儲(chǔ)能電池技術(shù)參與火電廠AGC調(diào)頻的應(yīng)用

華潤(rùn)電力控股有限公司 張濤

對(duì)于燃煤發(fā)電機(jī)組，一次能源轉(zhuǎn)換成電能需要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的過(guò)程，同時(shí)其軸系具有旋轉(zhuǎn)慣性，因此燃煤機(jī)組對(duì)有功功率的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較慢，通常需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成調(diào)節(jié)要求。因此，火電機(jī)組在長(zhǎng)期承擔(dān)繁重的自動(dòng)發(fā)電量控制（Automatic Generation Control，簡(jiǎn)稱(chēng)AGC）調(diào)節(jié)任務(wù)時(shí)，特別是當(dāng)電網(wǎng)中調(diào)指令變化幅度較大時(shí)，因?yàn)槠漤憫?yīng)速度慢，造成了機(jī)組鍋爐短期內(nèi)迅速加煤，這樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)組制粉系統(tǒng)負(fù)載升高、設(shè)備磨損嚴(yán)重、發(fā)電煤耗增高等一系列負(fù)面影響。為了能夠提高火電機(jī)組的AGC 調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度，提高火電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外電力市場(chǎng)出現(xiàn)了將儲(chǔ)能技術(shù)引入到電力系統(tǒng)AGC 調(diào)頻中的技術(shù)。

儲(chǔ)能技術(shù)介紹

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，AGC 主要通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的調(diào)頻電源的有功出力，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率及聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行控制，解決秒或分鐘級(jí)短時(shí)間尺度的區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的具有隨機(jī)特性的有功不平衡問(wèn)題，其對(duì)AGC 電源性能提出了調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)精度高等較高要求。

傳統(tǒng)電網(wǎng)AGC 調(diào)頻功能主要由水電、燃?xì)鈾C(jī)組以及火電機(jī)組等常規(guī)電源提供。由于這些電源均為具有旋轉(zhuǎn)慣性的機(jī)械器件組成，將一次能源轉(zhuǎn)換成電能將經(jīng)歷一系列復(fù)雜過(guò)程，特別是火電機(jī)組的AGC 調(diào)頻性能與電網(wǎng)的調(diào)節(jié)期望比較尚有差距，具體表現(xiàn)為調(diào)節(jié)的延遲、偏差（超調(diào)和欠調(diào)）等現(xiàn)象。下圖中顯示一臺(tái)火電機(jī)組的實(shí)際跟蹤電網(wǎng)AGC 指令進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的過(guò)程。

火電機(jī)組跟蹤電網(wǎng)AGC 指令的響應(yīng)過(guò)程

對(duì)成熟的儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，在額定功率范圍內(nèi)，都可以在1秒鐘內(nèi)、以99%以上的精度完成指定功率的輸出，其綜合響應(yīng)能力完全滿足在AGC 調(diào)頻時(shí)間尺度內(nèi)的功率變換需求。根據(jù)美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的2008年研究報(bào)告顯示，平均來(lái)看，儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻效果是水電機(jī)組的1.4 倍，是天然氣機(jī)組的2.3倍，是燃煤機(jī)組的20 倍以上。10 兆瓦的儲(chǔ)能系統(tǒng)從+10 兆瓦到-10 兆瓦只需要2 秒鐘，即對(duì)于一個(gè)20 兆瓦的AGC 指令，如果采用儲(chǔ)能技術(shù)，可在2 秒內(nèi)完成。如下圖所示，儲(chǔ)能的AGC 跟蹤曲線幾乎與AGC 指令曲線重合，即調(diào)節(jié)反向、調(diào)節(jié)偏差以及調(diào)節(jié)延遲等問(wèn)題將不會(huì)出現(xiàn)。儲(chǔ)能的綜合AGC 調(diào)節(jié)性能要遠(yuǎn)好于火電機(jī)組。

儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤電網(wǎng)AGC 調(diào)頻響應(yīng)過(guò)程

儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)

儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的工作原理是，通過(guò)將儲(chǔ)能設(shè)備添加進(jìn)傳統(tǒng)的火電機(jī)組中，在對(duì)AGC 調(diào)頻指令的響應(yīng)方面，用火電機(jī)組作為基礎(chǔ)的響應(yīng)單元，儲(chǔ)能系統(tǒng)則作為進(jìn)行快速響應(yīng)的補(bǔ)充單元。因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)敵龉β蔬M(jìn)行高效的調(diào)節(jié)，它的應(yīng)用能夠?qū)C(jī)組AGC 信號(hào)的響應(yīng)精度與速度進(jìn)行有效的改善，同時(shí)還能夠大幅度的降低機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，緩解機(jī)組中的設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的磨損情況。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)不需要與電廠機(jī)組共用相同的生產(chǎn)控制邏輯，為了最大程度上減少因?yàn)楦脑於斐傻倪\(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，要盡量減少對(duì)機(jī)組的控制系統(tǒng)的變更。

在火電機(jī)組中接入儲(chǔ)能系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)頻之前，相關(guān)部門(mén)和工作人員首先要對(duì)有關(guān)的安全問(wèn)題進(jìn)行全面深入的考慮，利用數(shù)值仿真、理論分析等手段進(jìn)行安全分析，對(duì)接入風(fēng)險(xiǎn)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量選用、火電機(jī)組的檢修計(jì)劃、施工成本與周期、安裝場(chǎng)地的限制等諸多因素進(jìn)行全面的考慮，以此確定具體的接入方案。需要注意的是在設(shè)計(jì)接入方案的時(shí)候，要盡可能降低對(duì)火電機(jī)組的運(yùn)行安全的影響，同時(shí)也要對(duì)施工成本和施工周期進(jìn)行有效的控制。

通信和控制單元、PCS 功率變換裝置以及儲(chǔ)能單元是儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)中包含有兆瓦級(jí)儲(chǔ)能單元，將雙向功率兆伏安級(jí)變換功率裝置接入其中，將其接入廠用電6.3 千伏的高壓回路中，是借助升壓變壓器實(shí)現(xiàn)的。電廠中380 伏的廠用電是儲(chǔ)能系統(tǒng)的輔助用電的主要來(lái)源。在進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，3 兆瓦電池標(biāo)準(zhǔn)化儲(chǔ)能單元是其主要前提，為了使功率容量有比較顯著的提高，將3 兆瓦的變換雙向功率裝置和儲(chǔ)能單元進(jìn)行并聯(lián)，然后對(duì)其進(jìn)行升壓。將儲(chǔ)能系統(tǒng)的輔助用電并入電廠的用電回路之中，能夠?yàn)榭刂葡到y(tǒng)提供用電，并保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的冷卻和照明，與此同時(shí)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部有UPS 設(shè)置，能夠在輔助供電發(fā)生中斷的情況下，有效保證系統(tǒng)的整體運(yùn)行安全。

以華潤(rùn)電力唐山豐潤(rùn)有限公司的某一機(jī)組為例，將儲(chǔ)能系統(tǒng)接入該機(jī)組的機(jī)端之后，電廠的儲(chǔ)能控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)借助遠(yuǎn)動(dòng)終端的單元系統(tǒng)和該機(jī)組的控制系統(tǒng)之間的通訊連接，獲取到該機(jī)組的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。然后再考慮到電網(wǎng)高效安全運(yùn)行針對(duì)該機(jī)組的具體調(diào)度要求，利用內(nèi)置算法的處理，得到相關(guān)的優(yōu)化數(shù)據(jù)，然后將這些優(yōu)化數(shù)據(jù)發(fā)送到儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率裝置進(jìn)行實(shí)際執(zhí)行，最終對(duì)該機(jī)組實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)干預(yù)，大幅度的提高該機(jī)組在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的性能指標(biāo)。

在將儲(chǔ)能系統(tǒng)接入火電機(jī)組之后，現(xiàn)有的RTU 設(shè)備在向機(jī)組發(fā)送AGC 指令的同時(shí)，增設(shè)AGC 指令發(fā)送給儲(chǔ)能系統(tǒng)主控制單元的信號(hào)。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后需要將機(jī)組出力與儲(chǔ)能系統(tǒng)出力進(jìn)行合并，并將合并后的出力信號(hào)上傳電網(wǎng)，作為AGC 考核依據(jù)。

系統(tǒng)運(yùn)行的性能和經(jīng)濟(jì)效果

將儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電廠中原有的火電機(jī)組之后，在試運(yùn)行以及前期正式運(yùn)行階段，電廠相關(guān)部門(mén)對(duì)儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)在出力控制方面，其實(shí)際誤差平均低于28 千瓦，只占儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量的1.4%。儲(chǔ)能系統(tǒng)在額定功率情況下，其并網(wǎng)線路的實(shí)際損耗只有21.4 千瓦，低于額定功率容量的1%。在直流側(cè)，儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的能量效率高達(dá)93%，在交流側(cè)，其能量效率能夠高達(dá)86%。根據(jù)技術(shù)人員的測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)在出力控制方面具有高響應(yīng)速度、高精度的特點(diǎn)，與火電機(jī)組相比，儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)的AGC 調(diào)頻指令的調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)速度以及響應(yīng)精度均具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

華潤(rùn)電力控股有限公司潤(rùn)達(dá)電廠2019年2月份前半月1 號(hào)機(jī)組和2 號(hào)機(jī)組同時(shí)投運(yùn)AGC，其中1 號(hào)機(jī)組和儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行，2 號(hào)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行。AGC 運(yùn)行運(yùn)行考核情況如下：

2019年2月潤(rùn)達(dá)電廠AGC 考核指標(biāo)Kp 值

2019年2月潤(rùn)達(dá)電廠AGC 運(yùn)行指標(biāo)：調(diào)節(jié)深度兆瓦

運(yùn)行結(jié)果表明，儲(chǔ)能聯(lián)合機(jī)組調(diào)頻性能明顯優(yōu)于機(jī)組單獨(dú)調(diào)頻，調(diào)節(jié)深度明顯提高。儲(chǔ)能和機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行明顯提高補(bǔ)償收益。潤(rùn)達(dá)1 號(hào)機(jī)組AGC 調(diào)節(jié)性能明顯的提升，供熱期單日KP 值由原來(lái)平均3.3 左右提升至平均4.1 左右；日補(bǔ)償費(fèi)用由原來(lái)幾千元最高可提升至5 萬(wàn)元左右。在非供熱期單日KP 值預(yù)計(jì)達(dá)到4.8 以上，日補(bǔ)償費(fèi)用可提升至8～10 萬(wàn)元左右。

結(jié)語(yǔ)

在電力生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)層面，華北電網(wǎng)以大型燃煤火電機(jī)組作為主要調(diào)頻資源，而儲(chǔ)能系統(tǒng)的AGC 調(diào)頻效果遠(yuǎn)好于火電機(jī)組，引入相對(duì)少量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，將能夠迅速并有效地解決區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻資源不足的問(wèn)題。本項(xiàng)目對(duì)華北電網(wǎng)的AGC 調(diào)頻運(yùn)行預(yù)計(jì)將產(chǎn)生明顯影響，改善電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性及安全性，對(duì)構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)型智能電網(wǎng)并改善電網(wǎng)對(duì)可再生能源的接納能力具有重要意義。同時(shí)，當(dāng)火電機(jī)組從長(zhǎng)期的AGC 調(diào)頻任務(wù)中解放出來(lái)，穩(wěn)定出力并提高負(fù)荷率將很好地改善機(jī)組燃煤效率，緩解由于頻繁調(diào)節(jié)造成的火電機(jī)組的設(shè)備疲勞和磨損，提升機(jī)組的可用率及使用壽命，進(jìn)一步促進(jìn)全社會(huì)的節(jié)能減排。