中国储能网讯：2018年10月26日，在北京西国贸大酒店的2018中国分布式储能峰会上，本次会议下午由中国新能源电力投融资联盟秘书长彭澎主持。在光伏+储能及微电网技术创新的主题中，国网冀北电科院新能源研究所巩宇发表了题为“光伏直流侧加装储能进行一次调频的研究与工程运行分析”的演讲。
国网冀北电科院新能源研究所巩宇：
各位同行，大家！我来自国网来自冀北电科院。这次分享的题目是光伏直流侧加装储能进行一次调频的研究与工程运行分析。就是光伏参与电网一次调频我们的最新研究，希望给大家最新的启示。从三个方面进行介绍：
第一，关于张北虚拟同步机示范建设给大家做一个汇报。张北示范区建设有一个重大的背景，参与电网一次调频是必要的也是迫切的，主要表现三个方面：
第一方面，截止2017年我国风机光伏装机占总装机容量17%，在冀北公司冀北电网新能源装机已经到了53%的水平，新能源机组参与电力系统一次调频是必须的。
第二个表示方式，我们通过对冀北地区35千伏目线的长期监测，左边这个图是一个24小时的电网频率波动范围，在电网正常运行范围内它的波动区间在正负0.04赫兹，0.04已经超过了火电机组调频的死区，右边图可以看到，当频率超过了火电机组调频死区0.033赫兹的时候，系统内的调频电源就要启动，将频率拉回来。通过统计，在一天之内频率越上限次数大概在700多次、越下限在950次，所以说电网在正常运行情况下为保持系统在一个较小的波动范围，系统内调频电源需要频繁的调入一次调频功能。我们又统计了一下，从2019年到现在电网发生故障的一些情况，主要包括直流闭锁和发电机的故障跳机。说明在我们坚强电网为主的情况下，其实也是有概率，并且概率不小的会发生这种故障，我们以华北电网为例做了一个仿真，右下角那个图，它的仿真是这样，是以新能源机组，新能源机组占比20%，发生了5%的频率削额的情况下，我们对比了新能源机组参与调频和不参与调频的频率对比，新能源机组参与调频的时候它的频率最低点大概在49.8%左右，是一个新能源机组可承受的范围之内。在新能源机组不参与调频的时候，频率最低点可下降到49.25%这个范围，这个范围已经引起了低频减载，会使得故障持续扩大。以上三点说明了，新能源机组参与电网调频的必要性。
在这个大背景下，国网冀北电力公司协同中国电科院、产业及进行了全环节的攻关，主要在张北风光储对24台光伏、59台风机进行了虚拟同步机改造，建设了2台单机容量5兆瓦，电站是虚拟同步机，首次在大电网中示范应用了包括光伏、风电与电站三大类、六种型号的主动调频设备。
第二方面，向大家汇报一下光伏参与电网一次调频我们采用的调频方案。
由于光伏逆变器通常运行与MBT运行模式，他是没有向上支撑功率的能力，我们选择直流母线加装储能的方式，使得功率单元具备了可上可下的能力，他的基本硬件结构是储能单元加上双向的DC/DC并联到直流母线，和光伏共用一个DC/DC逆变器。示范公车采用的是两种方案，第一种是加装了50千瓦、30分钟的磷酸铁锂电池，第二种方式是加装了50千万、15秒的超级电容的方案，希望通过这两个方案的对比得到一些参考方案。
调频控制策略的基本原理，基于光伏逆变器常用的矢量控制，在DQ电流控制环节加上和频率电压相关的一些附加信号，使它具有调频功能，因为是两种不同的电池类型，所以根据这两种电池类型分别有一个个性化的设计，对于锂电池采用的是一个模拟转子运动方程策略，它是以里锂电池为主体，我频率越上限和越下限均是以电池来响应调频，是调频热备用，我夜间也可以调频，因为锂电池是有非常大的容量的。带来一个问题就是，光伏逆变器在夜间处于低载模式，不能拖网、不能待机，因为超级电容的容量特别小，相对不具备存储电能的一个功能，所以说它采用的控制策略是有功下垂，它的调频主体是超级电容和光伏，它对电池在频道内一天的调频次数是比较少的，并且夜间光伏逆变器处于待机模式。
通过冀北电科院仿真，对两者的调频性能做了对比，首先是调频响应时间的对比，由于加装了DC/DC环节，他的功率支撑、功率响应速率他的限制环节其实在DC/DC电力电子，所以两种方案的调频响应时间基本差不多，并不会突出超级电容非常快的这样一个性能。并且两者在投资金额差不多的情况下，锂电池可以全天候的支撑频率，并且他的支撑时间是一次充电满功率可以支撑30分钟，超级电容只能支撑15秒，我们认为锂电池作为调频的资源可能是比较优秀的。
第三方面，汇报一下工程运行监测的情况。首先，今年7月份—9月份的运行发电情况做了一个统计，从风光储D5000运行数据统计来看，从6月—9月，正常的光伏逆变器发电和改造后的具备调频功能的光伏逆变器的一个发电量相比，大概发电量相差了0.8，任取其中大概10天的一个日发电量的对比，就是两者各有优劣。得到这样一个结论，光伏单元加装储能参与电网调频，并不会影响光伏的正常发电。
第二个，因为D5000的数据颗粒度是比较大的，对与频率相关的一些分析是有局限性的，所以我们就地架设了高精度的数据采集系统，我们想达到的是对单机调频性能、日调频次数、电池充放电、故障情况等一系列的监测，首先是对电网频率的一个对比。右边这张图是我们采集到了新能源机组极端频率合35千伏和110千伏电网线路的频率做了一个对比，可以得出来左边这条线，就是机端频率合35千伏频率基本上是重合的，并且复合度相当好，就回到了一个问题就是，新能源机组的机端频率和电网频率是相同的，这个阶段也是困扰了很多人。但是从右边图可以看到，机端频率相同，但是设备采到的不一定准确，因为你锁相环锁相方式和数据处理方式不同，可能产生你采到的频率精度是不一样的。比如右边采用方法A，就是A方式，就是用锁相环锁出来的频率，大概与真实频率相差能到0.015赫兹，因为火电的调频死区才0.33，用方法B精度就比较好，相差精度0.002、0.001的样子。
我们对比了一下锂电池方案和超级电容方案在日调频工况下的一个不同，单机调频的曲线设置频率死区在正负0.03赫兹的时候，他一小时的调频次数大概几十次、上百次的样子。光伏馈线的调频性能，是有16各位改造的光伏逆变器、有4个改造以后的，在夜间他的调频性能是比较好的，说明了改造以后具备调频性能的光伏逆变器在多机并联情况下他是可以正常运行的。日间调频的曲线，因为日日间光伏的发电功率比较大，所以调频的功率淹没在了蓝线中，我们看蓝线细节可以看到功率曲线上有功率突然降低的点，这个是储能在调频过程中吸收功率或者放出功率时候对直流母线电压可能会产生一些扰动，造成了光伏发电的一些降低恩，但是在后续我们的优化过程中，已经把这个问题解决了。
这个是超级电容的一个调频曲线。从第一张图可以明显看到，在一小时之内超级电容充放电两次，并且它在充电的过程中或者充电没充满的时候他是不调频的，所以说超级电容这个方案它的调频次数是比较少的。右边的图是超级电容单机调频的一个过程，可以看到，它充满一次电，大概在电网正常运行的时候也只能支撑2分多钟，就是在电网发生大的频率偏差的时候，特可能一分钟或者15秒，他的时间比较短。
这是一个调压的现场测试情况，调压侧就是在Q轴电流加了一个和电压相关的量。从下面这张图可以看到，他改造后的单机调压性能是具备的。从右边那个图，他是在持续运行工况下，无功和机端电压的一个曲线，他有一个相当于振荡篮球过程，所以我们觉得这种功能放在微网里是可以的，可能放在大电网里需要持续优化。
下面我们主要关注了一下电池的运行情况，因为光伏直流侧加装储能以后，其实储能是作为光伏的一个设备在运行，他是作为一个整体，要是储能BMS报出了一些故障，光伏系统要整体停机的，所以对储能的运行情况、对光伏发电有非常大的影响。
我们在实验之前首先统计了一下四个储能单元它从2016年底到今年7月份历史运行的充放电量，右边这个条，我们可以看到，因为调频死区设的比较大，他的充电量，尤其第二个充电199、放电11.26千瓦时，他的充电量是远大于放电量的，这说明了在调频死区比较大的情况下，这个储能其实是在一个静置备用的状态，他充了这么多电，其实是负反应的情况损失掉了，这个对电池有什么进一步的影响，我们需要进一步的研究。
因为电网的故障是不容易遇到的，所以我们想到了，改变设备的调频死区来看一下它的单机调频性能，我们将死区设为正负0.01、0.02、0.03、0.05恩，发现在0.01—0.03的调频死区情况下，系统今天调频的次数大概在1600次—2500次的范围。统计了一下不同调频死区锂电池的充放电，发现在0.03赫兹这样一个调频死区的设置情况下，锂电池日循环次数大概是0.67次，在0.01赫兹的时候他的日循环每天充放电量大概1.4次循环，因为他是一个调频的工况，这么大的一个循环次数是不是对电池本体有进一步的影响，我们也需要进一步的研究。
统计了一下在运行期间的故障情况，我们发现在5—7月份，改造后的光伏发电系统，累计逆变器故障231次，主要是直流接地，可能是改造过程中对逆变器的一些绝缘出现了问题。VSG故障，就是和储能相关的故障，可能大概在69次。
在测试过程中锂电池会经常出现低温或者SOC或者电池不一致的情况，然而超级电容他的运行状况一直非常好，超级电容基本上是一种不用维护的状态，所以说虽然锂电池一个比较好的调频方案，但是运行的稳定性和这种维护频次，对他的实用性也是非常明显的。
做一个总结，大概三点：第一，方案可行性，光伏直流侧加装储能是光伏参与电网一次调频的一种可行方案。锂电池储能系统与超级电容在响应时间、控制精度方面均可胜任一次调频需求，其中在经济性、支撑时间、调频策略等方面，锂电池优于超级电容，但锂电池需要提高运行可靠性。第二，光伏发电在光伏直流侧加装储能，参与电网调频，并不影响光伏的正常发电。第三，频率及锁相，不同的锁相技术采集到的精度不同，在实际应用和推广过程中需要进一步的论证。
谢谢大家！
