中国储能网讯：11月24-26日，由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办，100余家机构共同支持的湖南（长沙）电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。

会议期间，组委会邀请了中国电力王逸超分享主题报告《电池储能对高比例新能源接入电网频率稳定的支撑作用》。以下是发言主要内容：

王逸超：首先简单介绍一下中国电力在新能源发展的一些情况，四个革命，一个合作的能源安全新战略，以及双碳目标的提出，为中国能源事业的发展擘画了方向。到2030年，我国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上，新能源将迎来强势发展的十年。

中国电力在去年以前都还是以火电为主的企业，它作为一家传统能源企业，在2021年10月发布了新的战略，确定了“建设世界一流清洁能源企业”主力军的战略定位，加速向新能源绿色低碳方向发展。截至2022年的第三季度，我们的风电、光伏装机规模已经突破了一千万千瓦，在清洁转型的路上是按下了快进键。高比例新能源不断的接入电网，抢占了火电的发展空间，降低了供电可靠性。其次新能源的动态调节能力是比较弱的，对电力系统的频率稳定带来了极大的隐患，所以国家标准上也是对新能源提出了相应的要求，如《电力系统安全稳定导则》，这是国家的强制标准，要求35千伏及以上电源均应具备一次调频、快速调压和调峰的能力。新能源和电池储能是一对“黄金搭档”，电池储能在促进新能源发展、消纳，提升新能源调峰和调频能力方面发挥着不可替代的作用，所以我今天想和大家分享我在电池储能支撑新能源稳定，支撑电网频率安全方面的认识。

为什么电力系统频率会变化？电网选择交流和直流在十八世纪还是有一个争议的，最终交流系统的推崇者特斯拉取得了胜利，现在所有系统是以交流作为主导的电力系统。我们希望电力系统的频率不发生改变，一直维持在额定频率，但实际上这一点是非常难的，因为发电功率和负荷功率总是在波动，是处于不平衡的状态，在同步发电机为主导的大电力系统上是有功功率的不平衡导致了电力系统的频率波动。如果是在小型微电网系统中，当其线路阻抗主要呈现阻性为主时，那么将是无功功率的不平衡引起了电网频率的波动。因为我们的大电网系统主要是以感性的线路阻抗为主，在感性线路阻抗下，有功功率的不平衡将引起电网频率的波动。从能量的角度来说，电能也是一种能量，在以传统同步发电机为主的电力系统上，实际上我们的同步发电机是将转动势能转化为电能的设备，我们的电网频率是和同步发电机的转速成正比的。

简单分析一下频率下降和频率升高的原因，首先是频率下降，当发电不足，机组突然下网或者负荷需求突然增高的时候，系统会瞬间从同步发电机转动势能中吸取能量，就会导致同步发电机的转轴转速变慢，从而导致频率下降。频率升高是由于新能源发电突然增加或负荷需求减少，系统会把多余的能量作为常规机组的转动势能进行累加，从而导致发电机的转速加快，最终频率上升。

在以同步发电机为主的电力系统中，系统调频有三大法宝：一次调频、二次调频、惯量支撑。一次调频的调节方式是采用下垂控制，通过发电机、调速器来调节进气量或者进水量来改变有功输出，这种调节的响应时间通常是秒级，但是它的效果是有差调节，最终调节的结果是电网频率有一定程度的恢复，但不能回到额定值，并且这种行为可以认为是同步发电机组自发的行为，不需要组织干预。二次调频主要的方式是采用AGC控制，通过原动机的调频器，相应地增减机组负荷，这种响应时间通常是分钟级，它的调节方式是无差调节，可以将频率拉回额定的50赫兹，并且这种行为通常是由调度来下指令，是一种有组织的行为方式，调度相当于整个组织的中枢大脑，由它来下指令给各个发电机组。除了一次调频和二次调频，还有一个非常有意思的法宝--惯量，实际上惯量是同步发电机的一种自然机械属性，它具有无延时响应的效果，主要的作用是抑制频率突然快速变化，属于同步发电机的一种自然特性，惯量越大，频率快速变化的难度也会越大。我们这里就有一个很重要的概念--频率的变化速率，惯量越大，系统反应越迟钝，当负载或者电源侧的功率突然变化时，引起频率变化的速率也会越慢。另一方面，惯量越小，反应越灵活，一点小小的功率扰动也会导致频率的快速变化。

我们捋一捋同步发电机为主的电力系统调频过程，实际上惯量是为一次调频、二次调频争取时间，整个过程如下：首先是惯量支撑，它是一种自然的机械特性，无延时响应，延缓频率的下降速度，然后是秒级的一次调频顶上，将频率撑到偏离额定值的频率值，最后是分钟级的二次调频发挥作用，通过调度下指令，同步发电机有组织的集体行动，将频率恢复到额定值。转动惯量是一种机械特性，只有同步发电机才能够提供这种转动惯量，新能源都是通过变流器来并网的，并不提供这种惯量支撑，越来越多的新能源替代同步发电机就会导致系统的惯量越来越小。

惯量缺失的后果是非常严重的，我总结了两个方面可能发生的问题。一是转动惯量缺失，它会使得部分同步发电机存在脱网风险，因为同步发电机为了保护自己，通常会设置一个频率变化过快的脱网指标，变化速率过大就容易触发脱网。新能源也存在一个频率的适应区间，惯量缺失，事故发生时频率跌落的速度过快，一次调频还没有响应过来，频率可能已经跌到了新能源频率适应区间外，触发新能源的脱网。

2019年英国大电网停电事故时，风电渗透率已经达到了34.71%，同步发电机组开机不足，致使系统惯量大幅降低。这是整个事故发生的四阶段，第一阶段是雷击及电压扰动的影响，当地有一台小巴德福燃气电站，霍恩分电场和分步式电源相继脱网，损失大概是1131兆瓦的电力。第二阶段是由于系统惯量较小，频率快速下降，初始的下降速度已经超过了0.125赫兹每秒，触发部分同步机组保护机制，所以又导致损失了350兆瓦的分布式电源机组，累计损失电力是1481兆瓦，约占总负荷的5%。第三阶段是频率响应措施启动，英国的频率响应措施类似于我国的一次调频和二次调频，降低频率的偏差，将系统的频率拉到49.2赫兹，当时英国的旋转备用大概是1000兆瓦，这个时候已经出力了900兆瓦，它的底牌基本用光了。第四阶段，小巴德福燃气站又一台燃气轮机保护停机，损失功率210兆瓦，英国电网累计损失功率达到了1691兆瓦，这个时候旋转备用都已经用光了，频率持续下降，最终触发电网的第三道防线低频减载装置，导致大量负荷被切除，引起大停电事故。英国的大停电事故让英国感受到了从传统的惯性电网到分布式及高再生能源电网的荆棘之路，英国一方面是重新审议旋转备用容量是否足够，另一方面也着手修改频率变化速率这一保护阈值，将0.125赫兹每秒提高到1赫兹每秒，来应对惯量缺失导致的频率快速变化问题。

储能如何参与电网频率安全稳定控制的？实际上储能要做的模拟，一是模拟同步发电机惯量特性，二是模拟同步发电机的一次调频特性。我认为储能模拟不出同步发电机那种自然的机械特性，模拟的只是自然机械特性所产生的效果，就是一种抑制频率快速变化的阻力，所以它的公式很简单，就是一种跟频率变化速率相反的阻力。一次调频相对比较简单一点，说白了就是下垂控制，实际就是人为的设定有功频率的映射关系，频率低于额定值就发出有功，频率高于额定值就吸收有功，通过检测电网频率来自主调节有功功率的输出。这是一种最简单的一虚拟同步发电机的实现方法，实际上就是把这三个指令加在一起，AGC就是二次调频指令，中间是惯量指令，最后是一次调频指令，从而一起实现同步发电机的惯量支撑，一次调频和二次调频等功能。储能模拟同步发电机调频的优势在于响应速度快，将同步发电机无延时的虚拟惯量支撑、秒级的一次调频和分钟级的二次调频等不同时间尺度的调频功能统一为毫秒级。天下武功，唯快不破，从而弥补电网惯量缺失导致的频率快速变化问题，储能自身除了可以作为旋转备用参与调频服务外，还可以为常规机组争取时间，共同提高电网的频率稳定裕度。

毫秒级是很理想的情况，大容量的储能如何做到毫秒级的调频？我认为还是一个很有难度的挑战。我们也调研了，目前大容量储能电站在调频方面存在的问题如下，一是数据网传输量大，控制命令时效性很难保证。二是如果全部使用高速以太网，成本过高。三是用61850协议适配场景存在局限性，适配性不强。为此，我们提出的解决方案是基于控制网与数据网分离的设计模式，提高控制命令的可靠性。以降低建设成本为导向，控制网采用EtherCAT，信息网采用传统的以太网、CAN及串口等方式来控制建设成本。同时以业务维度对数据整合，开展储能业务规约设计，提高数据传输效率的同时降低开发难度。

这是我们采用工业以太网和常规通信网络高度集成设计理念的拓扑图，我们的控制网是采用EtherCAT来确保控制命令的快速下发，信息网是采用常规通信介质实现测点信息的周期上传，典型组网方案是把整个储能舱的控制系统集成了EtherCAT从站的功能，协控做成了EtherCAT的主站方式，从而实现控制命令可以在毫秒级迅速下达到舱控制系统。

这是常规方案和我们方案的对比，一是在组网模式上，控制网和信息网是分离的，实现控制命令可靠性达100%。二是控制网基于EtherCAT的协议方式，调频响应速率提高近50%。三是组网复杂度，极大减少交换机的数量，简化网络架构。四是联调周期，相比61850的goose降低调试难度。五是建设成本，百兆瓦级的储能电站，如果用现在的组网方式，协控可能需要四五个，如果我们用这种方式，协控就等于EtherCAT的主站，只需要一台协控就可以实现整站指令的快速下发，减少协控数量，降低建设成本。

最后做一个简单的总结，未来新能源将迎来黄金发展十年，新能源发展的同时，电网的惯性将不可避免的降低，电网的频率安全稳定将面临严峻考验。传统同步发电机的频率控制方式主要包括惯量支撑、一次调频和二次调频，其中惯量支撑是同步发电机一种自然的机械特性，几乎是无延时响应，一次调频的响应时间为秒级，二次调频的响应时间为分钟级，电网惯量的缺失将导致频率的快速变化，容易触发电网的第三道防线。储能可以模拟同步发电机的惯量支撑响应和一二次调频功能，可以将同步发电机的不同时间尺度的调频能力统一到毫秒级，从而弥补电网惯量缺失导致的频率快速变化问题。

以上是我的汇报，请各位批评指正。