2023年10月16日-19日，2023北京國際風能大會暨展覽會（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京，聚焦中國能源革命的未來。

本屆大會以“構筑全球穩定供應鏈 共建能源轉型新未來”為主題，將歷時四天，包括開幕式、主旨發言、高峰對話、創新劇場以及關于“全球風電產業布局及供應鏈安全”“雙碳時代下的風電技術發展前景”“國際風電市場發展動態及投資機會”“風電機組可靠性論壇”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”主題論壇上，中車山東風電有限公司高級工程師劉瑩劉瑩發表了題為《面向風機集群調頻調峰需求的混合儲能及其能量管理系統研究與應用》的主題演講。

以下為發言全文：

大家好，今天下午帶給大家的課題是面向風機集群調頻調峰需求的混合儲能及其能量管理系統研究與應用，分享分四個方面，第一個是調頻技術的發展背景，第二個是風機調頻技術的應用現狀，第三個根據傳統的調頻技術帶來的解決方案，第四個針對未來的總結和展望。

首先隨著新能源滲透率的持續提升，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險逐步的增大，新能源對于電網的弱支撐性和低抗擾動性造成以上兩個電網安全的本質原因，在這里跟大家介紹一下抗擾動性是什么意思，就是電網在一定區間內發生擾動的時候，風機對于電網不脫網性，目前風機抗擾動性通過故障電壓穿越改造已經逐步解決，更突出的問題聚焦在弱支撐性上，新能源對于電網的支撐性主要體現在慣量、調頻、調壓功能上，通過這個表格對比可以看得出來，新能源相較常規機組還是有較大的差距的。

風機接入系統調頻面臨的問題有以下幾個方面，首先第一調頻資源受限，新能源接入到電力系統之后，它肯定會擠壓到常規的傳統的調頻資源，比如說像火力發電機組，空間受限之后，對于電力系統的支撐作用就會受到能力的影響。第二個方面是響應速度慢，針對傳統火力發電機組來講，目前大規模風電機組接入到電力系統，相較分散式接入有更強的波動性和隨機性，傳統的火力發電機組具有響應速度慢的問題，面向新能源變化速率難以跟蹤，所以這是響應速度慢。第三是系統解耦，主要講風力發電系統和電網的解耦，風力發電系統通過快速變頻裝置接入到電網，轉子轉速和電力系統沒有一個直接的聯系，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，穩態頻率逐步下降，從左下角藍綠色的曲線可以看得出來，這是新能源的滲透率達到40%到50%的時候，穩態區間已經接近49赫茲，第二個圖可以體現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，還有穩態頻率的逐級下降，綜合以上風電接入電力系統，調頻帶來的影響是比較大的。從2020年執行的國標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電機一致，隨后各地的能資源管理部門和電力調度部門發文明確要求并網新能源場站具備一次調頻能力，新能源場站逐步正在開展關于調頻的入網整改，2021年國家能源局發布的并網電源主體輔助服務的文件里面也講到，對于一次調頻會進行一個明確的政策補償，所以新能源參與系統調頻增加穩定這個調節能力具有一個重要的工程價值和經濟價值。

第二個方面是風電領域的調頻的應用現狀，目前是依賴于傳統的風電機組的調頻手段，是有四個手段，第一是槳距角控制，第二是轉子轉速控制，第三是虛擬慣量，第四是結合以上三種控制多種策略的協調控制，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，核心主要就是預留備用，當系統整體的頻率下降的時候，為了增加風電機組的出力響應頻率的變化，會減小槳距角來支撐整體系統響應的頻率，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濟性比較差一些，主要適用于常年限電的區域，第二以后它需要控制槳距角槳葉的變化，所以響應速度會非常慢，還有葉片的變動，會對于機械損失帶來一個磨損。

第二個控制是轉子轉速控制，當系統的頻率降低的時候，風機會釋放轉子動能，這個地方類比于傳統同步發電機，它就會存儲的轉子的動能，頻率頂峰的時候就需要釋放轉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速的時候，存儲的動能會比較小，所以它的調頻能力就會比較受限。第二個方面是在參與調頻之后，如果轉速需要恢復，它需要一個高長的恢復時間，會對電網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機的功率調整和控制里邊，類似于傳統發電機傳統慣性的效應，最終實現調頻和調壓的功能，它主要問題也是，當轉子轉速回歸到最大風速跟蹤，也就是MPTT控制的時候，風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調控制，風機在不同風速的時候會有不同的穩定狀態，結合這個曲線給大家介紹一下不同頻率支撐的策略，首先粉色的區域是低風速區，就是啟動區，這個時候風機是小于切入風速的，風機正在啟動過程中不參與整體系統頻率調整的，黃色區域是最大跟蹤區，主要是通過轉子轉速調整來捕獲風能，第三個轉速已經達到最大了，轉速已經恒定了，風速還沒有達到最高，在風速持續上升，這個時候功率和風速是正相關，可以有效參與調頻過程，藍色區域是一個高風速區，就是恒功率區，就是達到了最大功率區，這個階段如果需要參與啟動調頻，就需要槳距角動作參與到調頻過程中。

以上匯報了幾種基于風機自身能力的調頻的方式和相關的問題，總結來看主要是以下幾個方面，第一是經濟性差，經濟性差主要體現在預留備用槳距角控制方式上，第二支撐時間短，風機尤其是轉子轉速參與動態的頻率響應的時候，存在一個支撐時間短的問題，第三是響應速率慢，第四是控制復雜，存在附加的控制手段，壽命折減，因為它是基于風機本身頻繁槳距的調整，對風機的壽命進行一定的折損。

綜合以上不同的風速導致風機有不同的功率狀態，參與調頻的程度也會不同，每一種單獨的控制策略對于系統調頻的范圍比較小，面對復雜系統調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頻，與傳統的調頻方式相比，儲能可以瞬間釋放大量的能量，對于參與系統調頻和平抑風電的波動非常有利，主要是通過在風機風電系統頻率下降的時候，通過釋放能量的方式來支撐系統頻率，我們選取了幾種典型的儲能的代表做了一些參數的介紹，以能量密度型為代表的電化學，單體容量比較大一些，響應時間也是在毫秒級，不足的是循環壽命有限，3000到6000次，我們現在配置的電化學儲能，風機整體壽命是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儲能和飛輪儲能互補的方式，因為頻率是要求瞬間響應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速率慢，這個相應速度要比電化學儲能更快一些，它是適合于高頻的頻率響應的場景，最大的優勢是循環壽命能超過一百萬次，另外它這個壽命周期也比較長，長達30年，它可以對于一些高頻調頻的場景中，可以替代電化學儲能進行一個優先調頻的方式，對于一個功率缺口的時候，我們可以電化學作為一種彌補。

基于以上分析，我們帶來了解決方案就是混合儲能參與調頻，就是電化學儲能和飛輪儲能的方式，混合儲能的優勢主要體現在以下幾個方面，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，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，即使其中一種技術出現了故障或者失效情況，其他技術可以彌補，從而提高了穩定的可靠性和穩定性。第三個靈活性更高，在面向不同的調頻調峰場景的時候我們可以調用不同的儲能方式參與到系統中，壽命更長，也是基于靈活性方面上，兩個方面的優勢互補，在不同場景中調用不同的儲能形式，會增加整個系統的壽命。

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的研究，第一個方面是混合儲能系統的容量配置，第二個是風儲系統如何優化協同的，第三風儲系統控制策略是怎樣的，首先第一個方面容量配置我們建立了一個數學模型，力求基于不確定性的配置和比例，面向不同的調峰調頻的需求，以混合儲能的成本和儲能的充放電次數，最小為目標函數，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分鐘之內的并網功率的波動量和秒級頻率調整的約束等受這些約束，建立了一個混合儲能系統優化多目標混合模型，最終通過數學尋優會得到一個優化解，這個地方我們沒有給出一個結論，第一個是場景不一樣，比如我們面向是什么樣的需求，第二電化學和飛輪儲能的性能也不一樣，第三個約束函數各地也不一樣，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。

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

風儲系統控制策略是怎樣的，首先我們接受到電網需要調頻的指令的時候，頻率需要調整到什么幅度，通過控制理論得到有功響應量是多少，結合聯合混合儲能調頻控制系統進行風電系統和儲能系統優化控制策略，風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之間的功率是如何分配，最終是完成電網頻率的響應。

我們基于以上的研究開發了自己的混合儲能能量管理系統，這個系統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，下面簡單總結一下，這個系統關鍵技術一個是混合儲能技術，第二是數據采集和存儲安全隔離技術，采用先進的電力專用安全隔離技術網絡技術和數據通信等技術，能夠確保數據的準確性、安全性。第三面向風電和儲能電力電子技術和控制系統，主要是對于風儲系統進行快速、準確的調節和控制，另外兩個系統要數據打通，包括數據之間的調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，包括優化風電場整體運行調度和管理方面，如何充分響應調度指令，能夠滿足電網的要求，通過優化策略的實施可以提高風電整體利用率和電力系統的穩定性，這個系統應用效果首先是降低了棄風率，通過風電配儲技術可以減少因風速變化導致的棄風現象，平抑功率波動的問題，提高整體的風場利用率和經濟效益，穩定電網頻率這也是我們本次課題的核心，配合電網進行一個快速調頻，穩定了電網頻率。第三個方面是提升了主動支撐能力，儲能能夠快速的調頻并維持電壓的穩定，在頻率視角可以成功的提供毫秒級的綜合慣性，快速的響應電網電壓及頻率要求，減少電網的考核。第三延長了系統壽命，這幾項指標在視頻中已經介紹了不再展開。

對于剛才提到幾個傳統調頻方案和混合儲能參與調頻方案建設方案的對比，拿百兆瓦級風電場對比三種典型調頻方案技術和經濟性，首先第一種方面就是預留10%的功率作為一個備用容量參與調頻，從左下角圖中可以看到，紅色曲線是新能源不參與調頻，藍色曲線是百分之百機組參與調頻，綠色曲線是新能源采用方式一的方式去調頻，可以看得出來跟火電機組調頻的效果基本上相當，剛才講到它預留10%，比如我們是一個百兆瓦級別的風場，最大功率也就發到90兆瓦的功率，年損失900萬的費用。第二個方式是基于轉子轉速的控制，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整，也能看得出來頻率二次跌落的問題非常嚴重，但是經濟性比較好一些，它不需要太多的硬件的投入，只需要優化風機的軟件升級、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，也會導致一個脫網的情況。

第三個是配置10%的儲能，具體的電化學和飛輪的配比是8%的電化學，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年更換電化學組件的問題，沒有考慮電量增發的效益，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的調頻方式，我們可以提升41%的作用。

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

第一是功率協調控制，不可能采用一刀切的方式統一，比如說幾臺風機都是采用一個功率，給它進行頻率響應，我們必須得要以風速或者是轉速作為一個約束，作為一個參考量進行功率的協調，第二是轉速協調控制，剛才給大家匯報的時候也提到轉速響應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。第二還要考慮有功時延的問題，保證轉速能夠恢復到正常狀態下。第三個與電力電子器件協調配合，傳統就是風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。當前比較迫切的是研究自適應能力強、能夠解決實際調頻需求儲能配置方案與控制策略，在儲能調頻能力、價格、壽命中找到一個最優平衡點，使整個系統能夠有效的服務于整個電力系統。

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，儲能參與調頻大家也都很了解它對于電力系統有益的提升，作為我們這次匯報這個課題，目前是作為風機的整機商和自己集團下也有這種電化學儲能和飛輪儲能自研和設備生產能力，包括解決方案也是在集團內部，所以我們有一些大量的數據應用的基礎和未來的產業研究的團隊作支撐，所以可能未來我覺得電化學+飛輪儲能應用，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勢去開展這項工作的。

以上是我所有的匯報，謝謝大家！  

（根據演講速記整理，未經演講人審核）