儲能調(diào)頻在火力發(fā)電廠的應(yīng)用

武愛民 郝轟宇

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電準大發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 準格爾 010399）

一、引言

據(jù)中國網(wǎng)3月30日消息，舉行的中國可再生能源發(fā)展有關(guān)情況發(fā)布會上，從2018 年到2020 年“棄風棄光”逐年好轉(zhuǎn)，風電光伏利用率大幅度上升，到2020 年風電利用率已經(jīng)達到97%，光伏利用率達到98%。下一步，在實現(xiàn)碳達峰碳中和的戰(zhàn)略目標，要推動新能源成為電力供應(yīng)主體，加強火電靈活性改造，要構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，多措并舉保障新能源高水平的消納利用。目前及未來火力發(fā)電由原來承擔電網(wǎng)主要負荷轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕{(diào)峰作用。隨著火電機組大面積供熱改造，供熱機組在電網(wǎng)中的比例越來越高，為了保證冬季供暖需求，供熱機組必須維持在一定的負荷運行，這就更加大了電網(wǎng)調(diào)峰難度，威脅電網(wǎng)自身安全運行。其他調(diào)峰機組為了適應(yīng)電網(wǎng)負荷需求變化，需要頻繁升降負荷，長時間在特殊工況下運行，造成汽輪機調(diào)門頻繁擺動，鍋爐及其他輔助設(shè)備長期承受劇烈的溫度變化和交變應(yīng)力，嚴重損害設(shè)備使用壽命，不僅導致檢修頻率增加，維護成本上升，更可怕的是導致機組非計劃停運次數(shù)增多，嚴重威脅機組、電網(wǎng)和運行人員人身安全。

二、項目概況

內(nèi)蒙古能源發(fā)電準大發(fā)電有限公司計劃在場內(nèi)給1#、2#機組建設(shè)基于鋰電池技術(shù)的儲能系統(tǒng)，應(yīng)用儲能系統(tǒng)聯(lián)合火電機組開展電網(wǎng)AGC調(diào)頻業(yè)務(wù),項目儲能系統(tǒng)總體規(guī)模為9MW。該儲能系統(tǒng)顯著提升機組AGC 調(diào)節(jié)能力，為內(nèi)蒙電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)高效的AGC 調(diào)節(jié)服務(wù)，從AGC 輔助服務(wù)中避免罰款并獲得了補償經(jīng)濟收益。

三、儲能系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

儲能系統(tǒng)投運后，電廠RTU 接收到調(diào)度指令直接向發(fā)電機組負荷發(fā)送AGC 指令或通過電廠SIS 系統(tǒng)直調(diào)電廠負荷間接調(diào)整機組負荷，并增加發(fā)送給儲能系統(tǒng)主控制單元的AGC 指令信號。同時，儲能系統(tǒng)接入后需要將機組出力與儲能系統(tǒng)出力進行合并，并將合并后的出力信號上傳電網(wǎng)，作為輔助服務(wù)考核依據(jù)。

儲能系統(tǒng)是一個由多個直流電池組集成的大容量電源系統(tǒng)，電網(wǎng)非調(diào)節(jié)工況時，由發(fā)電廠6kV 廠用電系統(tǒng)經(jīng)干式變壓器，由6kV 電壓降至0.4kV，經(jīng)整流裝置整流成直流對電池充電；電網(wǎng)調(diào)節(jié)工況時，直流電池組經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流50Hz 電源，經(jīng)干式變壓器注入發(fā)電廠6kV 廠用電系統(tǒng)。廠用電系統(tǒng)的用電設(shè)備由直流儲能裝置短時間供電，發(fā)電機原先為自身用電設(shè)備供電的容量可直接送入電網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)火力燃煤電廠的快速調(diào)節(jié)。同時，火力燃煤機組和儲能系統(tǒng)各自逐步調(diào)整并匹配出力，直到燃煤機組出力滿足調(diào)節(jié)要求，AGC 退出。

四、項目建設(shè)的可行性分析

（一）儲能技術(shù)已經(jīng)完全能夠滿足電網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)和安全要求

儲能技術(shù)的特征適合于電網(wǎng)AGC 調(diào)頻

在電力系統(tǒng)運行中，自動發(fā)電控制（AGC）主要通過實時調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的調(diào)頻電源的有功出力，實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率及聯(lián)絡(luò)線功率進行控制，解決秒或分鐘級短時間尺度的區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的具有隨機特性的有功不平衡問題，其對AGC電源性能提出了調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)精度高、頻繁轉(zhuǎn)換功率調(diào)節(jié)方向等較高要求。

通常電網(wǎng)AGC 調(diào)頻功能主要由包括以水電、燃氣機組以及火電機組的常規(guī)電源提供。由于這些電源均為具有旋轉(zhuǎn)慣性的機械器件組成，將一次能源轉(zhuǎn)換成電能將經(jīng)歷一系列復雜過程，特別是火電機組的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。圖中顯示一臺火電機組的實際跟蹤電網(wǎng)AGC 指令進行功率調(diào)節(jié)的過程。

圖4-1 火電機組跟蹤電網(wǎng)AGC 指令的響應(yīng)過程

對成熟的儲能系統(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)頻時間尺度內(nèi)的功率變換需求。根據(jù)美國西北太平洋國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory,PNNL）的2008 年研究報告顯示，平均來看，儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果是水電機組的1.4 倍，是天然氣機組的2.3 倍，是燃煤機組的20 倍以上。10MW 的儲能系統(tǒng)從+10MW 到-10MW 只需要2 秒鐘，即對于一個20MW 的AGC 指令，如果采用儲能技術(shù)，可在2 秒內(nèi)完成。儲能的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)延遲等問題將不會出現(xiàn)。儲能的綜合AGC 調(diào)節(jié)性能要遠好于火電機組。

（二）儲能系統(tǒng)滿足機組系統(tǒng)保護要求

由于儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)為雙向功率器件，接入到機組廠用電后改變了廠用電負荷的大小和增大了故障時的短路電流，因此有必要針對儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)對發(fā)變組原有繼電保護的影響進行評估，對發(fā)變組、廠用電繼電保護和儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)的接口給予充分考慮。

1.儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)工作原理

本項目采用的電池儲能系統(tǒng)、儲能雙向變流器PCS 來實現(xiàn)鋰電池和廠用電源之間的直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的能量雙向流動。儲能PCS 根據(jù)AGC 指令將廠用交流電轉(zhuǎn)換為直流電充入鋰電池堆內(nèi)，儲能PCS 在接收到充電停止命令或達到鋰電池充電截止電壓時則充電過程結(jié)束。AGC 控制系統(tǒng)或后臺調(diào)度系統(tǒng)向儲能系統(tǒng)下達放電指令時，儲能系統(tǒng)內(nèi)的儲能雙向變流器PCS 切換為放電模式，儲能PCS 將電池堆內(nèi)直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電輸出至廠用電，儲能PCS 在接收到放電停止命令或達到鋰電池放電截止電壓時則放電過程結(jié)束。

2.儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)運行工況

在本項目中，PCS 系統(tǒng)運行工況不是四象限運行，為有功功率的充電、放電兩象限運行，功率因數(shù)近似為1，不參與無功/電壓調(diào)節(jié)。儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)在機組處于正常運行時投入工作，不考慮機組廠用電源由起備變提供電源的工況。

3.儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)諧波輸出對繼電保護的影響

儲能輔助調(diào)頻采用雙向變流器PCS 來實現(xiàn)鋰電池和廠用電源之間的能量轉(zhuǎn)換，雙向變流器PCS 采用電力電子變流器PWM，在運行過程中將產(chǎn)生諧波。根據(jù)能源局發(fā)布的《電池儲能功率控制系統(tǒng)技術(shù)條件》（NB/T31016-2011）的規(guī)定，“功率控制系統(tǒng)滿負載運行時，電流諧波總畸變率限值為5%”。行業(yè)內(nèi)，主流廠家一般控制在3%以內(nèi)的總諧波畸變率。本項目采用的儲能變流器，對諧波控制通過引入重復控制，虛擬阻抗抑制諧振，以及雙邊SVPWM調(diào)制技術(shù)，使得變流器并網(wǎng)電能質(zhì)量優(yōu)于NB/T31016 規(guī)定限值。

圖4-2 儲能系統(tǒng)跟蹤電網(wǎng)AGC 調(diào)頻響應(yīng)過程

4.儲能系統(tǒng)已經(jīng)達到電力系統(tǒng)的安全性和可靠性能要求

最近十年在全球范圍內(nèi)各種新型儲能技術(shù)快速發(fā)展，儲能系統(tǒng)在使用壽命、功率和容量的規(guī)?；?、運行可靠性、投資成本等方面獲得了突破，具體包括：

系統(tǒng)規(guī)模大：模塊化設(shè)計，通過并聯(lián)可實現(xiàn)20MW 以上級別系統(tǒng)規(guī)模；響應(yīng)速度快：毫秒級時間尺度內(nèi)實現(xiàn)額定功率范圍內(nèi)的有功無功的輸入和輸出；

能精確控制：能夠在可調(diào)范圍內(nèi)的任何功率點保持穩(wěn)定輸出；

雙向調(diào)節(jié)能力：充電為用電負荷，放電為發(fā)電電源，額定功率雙倍的調(diào)節(jié)能力；

系統(tǒng)壽命長：管理良好的儲能系統(tǒng)的循環(huán)壽命可以達到百萬次以上。

最近幾年來，在經(jīng)過長期的技術(shù)論證和項目運行測試后，美國各電力市場已經(jīng)開始大量采用各種新興的儲能系統(tǒng)開展電網(wǎng)AGC 調(diào)頻服務(wù)。截至2013年年底，美國各地應(yīng)用于電網(wǎng)AGC 調(diào)頻的儲能系統(tǒng)總計達到100MW 的規(guī)模，儲能技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了在電網(wǎng)的規(guī)模化商用。系統(tǒng)普遍達到了97%以上的可用率，并且實現(xiàn)無人值守自動運行，系統(tǒng)安全性和可靠性方面已經(jīng)具備參與電力正常生產(chǎn)的條件。目前國內(nèi)建成投運的同達熱電廠調(diào)頻電站經(jīng)過長期運行已經(jīng)完全印證了電化學儲能系統(tǒng)的可靠性。

五、儲能系統(tǒng)實施

儲能系統(tǒng)設(shè)計方案應(yīng)確保儲能系統(tǒng)與發(fā)電機組長期互聯(lián)運行的可靠性和經(jīng)濟性和安全性，同時，設(shè)計方案還應(yīng)充分考慮工程示范點的實際情況,遵循示范點對工程實施可行性、運行維護方便性等環(huán)節(jié)的限制性要求。

按照準大發(fā)電ACE 調(diào)頻的特性看，80%的調(diào)頻指令在3%倍的機組全容量左右，即300MW*3%=9MW 附近，考慮目前發(fā)電機組本身的調(diào)節(jié)能力，配置儲能系統(tǒng)功率為9MW 可一定程度的避免機組頻繁折返運行，最大程度的減少機組的磨損。

蒙西電網(wǎng)的ACE 調(diào)頻指令發(fā)送周期大部分以3 分鐘為限，為了保證儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，儲能系統(tǒng)設(shè)計電池的容量能夠在滿功率的情況下支持3 個周期，即10 分鐘的滿功率輸出容量，兼顧電池在淺充淺放的要求和長期充放電對壽命衰減的綜合考慮，本項目采用方案9MW/4.5MWhde磷酸鐵鋰系統(tǒng)電池，考慮到目前電廠廠用變6kV 母線年平均負荷為18MW 左右，所以9MW儲能接入后就近為負荷所消耗，不需要考慮儲能倒送功率對廠用變6kV 側(cè)斷路器整定值的影響,儲能接入系統(tǒng)方式如下圖所示：

圖5-1 儲能單元接入系統(tǒng)方式拓撲

儲能系統(tǒng)單元的每個單元由1個儲能電池集裝箱和1個配電集裝箱構(gòu)成。儲能電池集裝箱電池配置容量995kWh，采用1 臺30 英尺標準集裝箱，箱內(nèi)部配置安裝12 套電池架、1 套BMS、空調(diào)、照明、消防等輔助系統(tǒng)。同時需要1 臺配電集裝箱，配電集裝箱采用30 尺標準集裝箱，每臺內(nèi)部安裝4 臺500KW 雙向逆變器和2 臺1MW 雙分裂變壓器。儲能電池通過雙向逆變器進行充放電，雙向逆變器再通過直接接入6KV 電網(wǎng)。

儲能系統(tǒng)由5 個單元儲能系統(tǒng)組成，總功率9MW，總電池容量3MWh，系統(tǒng)拓撲圖如下。其中1 個單元為2MW/995KWh，1 個單元為1MW/497.5KWh。

六、經(jīng)濟效益分析

儲能調(diào)頻項目實施、投入后的效果顯著。在響應(yīng)電網(wǎng)AGC 指令的過程中，準大儲能聯(lián)合#2 機組響應(yīng)的DCS 曲線如下：

通過以上曲線，可以直觀看出：準大儲能聯(lián)合#2 機組（藍色曲線）對電網(wǎng)指令（紅色曲線）的響應(yīng)質(zhì)量要遠好于機組本身（黃色曲線）。

從量化的技術(shù)經(jīng)濟指標角度，以準大#2 機組儲能調(diào)頻系統(tǒng)投入見效的2019 年3 月5 日時間點為分界點。

指標量化計算分析依據(jù)：

1：《內(nèi)蒙古電網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理及并網(wǎng)運行管理實施細則》

2：源數(shù)據(jù)采用“內(nèi)蒙古電網(wǎng)《兩個細則》技術(shù)支持系統(tǒng)”中的準大熱電廠#2 機組數(shù)據(jù)；

3：從2019 年3 月開始，向前追朔至2018 年1 月（2018 年1 月及2019年2 月暫無電網(wǎng)數(shù)據(jù)），共15 個月的統(tǒng)計計算時間；

準大發(fā)電公司#2 機組自身AGC 調(diào)頻技術(shù)經(jīng)濟現(xiàn)狀

結(jié)論：通過上表統(tǒng)計計算：準大發(fā)電#2 機組Kp 值在1.42～2.5。年均值在2 左右。AGC 補償分攤處于虧損狀態(tài)。

準大發(fā)電公司儲能聯(lián)合#2 機組AGC 調(diào)頻技術(shù)經(jīng)濟效果

準大發(fā)電公司#2 機組自身AGC 調(diào)頻技術(shù)經(jīng)濟現(xiàn)狀

準大發(fā)電有限公司儲能聯(lián)合#2 機組AGC 調(diào)頻效果從2019 年8 月-12 月（由于電網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)布周期所限）進行統(tǒng)計計算

結(jié)論：通過上述統(tǒng)計計算結(jié)果對比，準大發(fā)電有限公司#2 機組儲能調(diào)頻系統(tǒng)對機組的K 值（K1,K2,K3,Kp）和經(jīng)濟收益均得到大幅度提升，其中K1 提升91%、K2 提升5%、K3 提升9%、Kp 提升118，項目實施效果顯著。

七、結(jié)論

本項目在電力新技術(shù)的開發(fā)利用、智能電網(wǎng)建設(shè)以及提升火電運行效率等方面具有較高的價值和重要的意義。同時以相關(guān)政府以及電網(wǎng)公司的支持為依托，確保了本項目的技術(shù)及經(jīng)濟的可行性。