1.3 电池储能调频应用研究
虽然电化学储能以其优越的性能在电力系统中应用前景广阔，但由于造价高昂，在电力需求量较大的电网中没有得以大规模的使用。相比而言，电网调频领域对调频电源的爬坡率要求高、电量需求少，更适宜于储能的应用与盈利（美国纽约州的研究表明，调频服务是所有辅助服务中收益潜能最大的）。
在我国，储能技术参与电网调频的研究与示范尚处于起步与借鉴阶段。中国电力科学研究院在张北风光储基地投建的电池储能电站完成了跟踪调频指令的测试，南方电网深圳宝清电池储能电站与上海漕溪能源转换综合展示基地也具备系统调频的功能。这三处大容量储能技术应用于电力调频的示范工程虽然具备了调频的测试功能，但均未进行投入应用的研究。从国内目前投建的储能示范工程来看，电池储能系统参与电力调频已逐渐被业界认识和重视起来，虽然目前还未开展更深入的研究与示范应用工作，但储能技术参与电力调频将是未来智能电网必须关注的重要科学问题。
在国外，储能技术的各方面已经逐步成熟，尤其是美国、智利、巴西和芬兰等国家，针对大规模储能系统参与电力调频已开展理论研究与示范验证。相关研究主要侧重于以下几方面：一是探讨风光等新能源大规模并网对电网安全稳定运行的影响，以及此时应用储能系统参与电力调频的优势及其可行性；二是从调频电源技术对比角度切入，研究储能系统与常规调频电源在调节精度和调节速率等调频能力上的区别；三是建立复杂的储能系统模型，探究储能系统出力的机理，通过小负荷扰动分析，研究储能系统参与调频对抑制频率波动和联络线交换功率的影响；四是从储能系统经济角度切入，结合不同类型储能系统的特性、限制及其参与调频所带来的各项效益，对储能系统参与电力调频进行经济性评估。
储能系统与常规调频电源的协调控制研究可分为以下三个方面：其一是以传统的滞后控制来控制常规调频电源和储能系统以参与调频，重点侧重于优化控制器以提高控制性能；其二，采用超前的预测控制来完成常规调频电源和储能系统的协调控制；其三，从常规调频电源的一、二次调频协调问题出发，侧重于解决一、二次调频的衔接及反调问题。
容量配置是储能技术应用于电网调频领域的首要问题，不仅为控制策略研究提供了借鉴，而且合理的储能容量配置对于满足电网调频要求至关重要。目前，针对储能技术辅助参与电网调频的容量配置研究尚处于探索阶段。参考文献[31]在计及收益和成本的基础上，考虑了系统的频率波动曲线和电池储能的充/放电特性，以电池储能产生的年收益最大为目标，建立了电网中用于一次调频的电池储能系统的经济模型，采用充电限制可调和应用耗能电阻的新型控制算法进行仿真，求得系统的最佳储能容量配置。参考文献[32]基于一个包含水电站、火电厂以及风电场的孤岛网络，利用电池储能系统的等效模型，研究了其参与电力一次调频。在此基础上，通过动态调整SOC上下限，提出了电池储能系统的容量和运行方式优化方案，并给出确定SOC上下限的动态取值范围的方法。
电力系统运行时，对系统频率调节必须进行有效的控制，而这项任务主要由二次调频完成。尽管电力系统技术不断进步，但二次调频依然面临许多挑战。由于电力系统负荷的动态和惯性特性，系统检测，原动机、发电机出力控制、调节环节总会有不同程度的误差。上述问题在风电、光伏等新能源并网之后将变得更加显著。储能系统参与电力系统调频进一步丰富了系统调频的选择，因此，如何合理地协调各调频电源，以控制和调节各发电机和储能系统的输出功率使系统频率达到电网要求，也给国内外的调频控制研究提出了新的课题。参考文献[33]通过使用一阶惯性环节模拟电池储能出力特性，并将系统频率偏差协方差作为评价指标，量化分析了30MW电池储能系统对于孤岛网络一次调频能力的影响，结果发现其能够显著减小瞬时负荷波动引起的频率偏差。参考文献[34]提出采用离散傅里叶变换分析高频和低频调频需求的方法，并对实际系统的全天和每小时内高频分量的占比进行了定量分析。根据储能资源的快速响应特点，提出了储能资源参与调频的两种策略：一是基于区域调节需求所处的区间灵活分配储能资源承担的调节量；二是将调频需求的高频分量指派给储能资源承担。所提方法和研究结果对于实际应用具有重要的指导意义和参考价值。
针对集中式电池储能系统，参考文献[36]在计及收益和成本的基础上，考虑了系统的频率波动曲线和电池储能的充/放电特性，以电池储能产生的年收益最大为目标，建立了电网中用于一次调频的电池储能系统的经济模型，采用充电限制可调和应用耗能电阻的新型控制算法进行仿真，求得系统的最佳储能容量配置。参考文献[39]通过使用一阶惯性环节模拟电池储能出力特性，并将系统频率偏差协方差作为评价指标，量化分析了30MW电池储能系统对于孤岛网络一次调频能力的影响。结果发现其能够显著减少瞬时负荷波动引起的频率偏差，但该文献中没有考虑经济性。参考文献[38]基于一个包含水电站、火电厂以及风电场的孤岛网络，利用电池储能系统的等效模型，研究了其参与电力一次调频。在此基础上，通过动态调整SOC上下限，提出了电池储能系统的容量和运行方式优化方案，并给出确定SOC上下限的动态取值范围的方法。此外，利用净现值法（NPV）评估了寿命期为20年的储能系统的经济性。
针对分散式电池储能系统，如电动汽车的电池，参考文献[39]在考虑高渗透率间歇性风电接入孤岛电网的基础上，针对电动汽车参与电力一次调频与否，评估了其对电网频率的影响程度，但是该文献中没有考虑电池的SOC，并且采用固定的单位调节功率，没有提出其最佳控制方法。参考文献[40]在参考文献[39]的基础上进一步考虑了电池SOC的限制，但仍使用固定的单位调节功率。参考文献[41]针对电动汽车，提出了一种单位调节功率优化策略，该策略考虑了分布式V2G的充电需求和电池的SOC状况，并使用基于能斯特方程的锂电池模型和经典2区域电网模型，对该策略的用户满意度和一次调频效果进行了评估。参考文献[42]在参考文献[41]的基础上，提出了一种智能充电的策略。该策略根据电池预计所需能量计算出智能充电所需时间，并假设电动汽车每次提前设置下一次离线持续时间，当智能充电所需时间超出离线持续时间时，V2G控制转入智能充电控制，这样既可在离线前达到计划充电，又可在连线空闲时间使用V2G控制，从而同时满足电力调频需求和用户便利性。参考文献[43]在综合前面两篇文献的基础上，提出了一种自适应单位调节功率控制策略（Battery SOC Holder，BSH）。该策略可以基于SOC初始状态，维持电池能量在适当范围，若SOC水平不足以满足充电需求，该文献又基于实际充电时间和SOC期望水平，提出了一种智能充电策略（Charging with Frequency Regulation，CFR）。该策略既灵活满足了用户充电需求，又在一定程度上改善一次调频效果。
通过归纳总结，储能参与电力调频的研究现状如下所示：
基础理论研究方面包括对储能系统与燃气轮机的调频性能与效果的分析比较，对加入储能系统可减少因新能源大规模并网比例增加而急剧上升的调频容量需求进行了定量分析研究，对不同类型储能系统参与电力调频的容量配置、控制方法与经济性评估等方面的研究，以及对促进储能系统参与电力调频广泛应用的政策进行了提议等。
1）美国加利福尼亚州针对储能系统参与电力调频辅助服务的必要性进行了分析。其研究表明，随着日益增加的可再生能源比例，电网的可靠性面临严峻的挑战。在2010年，加利福尼亚州能源委员会针对20%和33%的可再生能源接入比例进行了系统可靠性和性能的模拟，得出加利福尼亚州电网在20%的可再生能源接入比例下，系统性能严重下降，在33%的接入比例下系统面临崩溃。
2）为了说明储能在辅助调频领域的价值，加利福尼亚州储能联盟对飞轮储能和传统的复合循环汽轮机的性能进行了比较，得出具有快速响应能力的大规模储能系统的调频效果是传统调频手段（即燃气轮机）的2～3倍。
3）芬兰的FingridOyj公司历时一年分析了芬兰输电系统运营公司的情况。其通过测量在11个不同星期的电网频率数据，对参与电网一次调频的电池储能系统功率与容量进行了设计，并利用频率死区和荷电状态控制回路以保证电池在一个合理的荷电状态值，以减轻循环操作对电池寿命的影响。其仿真结果表明，电池储能是用于一次调频的一种有效装置，频率死区和荷电状态控制回路的设置保证了电池处于一个合理的荷电状态区间，最大限度地降低了循环作业对电池寿命的影响。
4）针对在大规模电力系统互联情况下如何准确、快速控制系统负荷频率的问题，大致可分为经典控制方法、自适应和变结构控制方法等。从国内外已有的技术和实施方案看，针对调频应用需求，多类型储能的协调控制策略研究还处于起步阶段。
5）在经济性评估方面，加利福尼亚州储能联盟对传统循环燃气轮机和飞轮储能系统进行了建模仿真，其目的是比较循环燃气轮机和飞轮系统的商业经济回报与温室气体排放造成的影响。其建模结果表明，飞轮储能系统显著提高了经济回报并且降低了温室气体排放，储能系统具有26%的内部收益率和69975t的终生排放量，而循环燃气轮机具有7%的内部收益率和986595t的终生碳排放量。
6）推动能量存储进入市场的政策提议。加利福尼亚州储能联盟建议在调频市场建立合适的价格机制，按“业绩付费”，即评估设备对调频控制信号反应的速度和精度。
在储能系统参与电力调频的工程应用方面，自2008年始，A123公司、Xtreme Power公司、Altairnano公司等已投建多处示范项目，涉及锂离子电池等多种储能技术类型，系统容量从1.1MW/0.5MWh到20MW/5MWh级不等，并取得一定成果。