侧写丨电池储能系统在电网事故中的瞬时响应、辅助调频价值体现

一份澳大利亚电网事故分析报告表明，在传统发电、风电、光伏、储能等多种电力系统构成中，储能发挥了功不可没的作用。

澳洲电网事故还原

当地时间2018年8月25日13:11:39，澳大利亚昆士兰-新南威尔士州330千伏输电线路的两条线路输电塔结构遭受了一次雷击，并触发了一系列反应，导致新南威尔士州两条输电线路都产生了故障。当时有870MW电力正从昆士兰州正向新南威尔士州输送，事故导致昆士兰州立即出现电力供应过剩、频率上升到50.9Hz，两秒钟后13:11:41，昆士兰州地区全面停电。

事故发生流程报告显示：昆士兰和新南威尔士地区之间的AC交流转换器失效，随后南澳大利亚（SA）和维多利亚（VIC）之间的AC交流转换器也失效。这两起事件导致维多利亚、新南威尔士和塔斯马尼亚的工业供电中断，以及新南威尔士的一些居民和商业用户供电中断。


基于详细的停电事故的起因以及电力系统的后续恢复性能数据分析结果，澳大利亚能源市场部认为危害电力系统的主要风险来自于频率恢复能力。与历史水平和世界其他电力系统相比，新南威尔士州的发电一次调频响应不足。

什么是调频

频率是衡量供给与需求匹配程度的指标。和我国类似地，新南威尔士州发电中的频率必须保持非常接近50Hz，以支持电力系统稳定运行。而且当地频率操作标准允许在不同级别上对可能发生的各种事件（包括意外事件和孤岛）存在细微偏差。

在世界各地的传统电力系统中，频率控制有三个不同的组成部分：

a）瞬时响应；

b）一次频率响应（10秒-30秒内）

c）二次频率响应（30秒-30分钟以内）

根据对频率干扰（如大型发电机停运）的潜在响应时间，这些反应和控制的示例如下图所示：


一次调频一般只能主动维持一小段时间，但足以待二次调频响应。二次调频通过集中和本地控制系统的协调将频率恢复到正常工作水平。在世界上大多数电网中，二次调频主要由集中自动发电控制系统（AGC）提供，该系统需要几十秒到几分钟的时间来恢复频率。

发电机组出力分析储能最给力

事故调查报告评估了所有注册发电系统对2018年8月25日发生频率响应的变化。事发时发电机组情况如下：


而事故发生后发电响应实际出力效果分析如下：

同步发电

在事故发生时，同步发电占新南威尔士州总发电量的96%。

在此事件期间，从同步发电中观察到的响应结果表明，除非启用调频辅助服务市场，否则许多发电机不再根据频率的本地变化自动调整输出，或仅在频率为在比历史上设置的更宽的波段（死区）之外。在这一事件中，缺乏响应成为导致控制电力系统频率失控的重大技术挑战，延迟了昆士兰与新南威尔士州的电力同步。

风力发电

在事件发生时，所有新南威尔士州地区的风力发电量较低，仅占总发电量的1.4%，限制了风力发电机组能力发挥。而且即使在当时运行的风力发电机中，也没有观察到有助于纠正频率偏差的情况。由于保护设置错误，南澳大利亚州的四个风电场的输出降至零。

大型光伏电站

大规模光伏发电量也较低，占全国总发电量的2.7%。它通常有助于降低南澳大利亚和昆士兰的电网频率，但不能帮助一次调频。

分布式光伏


事件发生时，南澳大利亚州用户侧分布式光伏总装机容量6278MW，其中有大约3096MW在事故发生时仍在运行。与大型光伏电站类似，分布式光伏组通常也是通过减少输出来协助调频管理，而由于此次事件中这些地区需要增加供应，所以分布式光伏也无法出力。对逆变器样品组件性能的详细分析表明：

–在2016年10月之前安装的采样系统中，约有15%在事故期间断电。

–在2016年10月之后安装的采样系统中，昆士兰州约15%、南澳大利亚州约30%的系统没有提供所需降低频率的服务。

电池储能

在事故发生的情况下，南澳大利亚州的大规模电池储能提供了多种服务，其价值得到体现，包括最初的一次调频，然后迅速从输出发电状态转换为负载，以阻止南澳大利亚州与维多利亚断网后的频率升高情况发生。

南澳大利亚州SA有两个输配电网络连接的电池储能系统，分别位于Dallymple和Hornsdale（特斯拉提供）。在事件发生时只有位于Hornsdale的容量为+100 MW/-80MW的电池储能系统在运行，并在事故发生时立即以-38 MW充电。

该电池的频率响应是一个简单的比例响应，当频率从50赫兹下降到49赫兹时，就需要将电池的输出增加至100MW。Hornsdale电池储能系统在此事件期间的频率响应如下图所示。


此次响应的结果与设计一致，既有助于阻止一次频率的下降，又有助于迅速将输出从发电切换回负荷，从而阻止在与维多利亚断网后南澳大利亚州电网频率升高的情况。

事实证明Hornsdale电池储能系统频率响应传递速度非常快，并确保响了频率调节，充分展示了其在电网侧的价值。


上图可看出当南澳大利亚州在与维多利亚 500kV电网断开时，南澳大利亚州电网立即逆转了频率下降趋势，并开始逐步增加。

下图显示了Hornsdale电池储能系统在此事件期间的长时间响应。当频率保持在其频率响应“死区”内时，电池遵循AGC设定点的变化。这些设定值是基于能源市场调度和调频辅助服务市场规则。当南澳大利亚州的中的频率超出其频率响应死区时，Hornsdale电池储能系统开始基于比例衰减提供AGC辅助调频服务。


下图受此次事故影响的三个地区对比可知，蓝色线配置储能系统的南澳大利亚州7秒内频率开始恢复、遭受事故影响较轻，报告分析结果也从侧面反映了储能系统在电网事故中强大的瞬时响应和辅助调频能力。