中车山东风电有限公司高级工程师刘莹刘莹:面向风机集群调频调峰需求的混合储能及其能量管理系统研究与应用

能见App 2023年10月20日 4213

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见App全程直播本次大会。

在17日下午召开的“碳视角下的新型电力系统”主题论坛上,中车山东风电有限公司高级工程师刘莹刘莹发表了题为《面向风机集群调频调峰需求的混合储能及其能量管理系统研究与应用》的主题演讲。

以下为发言全文:

大家好,今天下午带给大家的课题是面向风机集群调频调峰需求的混合储能及其能量管理系统研究与应用,分享分四个方面,第一个是调频技术的发展背景,第二个是风机调频技术的应用现状,第三个根据传统的调频技术带来的解决方案,第四个针对未来的总结和展望。

首先随着新能源渗透率的持续提升,高比例新能源、高比例电力电子的特性非常明显,新型电力系统面临两个主要问题,一个是新能源的消纳受限和安全运行的风险逐步的增大,新能源对于电网的弱支撑性和低抗扰动性造成以上两个电网安全的本质原因,在这里跟大家介绍一下抗扰动性是什么意思,就是电网在一定区间内发生扰动的时候,风机对于电网不脱网性,目前风机抗扰动性通过故障电压穿越改造已经逐步解决,更突出的问题聚焦在弱支撑性上,新能源对于电网的支撑性主要体现在惯量、调频、调压功能上,通过这个表格对比可以看得出来,新能源相较常规机组还是有较大的差距的。

风机接入系统调频面临的问题有以下几个方面,首先第一调频资源受限,新能源接入到电力系统之后,它肯定会挤压到常规的传统的调频资源,比如说像火力发电机组,空间受限之后,对于电力系统的支撑作用就会受到能力的影响。第二个方面是响应速度慢,针对传统火力发电机组来讲,目前大规模风电机组接入到电力系统,相较分散式接入有更强的波动性和随机性,传统的火力发电机组具有响应速度慢的问题,面向新能源变化速率难以跟踪,所以这是响应速度慢。第三是系统解耦,主要讲风力发电系统和电网的解耦,风力发电系统通过快速变频装置接入到电网,转子转速和电力系统没有一个直接的联系,这个地方缺少一个频率的主动支撑的能力。第四个是电流源的控制,电流源控制核心就是MTTP控制,主要还是受AGC的控制,它对于电力系统的主动支撑的频率和电压的能力是非常弱的。

从下面这几张图上可以看得出来,随着新能源的渗透率不断增高,稳态频率逐步下降,从左下角蓝绿色的曲线可以看得出来,这是新能源的渗透率达到40%到50%的时候,稳态区间已经接近49赫兹,第二个图可以体现出频率变化的幅度和范围增大了,从最低点50赫兹到最高点50.16,这个范围会逐渐的增大,还有稳态频率的逐级下降,综合以上风电接入电力系统,调频带来的影响是比较大的。从2020年执行的国标GB38755指出,新能源场站电压和频率耐受能力上原则上需要和同步发电机一致,随后各地的能资源管理部门和电力调度部门发文明确要求并网新能源场站具备一次调频能力,新能源场站逐步正在开展关于调频的入网整改,2021年国家能源局发布的并网电源主体辅助服务的文件里面也讲到,对于一次调频会进行一个明确的政策补偿,所以新能源参与系统调频增加稳定这个调节能力具有一个重要的工程价值和经济价值。

第二个方面是风电领域的调频的应用现状,目前是依赖于传统的风电机组的调频手段,是有四个手段,第一是桨距角控制,第二是转子转速控制,第三是虚拟惯量,第四是结合以上三种控制多种策略的协调控制,下面具体逐一展开给大家汇报一下各种方式控制的策略。

第一个桨距角控制,核心主要就是预留备用,当系统整体的频率下降的时候,为了增加风电机组的出力响应频率的变化,会减小桨距角来支撑整体系统响应的频率,从右下角图上可以看得出来,如果采用桨距角控制,正常运行曲线是上方的蓝色,但是如果要是采用桨距角线减载低于大概10%到20%的功率曲线运行,这个地方可以看得出来经济性比较差一些,主要适用于常年限电的区域,第二以后它需要控制桨距角桨叶的变化,所以响应速度会非常慢,还有叶片的变动,会对于机械损失带来一个磨损。

第二个控制是转子转速控制,当系统的频率降低的时候,风机会释放转子动能,这个地方类比于传统同步发电机,它就会存储的转子的动能,频率顶峰的时候就需要释放转子的动能增加电磁功率,输出来进行功率支撑。它存在的问题主要在低风速的时候,存储的动能会比较小,所以它的调频能力就会比较受限。第二个方面是在参与调频之后,如果转速需要恢复,它需要一个高长的恢复时间,会对电网频率带来一个二次跌落的问题。虚拟惯量的控制,将一个附加的频率控制引入到风机的功率调整和控制里边,类似于传统发电机传统惯性的效应,最终实现调频和调压的功能,它主要问题也是,当转子转速回归到最大风速跟踪,也就是MPTT控制的时候,风电机组会吸收有功造成频率的跌落问题。

下面这个是基于以上三种方式综合协调控制,风机在不同风速的时候会有不同的稳定状态,结合这个曲线给大家介绍一下不同频率支撑的策略,首先粉色的区域是低风速区,就是启动区,这个时候风机是小于切入风速的,风机正在启动过程中不参与整体系统频率调整的,黄色区域是最大跟踪区,主要是通过转子转速调整来捕获风能,第三个转速已经达到最大了,转速已经恒定了,风速还没有达到最高,在风速持续上升,这个时候功率和风速是正相关,可以有效参与调频过程,蓝色区域是一个高风速区,就是恒功率区,就是达到了最大功率区,这个阶段如果需要参与启动调频,就需要桨距角动作参与到调频过程中。

以上汇报了几种基于风机自身能力的调频的方式和相关的问题,总结来看主要是以下几个方面,第一是经济性差,经济性差主要体现在预留备用桨距角控制方式上,第二支撑时间短,风机尤其是转子转速参与动态的频率响应的时候,存在一个支撑时间短的问题,第三是响应速率慢,第四是控制复杂,存在附加的控制手段,寿命折减,因为它是基于风机本身频繁桨距的调整,对风机的寿命进行一定的折损。

综合以上不同的风速导致风机有不同的功率状态,参与调频的程度也会不同,每一种单独的控制策略对于系统调频的范围比较小,面对复杂系统调频能力也是相对受限的,我们带来解决方案就是储能参与调频,与传统的调频方式相比,储能可以瞬间释放大量的能量,对于参与系统调频和平抑风电的波动非常有利,主要是通过在风机风电系统频率下降的时候,通过释放能量的方式来支撑系统频率,我们选取了几种典型的储能的代表做了一些参数的介绍,以能量密度型为代表的电化学,单体容量比较大一些,响应时间也是在毫秒级,不足的是循环寿命有限,3000到6000次,我们现在配置的电化学储能,风机整体寿命是20到25年,但是储能尤其是组件部分,8到10年的寿命,在这个寿命节点可能还要面临到组件的更换,这个组件占比大概是70%到80%,这个地方可能会造成投资的问题。

基于此我们带来了一个时电化学储能和飞轮储能互补的方式,因为频率是要求瞬间响应而且是小容量功率弥补的过程,所以我们也增加了飞轮储能的补充方式,飞轮储能一个是具备响应速率慢,这个相应速度要比电化学储能更快一些,它是适合于高频的频率响应的场景,最大的优势是循环寿命能超过一百万次,另外它这个寿命周期也比较长,长达30年,它可以对于一些高频调频的场景中,可以替代电化学储能进行一个优先调频的方式,对于一个功率缺口的时候,我们可以电化学作为一种弥补。

基于以上分析,我们带来了解决方案就是混合储能参与调频,就是电化学储能和飞轮储能的方式,混合储能的优势主要体现在以下几个方面,第一个容量更大,单一的储能通常只存储一定的能量,混合储能可以使用多种不同类型的储能技术,可以提供更大的电力和电量的支撑。第二个可靠性更高,混合储能是用了两种及以上的方式,即使其中一种技术出现了故障或者失效情况,其他技术可以弥补,从而提高了稳定的可靠性和稳定性。第三个灵活性更高,在面向不同的调频调峰场景的时候我们可以调用不同的储能方式参与到系统中,寿命更长,也是基于灵活性方面上,两个方面的优势互补,在不同场景中调用不同的储能形式,会增加整个系统的寿命。

我们在解决方案过程中尝试着对于以下三个方面做了相关的研究,第一个方面是混合储能系统的容量配置,第二个是风储系统如何优化协同的,第三风储系统控制策略是怎样的,首先第一个方面容量配置我们建立了一个数学模型,力求基于不确定性的配置和比例,面向不同的调峰调频的需求,以混合储能的成本和储能的充放电次数,最小为目标函数,将不同储能的额定功率容量为决策变量,要受限于像一分钟、30分钟之内的并网功率的波动量和秒级频率调整的约束等受这些约束,建立了一个混合储能系统优化多目标混合模型,最终通过数学寻优会得到一个优化解,这个地方我们没有给出一个结论,第一个是场景不一样,比如我们面向是什么样的需求,第二电化学和飞轮储能的性能也不一样,第三个约束函数各地也不一样,所以这个地方是需要我们在一个特定场景下来确定这个特定解的。

风储系统是如何优化协同的,正常情况下风力发电系统是向电网提供电能,如果风力发电需要向储能系统输出电能或者需要调频的时候,我们是风力发电系统额外电能需要给储能充电,这个地方遵循了经济最优的原则,首先调度指令发布要提升频率,优先要调用风电功率,也就是风电这个地方要提升发电功率了,优先调用风电机组的功率,如果要是降低频率,我们优先调用混合储能,这个地方就是保持了整个系统是一个发电量最大的方式,从而避免前面讲到依赖传统风机参与调频的方式经济性折减的问题。

风储系统控制策略是怎样的,首先我们接受到电网需要调频的指令的时候,频率需要调整到什么幅度,通过控制理论得到有功响应量是多少,结合联合混合储能调频控制系统进行风电系统和储能系统优化控制策略,风电机组控制策略保留了几种方式,混合储能也是考虑SOC放电功率控制的策略,最终来确定两个系统之间的功率是如何分配,最终是完成电网频率的响应。

我们基于以上的研究开发了自己的混合储能能量管理系统,这个系统给大家两分钟的时间播放一下大概的介绍。  

刚才通过视频的方式给大家介绍了我们自研混合储能能量管理的系统,下面简单总结一下,这个系统关键技术一个是混合储能技术,第二是数据采集和存储安全隔离技术,采用先进的电力专用安全隔离技术网络技术和数据通信等技术,能够确保数据的准确性、安全性。第三面向风电和储能电力电子技术和控制系统,主要是对于风储系统进行快速、准确的调节和控制,另外两个系统要数据打通,包括数据之间的调用和逻辑之间的整定,这个地方可能是面临着比较大的自研的体系。第四个方面能量管理策略,包括优化风电场整体运行调度和管理方面,如何充分响应调度指令,能够满足电网的要求,通过优化策略的实施可以提高风电整体利用率和电力系统的稳定性,这个系统应用效果首先是降低了弃风率,通过风电配储技术可以减少因风速变化导致的弃风现象,平抑功率波动的问题,提高整体的风场利用率和经济效益,稳定电网频率这也是我们本次课题的核心,配合电网进行一个快速调频,稳定了电网频率。第三个方面是提升了主动支撑能力,储能能够快速的调频并维持电压的稳定,在频率视角可以成功的提供毫秒级的综合惯性,快速的响应电网电压及频率要求,减少电网的考核。第三延长了系统寿命,这几项指标在视频中已经介绍了不再展开。

对于刚才提到几个传统调频方案和混合储能参与调频方案建设方案的对比,拿百兆瓦级风电场对比三种典型调频方案技术和经济性,首先第一种方面就是预留10%的功率作为一个备用容量参与调频,从左下角图中可以看到,红色曲线是新能源不参与调频,蓝色曲线是百分之百机组参与调频,绿色曲线是新能源采用方式一的方式去调频,可以看得出来跟火电机组调频的效果基本上相当,刚才讲到它预留10%,比如我们是一个百兆瓦级别的风场,最大功率也就发到90兆瓦的功率,年损失900万的费用。第二个方式是基于转子转速的控制,从第二个图中可以看得出来,图中绿色的曲线是一个基于最好的组合方式进行参与频率的调整,也能看得出来频率二次跌落的问题非常严重,但是经济性比较好一些,它不需要太多的硬件的投入,只需要优化风机的软件升级、成本较低,刚才提的频率二次跌落的问题我们也是在实际的项目中面临的,也会导致一个脱网的情况。

第三个是配置10%的储能,具体的电化学和飞轮的配比是8%的电化学,2%的飞轮,考虑折旧与运维,年投资大概是210万,这个地方也考虑到刚才提到的8到10年更换电化学组件的问题,没有考虑电量增发的效益,从这个曲线上可以对比出来,配置储能的方式可以基于常规的调频方式,我们可以提升41%的作用。

最后给大家做一下总结,面向复杂的调频环境,考虑因地制宜多种调频策略相结合,桨距角是牺牲一定的有功来保证调频能力,转速控制和虚拟惯量控制就是通过释放转子动能来参与调频,由于跟踪系统频率变化这个能力,储能可以有效满足调频需求,又因为其可以对系统功率变化产生响应,储能在这个功率双向调节方面作用比较突出,不得不提出的一个问题就是风电集群在调频的时候是面向海量的风机,链路长、控制复杂,需要重点考虑以下三个方面的因素。

第一是功率协调控制,不可能采用一刀切的方式统一,比如说几台风机都是采用一个功率,给它进行频率响应,我们必须得要以风速或者是转速作为一个约束,作为一个参考量进行功率的协调,第二是转速协调控制,刚才给大家汇报的时候也提到转速响应频率过程中有一个二次跌落的问题,这个地方需要考虑到影响极限情况下不脱网。第二还要考虑有功时延的问题,保证转速能够恢复到正常状态下。第三个与电力电子器件协调配合,传统就是风电场本身就是电力电子特性非常明显的情况,加上储能它又是多了一重的电力电子器件配合的因素,所以这三个因素是需要我们重点考虑的。当前比较迫切的是研究自适应能力强、能够解决实际调频需求储能配置方案与控制策略,在储能调频能力、价格、寿命中找到一个最优平衡点,使整个系统能够有效的服务于整个电力系统。

最后再说一下,本次提出来这个课题可能没有太多的新颖性,储能参与调频大家也都很了解它对于电力系统有益的提升,作为我们这次汇报这个课题,目前是作为风机的整机商和自己集团下也有这种电化学储能和飞轮储能自研和设备生产能力,包括解决方案也是在集团内部,所以我们有一些大量的数据应用的基础和未来的产业研究的团队作支撑,所以可能未来我觉得电化学+飞轮储能应用,除了政策的支持,就是依附于政策需求下,我们中车是有比较大的优势去开展这项工作的。

以上是我所有的汇报,谢谢大家!

 

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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