(tǒng)調(diào)頻的范圍比較小，面對復(fù)雜系統(tǒng)調(diào)頻能力也是相對受限的，我們帶來解決方案就是儲能參與調(diào)頻，與傳統(tǒng)的調(diào)頻方式相比，儲能可以瞬間釋放大量的能量，對于參與系統(tǒng)調(diào)頻和平抑風(fēng)電的波動非常有利，主要是通過在風(fēng)機風(fēng)電系統(tǒng)頻率下降的時候，通過釋放能量的方式來支撐系統(tǒng)頻率，我們選取了幾種典型的儲能的代表做了一些參數(shù)的介紹，以能量密度型為代表的電化學(xué)，單體容量比較大一些，響應(yīng)時間也是在毫秒級，不足的是循環(huán)壽命有限，3000到6000次，我們現(xiàn)在配置的電化學(xué)儲能，風(fēng)機整體壽命是20到25年，但是儲能尤其是組件部分，8到10年的壽命，在這個壽命節(jié)點可能還要面臨到組件的更換，這個組件占比大概是70%到80%，這個地方可能會造成投資的問題。

基于此我們帶來了一個時電化學(xué)儲能和飛輪儲能互補的方式，因為頻率是要求瞬間響應(yīng)而且是小容量功率彌補的過程，所以我們也增加了飛輪儲能的補充方式，飛輪儲能一個是具備響應(yīng)速率慢，這個相應(yīng)速度要比電化學(xué)儲能更快一些，它是適合于高頻的頻率響應(yīng)的場景，最大的優(yōu)勢是循環(huán)壽命能超過一百萬次，另外它這個壽命周期也比較長，長達(dá)30年，它可以對于一些高頻調(diào)頻的場景中，可以替代電化學(xué)儲能進行一個優(yōu)先調(diào)頻的方式，對于一個功率缺口的時候，我們可以電化學(xué)作為一種彌補。

基于以上分析，我們帶來了解決方案就是混合儲能參與調(diào)頻，就是電化學(xué)儲能和飛輪儲能的方式，混合儲能的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面，第一個容量更大，單一的儲能通常只存儲一定的能量，混合儲能可以使用多種不同類型的儲能技術(shù)，可以提供更大的電力和電量的支撐。第二個可靠性更高，混合儲能是用了兩種及以上的方式，即使其中一種技術(shù)出現(xiàn)了故障或者失效情況，其他技術(shù)可以彌補，從而提高了穩(wěn)定的可靠性和穩(wěn)定性。第三個靈活性更高，在面向不同的調(diào)頻調(diào)峰場景的時候我們可以調(diào)用不同的儲能方式參與到系統(tǒng)中，壽命更長，也是基于靈活性方面上，兩個方面的優(yōu)勢互補，在不同場景中調(diào)用不同的儲能形式，會增加整個系統(tǒng)的壽命。

我們在解決方案過程中嘗試著對于以下三個方面做了相關(guān)的研究，第一個方面是混合儲能系統(tǒng)的容量配置，第二個是風(fēng)儲系統(tǒng)如何優(yōu)化協(xié)同的，第三風(fēng)儲系統(tǒng)控制策略是怎樣的，首先第一個方面容量配置我們建立了一個數(shù)學(xué)模型，力求基于不確定性的配置和比例，面向不同的調(diào)峰調(diào)頻的需求，以混合儲能的成本和儲能的充放電次數(shù)，最小為目標(biāo)函數(shù)，將不同儲能的額定功率容量為決策變量，要受限于像一分鐘、30分鐘之內(nèi)的并網(wǎng)功率的波動量和秒級頻率調(diào)整的約束等受這些約束，建立了一個混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化多目標(biāo)混合模型，最終通過數(shù)學(xué)尋優(yōu)會得到一個優(yōu)化解，這個地方我們沒有給出一個結(jié)論，第一個是場景不一樣，比如我們面向是什么樣的需求，第二電化學(xué)和飛輪儲能的性能也不一樣，第三個約束函數(shù)各地也不一樣，所以這個地方是需要我們在一個特定場景下來確定這個特定解的。

風(fēng)儲系統(tǒng)是如何優(yōu)化協(xié)同的，正常情況下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是向電網(wǎng)提供電能，如果風(fēng)力發(fā)電需要向儲能系統(tǒng)輸出電能或者需要調(diào)頻的時候，我們是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額外電能需要給儲能充電，這個地方遵循了經(jīng)濟最優(yōu)的原則，首先調(diào)度指令發(fā)布要提升頻率，優(yōu)先要調(diào)用風(fēng)電功率，也就是風(fēng)電這個地方要提升發(fā)電功率了，優(yōu)先調(diào)用風(fēng)電機組的功率，如果要是降低頻率，我們優(yōu)先調(diào)用混合儲能，這個地方就是保持了整個系統(tǒng)是一個發(fā)電量最大的方式，從而避免前面講到依賴傳統(tǒng)風(fēng)機參與調(diào)頻的方式經(jīng)濟性折減的問題。

風(fēng)儲系統(tǒng)控制策略是怎樣的，首先我們接受到電網(wǎng)需要調(diào)頻的指令的時候，頻率需要調(diào)整到什么幅度，通過控制理論得到有功響應(yīng)量是多少，結(jié)合聯(lián)合混合儲能調(diào)頻控制系統(tǒng)進行風(fēng)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，風(fēng)電機組控制策略保留了幾種方式，混合儲能也是考慮SOC放電功率控制的策略，最終來確定兩個系統(tǒng)之間的功率是如何分配，最終是完成電網(wǎng)頻率的響應(yīng)。

我們基于以上的研究開發(fā)了自己的混合儲能能量管理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)給大家兩分鐘的時間播放一下大概的介紹。  

剛才通過視頻的方式給大家介紹了我們自研混合儲能能量管理的系統(tǒng)，下面簡單總結(jié)一下，這個系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)一個是混合儲能技術(shù)，第二是數(shù)據(jù)采集和存儲安全隔離技術(shù)，采用先進的電力專用安全隔離技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，能夠確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、安全性。第三面向風(fēng)電和儲能電力電子技術(shù)和控制系統(tǒng)，主要是對于風(fēng)儲系統(tǒng)進行快速、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)和控制，另外兩個系統(tǒng)要數(shù)據(jù)打通，包括數(shù)據(jù)之間的調(diào)用和邏輯之間的整定，這個地方可能是面臨著比較大的自研的體系。第四個方面能量管理策略，包括優(yōu)化風(fēng)電場整體運行調(diào)度和管理方面，如何充分響應(yīng)調(diào)度指令，能夠滿足電網(wǎng)的要求，通過優(yōu)化策略的實施可以提高風(fēng)電整體利用率和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這個系統(tǒng)應(yīng)用效果首先是降低了棄風(fēng)率，通過風(fēng)電配儲技術(shù)可以減少因風(fēng)速變化導(dǎo)致的棄風(fēng)現(xiàn)象，平抑功率波動的問題，提高整體的風(fēng)場利用率和經(jīng)濟效益，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率這也是我們本次課題的核心，配合電網(wǎng)進行一個快速調(diào)頻，穩(wěn)定了電網(wǎng)頻率。第三個方面是提升了主動支撐能力，儲能能夠快速的調(diào)頻并維持電壓的穩(wěn)定，在頻率視角可以成功的提供毫秒級的綜合慣性，快速的響應(yīng)電網(wǎng)電壓及頻率要求，減少電網(wǎng)的考核。第三延長了系統(tǒng)壽命，這幾項指標(biāo)在視頻中已經(jīng)介紹了不再展開。

對于剛才提到幾個傳統(tǒng)調(diào)頻方案和混合儲能參與調(diào)頻方案建設(shè)方案的對比，拿百兆瓦級風(fēng)電場對比三種典型調(diào)頻方案技術(shù)和經(jīng)濟性，首先第一種方面就是預(yù)留10%的功率作為一個備用容量參與調(diào)頻，從左下角圖中可以看到，紅色曲線是新能源不參與調(diào)頻，藍(lán)色曲線是百分之百機組參與調(diào)頻，綠色曲線是新能源采用方式一的方式去調(diào)頻，可以看得出來跟火電機組調(diào)頻的效果基本上相當(dāng)，剛才講到它預(yù)留10%，比如我們是一個百兆瓦級別的風(fēng)場，最大功率也就發(fā)到90兆瓦的功率，年損失900萬的費用。第二個方式是基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制，從第二個圖中可以看得出來，圖中綠色的曲線是一個基于最好的組合方式進行參與頻率的調(diào)整，也能看得出來頻率二次跌落的問題非常嚴(yán)重，但是經(jīng)濟性比較好一些，它不需要太多的硬件的投入，只需要優(yōu)化風(fēng)機的軟件升級、成本較低，剛才提的頻率二次跌落的問題我們也是在實際的項目中面臨的，也會導(dǎo)致一個脫網(wǎng)的情況。

第三個是配置10%的儲能，具體的電化學(xué)和飛輪的配比是8%的電化學(xué)，2%的飛輪，考慮折舊與運維，年投資大概是210萬，這個地方也考慮到剛才提到的8到10年更換電化學(xué)組件的問題，沒有考慮電量增發(fā)的效益，從這個曲線上可以對比出來，配置儲能的方式可以基于常規(guī)的調(diào)頻方式，我們可以提升41%的作用。

最后給大家做一下總結(jié)，面向復(fù)雜的調(diào)頻環(huán)境，考慮因地制宜多種調(diào)頻策略相結(jié)合，槳距角是犧牲一定的有功來保證調(diào)頻能力，轉(zhuǎn)速控制和虛擬慣量控制就是通過釋放轉(zhuǎn)子動能來參與調(diào)頻，由于跟蹤系統(tǒng)頻率變化這個能力，儲能可以有效滿足調(diào)頻需求，又因為其可以對系統(tǒng)功率變化產(chǎn)生響應(yīng)，儲能在這個功率雙向調(diào)節(jié)方面作用比較突出，不得不提出的一個問題就是風(fēng)電集群在調(diào)頻的時候是面向海量的風(fēng)機，鏈路長、控制復(fù)雜，需要重點考慮以下三個方面的因素。

第一是功率協(xié)調(diào)控制，不可能采用一刀切的方式統(tǒng)一，比如說幾臺風(fēng)機都是采用一個功率，給它進行頻率響應(yīng)，我們必須得要以風(fēng)速或者是轉(zhuǎn)速作為一個約束，作為一個參考量進行功率的協(xié)調(diào)，第二是轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制，剛才給大家匯報的時候也提到轉(zhuǎn)速響應(yīng)頻率過程中有一個二次跌落的問題，這個地方需要考慮到影響極限情況下不脫網(wǎng)。第二還要考慮有功時延的問題，保證轉(zhuǎn)速能夠恢復(fù)到正常狀態(tài)下。第三個與電力電子器件協(xié)調(diào)配合，傳統(tǒng)就是風(fēng)電場本身就是電力電子特性非常明顯的情況，加上儲能它又是多了一重的電力電子器件配合的因素，所以這三個因素是需要我們重點考慮的。當(dāng)前比較迫切的是研究自適應(yīng)能力強、能夠解決實際調(diào)頻需求儲能配置方案與控制策略，在儲能調(diào)頻能力、價格、壽命中找到一個最優(yōu)平衡點，使整個系統(tǒng)能夠有效的服務(wù)于整個電力系統(tǒng)。

最后再說一下，本次提出來這個課題可能沒有太多的新穎性，儲能參與調(diào)頻大家也都很了解它對于電力系統(tǒng)有益的提升，作為我們這次匯報這個課題，目前是作為風(fēng)機的整機商和自己集團下也有這種電化學(xué)儲能和飛輪儲能自研和設(shè)備生產(chǎn)能力，包括解決方案也是在集團內(nèi)部，所以我們有一些大量的數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和未來的產(chǎn)業(yè)研究的團隊作支撐，所以可能未來我覺得電化學(xué)+飛輪儲能應(yīng)用，除了政策的支持，就是依附于政策需求下，我們中車是有比較大的優(yōu)勢去開展這項工作的。

以上是我所有的匯報，謝謝大家！  

（根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）