文贤馗，张世海，邓彤天，李盼，陈雯

（1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州省 贵阳市 550002；2.贵州电网有限责任公司研究生工作站，贵州省 贵阳市 550002；3.重庆大学能源与动力工程学院，重庆市 沙坪坝区 400044）

0 引言

频率是衡量电网电能质量的指标之一，必须通过各种手段调整电网频率保持在合格范围内，维持电力系统中发电设备和用电设备的安全稳定运行[1-2]。

随着新能源发电规模越来越大，其发电间歇性和波动性甚至反调节性问题越来越突出，迫切需要行之有效的技术方案来解决新能源大规模并网后带来的电网调峰调频问题[3-5]。传统电网中水力发电和火力发电机组作为主要的调峰调频电源，通过一次调频、二次调频等方法，根据系统频率变化不断改变机组出力。但是，受自身发电特性限制，它们各自存在一定的局限性，影响电网频率的调节品质甚至安全稳定运行。比如火电机组锅炉燃烧过程响应时滞长，而水电机组受枯汛期季节和水库水头影响较大；火电机组一次调频性能受锅炉蓄热等问题限制，甚至存在未达到一次调频理论调节量问题[6]；二次调频量受火电机组爬坡带负荷速率和各类调节延时的影响[7-8]。

大容量电力储能技术具有调节范围大、快速响应、精确跟踪、可双向调节的特点[9-10]，美国西北太平洋国家实验室的研究报告指出[11]：具有快速调节能力的储能技术能够更有效地提供调频服务；根据California电力市场的电源特点，平均来看，电化学储能调频效果是水电机组的1.7倍，是燃气机组的2.5倍，是燃煤机组的20倍以上。因此大容量电力储能比传统调峰调频手段高效，是解决该问题的有效途径[12]。

1 大容量电力储能类型及电网调峰与调频

1.1 大容量电力储能类型

电力储能按照转化存储具体方式可分为电化学、机械、电磁三大类型。其中电化学储能主要指各类蓄电池；机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；电磁储能包括超导磁储能、超级电容器储能[13-17]，主要技术指标具体见表1[18-19]。

从表 1应用场景可以得知，容量能够达到5 MW 以上，能够在电网中起到削峰填谷、系统调频作用的有电化学(蓄电池)储能、抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能。

1.2 电网调峰与调频

电力系统的频率反映了发电有功功率和负荷之间的平衡关系，是电力系统运行的重要控制参数，偏离电网正常运行频率，将影响电力设备本身的效率，偏离较多时甚至威胁设备安全运行。

表1 典型储能方式的主要技术指标Tab. 1 Main technical parameters of typical energy storage

电力负荷在一天内是不均匀的，中午和晚上出现2次尖峰负荷，深夜则为用电最少的低谷负荷，如图1所示。由于电能不能储存，每当用电高峰时，总是用增加发电机组出力或限制负荷的办法来满足需要。而在每天后夜用电很少的时候，又总是减少发电机组的出力，保持发电、输电和用电之间每时每刻的平衡，使供电的频率质量在合格范围内。这种随时调节发电出力以适应用电负荷每天周期性变化的行为，称为调峰[20]。

图1 典型日内小时负荷特性图Fig. 1 Typical grid load in 24 hours a day

调频主要有一次调频和二次调频2种方式：一次调频是系统频率偏离标准值时，利用发电机组调速器作用，按照系统固有的负荷频率特性，调节发电机组出力的方式。二次调频是指移动发电机组的频率特性曲线，即改变发电机组调速系统的运行点，增加或减少机组有功功率，从而调整系统的频率[21]。

因此，参与电网调峰调频主要指标是储能的功率调节范围和响应速度(响应时滞、响应时间和爬坡速率)。

2 大容量电力储能参与电网调峰调频特性

2.1 电化学储能

在电网大规模应用的电化学储能主要包括铅酸、锂离子、钠硫和全帆液流等电池储能，种类众多，各具优点，技术特性指标见表2[22-23]。

以上电化学储能虽在运行机理和技术成熟度都存在差异，都属于化学能与电能的可逆转换，较易实现大容量储能，在电网中的调峰调频作用相似，因此统一进行综述。

表2 大规模电化学储能主要技术指标Tab. 2 Main technical parameters of large-scale electrochemical energy storage

利用大容量电化学储能改善电网一次调频性能方面，文献[24]提出了基于固定斜率、考虑一定一次频率控制死区的下垂控制策略，文献[25]提出了融合考虑电网频率变化速率、频率偏差的控制策略，均取得良好效果。

二次调频方面，2011年国家风光储输示范工程(一期)分别进行了储能电站跟踪智能电网调度控制系统和华北网调下发的调频功率测试，电池储能电源能快速精确地跟踪指令[26]。储能系统装设在发电厂以辅助单台或多台火电机组参与自动发电控制(automatic generation control，AGC)调频，在调节延时、超调、反调等情况下执行不同充放策略[27]。文献[28]提出使用ACE信号的储能电源控制方式。电化学储能还能以电动汽车-电网互动(vehicle to grid，V2G)参与电网二次调频，文献[29]提出了一根据车辆的可用容量按比例分摊总的响应功率的控制策略。

电化学储能国内以以下5处大容量储能电池的示范工程为代表，并各具特色。南方电网深圳宝清储能电站[30]是国内首座MW级储能电站；中国电科院张北风光储基地[31]除了建设磷酸铁锂、全钒液流、钠流电池等多种电化学储能，还建设超级电容器，并规划建设压缩空气储能，是目前国内储能类型最齐全的示范基地；上海漕溪能源转换综合展示基地[32]是在市中心繁华地段建设的大容量多类型储能电站；北京石景山热电厂锂离子储能电池电网调频系统[33]依靠储能系统提升传统热电机组的调频能力；江苏镇江电网侧储能电站包括8个储能站，总容量达20.2万kW⋅h，是目前国内最大的电网侧储能电站。

综上，电化学储能在电网调峰调频中的应用最为广泛，覆盖了电厂侧、电网侧和用户侧，有着运行控制简单、可以实现无人操作、系统充放电响应快速、充放电调节范围可以达到全容量内而没有限制等特点，近年得到了大规模推广应用，在一二次调频和系统调峰各方面都有较多研究和应用。电化学储能通过电力电子装置接入电网系统，存在没有转动惯量的缺点，需要辅助虚拟同步机等技术提高系统调峰调频的稳定性。

2.2 抽水蓄能

抽水蓄能机组最初是为了和核电配套运行，起到电网消峰填谷的作用[34]，系统配备上、下游2个水库。在负荷低谷时段，抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存。在负荷高峰时，抽水储能设备工作于发电机的状态，将储存在上游水库中的水放至下游水库发电[35-36]。

随着电力电子技术的发展，抽水蓄能电站的启动运行方式也逐渐转变为变频调速启动。这使得抽水蓄能机组的启动速度进一步提升，运行工况的变化更加灵活[37]。

但抽水蓄能机组参与调峰调频的负荷受到蓄能机组运行状态限制，不能在额定输出功率范围内双向随意调整。这是由于水电机组偏离设计工况、在某些运行区间会引发机组振动变大，称为水电机组“振动区”。不但会加大水轮机叶片损耗，振动过大甚至会造成机组机械部分和厂房基础设施损坏，要避免机组在振动区运行，需对输出功率进行限制，不能全过程调节[38-39]。由于抽水蓄能机组出力调节过程中导叶开度的变化，其水力系统中产生水压变化，出现水锤[40]。水锤现象加剧了抽水蓄能机组出力调节的复杂性。

抽水蓄能机组参与电网一次调频，文献[41]采用鲁棒控制方法，基于系统整体状态方程，并以输入信号权重的形式考虑风电出力波动特性，有针对性地对风电出力波动进行调节抑制。

参与电网二次调频运行，文献[42]采用由快速阶跃调整与慢速连续调整2种类型的调控手段组成的新型频率控制系统，于广东电网进行了现场实验。在 2台抽水蓄能机组的参与下，广东电网频率在 3个负荷急升急降段内能够被控制在±0.03 Hz之内。在区域负荷频率控制方面，文献[43]通过模糊逻辑控制器可以改善二次调频的动态响应。

抽水蓄能电站在发电释能阶段就是一台水力发电机组，技术最为成熟，机组容量在各种电力储能类型中为最大，调整负荷速度较快，需考虑“振动区”限制不能实现全容量范围调节，提供转动惯量，是电网重要的调峰调频手段。

2.3 飞轮储能

飞轮储能系统主要由高速飞轮、电机、电力电子设备、轴承系统等组成[44]，在电网负荷处于低谷时，系统作为电动机拖动飞轮， 将电能转换为动能；在用电高峰时，飞轮拖动机组作为发电机将动能转化为电能[45]。飞轮储能除了能够单台应用，还可将多台飞轮并联运行，以获得更大的存储容量[46]。飞轮储存参与调峰调频的功率等于系统有效能量，可用下式[47]来表示：

文献[48]试验研究表明，相同装机容量下，使用飞轮储能技术的电网调频与传统的火电、水电相比，能够获得2倍的效益，即1 MW的飞轮调频性能可以取代2 MW的传统火电(水电)调频。此外还有储能密度高，瞬时功率大，转化效率高[49]等特点。

美国的Vista Tech Engineer公司将飞轮引入风力发电系统，风电机组的输出特性得到了较大改善，经济性能良好[50-51]。文献[52]利用飞轮储能辅助风电场参与电网的一次频率控制，得到了较好的效果。

飞轮储能的特点是瞬时功率大，但是由于要维持旋转，自放电率高，需要在具备频繁在储能/释能工作状态中切换才能维持较高的转化效率，这在电网一次调频中有较多的应用场景。

2.4 压缩空气储能

压缩空气储能种类很多，我国主要开展非补燃式压缩空气储能[53-54]，目前建设的示范工程有安徽芜湖500 kW机组、河北廊坊1.5 MW机组、贵州毕节10 MW机组，均采用多级压缩放热和多级膨胀吸热[55]。在电网电量过剩时，启动压缩空气储能过程，消耗电能驱动压缩机运行，空气经多级压缩后进入压缩空气储气罐；电网电量紧缺时，启动膨胀机发电过程：储气罐内的高压空气进入膨胀机进行多级膨胀，驱动膨胀机旋转，经减速后驱动发电机发电[56]。国外投产的2座压缩空气储能电站都采用了补燃式，空气压缩过程相同，只是在发电释能的阶段加入了燃气燃烧过程。

压缩空气蓄能机组启动快，对电网调峰调频响应较为迅速，美国Alabama州McIntosh压缩空气储能电站1991年投入商业运行，属于补燃型压缩空气储能，机组从启动到满负荷为 9 min[57]。日本于 2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目，启动到满负荷时间为 210 s[58]。SustainX公司的1.5 MW商业原型机储能响应时间小于13 s。

补燃型压缩空气储能因为要补充燃气进行燃烧，在调峰调频性能上接近于燃气轮机。我国的非补燃式机组还没有真正意义上的接入电网参与调峰调频运行，也未见相关研究文献。但其调节容量可以做到较大(目前已在开展 100 MW 前期工作)，调节速度较快，可以做到全容量范围内调节，提供转动惯量等优点，在电网调峰调频中有很好的应用前景。

2.5 大容量电力储能调峰调频特性比较

以上各种大容量电力储能均具有功率调节范围大、响应速度快、具备双向调节等特点，但也各有特色，具体特性比较见表3。

表3 大容量电力储能调峰调频特性比较Tab. 3 Performance of peak regulation and frequency adjustment

3 研究发展趋势

通过以上分析可知，各种大容量电力储能的调峰调频性能研究程度不尽相同，随着新能源的接入越来越多，大容量电力储能的应用需求也越来越多，其参与电网调峰调频技术还有很大的研究前景和发展空间。

1）加快对压缩空气储能技术和飞轮储能的研究。目前对抽水蓄能和电化学储能参与电网调峰调频的研究较多，已有不少的工程应用，而对于压缩空气储能和飞轮储能目前研究还多在本体系统的热力性能、转化效率方面。

2）加强储能阶段调峰调频特性的研究。目前研究主要在发电释能阶段如何参与电网一二次调频和调峰运行，而对于储能耗电阶段的研究较少，特别是随着变频技术在水泵抽水蓄能、压缩机压缩空气阶段的应用，其参与电网的用能负荷可以进行调节，进而提高电网的调峰调频能力。

3）开展对多种储能技术联合互补运行的研究。各种大容量电力储能技术各有特点，而电网也有不同的应用场景，因此开展多种技术联合互补运行则可以扬长避短，充分发挥各种储能技术的优点，满足电网调频功率调节范围和响应速度的综合要求。

4）加快降低储能成本和补偿机制研究：目前各种大容量电力储能成本较高，已成为在电网大规模推广运用的最大瓶颈，补偿机制不完善也限制了发展，应开展相关研究实施，通过经济杠杆可以推动大容量电力储能在电网调峰调频中发挥更大的作用。

4 结论

能够在电网起到削峰填谷、系统调频作用的大容量电力储能有电化学(蓄电池)储能、抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能4种类型，具有功率调节范围大、响应速度快、具备双向调节等共同特点，也各有特色。下一步应加强对压缩空气储能和飞轮储能调峰调频特性、储能阶段调峰调频特性、各种储能技术联合互补运行、降低储能成本和补偿机制研究，推动大容量电力储能在电网调峰调频中发挥更大的作用。