日本东北地区有理想的风力条件。到2015年底，东北电力公司已将800兆瓦的风力发电连接到中压电网。这一比例为26％，是日本总装机容量的最大份额。由于有利的上网电价，电力公司决定将与中压电网相连的风电装机容量增加到2510兆瓦。从太阳能的角度来看，在2015财年结束时，公用事业公司将大约2450兆瓦的太阳能连接到电网。这使得东北电力公司成为太阳能渗透率方面，全日本第二大公用事业公司。
随着与网络连接的间歇性发电容量的增加，关于电力质量（包括电压和频率波动）的担忧日益增加。目前，通过调整火力发电厂调峰来解决频率调节问题，但这种调整的有效性受到限制。为了评估这些担忧，东北电力公司在西仙台变电站安装了一个大型电池储能系统（BESS），以证明BESS在调节频率方面的有效性。有效的频率调节将使电力公司能够增加对可再生能源的使用。
系统总览
BESS额定功率为20兆瓦，短时功率为40兆瓦，储存容量为20兆瓦时。由东芝公司能源系统和解决方案公司提供的BESS设计，用于在中压网络连接点提供20兆瓦时的充电/放电，预期使用寿命为20年。它的安装旨在平抑由于间歇性风力和太阳能光伏发电的增加而来带来的电网频率变化。
电池根据东北电力公司控制中心的指令进行充电和放电，并与火力发电机一起运行。它主要用于网络频率调节应用，在安装BESS之前这个功能完全由热发电机组处理。
BESS可以提供比火力发电机更快的响应速度，但是电池可以提供连续充电/放电的时间受其容量，过热趋势和其他因素的限制。由于这些原因，目前采用BESS和火力发电机联合来提高频率调节能力。东北电力公司拥有13座热电厂，总发电量为12,725兆瓦。
BESS由以下部件组成：主变压器（45 MVA，33 kV / 6.6 kV）; 20台升压变压器（2 MVA，6.6 kV / 300 V）; 两个厂用变压器（1.5 MVA，6.6 kV / 210 V）; 80个电能转换系统（PCS）（500 kW）; 80个蓄电池箱; 和一个控制保护系统。
BESS功能
本BESS项目设计中遇到的显着挑战包括20年的使用寿命，准确管理大量电池的充电状态（SOC），以及合理控制充电和放电功率分配至80个PCS单元。
负荷频率控制（LFC）系统根据频率和电流偏差计算服务区域不同地区的需求 - 供应平衡，称为等面积需求。LFC系统根据火力发电机和BESS的输出进行调整，以将面积要求保持在给定的范围内。LFC闭环控制系统由现有火电机组的控制回路和BESS的另一条控制回路构成。这两个控制回路具有相似的结构。
充电比率校正功能对BESS来说是独一无二的。为了充分利用BESS的高调度能力，时间常数和其他输入滤波器的参数被设计为可单独编程用于BESS或火电机组，两者并不相同。电池控制回路将区域需求作为输入并通过过滤单元提供控制命令值。
以下是LFC的控制块概述：
- 过滤单元执行带通滤波以获取从区域要求传递到BESS的短周期数据输入。
- 仅当获取的短期数据输入超过给定阈值时，才激活BESS，以减少要充电和放电的电能。
- 充电比率校正单元调整充电/放电命令的值，以使电池充电率达到目标。
- BESS热开关电路逐渐将LFC控制量从BESS转移到火电机组，以防止电池长时间连续充电和放电，因此BESS保持一定的调整能力。
- 过热限制器，通过计算充电和放电的电量，设定阈值，以防止电池过热。
寿命与性能
为了实现使用寿命为20年的BESS，部署了东芝的SCiB锂离子充电电池。与其他同类产品不同，SCiB在大约15,000次充电/放电周期后保持其全部容量的80％以上。此外，即使频率调节应用需要频繁充电和放电，SCiB也不会出现明显的劣化。在BESS中使用的SCiB电池已经证实其寿命的长久性，使其能够满足特定的20年要求。
SOC表示电池剩余多少能量。SOC的单位表示为百分点（0％=空; 100％=满）。西仙台变电站的BESS旨在提供考虑到长使用寿命时所需的初始容量。因此，选择50％的SOC作为基线。
为了实现10 MWh的充电和放电，BESS由总容量为20 MWh的电池组成。运营充电比率定义为20 MWh为100％。换句话说，50％的运行充电比率相当于50％的SOC。这个定义使得BESS可以无需担心老化引起的容量下降。
此外，由于采用高精度SOC管理技术，BESS可以在不需要关闭SOC校正的情况下连续工作。
控制方法
BESS每五秒钟收到一次来自控制中心的有效电源命令。如果来自PCS单元的输出控制命令（充电/放电）失去平衡，单个电池将接收到不同的控制信号。为了解决这个问题，已经开发了一种用于将要被充电和放电的电能均等分配给所有电池的技术。
采用这种技术，根据充电/放电效率，操作时间和单个电池的SOC，以给定间隔在PCS单元之间分配设置为充电/放电命令的参数。然后用它们相应地打开PCS单元。该技术使得PCS单元的高效运行成为可能。通过减少电池上不同且不一致的控制命令的负担，还有望帮助减少电池的长期劣化。
BESS的主要特点之一是快速充电/放电周期。BESS的设计目标是从控制设备接收充电/放电命令到PCS单元在1000毫秒或更短时间内开始充电或放电的时间。在收到命令后，放电电流大约需要430毫秒才能到达网络，包括控制设备处理命令所用的时间，从控制设备到PCS单元的传输时间以及PCS等待时间。有人认为BESS提供了高度的可调度性能。
施工
电池系统的主要组件是安装在容器中的电池模块和电池板，每个组件都从不同的位置供电。电池模块在运输到现场之前首先安装在电池板中。电池容器直接运输到现场，并提供20兆瓦时的电池存储容量。西仙台变电站共安装了80个电池箱。
建设分三个阶段完成：基础，土建和电气。为了缩短施工时间，电池容器被安装在四组20个单元中。这使得施工阶段能够在18个月的时间内并行完成，包括测试和调试。
项目成功
由于这个项目，开发了BESS的最佳控制方法和管理技术。自2015年2月以来，BESS一直在西仙台变电站投入使用，根据该运营期的结果，迄今为止其业绩已被视为成功。示范项目于2018年1月结束。
致谢
作者要感谢武田大辅和东芝公司的桥本达也在编写本文时提供的支持和技术建议。
Mitsuhiro Matsumoto自1991年以来一直在为东北电力公司工作。他现在是电力系统工程部门的电力系统控制设计工程小组的经理，负责监督电力系统的调度和运行。松本在2013年至2015年期间是东北大学先进电力工程团队的成员。
Eiji Matsuzaka自1988年以来一直在为东北电力公司工作。他是电力系统工程部门的水电和变电站工程组的经理，负责监督变电站的调度和运行。他曾是该集团的总负责人，负责维护位于日本Minamisōma的40兆瓦，40兆瓦时大型电池储存系统。
关于东北电力公司
位于日本大陆北部的一家大型垂直综合公用事业公司，东北电力公司负责发电，输电和配电。公用事业公司拥有259个发电站组合，总装机容量18,812兆瓦，由226个小型水电站（2538兆瓦），13个火力发电厂（12725兆瓦），两个核电站（3274兆瓦）和18个可再生能源能源设施。其传输线路长度达到24,794公里（15,407英里），最高电压为500千伏，275千伏和154千伏。安装的627个超高压/高压变电站提供高压，中压和低压配电网络，配电线路长度为583,091公里（362,333英里）。
摘自：tdworld.com - Intermittent Control
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