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摘 要：電網側百兆瓦儲能是實現風光可再生能源高比例滲透、電網有序調峰調壓調頻以及用戶安全經濟可靠用電的重要支撐載體。為了提升電網側百兆瓦級儲能系統(tǒng)建設規(guī)范與運營效益，本文在介紹政府政策、學術研究、產業(yè)應用的基礎上，首先從電網側儲能系統(tǒng)功能、功率調節(jié)、頻率調節(jié)、投資收益、安全防護方面綜述了國內外研究現狀。其次，提出了面向電網側儲能電站的“4S”架構，并從結構、功能、響應速度等方面闡述了與傳統(tǒng)“3S”架構的異同。再次，從能量監(jiān)測、協(xié)調控制、儲能變流三個維度，闡述了“4S”架構下電網儲能電站的關鍵技術。最后，對本文的研究內容進行了總結，并對未來需進一步研究的內容從物理、信息兩個層面進行了展望。本文的研究成果，不僅能夠為更多電網側百兆瓦級儲能電站的規(guī)劃設計、建設運營提供參考，而且為新型儲能設備的研制指明方向。
引言
在實現“3060 雙碳”目標及傳統(tǒng)化學能源向可再生能源轉型發(fā)展的過程中，風光新能源的大規(guī)模開發(fā)與高比例滲透增加了“源”、“網”、“荷”端的不確定性。儲能系統(tǒng)因響應速度快、建設周期短等優(yōu)點得到大力推廣，但在使用過程中也暴露許多問題 [1-2]。為推動儲能產業(yè)快速發(fā)展及其在電網側的規(guī)模化應用，國家政策、學術研究、項目示范等圍繞實現儲能產業(yè)高質量發(fā)展共同發(fā)力，以形成政策、科研、項目協(xié)同發(fā)展的良好局面。
1）在政府政策方面，國家部委、省市出臺了相關政策，政策導向積極、明確。比如，國家發(fā)改委《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》中明確指出“積極推動電網側儲能合理化布局，通過重大項目建設引導與提升儲能核心技術裝備自主、可控的水平。”湖南發(fā)改委發(fā)布了《關于加快推動湖南省電化學儲能發(fā)展的實施意見》，明確以發(fā)展電網側獨立儲能為重點，力爭到 2023 年建成電化學儲能電站 150 萬千瓦/300 萬千瓦時以上。
2）在學術研究方面，“電網側 + 儲能”篇名相關文獻 93 篇，其中學術期刊與學位論文分別為 78、8 篇，分別占比為 83.87% 和 8.60%，重點圍繞主題包括：儲能電站、電網側儲能、儲能技術、儲能系統(tǒng)、電化學儲能、電站監(jiān)控系統(tǒng)、控制策略等。2018-2022 年（截至 2022 年上半年，下同）發(fā)表文獻數量為 10、23、32、17、8 篇，近五年文章占比為 96.77%，總體呈現熱度先增后減并于 2020 年熱度最大的趨勢?！皟δ?+ 百兆瓦”篇名的文獻總共有 14 篇，近五年發(fā)表文獻數量分別是 1、1、3、5、3 呈現從無到有、由少到多的變化趨勢，正逐步成為學術界關注的焦點與難點。“電網側 + 百兆瓦 + 儲能”篇名的文獻僅 1 篇，重點介紹了江蘇鎮(zhèn)江百兆瓦級儲能電站自建成投運以來在參與電網調峰、調頻、應急響應等運行控制與應用價值。
3）在產業(yè)應用方面，目前已在邵陽城步儒林、常德西洞庭、中核同心泉眼、華能黃臺電廠等多地同步在建、擬建百兆瓦級儲能電站，部分已運行百兆瓦級儲能電站在為電網頂峰、慣量支撐、一次調頻等方面發(fā)揮重要的作用。隨著百兆瓦級儲能電站技術門檻降低、投資成本減少以及商業(yè)收益多樣化發(fā)展，未來電網側百兆瓦級儲能電站規(guī)模與數量均會驟增，對應的控制復雜度與協(xié)調難度也會逐步加大。綜上，電網側百兆瓦級儲能電站在政策利好與產業(yè)落地的影響下呈現快速發(fā)展的態(tài)勢，但在學術研究尤其在儲能電站能量管理、協(xié)調控制、高壓模塊式儲能技術方面鮮有涉及 [3]。本文在系統(tǒng)介紹電網側儲能基本概念、研究現狀的基礎上，重點對百兆瓦級儲能電站系統(tǒng)架構、整站能量管理、快速協(xié)調控制以及新型高壓模塊式儲能技術開展討論，為更多百兆瓦級乃至吉瓦級儲能電站的規(guī)劃設計、建設運營提供參考。
1. 電網側儲能研究概述
電網側儲能系統(tǒng)在電網頂峰、一次調頻、慣量支撐，促進風光新能源消納，參與電網調節(jié)服務等方面作用顯著。接下來，將重點圍繞電網側儲能系統(tǒng)功能、功率調節(jié)、頻率調節(jié)、投資收益、安全防護方面的研究，為本文后續(xù)研究奠定基礎。
1.1 系統(tǒng)功能
電網側儲能系統(tǒng)的建設與運營能夠為源 - 網 - 荷多端帶來益處，為整個電網系統(tǒng)的安全、經濟、可靠運行提供保障。X. Li（2021）指出儲能系統(tǒng)是實現風光新能源消納、源荷互動響應的重要載體，尤其在電網側能夠有效發(fā)揮平抑電網功率變化、電壓波動，優(yōu)化潮流分布等作用 [4]。陽小丹（2022）給出了儲能電站慣量支撐、一次調頻、動態(tài)調壓等方面的技術指標，以及表征電化學儲能電站的能效指標、電量指標、可靠性指標、運維費用指標等，據此提升電化學儲能電站管控效率 40% 以上，為全國其他電化學儲能電站的可靠、經濟運營提供了參考 [5]。秦昊（2022）系統(tǒng)介紹了百兆瓦級儲能系統(tǒng)架構，指出應具備的功能、性能，在此基礎上對昆山百兆瓦級儲能電站工程的全站系統(tǒng)建模、控制指令測試、測試結果分析等進行了討論，指出儲能系統(tǒng)在 AGC 功能、充放電控制精度、一次調頻響應時間等方面的具體要求[6]。目前，電網側儲能系統(tǒng)的頂峰、一次調頻、慣量支撐作用大小取決于儲能站的選址、容量大小、調節(jié)頻次與所在電網的運況情況。
1.2 功率調節(jié)
電網側儲能系統(tǒng)通過有功、無功功率的調節(jié)，實現電網頂峰、削峰填谷等作用。南國良（2020）提出電網側儲能在實現電網調峰過程中的交易模式，構建了電網側儲能參與調峰的優(yōu)化模型，并采用 CPLEX 進行模型求解，對求解驗證正確的模型、算法進行封裝及界面展示，提升了研究成果的可用性、易用性 [7]。Yeongsu（2018）系統(tǒng)討論了并網儲能系統(tǒng)低電壓穿越的管控策略，給出通過電網側逆變器注入無功功率的策略，據此決定無功、有功的注入量 [8]。白浩（2020）提出電網側儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，該方法考慮本級線路運行效率提升與多級配電網通過儲能削峰填谷對上級電網的影響，具體構建考慮儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置與運行的雙層模型，并通過 IEEE 33 節(jié)點證明了所提策略的正確性與有效性 [9]。通過儲能系統(tǒng)功率的有序、定量調節(jié)控制，實現電網的調峰、錯峰運行。隨著配置容量的不斷增大，接入的可控節(jié)點與控制復雜性也會增加。
1.3 頻率調節(jié)
利用儲能系統(tǒng)快速調節(jié)特性，能夠實現在電網側開展一次、二次調頻服務，據此有效緩解日益增多的可再生能源接入帶來的波動性。Hongyu（2021）討論了儲能系統(tǒng)在電網調頻以及優(yōu)化我國調頻市場布局的情況，借鑒英國、美國、澳大利亞等國在應用儲能參與調頻服務的先進經驗，指出我國在儲能參與電網調頻中存在調節(jié)收益過低、接入門檻過高等問題 [10]。張江豐（2022）介紹了電網側儲能電站AGC 管控策略，該策略計及電池能耗因子進行全站負荷的優(yōu)化分配。通過提出的新型控制策略與常規(guī)側率的結果對比，指出改進后 AGC 策略在響應時間、調節(jié)速度、穩(wěn)態(tài)誤差方面均具有優(yōu)越性 [11]。謝永勝（2022）提出面向風光新能源接入的電網側儲能頻率穩(wěn)控策略，基于靈敏度分析提煉出影響頻率變化的主要指標，采用儲能系統(tǒng)的虛擬慣量控制提升對電網頻率變化的有效支撐能力，據此提升風光新能源消納以及電網頻度的穩(wěn)控、精控 [12]。韓嘯（2021）針對電網側儲能一次調頻、二次調頻原理與管控策略進行建模分析：在一次調頻中，根據電池 SOC 進行投退調節(jié)、出力反饋調節(jié)控制；在二次調頻過程中，采用線性自抗擾控制實現高低分頻，據此實現儲能系統(tǒng)的有效控制 [13]。目前，儲能系統(tǒng)參與調頻在調頻原理、硬件功能及控制策略上均能夠實現，但在商業(yè)機制、收益模式方面還需要進一步完善，以調動電網側儲能建設與運營主體的積極性。
1.4 投資收益
電網側儲能受投資額度大、回收周期長、政策頻出波動等影響而發(fā)展速度相對緩慢，需要在現有政策環(huán)境下提升儲能系統(tǒng)本身收益能力，并通過較好的收益表現與電網貢獻爭取更多有利政策。Y. Zhang（2021）高昂的投資成本與不確定性收益制約了電網側儲能的規(guī)?；l(fā)展，提出了兩階段優(yōu)化模型，通過儲能系統(tǒng)邊際效益分析等提出有效改善儲能系統(tǒng)使用策略、延長使用壽命的對策建議 [14]。Liu（2020）在儲能系統(tǒng)分類、特性分析與原理介紹的基礎上，給出儲能系統(tǒng)參與電網調節(jié)服務的模型，并指出裝機容量、運營策略在提升電網側儲能收益方面發(fā)揮重要的作用 [15]。趙玉婷（2019）對電網側儲能電站的投資收益分析方法進行了介紹，在投資方面重點計及設備購置、建設安裝、運行維護等方面的費用，在收益方面重點考慮削峰填谷、租賃收益、調峰補償等，給出了提升大規(guī)模發(fā)展電網側儲能電站運營收益的建議 [16]。目前，電網側儲能系統(tǒng)在必要政策紅利與相對有限的盈利模式下探索式前行，并面臨著保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、同業(yè)競爭持續(xù)加劇、利潤空間收窄的多重壓力。
1.5 安全防護
電網側儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是其規(guī)?；l(fā)展的必要前提，一方面需要從器件級、模組級、單元級及系統(tǒng)級不同層面加強硬件或系統(tǒng)本身的安全，保證故障出現后可控、控得??；另一方面需要結合數據監(jiān)測預警、智能故障診斷技術等及早發(fā)現并精準隔離故障部分，避免故障范圍與嚴重程度擴大。曹斌（2019）給出了電網側儲能電站防孤島保護定值的優(yōu)化策略，通過分析電網側儲能的恒功率、恒壓恒頻、虛擬同步機等多種運行方式，給出電網側儲能系統(tǒng)保護配置、定值整定、與逆變器防孤島保護配合的策略，有效滿足了防孤島保護、低電壓穿越等兼容性要求 [17]。徐亮（2022）介紹了基于數據分析與智能診斷融合的鋰離子電池儲能電站消防管控策略，據此實現儲能電站故障的早預警、早隔離，減少或避免因著火、爆炸、熱失控導致的人員傷亡與財產損失 [18]。目前，國內外出現的幾起儲能電站失火或爆炸事件，導致政策收緊、并網要求增多，也給行業(yè)帶來技術更新、功能升級的發(fā)展機會。
綜上，電網側儲能是緩解風光高比例滲透下電網功率頻繁波動與負荷側峰谷差持續(xù)拉大的有效途徑，相比于電源側、用戶側儲能具有效率高、安全可控、便于統(tǒng)籌管理的優(yōu)勢。同時，電網側儲能在頂峰、調壓、調頻、慣量支撐等方面的作用已經顯現，但需要可持續(xù)盈利模式與收益的有效支撐。隨著越來越多的電網側儲能投運，其系統(tǒng)架構、能量管理、協(xié)調控制與高壓新型儲能技術的發(fā)展對未來單站、多站的運營優(yōu)化起到非常重要的作用。
2. 電網側儲能電站“4S”架構
目前，國內已有多個已建、在建電網側百兆瓦級儲能電站，但各儲能電站因建設主體、設備廠家、技術路線等差異導致系統(tǒng)架構不統(tǒng)一，能量管理與協(xié)調控制有很大的優(yōu)化空間。目前，多數電網側儲能電站沿用傳統(tǒng)的“3S”架構，即自底向上由電池管理系統(tǒng) BMS、儲能變流器 PCS、能量管理系統(tǒng) EMS 構成，并通過遠動工作站直接控制的源網荷控制系統(tǒng)實現功率調節(jié)指令的快速下發(fā)。
在“3S 架構”模式下，儲能電站只考慮了穩(wěn)態(tài)功率調節(jié)功能（如削峰填谷），而缺少對于調壓調頻、慣量支撐、動態(tài)無功支撐等電網動態(tài)、暫態(tài)運行工況，并且穩(wěn)態(tài)功率調節(jié)功能既有在 PCS 實現、也有在 EMS 實現，管理關系錯綜復雜。此外，能量管理系統(tǒng)調節(jié)響應速度在“秒級”，無法充分利用儲能變流器 PCS“毫秒級”的快速響應能力，尤其在多儲能變流器 PCS 的功率指令下發(fā)時，需要先通過源網荷控制系統(tǒng)啟動 PCS 以最大功率進行充電或放電，再經過通信時延后由能量管理系統(tǒng) EMS 向各儲能變流器 PCS 下發(fā)精準的功率控制指令。
相比于與“3S”架構，“4S 架構”在原先能量管理系統(tǒng) EMS 與儲能變流器PCS 之間增加協(xié)調控制器 CCS，通過 GOOSE 通信協(xié)議執(zhí)行“毫秒級”調頻、調壓等低時延協(xié)調控制，并將指令及時、全面、精確地下發(fā)到各儲能變流器執(zhí)行。而能量管理系統(tǒng) EMS 與常規(guī)監(jiān)控功能進行兼容，負責執(zhí)行時延要求不高的業(yè)務功能，如儲能站安防、視頻監(jiān)控等。同時，“4S”架構下還配備了電池艙故障錄波裝置，正常運行時可將電池運況信息傳送到后臺進行分析，判斷電池健康狀態(tài)并作為電池部分更換的依據；在故障前、后運行期間，故障錄波裝置能夠記錄故障信息并完整保存，作為故障溯源分析依據以及保證電池艙整艙盡毀情況下儲能站重要信息的保存，類似“飛機黑匣子”的功能。
3. 電網側儲能電站關鍵技術
3.1 能量監(jiān)控
電網側百兆瓦級能量監(jiān)控系統(tǒng)具備百萬級數據采集處理、穩(wěn)態(tài)能量調節(jié)控制、歷史數據溯源分析、多系統(tǒng)融合等功能，字底向上分為設備層、間隔層、站控層。其中，站控層用于電網側儲能電站全景大數據的集中存儲，為站控層設備和應用提供數據訪問服務。間隔層網絡采用雙星形以太網絡；設備層主要包括電池及其管理系統(tǒng)、儲能變流器、艙內交換機、計量與保護表計、視頻監(jiān)控、消防與門禁系統(tǒng)等。站控層、間隔層設備根據接入情況可靈活擴展。能量管理系統(tǒng)監(jiān)控主機與遠動數據傳輸設備、保護及故障信息管理系統(tǒng)、微機防誤系統(tǒng)、智能輔助系統(tǒng)、電量采集系統(tǒng)信息資源共享，互聯互通，控制聯動。系統(tǒng)采用統(tǒng)一的協(xié)議與標準，兼容各廠商設備，電力調度數據采用專網的接口，支持聯網的網絡通信技術以及通信規(guī)約的要求。
同時，能量管理系統(tǒng)采用標準化組網方式，組網結構包括監(jiān)控網（接入 PCS、BMS、交直流表、變壓器溫控儀數據）、協(xié)控網（協(xié)調控制器 + 智能源網荷互動終端）、保信網（一體化電源系統(tǒng)、保護、測控裝置）、消防網（煙感、溫度、氣體濃度、報警燈、消防滅火系統(tǒng)）、視頻動環(huán)網（視頻、空調、溫度、濕度數據），除視頻外通信規(guī)約采用 DL/T860（IEC61850）通信標準，采用光纖接入。
此外，能量管理系統(tǒng)實現百萬點數據實時存儲，歷史數據存儲高達十年以上，服務集群式設計架構，通道高并發(fā)負載均衡處理，系統(tǒng)監(jiān)測粒度細微到每個電芯，實現數據可視化、可追溯，同時也為大數據分析業(yè)務提供支撐，通過海量實時數據與歷史數據智能分析，設備運行狀態(tài)特征異常識別和提取，為建立儲能設備全生命周期模型打下基礎，結合人工智能專業(yè)診斷，實現儲能電站智能安全運檢，少人值守，延長儲能系統(tǒng)使用壽命 ; 通過深度學習優(yōu)化功率調節(jié)與能量管理的算法，提高大型儲能電站綜合效益。
3.2 協(xié)調控制
可實現對儲能電站內全站儲能變流器 (PCS) 的源網荷儲、一次調頻、動態(tài)調壓、AGVC 調節(jié)命令轉發(fā)等核心控制功能，并滿足相關調節(jié)性能的要求。該系統(tǒng)支持 IEC-61850/MMS/GOOSE 通信協(xié)議，與 EMS 通信交互支持 IEC-61850-8-1/MMS 標準協(xié)議，滿足標準互操作性要求；與控制網通信采用 IEC-61850/GOOSE協(xié)議，可實現對儲能站及微電網的毫秒級實時動態(tài)響應控制。
1）一次調頻
一次調頻調節(jié)采用有功 - 頻率下垂控制。當電網頻率偏離額定值時，協(xié)調控制器在對全站所有 PCS 狀態(tài)及各類約束條件綜合評估后，計算出各 PCS 的輸出有功功率目標值，并將有功控制指令通過 GOOSE 控制網下發(fā)至各 PCS，從而達到控制儲能電站輸出有功功率的增加，限制電網頻率變化的目的，以維持電網頻率的穩(wěn)定。一次調頻動作時間，從頻率變化進入動作區(qū)，到裝置下行控制命令報文出口，時間不大于 20ms，控制函數如下所示：
2）動態(tài)無功調節(jié)
動態(tài)無功調節(jié)控制采用無功 - 電壓下垂控制。當儲能站母線電壓偏離設定值時，協(xié)調控制器裝置的動態(tài)調壓控制功能是指以儲能站的母線電壓做為被控制目標，根據母線電壓指令定值，在綜合考慮拓撲關系、參與調節(jié)設備情況，以及其它約束條件后，動態(tài)計算出儲能電站中各 PCS 的無功目標值，下發(fā)控制指令，并實時采樣無功功率等數據，形成閉環(huán)控制，維持母線電壓穩(wěn)定。動態(tài)無功調壓動作時間，從電壓變化進入動作區(qū)，到裝置下行控制命令報文出口，時間不大于 20ms，控制函數如下所示：
3）源網荷儲控制
系統(tǒng)接收到源網荷儲調節(jié)命令，經處理以最大有功限值輸出有功功率進行快速響應，從系統(tǒng)觸發(fā)信號到裝置 GOOSE 輸出信號的響應時間不大于 20ms。
4）主備切換功能系統(tǒng)可采用主備雙機冗余配置，單臺裝置控制的 PCS 數量最大支持 128 臺PCS，支持分層多級架構進行擴展。在儲能電站系統(tǒng)電壓和頻率發(fā)生變化時，觸發(fā)主備切換條件實現切換。其備機狀態(tài)下，一次調頻及動態(tài)無功調壓功能正常運行，但不發(fā)送 GOOSE 命令。切換為主機后，可快速發(fā)送 GOOSE 命令，主備機切機時間不大于 20ms。
3.3 儲能變流
與常規(guī)儲能變流系統(tǒng)相比，“4S”架構下的該系統(tǒng)基于 GOOSE 快速通信技術，實現即插即用，支持 IEC61850 MMS/GOOSE 通信協(xié)議。通過 GOOSE 光纖通信接收協(xié)控 CCS 的功率快速調控指令（速度可達 ms 級）；通過 IEC61850/MMS通信完成與 EMS 系統(tǒng)的數據交互。同時，采用多路 100M/s 光纖以太網口，用于IEC61850/GOOS 與 IEC61850/MMS 通信。儲能變流系統(tǒng)基于自身邏輯判斷結果或接收協(xié)調控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信令，調節(jié)運行狀態(tài)及充放電功率，實現有功無功調節(jié)、能量雙向傳遞等功能。
采用光纖 IRIG-B 碼對時方式，實現設備間的時間同步（誤差 <=±1ms）以及故障錄波功能，能夠將告警前 4 個周波，告警后 20s 內的交流模擬量、開關量、BMS 系統(tǒng)狀態(tài)信息實時采集，并以 IEC61850 通信協(xié)議上送給上級監(jiān)控系統(tǒng)長期保存，儲能變流系統(tǒng)保存至少 20 條故障錄波信息。儲能變流系統(tǒng)歷史故障記錄既能從本地顯示屏調取，又能由監(jiān)控后臺遠程調取。具備當地或遠方維護功能，可通過遠程站控平臺進行參數、定值的遠方修改整定，遠程程序下載升級，以及自診斷、自恢復功能。同時，系統(tǒng)可對自身運行狀態(tài)進行自診斷，故障時能傳送報警信息，異常時能自動復位。
4. 結束語
電網側百兆瓦級儲能電站在發(fā)揮電網頂峰、慣量支撐、一次調頻能力等方面成效顯著。本文在系統(tǒng)回顧電網側儲能電站系統(tǒng)功能、功率調節(jié)、頻率調節(jié)、投資收益、安全保護的基礎上，重點討論了“4S”架構下電網側百兆瓦級儲能電站系統(tǒng)架構、能量管理、協(xié)調控制、儲能變流系統(tǒng)的功能與特點，以區(qū)別于“3S”架構，并為后續(xù)更多電網側百兆瓦級儲能電站的建設、運營提供借鑒與參考。
在今后的研究與發(fā)展中，建議不局限于電網側使用地點以及百兆瓦級使用規(guī)模，而是根據不同應用場景的具體需求，構建以“儲能 +”為核心的可控、在控、優(yōu)控能源信息物理體系，單體或成組地促使儲能效能實現最大化。
1）在物理層面，多點布局電網側儲能電站建設，據此改善局域電網頂峰、調壓、調頻效果，以及增強省外直流電能供給、“風光新能源”足額消納、“輸配電網”柔性調節(jié)能力，并研發(fā)面向區(qū)域共享儲能、電網側儲能集群聯合出力與錯峰調節(jié)的協(xié)調管控裝置，據此提升含儲能的“源 - 網”、“網 - 荷”、“源 - 網 - 荷”間的調節(jié)柔性與互動能力，為構建源網荷儲協(xié)同的新型電力系統(tǒng)提供支撐作用。
2）在信息層面，加快推進儲能系統(tǒng)賦能電網朝向數字化、智能化轉型升級，實現儲能系統(tǒng)與柔性電網為核心的電力數據全息感知、高效傳輸、智能分析、業(yè)務協(xié)同，打造面向電網數據化轉型的多業(yè)務應用平臺。
（參考文獻略）
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