近年来，随着电池性能不断提升、成本持续下降，电化学储能（以下简称“储能”）技术应用快速发展，已在电力系统各个环节得到示范应用，储能已成为支撑新能源大规模接入和利用的重要技术。2019年2月，国家电网有限公司发布了《关于促进电化学储能健康有序发展的指导意见》，指导储能在电源侧、客户侧及电网侧的健康发展。

随着特高压直流输电和新能源发电持续快速发展，送、受端电网大量同步发电机组被替代，电网交直流故障后的暂态频率（指电网故障或扰动后频率偏移正常值到恢复至稳态值这一短期过程中的频率）安全风险增大。2015年9月19日，馈入华东电网的锦苏直流双极闭锁，华东电网瞬时损失4900MW电源，最低频率跌至49.56Hz，为大电网的频率安全敲响了警钟。为了保障电网的安全稳定运行，国家电网有限公司积极推进建设系统保护，充分挖掘电网可用控制资源，如跨大区直流功率紧急支援、精准切负荷等措施已在华东、西南等大区电网得到了应用，取得了良好的控制效果，但是直流功率支援及精准切负荷等控制资源的组织及使用已接近极限。储能通过电力电子接口与电网实现能量交互，具有毫秒级快速响应、双向调节能力，随着储能电池性价比的不断提升，将储能纳入电网频率安全防御体系的需求也愈发迫切。

2017年12月，澳大利亚南澳100MW/129MW·hTesla锂电池储能项目投运，是当时世界上最大的锂电池储能，其正式上线不久，即成功阻止了南澳地区一次燃煤发电厂脱网引起的频率下降事故，在140ms内向电网输送了100MW电力，相比于传统发电机体现出了巨大的技术优势，吸引了全世界电力从业人员的目光。文献介绍了南澳电网将储能纳入其系统完整性保护方案，其作用类似于中国的紧急控制，利用储能参与紧急控制，可有效改善南澳电网故障后的系统稳定性。国内储能电站在投运后，也均已作为系统保护的控制资源，应对大容量直流故障后的暂态频率安全问题。

在提高电网频率安全方面，对储能参与电网调频辅助服务开展了大量的研究工作。文献详细介绍了国内外在建或投运的兆瓦级储能调频项目应用情况，并对促进中国储能调频商业化应用提出了建议。文献借鉴美国调频市场的运行经验，提出了储能应用于中国调频市场的建议。文献针对英国的未来电网规划，利用储能为电网提供稳固的频率响应，并且提出了一种磷酸铁锂电池储能配置的经济优化方法。此外，在储能辅助常规机组参与电网二次调频方面也开展了较多的研究，文献针对常规机组调频的固有特点，研究了混合储能装置配合传统机组参与自动发电控制（AGC）的充放电策略和最优容量配置计算方法。但从总体来看，从暂态频率安全的角度，仍缺乏将储能资源融入中国现有频率安全防御体系的总体构想，储能在电网频率防御三道防线中的定位及配置还需要深入研究。

本文针对特高压直流及新能源快速发展背景下电网的频率安全形势，从中国现行频率防御体系的角度，分析储能在其中的定位与作用，探讨储能容量配置的技术要点，为储能的规划配置提供参考建议，并指出了推动储能技术应用的未来研究方向。

1、储能在频率安全防御三道防线中的定位分析

目前，根据安装位置所处的电力生产环节不同，储能可分为电源侧、电网侧和用户侧储能。在电源侧，可以辅助新能源场站平滑功率波动、参与电网调频，与火电机组配合可以提高调峰、调频能力；应用于电网侧时，可以实现电网调峰、调频、调压、应急响应、备用电源等功能应用；在用户侧，可参与电网需求侧响应、电量平衡和负荷特性改善等。中国电网运行安全的防御体系主要依靠电网的三道防线，如同电力系统源网荷可以参与电网三道防线一样，安装于不同位置的储能同样均可以参与电网三道防线，从而可以扩展储能在电力系统中的角色，提高储能的利用效率。

如文献中介绍江苏镇江建设的101MW/202MW·h电网侧储能，主要功能是缓解镇江电网的迎峰度夏压力，辅助电网调峰，通常是在每天相对固定时段有限次充放电，对于其他大部分时段储能工作在热备用状态，若将其纳入电网三道防线，则电网在发生故障或频率出现大幅偏差时，便可以作为紧急控制资源提高电网的安全稳定水平。同样，对于电源侧和用户侧的储能，只要在电网发生故障或扰动时具备调节能力，可以减少系统不平衡功率，从而支持整个系统的安全稳定，由于电网故障概率一般较低，这并不会对其初始设计的正常功能造成较大影响。

频率安全的防御是为了保证电网发生故障或扰动下频率偏差维持在运行的范围内。根据GB/T15945-2008《电能质量：电力系统频率偏差》的要求，电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz。当系统容量较小时，偏差限值可以放宽到±0.5Hz。关于故障后系统可承受的频率偏差，国内的相关标准没有直接给出，一般根据发电厂、新能源场站和其他相关设备的频率正常运行范围间接确定。例如，根据电力行业标准DL/T1309—2013《大型发电机组涉网保护技术规范》，大型汽轮发电机组在系统频率小于46.5Hz时可退出运行；根据国标GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》，风电场在系统频率低于48Hz时可退出运行。一旦系统运行控制不能保证频率偏差在相应的范围内，就可能导致电源在系统频率下降过程中退出运行，从而进一步恶化系统频率，最终导致系统频率崩溃。尽管目前储能在电网中的总体配置规模还相对较小，但其优异的调节性能决定了其在未来的电网防御体系中必将占据重要地位。下面结合中国电网频率安全防御的三道防线，分析储能在其中的定位及功能，有助于充分发掘储能在电力系统的应用场景，提高储能的利用效率及运行效益。

1.1 储能在频率稳定预防控制中的定位

预防控制属于电网安全第一道防线，是在电力系统正常状态下保持其充裕性和安全性（足够的稳定裕度）的控制手段。对于频率稳定预防控制，主要通过监视、评价电厂和调度整个系统的旋转备用容量和分布，保证电网一次和二次调频能力，使系统频率维持于目标值。为保证电网在预想故障或扰动下的暂态频率安全，可以根据系统工况，预留一定的储能调节容量，使其参与电网一次调频。

一次调频是电网负荷波动或故障扰动后限制电网频率变化的重要措施。随着特高压直流和新能源发电的快速发展，一方面大量常规机组被逐步替代，电网的一次调频能力呈下降趋势；另一方面直流故障后会引起大容量不平衡功率，新能源的随机性和波动性也将导致电网净负荷曲线波动更为显著，这些客观上都要求电网具备更强的一次调频能力。参与电网一次调频是储能较为成熟的应用功能，目前正在推进开展的新能源参与电网一次调频研究，也把利用储能作为重要技术路线。在确定作为调频备用的储能容量时，应注意与常规机组一次调频进行协调，在满足电网频率安全的同时，充分发挥常规机组的主力调频作用，尽量避免储能因参与一次调频而频繁充放电，减小对电池寿命的影响。

1.2 储能在频率稳定紧急控制中的定位

紧急控制属于电网安全第二道防线，其功能是针对预先考虑的故障形式和运行方式，由事件触发预定的控制策略，防止系统失去稳定。对于频率防御的第二道防线，主要针对大机组跳闸、直流闭锁等原因导致频率超出允许范围，采取切机、直流调制等稳定控制措施应对频率升高问题，采取调制直流、切负荷、抽蓄切泵等稳定控制措施应对频率降低问题。但受限于控制对象的可用容量以及《电力安全事故应急处置和调查条例》（以下简称《条例》）对稳定控制切负荷安全责任的考核，切负荷等控制资源的利用已接近极限。储能作为一种灵活的功率调节资源，可以按照稳定控制要求实现储能充、放电状态的快速切换，以及充、放电功率的快速调节。例如，在电网存在功率缺额时紧急放电或提升放电功率，在电网功率盈余时紧急充电或提升充电功率，以此来减小受扰系统的不平衡功率，提高电网的频率安全水平。

与参与电网第一道防线相比，虽然都是利用储能的功率快速调节能力，但两者存在本质的不同。在储能调节功率的触发形式及调节量方面，储能参与电网一次调频时，电网的频率偏差决定了储能调节功率的起始时间及大小，而参与第二道防线时，由确定的故障扰动触发，且往往在稳定控制的整组动作时间（约200ms）内完成指定功率的调整；在考核扰动或故障方面，第一道防线主要针对电网正常运行情况或《电力系统安全稳定导则》（以下简称《导则》）规定的第1级标准故障，如正常负荷波动或任一发电机跳闸、直流单极闭锁等，而第二道防线则主要应对《导则》规定的第2级标准故障，且可以考虑切机、切负荷、切泵、直流调制等电网其他紧急控制资源。因此，这些差异决定了在频率安全防御的不同防线中对储能容量的需求是不同的。

1.3 储能在频率稳定校正控制中的定位

频率安全防御第三道防线的主要作用是阻止极端严重事件引发系统频率崩溃现象的发生，如多台发电机跳闸、多回直流闭锁、紧急控制误动/拒动等引起频率严重降低或频率严重升高时，可采用高频切机、低频切负荷、低频解列等措施。第三道防线主要针对的是《导则》规定的第3级标准故障，其控制动作的触发往往不是基于确定的故障，而是根据检测到的频率、电压等系统响应信号，实现就地、分散控制。储能参与频率校正控制时，利用就地的频率信号实现储能充、放电状态或功率的调节，减小电网的不平衡功率，使频率恢复至长期允许运行范围内。

随着储能在电网中的布点越来越广泛，采用就地分散控制参与频率校正控制，有助于充分利用储能资源，降低储能参与电网安全防御的成本，提高系统可靠性。与储能参与一次调频相比，储能参与频率校正控制也利用就地的频率信号作为调整储能充放电功率的动作依据，但两者考虑应对的电网故障场景以及频率控制目标均有所不同，因此在电网中的配置需求有很大差异。同时，储能参与频率校正控制还需要与高频切机、低频切负荷等传统的控制策略进行协调配合。

2、面向暂态频率安全保障的储能容量配置技术要点

目前，将储能纳入现有频率防御体系，为频率安全防御三道防线增加有效的控制资源，是保障未来新能源高渗透率下电网暂态频率安全的有效手段。由于各道防线的控制目标及防御标准各不相同，可以分别从三道防线出发，提出满足电网频率安全要求的储能容量配置方法：首先，根据电网实际运行情况或规划情况，选择电网可能出现的频率稳定特性最为恶劣的典型运行方式；然后，分别考虑电网三道防线的防御需求，第一道防线中，选择的扰动场景包括第1级标准故障中（如直流单极闭锁、交流线路三相永久性短路故障等）对电网频率偏差影响最大的故障场景和变化率最大的净负荷扰动曲线，第二道防线中则选用第2级标准故障，如直流双极闭锁或交流线路N-2故障，第三道防线中考虑多重故障、稳定控制系统误动/拒动等第3级标准故障，分别进行时域仿真，其中第一道防线场景下需考虑储能的一次调频仿真功能，第二、三道防线场景下则需实现储能的紧急充放电仿真功能；最后，按照不同扰动下的频率运行要求，迭代确认三道防线下的储能容量需求，选择较大的容量值作为电网频率安全约束下的储能最小容量需求。下文将分别从三道防线出发，详细介绍确定储能容量的技术要点。

2.1 参与频率预防控制的储能配置

在频率安全防御第一道防线中，储能通过参与电网一次调频提高电网整体的频率调节能力，保障电网的频率安全。根据现有电网相关运行标准的要求，主要从2个方面对储能的容量提出了要求：一是使电网在正常负荷波动下，频率的波动范围不超过±0.2Hz；另一方面，在发生《导则》规定的第1级标准故障时，系统仍能保持安全稳定，同时不会引起电网第三道防线动作，综合考虑国内目前第三道防线的配置情况，即通常要求在第1级标准故障下频率不低于49.0Hz，不高于50.8Hz（不同电网该定值会略有不同）。

一般来说，为了防止在电网频差小范围变化时发电机一次调频不必要的动作，发电机组一般会设置一次调频死区，如火电机组一次调频死区一般为0.03Hz，水电机组一次调频死区一般为0.05Hz，同样储能参与电网调频也要设置相应的死区。显然，同样容量的储能，一次调频死区越小，对电网频率改善效果越好，但会导致储能频繁充放电以参与电网一次调频，降低储能电池运行寿命。

从图1所示的中国某新能源高占比电网的典型日频率响应曲线中可见，若储能一次调频死区设置与常规机组相同，储能因调频进行的充放电次数每天将达到数十甚至上百次，未来随着新能源占比的进一步提高，该问题将更加突出。但储能一次调频死区过大时，又会影响储能对电网频率的支撑作用，导致电网对储能容量的需求增加。因此，在确定频率控制目标下的储能配置容量与其一次调频死区密切相关，本质上是一个储能全生命周期的经济优化问题。现阶段，综合考虑储能的充放电次数及对频率的支撑作用，工程上可将储能一次调频死区设置为0.07~0.10Hz。

图1  中国某大区电网典型日频率响应曲线

计算储能容量时，选择可能出现的电网频率特性最差的典型运行方式，分别在给定的负荷波动曲线或考核故障下，开展时域仿真。负荷波动曲线根据计及新能源波动的电网净负荷曲线获取，选取上升斜率或下降斜率最大部分的负荷变化数据作为扰动进行仿真，不考虑电网AGC动作。若仿真得到的系统最大频率偏差不超出±0.2Hz，则表明即使不增加配置储能，频率也可以满足正常运行要求，否则需要增加配置储能容量直至频率满足运行要求。

考核的故障主要包括《导则》规定的第1级标准故障，如电网内任一发电机跳闸、直流单极闭锁等。若仿真得到的系统最大频率偏差导致第三道防线如低频减载或高频切机动作，则可以增加储能容量配置使得电网频率满足故障后运行要求。

2.2 满足电网频率紧急控制要求的储能配置

中国目前单回特高压直流的最大输送容量已达到12GW，为实现资源优化配置发挥重要作用的同时，也给电网的运行带来了诸多挑战。尤其是一旦发生特高压直流双极闭锁，将在受端电网造成系统频率的严重跌落，需要切除大量负荷才能保证系统频率安全，在影响社会可靠用电的同时，也要承担较为严重的电力安全事故责任。前文提到的直流紧急支援、精准切负荷等工程正是在这样的背景下付诸实施，但这些控制资源的组织及使用已接近极限，而储能参与紧急控制的作用机理与直流紧急支援类似，且无须考虑对异步联系的送端电网的影响，也不会造成用户停电，是一种性能更为优异的紧急控制资源。

确定紧急控制需要的储能容量同样依靠时域仿真，且需要计及电网现有的紧急控制资源，因此选择可能出现的电网频率特性较差、紧急控制资源较少的运行方式作为典型方式。例如，对于有大量抽水蓄能电站控制资源的电网，可以选择抽水蓄能电站停止运行时间内的运行方式。图2所示为某受端电网典型日抽水蓄能电站与负荷的运行曲线，07:00—08:00缺少了大量的抽水蓄能控制资源，一旦发生大容量直流双极闭锁，需要切除大量负荷或增加储能控制资源来保证电网频率安全。

仿真故障场景的选择方面，主要针对第2级标准故障，包括输送容量最大的直流双极闭锁、最大电源或负荷损失，此外，对于新能源高占比电网，易引发新能源机组大量进入故障穿越的短路故障等也需要重点关注，当仿真得到的系统最大频率偏差导致第三道防线如低频减载或高频切机动作时，则可以增加配置储能使电网频率满足故障后运行要求。紧急控制措施的优先级按可紧急调节储能充放电功率、直流调制、切机、抽水蓄能切泵、精准切负荷、切负荷的顺序排序。

图2  某受端电网典型日抽水蓄能与负荷曲线

2.3 参与频率校正控制的储能配置

为阻止多重故障、稳定控制系统拒动等电网第3级标准故障可能引起的系统频率崩溃，目前电网中配置了多轮次动作的低频减载、高频切机方案。不同轮次间的控制量一般为负荷总量的3%~7%，离散性大，尽管第三道防线策略在制定时都尽量避免了策略执行后引起的过控或欠控问题，但一旦动作，仍容易造成电网连锁事故，且需要承担重大电力安全事故责任。在频率校正控制中考虑储能参与，并非完全替代现有低频减载的配置，利用储能功率的灵活快速调节，可以逐步减小低频减载的配置容量，降低低频减载的动作风险，进一步优化电网频率校正控制策略。

仿真优化频率校正控制策略时，需要充分考虑电网现有低频减载和高频切机方案，选择可能发生的最严重的事故情况，如同一输电走廊的所有直流同时闭锁、稳定控制拒动等。由于低频减载和高频切机通常是电网统一部署，一旦动作，会对电网的潮流分布造成重大影响，极易引起系统连锁故障风险。为降低低频减载和高频切机的动作概率，储能用于频率校正控制时，应单独设置储能动作轮次，并且动作优先级高于低频减载和高频切机的基础轮第1轮，频率级差需根据具体电网特性仿真确定，在降低低频减载动作风险的同时，提高电网应对极端严重故障的能力。此外，也可以考虑将低频提升直流、低频切泵、低频精准切负荷均纳入校正控制进行策略优化，动作优先级可参考紧急控制策略制定中的做法。

3、推动储能技术应用的未来研究方向

随着国家能源转型战略的推进，新能源的大规模持续开发利用是不可逆的发展趋势，新能源的间歇性、波动性特征决定了其大规模、高比例并网后，将给电网安全稳定运行带来重大挑战，储能作为优秀的功率平衡资源，势必在电网安全稳定三道防线中发挥重要作用，是公认的解决未来电网安全稳定问题的关键因素。电网的安全稳定运行对储能的配置提出了新需求，除储能本体研发外，还需要在储能规划、设计及运行等应用关键技术上开展深入研究。

1）适应多应用场景的储能优化配置

储能电站优化配置不仅是提升储能电站利用效率的重要问题，也是充分发挥储能对电网价值的关键。单纯从储能技术与经济特性出发确定配置容量，不仅可能因容量配置过大造成投资浪费，也可能因接入位置等不合理，影响储能电站的价值发挥。前文从目前中国电网面临的频率安全风险的角度，在技术层面探讨了储能容量的配置技术要点。根据目前已建成的储能电站运行经验来看，单一功能的储能电站在经济收益方面还难以做到收支平衡，因此，亟须结合储能未来技术与成本变化趋势，研究储能电站在电网中的综合应用场景，根据储能电站特性与电网应用需求，优化确定多应用场景下的储能配置，包括布局、容量以及选型等，实现储能电站对电网的技术、经济价值最大化。

2）储能电站优化运行模式

目前关于储能应用场景的研究已有很多，但对于一个投运的储能电站，如何优化设计其运行模式，使其在生命周期内发挥出多重角色，是充分发挥储能电站价值、提高储能电站经济效益的重要工作。本文提出将储能纳入频率防御体系，主要目的是保障电网故障或扰动后的频率安全，但对于电网正常运行时段，如何根据电网实时运行状态，在线确定储能电站的角色、功能、充放电状态，使其发挥调峰、调频、调压、平抑新能源波动等作用，同时保证足够的故障后可用控制量等；对于广域分散的储能电站，如何协调控制，如何与电网其他控制资源协调配合，使其更好地满足电网的安全、稳定、经济运行要求，这些都是储能电站多应用场景下优化运行模式研究的重要内容。

3）储能全生命周期的效益分析

储能电站能否实现盈利是影响储能电站持续协调发展的关键。目前中国的储能项目仍缺乏清晰的商业模式和盈利点，储能应用的效益评价分析大多数是出于经济性考虑，如根据用户侧峰谷价差，通过电量套利获得收益。包括本文提出的储能参与频率防御体系在内，储能在提升电网运行灵活性和稳定性、缓解电网调峰压力、环境及社会效益等方面的价值还缺少有效的量化评估指标，没有系统、综合的效益评价分析机制或方法。实际上，尤其对于源侧和用户侧的储能业主，经济性是其非常看重的因素，在不影响储能正常功能和使用寿命的前提下，为了将源侧和用户侧的储能真正纳入电网安全防御三道防线，必须建立合适的补偿机制，因此，需要开展储能全生命周期的效益分析，研究储能参与电网安全防御三道防线的经济补偿机制，调动源侧和用户侧储能支撑电网安全稳定的积极性，进而探索储能应用的典型商业模式，完善优化储能应用发展的市场环境，推动规模化储能应用。

4、结语

为了提高新能源快速发展和特高压直流大容量接入后系统的频率稳定特性，本文从中国当前电网的频率安全防御体系着眼，利用储能的快速功率调节特性，将储能纳入频率安全防御三道防线，以不同场景下电网运行频率的控制目标为依据，探讨了暂态频率安全约束下电化学储能配置的技术要点。预防控制中，利用储能参与电网一次调频，当系统频率偏差超出储能调频死区时，调整充放电状态或功率改善系统频率；紧急控制中，在电网发生特定故障时由故障触发紧急调整储能充放电状态或功率，减少紧急切负荷措施的使用；校正控制中，利用就地频率信号实现储能充放电状态或功率的调节，优化频率校正控制策略，降低低频减载或高频切机的动作概率。

目前，储能的成本仍然较高，中国的储能项目仍缺乏清晰的商业模式和盈利点，在部分电力辅助服务市场和用户侧的应用虽具备初步盈利的可能性，但市场空间狭小，为了促进储能产业持续发展，需要从适应多应用场景的储能优化配置及运行模式开展研究，系统分析储能全生命周期的经济、环境及社会效益。

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