二、姜新建-参与电网惯性响应和调频控制的飞轮储能阵列关键技术研究20220901.pdf

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1、参与电网惯性响应和调频控制的飞轮储能阵列关键技术研究第第1212届中国国际届中国国际储能大会储能大会姜新建清华大学电机系1第第1212届中国国际届中国国际储能储能大会大会目 录一、新型电力系统频率稳定面临的严峻挑战三、飞轮储能系统关键技术四、飞轮储能技术典型应用二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术2第第1212届中国国际届中国国际储能大会储能大会一、新型电力系统频率稳定面临的严峻挑战 习近平主席在第75届联合国大会提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的宏伟目标。2021年中央财经委第九次会议：要

2、构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。传统发电新能源发电风电光伏水电核电火电输配电系统10%22%58%新能源发电占比预测2020 20302060工业、交通用电国防、医疗用电农业用电商业用电办公、生活用电分布式电源电动汽车交流直流形成新型电力系统发展趋势新能源发电为主体电力电子化数字化、智能化、开放式交直流混合灵活组网分布式平稳随机、间歇、波动双向随机3第第1212届中国国际届中国国际储能大会储能大会严重危及电网的频率稳定和安全运行 电力系统的传统转动惯量极大降低 电网超出一次调频死区的

3、次数增加，几十次几百次/天 风力发电渗透率达到34.71%，系统惯量大幅降低 系统调频能力不足，尤其是一次调频能力 新型电力系统形态面临巨大转变与挑战：一、新型电力系统频率稳定面临的严峻挑战火电机组退减直驱双馈光伏电力电子变流器新能源大规模集中并网及高渗透率分散接入P-功率t-时间0出力稳定、惯量充足频率平稳、调频能力好发电功率电机转速（频率）P-功率t-时间0源端强随机、波动、等效惯量很小且调频能力弱发电功率电机转速（频率）2019年英国大停电，电网频率跌至48.9Hz随机性波动性惯量缺失4第第1212届中国国际届中国国际储能大会储能大会传统电力系统火电新能源火电机组承担电网主要调频任务 国

4、标GB/T 30370-2013火力发电机组一次调频试验及性能验收导则规定调频功率占6%-10%总功率容量其他 调频功率不小于6%总功率容量 一次调频滞后时间1s 一次调频上升时间 2f 飞轮可为电网提供远大于其固有惯量的等效虚拟惯性支撑 飞轮对频率变化敏感，可频繁、迅速调整功率响应需求式中，Kfwvir、Kfwdp为飞储能的虚拟惯性系数和下垂系数式中，sfw为额定机械角速度式中，efw0为机械角速度由于13第第1212届中国国际届中国国际储能大会储能大会二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术 提出调节因子：根据频差和飞轮荷电状态调整出力，控制飞轮的调频深度和敏感性 一次调频阶段的飞轮储能 调

5、频功率（下垂控制+虚拟惯性控制）频差调节因子2=(-)fwfwfwsocdfvirdpdfPKKfdt 22max1 exp(|)1 exp(|)dfcf=cf放电充电C1=10C1=30C1=30C1=10SOCcgSOCdiscg调节因子与频差和荷电量的关系荷电状态调节因子与荷电量的关系式中，soc、df分别为飞轮储能的荷电状态和频差调节因子 飞轮的荷电状态SOCfw为：2212efwfwfwsfwSOCJ14第第1212届中国国际届中国国际储能大会储能大会混合储能参与电网频率控制 混合储能系统组成 单台飞轮储能系统 电池储能系统 容量配比 飞轮储能10MW 电池组储能20MW直流母线并联

6、交流母线并联二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术 二次调频阶段15第第1212届中国国际届中国国际储能大会储能大会 直流并联混合储能系统控制策略二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术飞轮-电池混合储能系统参与电网频率调节控制框图16第第1212届中国国际届中国国际储能大会储能大会二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术飞轮储能系统 国外商业运行20MW级飞轮储能调频电站 国内实现1MW级飞轮调频示范工程飞轮储能阵列 飞轮储能阵列控制单体飞轮储能系统往往不能满足有效调频需求，在工程中需要采用飞轮阵列扩大调节功率17第第1212届中国国际届中国国际储能大会储能大会二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制