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側寫丨電池儲能系統在電網事故中的暫態回應、輔助調頻價值體現

2019.8.6 新聞中心 8/6每日新

一份澳大利亞電網事故分析報告表明,在傳統發電、風電、光伏、儲能等多種電力系統構成中,儲能發揮了功不可沒的作用。

澳洲電網事故還原

當地時間201882513:11:39,澳大利亞昆士蘭-新南威爾士州330千伏輸電線路的兩條線路輸電塔結構遭受了一次雷擊,並觸發了一系列反應,導致新南威爾士州兩條輸電線路都產生了故障。當時有870MW電力正從昆士蘭州正向新南威爾士州輸送,事故導致昆士蘭州立即出現電力供應過剩、頻率上升到50.9Hz,兩秒鐘後13:11:41,昆士蘭州地區全面停電。

事故發生流程報告顯示:昆士蘭和新南威爾士地區之間的AC交流轉換器失效,隨後南澳大利亞(SA)和維多利亞(VIC)之間的AC交流轉換器也失效。這兩起事件導致維多利亞、新南威爾士和塔斯馬尼亞的工業供電中斷,以及新南威爾士的一些居民和商業用戶供電中斷。


基於詳細的停電事故的起因以及電力系統的後續恢復性能資料分析結果,澳大利亞能源市場部認為危害電力系統的主要風險來自於頻率恢復能力。與歷史水準和世界其他電力系統相比,新南威爾士州的發電一次調頻回應不足。

什麼是調頻
 

頻率是衡量供給與需求匹配程度的指標。和我國類似地,新南威爾士州發電中的頻率必須保持非常接近50Hz,以支援電力系統穩定運行。而且當地頻率操作標準允許在不同級別上對可能發生的各種事件(包括意外事件和孤島)存在細微偏差。
在世界各地的傳統電力系統中,頻率控制有三個不同的組成部分:
a)暫態回應;
b)一次頻率回應(10秒-30秒內)
c)二次頻率回應(30秒-30分鐘以內)
根據對頻率幹擾(如大型發電機停運)的潛在回應時間,這些反應和控制的示例如下圖所示:


一次調頻一般只能主動維持一小段時間,但足以待二次調頻回應。二次調頻通過集中和本地控制系統的協調將頻率恢復到正常工作水準。在世界上大多數電網中,二次調頻主要由集中自動發電控制系統(AGC)提供,該系統需要幾十秒到幾分鐘的時間來恢復頻率。
發電機組出力分析儲能最給力

事故調查報告評估了所有註冊發電系統對2018825日發生頻率回應的變化。事發時發電機組情況如下:

 

而事故發生後發電回應實際出力效果分析如下:


同步發電

在事故發生時,同步發電占新南威爾士州總發電量的96%

在此事件期間,從同步發電中觀察到的響應結果表明,除非啟用調頻輔助服務市場,否則許多發電機不再根據頻率的本地變化自動調整輸出,或僅在頻率為在比歷史上設置的更寬的波段(死區)之外。在這一事件中,缺乏回應成為導致控制電力系統頻率失控的重大技術挑戰,延遲了昆士蘭與新南威爾士州的電力同步。

風力發電

在事件發生時,所有新南威爾士州地區的風力發電量較低,僅占總發電量的1.4%,限制了風力發電機組能力發揮。而且即使在當時運行的風力發電機中,也沒有觀察到有助於糾正頻率偏差的情況。由於保護設置錯誤,南澳大利亞州的四個風電場的輸出降至零。

大型光伏電站

大規模光伏發電量也較低,占全國總發電量的2.7%。它通常有助於降低南澳大利亞和昆士蘭的電網頻率,但不能説明一次調頻。

分散式光伏




事件發生時,南澳大利亞州用戶側分散式光伏總裝機容量6278MW,其中有大約3096MW在事故發生時仍在運行。與大型光伏電站類似,分散式光伏組通常也是通過減少輸出來協助調頻管理,而由於此次事件中這些地區需要增加供應,所以分散式光伏也無法出力。對逆變器樣品元件性能的詳細分析表明:

–在201610月之前安裝的採樣系統中,約有15%在事故期間斷電。

–在201610月之後安裝的採樣系統中,昆士蘭州約15%、南澳大利亞州約30%的系統沒有提供所需降低頻率的服務。

電池儲能

在事故發生的情況下,南澳大利亞州的大規模電池儲能提供了多種服務,其價值得到體現,包括最初的一次調頻,然後迅速從輸出發電狀態轉換為負載,以阻止南澳大利亞州與維多利亞斷網後的頻率升高情況發生。

南澳大利亞州SA有兩個輸配電網路連接的電池儲能系統,分別位於DallympleHornsdale(特斯拉提供)。在事件發生時只有位元於Hornsdale的容量為+100 MW/-80MW的電池儲能系統在運行,並在事故發生時立即以-38 MW充電。

該電池的頻率響應是一個簡單的比例響應,當頻率從50赫茲下降到49赫茲時,就需要將電池的輸出增加至100MWHornsdale電池儲能系統在此事件期間的頻率回應如下圖所示。

此次回應的結果與設計一致,既有助於阻止一次頻率的下降,又有助於迅速將輸出從發電切換回負荷,從而阻止在與維多利亞斷網後南澳大利亞州電網頻率升高的情況。

事實證明Hornsdale電池儲能系統頻率回應傳遞速度非常快,並確保響了頻率調節,充分展示了其在電網側的價值。

上圖可看出當南澳大利亞州在與維多利亞 500kV電網斷開時,南澳大利亞州電網立即逆轉了頻率下降趨勢,並開始逐步增加。

下圖顯示了Hornsdale電池儲能系統在此事件期間的長時間回應。當頻率保持在其頻率回應“死區”內時,電池遵循AGC設定點的變化。這些設定值是基於能源市場調度和調頻輔助服務市場規則。當南澳大利亞州的中的頻率超出其頻率回應死區時,Hornsdale電池儲能系統開始基於比例衰減提供AGC輔助調頻服務。

下圖受此次事故影響的三個地區對比可知,藍色線配置儲能系統的南澳大利亞州7秒內頻率開始恢復、遭受事故影響較輕,報告分析結果也從側面反映了儲能系統在電網事故中強大的暫態回應和輔助調頻能力。

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