2023电网储能系统安全并网控制技术

壹 研究背景目录CONTENT

贰 研究现状叁 研究内容Part01研究背景研究背景2022年1月29日，发改委、能源局联合印发《“十四五”新型储能发展实施方案》，设定了新型储能的发展目标。2022年4月2日，能源局、科学技术部发布《“十四五”能源领域科技创新规划》，提出要加快战略性、前瞻性电网核心技术攻关，支撑建设适应大规模可再生能源和分布式电源友好并网、源网荷双向互动、智能高效的先进电网；突破能量型、功率型等储能本体及系统集成关键技术和核心装备，满足能源系统不同应用场景储能发展需要。2022年6月7日，发改委、能源局联合发布《关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知》，通知指出要建立完善适应储能参与的市场机制，鼓励新型储能自主选择参与电力市场，坚持以市场化方式形成价格，持续完善调度运行机制，发挥储能技术优势，提升储能总体利用水平，保障储能合理收益，促进行业健康发展。除了国家层面，各地方也接连发布支持政策。仅6月份，国家及地方共发布了54条储能相关政策，其中地方性的储能政策发布了48条，主要涉及储能补贴、储能装机规划、储能设施建设等方面。

2022上半年电化学储能应用场景分布表2022年上半年并网、投运的储能项目66个，其中有51个电化学储能项目。而去年上半年投运48个储能项目，包括47个电化学储能项目和一个抽水蓄能项目。今年上半年投运的项目个数同比增长37.5，其中抽水蓄能项目投运个数有着显著提升。研究背景顶层设计

《关于加快推动新型储能发展的指导建议》《“十四五”新型储能发展实际方案》

实施方案

调度运用

《关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知》新型储能政策体系《新型储能项目管理规范（暂行）》

项目管理

并网协议

《电化学储能电站并网调度协议（示范文本）》《电力并网运行管理规定》、《电力辅助服务管理办法》

辅助服务研究背景虽然储能发展逐步进入快车道，但储能安全也不容忽视。据不完全统计，从2011年至2021年9月份，全球储能安全事故已发生50余起，储能运行安全问题成为全球共同面对的难题。国家相继出台了多项储能电站技术标准，对储能电站相关方面都有了初步的规定，但对于并网调控层面的规定仍然模糊，制约着储能电站的标准化建设和应用。通过建立储能电站安全指标体系全面反映储能电站真实并网特性，客观评价储能电站并网情况，保障并网安全可靠运行，同时为储能电站在电网侧大规模推广应用提供数据支撑。Part02研究现状基于机器学习老化模型经验/半经验模型解析模型老化行为模型数据驱动模型等效电路模型电化学模型集总参数热模型分布参数模型热学行为模型锂离子电池作为一种复杂的电化学系统，其电、热、老化行为特性为存在非线性耦合特点。尽管有文献对这三种行为特性展开的深入的研究，并建立了丰富的数学模型，但是这些模型尚有基于机器学习老化模型经验/半经验模型解析模型老化行为模型数据驱动模型等效电路模型电化学模型集总参数热模型分布参数模型热学行为模型锂离子电池作为一种复杂的电化学系统，其电、热、老化行为特性为存在非线性耦合特点。尽管有文献对这三种行为特性展开的深入的研究，并建立了丰富的数学模型，但是这些模型尚有较大改善空间，无法同时考虑电池内外特性变化影响。电池模型电学行为模型电池模型电学行为模型 理论研究 对于电化学储能电站，评价指标体系还没有系统建立起来。目前状态评价技术的相关开发研究工作主要集中在两方面，一是直流侧电池本体的评测，一是交流侧电气参数从调度管理验收角度进行储能电站在建设各环节的整体评价研究较少。国家标准GB/T36547-2018《电化学储能系统接入电网技术规定》都是按照电力系统中的电气装备要求的，没有涉及并网时电网安全参数。国家标准GB/T36558-2018《电力系统电化学储能系统通用技术条件》规定了储能电站的环境指标，没有考虑储能电站性能非线性衰减问题。国家标准GB/T36549-2018《电化学储能电站运行指标及评价》标准中的电站运行小时数、电站等效利用系数的运行指标及评价主要用于削峰填谷、新能源出力平滑等额定工况，没有考虑惯量、一次调频和动态调压等稳定支撑功能。工程应用工程应用单个电芯的电压、温度和电池状态均能实现在线监测。单个电池簇平均电压、最高电压、最低电压、平均温度、最高温度、最低温度、SOH等电池外特性参数均能在线监测SOC估算 BMS主要采用安时积分法进行计算SOH估算 以3000次循环充放电作为一个寿命周期进行计算内特性参数 无法实现内特性参数在线监测

新型SOC计算方法SOH综合评价策略实现内特性参数监测Part03研究内容研究内容基于锂离子电池内部老化机理建立储能系统安全控制理论体系，以电池建模、参数辨识、锂离子电池老化机理分析等理论为基础，开展储能系统锂离子电池单体及电池簇的非线性行为描述、参数及状态估计、电网对储能电池影响、故障诊断等方法研究，以确保锂离子电池储能系统安全、可靠、高效运行。✌不同电网环境下对电池外特性影响研究✌基于电池模型对锂离子电池内特性参数进行辨识✌通过锂离子电池内外特性参数变化对其健康状态进行综合评估✌形成了基于锂离子电池行为机理分析的储能系统安全控制理论体系研究内容 网压不平衡对直流侧的影响及其控制策略储能系统并网拓扑结构电网电压不平衡下系统的控制结构

①电网侧有功功率②直流侧电压波动幅值④直流侧电压波动幅值直流侧电压二倍频波动随不平衡度和参数k变化三维图

电网侧有功功率二倍频波动随不平衡度和参数k变化的三维图

⑤直流侧电压仿真对比结果研究内容 电网对储能电池的影响分析研究锂离子电池等效电路模型

不同二倍频电流下电池电压和温度变化曲线

不同二倍频电流下电池最大容量和欧姆内阻变化曲线

不同二倍频电流幅值下电池内外特性变化曲线电流中的二次谐波分量对锂离子电池寿命影响的重要因素是充放电状态期间的电流平均值。锂离子电池的电压和温度都随二次谐波分量幅值的增大而增大，但当二次谐波分量幅值小于直流分量时，影响效果并不显著。当 时，电流中的二次谐波分量对电池寿命的影响不显著。当 时，电流中的二次谐波分量可以减缓电池的老化。当 时电流中的二次谐波分量幅值会加速电池的老化。应用：基于这三个区间可为在工程应用中优化储能系统与电网交互影响下锂离子电池安全运行区间提供了参考，降低储能直流侧滤波器成本。研究内容 基于锂离子电池模型进行内特性参数辨识电池老化过程中，容量整体呈现减少趋势欧姆内阻、极化内阻等能反映电池内部变化机理的内特性参数呈现整体增长趋势。

欧姆内阻：欧姆内阻主要是指由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。极化内阻：极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学极极化和浓差极化引起的电阻。不同充电深度循环老化过程中的内特性参数变化

不同放电倍率循环老化过程中的内特性参数变化

特性……

SEI膜厚度离子嵌脱……

二阶RC等效电路模型SOH为储能电池健康状态利用输入与内外特性参数建立函数确定注：本页演示文稿中图片1、2选自《纪常伟等：动力锂离子电池老化速率影响因素的实验研究》研究内容 结合锂离子电池内外特性参数变化进行综合评估电池组的不一致性实验实验平台图

电压电流 康温度

欧姆内阻等内特性参数......荷电状态SOC研究内容 基于锂离子电池行为机理分析的储能系统安全体系研究内容研究储能电站相关的并网安全指标，一方面，不对称故障下并网变流器的控制已有大量研究，但兼顾并网标准要求和并网变流器交直流侧运行性能的研究还鲜有报道。另一方面，为了保证电网在不同扰动下安全稳定的同时，储能系统在考虑自身是否适合本次调频任务的基础之上友好的参与电网一次调频是尤为重要的。✌研究储能电站并网相关的安全指标✌提出考虑无功支撑、PCS运行性能等要求多变量协同保护的PCS故障穿越策略✌建立区域电网参与调频各组成部分包含储能系统在内的动态模型，提出采用模糊层次综合评价方法对储能电池组进行调频状态评估，提出一种储能参与调频优化综合控制策略研究内容 储能电站并网电能质量指标不同频率下并网谐波含量

频率范围并网要求＜49.0Hz根据储能电站逆变器允许运行的最低频率而定频率范围并网要求＜49.0Hz根据储能电站逆变器允许运行的最低频率而定49.0Hz≤f≤50.5Hz可并网运行＞50.5Hz不允许处于停运状态的储能电站并网奇次谐波畸变限值3次到9次＜4.0%11次到15次＜2.0%17次21次＜1.5%23次到33次＜0.6%偶次谐波畸变限值偶次谐波畸变限值2次到8次＜1.0%10次到32次＜0.5%研究内容

10KV储能电站在并网切换到调频工况状态储能电站并网切换到调频时增加负载之后，储能电站进入调频运行工况，根据测量到的电网频率变化得到相对应的有功功率缺额，生成储能电站的有功功率的给定量，控制储能电站增大输出电流，增加输出功率，维持住了电网的频率稳定。

（a)电压电流波形图 （b)频率变化图 （c)功率变化图并网/调频工况切换当PCC点频率不满足处于50±0.03Hz范围内判断储能电站是否进行调频，进行并网调频切换。在工况发生之后，忽略控制器件等影响，负载侧电压不变，电流增加，调频稳定后，有功功率偏差不得超过额定功率的±1。研究内容 考虑多变量协同保护的储能变流器故障穿越策略考虑到发生电网不对称故障的场景，课题组结合之前的指标研究，提出一种PCS多变量协同保护策略。该策略在柔性控制策略的基础上，以无功支撑为首要目标，PCS运行性能为约束条件，构建了无功功率关于柔性控制参数k一元函数和有功功率安全运行区域。进一步可解得满足要求的取值范围，随后根据系统的要求选取合适的值和此值对应的功率参考值进行控制。

参数及单位取值PCS额定功率/kVA参数及单位取值PCS额定功率/kVA50储能系统内阻/W0.05直流侧电压/V700电网额定电压/V311直流侧电容/mF5000滤波电感/mH1.5滤波电容/mF10研究内容

储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略基于前述对于调频时安全指标的研究，课题组开展了关于储能电站安全参与电网一次调频的优化控制策略的研究。首先结合一致性影响因素、电池单体性能影响因素和调频能力影响因素，对各储能电池组进行调频状态评价，响应电网频率波动时，将评价得分高的储能电池组投入工作。再根据储能电站根据频率偏差及频率偏差率，虚拟惯性控制和虚拟下垂控制2种控制相互配合最终实现频率的快速恢复。为了评价本策略参与电网一次调频的效果，在分析幅频特性的基础上得出时域评价指标。在阶跃负荷扰动的工况下，该文主要提出4个关键评价指标，分别为扰动后的稳态频率偏差、最大频率偏差、调频完成时间和调频峰值时间，稳态频率偏差代表调频的最终效果，最大频率偏差代表