PG9171E型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組實現(xiàn)儲能黑啟動及輔助調(diào)頻技術(shù)探討

溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司, 廣東 深圳 518052)

近十幾年來,世界各地發(fā)生多起電網(wǎng)大停電事故,如美加大停電、紐約大停電、海南大停電、珠海澳門大面積停電等,這些重大事故都造成了災(zāi)難性的社會影響和經(jīng)濟損失。電網(wǎng)的大面積停電事故使電網(wǎng)對電廠的黑啟動能力日益重視。

黑啟動是指在電力系統(tǒng)因故障停運后,系統(tǒng)全部停電,處于全“黑”狀態(tài),不依賴其他幫助,通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的發(fā)電機組啟動,帶動無自啟動能力的發(fā)電機組,逐步擴大系統(tǒng)的供電范圍,最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)恢復(fù)供電的過程。

儲能作為一個新興產(chǎn)業(yè),近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速,目前已在各地區(qū)電力系統(tǒng)中有一定規(guī)模的投入。儲能系統(tǒng)具有充放電轉(zhuǎn)換靈活、功率因數(shù)可調(diào)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點[1],而燃氣輪機能夠快速啟動、寬幅加載和靈敏響應(yīng)[2],這與黑啟動在某些方面的需求相契合。因此“燃氣輪機發(fā)電+電池儲能系統(tǒng)”的混合發(fā)電解決方案, 在現(xiàn)有燃氣輪機電站設(shè)計上稍加改進就可以成為一個合格黑啟動電站。

1 電廠概述

某電廠現(xiàn)有3套9E燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組,采用“一拖一”方式運行,即1臺120 MW燃氣輪機帶1臺60 MW汽輪機獨立運行。3臺燃氣輪機均為PG9171E型燃氣輪機,3臺汽輪機均為聯(lián)合循環(huán)雙壓凝汽式。每臺發(fā)電機額定電壓均為10.5 kV,經(jīng)升壓至110 kV,廠出線電壓等級采用110 kV。升壓站采用室內(nèi)設(shè)計,采用雙母線運行方式,共計6臺主升壓變,3臺110 kV高壓廠用變及6回110 kV出線。全廠設(shè)置3臺高壓廠用變壓器從110 kV系統(tǒng)引接電源,#01、#03高廠變作為主供廠用6.6 kV電源,#02高廠變?yōu)閺S用電6.6 kV聯(lián)鎖備用電源。

3套聯(lián)合循環(huán)機組自編號分別為#1/#2機組、#3/#4機組及#10/#11機組。其中,#1、#3、#10 為 9E 燃氣輪機,#2、#4、#11為汽輪機。圖1為某電廠改造前電氣一次接線圖。

圖1 某電廠改造前電氣一次接線圖

2 黑啟動方案

2.1 基本原則

根據(jù)與南方電網(wǎng)簽訂的黑啟動技術(shù)協(xié)議,電廠接到調(diào)度指令后,在有限時間將本廠運行方式調(diào)整至初始可控狀態(tài),確保廠用公用系統(tǒng)供電,做好向周邊電廠、變電站送電準(zhǔn)備工作。

根據(jù)本電廠原有電氣一次接線圖,擬先利用儲能系統(tǒng)作為外部電源,啟動#1、#3、#10燃氣輪機至空載滿速,通過死母線合閘功能,電源送至110 kV 母線5 M/6 M/7 M,通過投入#01或#03高壓廠用變壓器,切換廠用電方式,實現(xiàn)燃氣輪機帶廠用電運行,并退出儲能系統(tǒng),將本廠運行方式按照電網(wǎng)要求實現(xiàn)初始可控狀態(tài)。

2.2 聯(lián)合循環(huán)機組黑啟動所需容量統(tǒng)計

2.2.1 單套9E聯(lián)合循環(huán)機組黑啟動容量需求分析

由于電廠單套聯(lián)合循環(huán)機組未設(shè)計旁路煙囪,燃氣輪機不具備單循環(huán)啟動條件,因此要實現(xiàn)PG9171E型燃氣輪機黑啟動需要考慮單臺燃氣輪機啟動至空載滿速的必要負荷及余熱鍋爐和汽輪機輔助系統(tǒng)黑啟動負荷。考慮到電網(wǎng)故障失電不確定性,機組黑啟動負荷以聯(lián)合循環(huán)機組設(shè)備處熱態(tài)狀態(tài)下啟動時所需最大負荷來計算。#1、#3、#10燃氣輪機均是由GE公司生產(chǎn),但#1、#10機由法國阿爾斯通公司配套燃氣輪機發(fā)電機,其拖動電機功率為1 000 kW;#3機由印度BHEL公司配套燃氣輪機發(fā)電機,其拖動電機功率為1 305 kW。因此,以本廠啟動#3機的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備所需負荷來計算,詳見表1。

2.2.2 熱態(tài)情況下,其他機組盤車所需負荷

在電網(wǎng)失電后,為了保證其他機組能夠按照調(diào)度要求隨時啟動,必須把其他機組的盤車及冷卻系統(tǒng)正常投入運行。表2為其他機組盤車所需負荷。

表2 其他機組盤車所需負荷

2.2.3 熱態(tài)情況下,燃氣輪機啟動至空載滿速

為了優(yōu)化負載,根據(jù)設(shè)備實時狀態(tài)情況按照以下原則進行相關(guān)設(shè)備啟動(啟動#3機為例):(1) 全廠失電后,利用儲能系統(tǒng)通過開關(guān)接入#02高廠變低壓側(cè)母排恢復(fù)各套機組照明、冷卻水系統(tǒng),投入各機組滑油、盤車系統(tǒng);(2)恢復(fù)#3/#4機啟動時所需負載廠用電源;(3)根據(jù)#3機啟動過程中煙氣溫度變化情況,逐一投入余熱鍋爐高壓/低壓循環(huán)水泵、給水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、汽機真空系統(tǒng)、汽機側(cè)高壓/低壓蒸汽旁路系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)等;(4)#3機運行空載滿速后,通過死母線合閘功能,投入#01、#03高壓廠用變壓器,采用同期并聯(lián)切換方式,廠用電供電方式由儲能系統(tǒng)供電切換至#01或#03高廠變供電,最終實現(xiàn)#3機帶自身廠用電運行。

根據(jù)2.2.3啟動負載順序,該廠#3燃氣輪機啟機至空載滿速過程中所需廠用電負荷變化曲線如圖2所示。

圖2 #3燃氣輪機啟機至空載所需廠用電負荷變化曲線

3 輔助調(diào)頻方案

3.1 儲能輔助調(diào)頻優(yōu)勢

為了保障電網(wǎng)的穩(wěn)定,南方電網(wǎng)要求發(fā)電機組須擁有調(diào)頻義務(wù),調(diào)頻能力強的機組可以通過電力輔助服務(wù)賺取利潤。代表電廠調(diào)頻能力的好壞由三個考核指標(biāo)來決定,分別為調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度,又稱K1、K2、K3,三者的綜合指標(biāo)為K。K值是影響調(diào)頻收益的最重要指標(biāo)之一,K值越大,在調(diào)頻輔助服務(wù)競爭中就更有優(yōu)勢,調(diào)頻收益也就越高。對發(fā)電企業(yè)來說,提升K值就是提升利潤。

儲能系統(tǒng)參與輔助調(diào)頻具有以下優(yōu)勢:(1)響應(yīng)速度快,1～2 s;(2)調(diào)節(jié)速率快,可以在1 s以99%以上的精度完成指定功率輸出;(3)調(diào)節(jié)精度高,儲能電網(wǎng)自動發(fā)電控制(AGC)跟蹤曲線幾乎與AGC指令曲線重合。

3.2 基本思路

考慮到該電廠發(fā)電機組主變的額定容量,擬把儲能系統(tǒng)調(diào)頻回路通過調(diào)頻變壓器接入汽輪機發(fā)電機主變即#2主變、#4主變、#11主變的低壓側(cè)。

4 儲能系統(tǒng)配置及接入方案

4.1 儲能系統(tǒng)配置選擇

從圖2中可見,啟動最大功率約7 250 kW,燃氣輪機啟動至空載滿速所需時間約26 min,需要能量為0.681 kW·h。按照單臺燃氣輪機黑啟動允許啟動時間120 min作為每次啟動時間來計算,啟動所需能量約2.045 MW·h?？紤]黑啟動失敗的可能性,設(shè)計容量按照兩次黑啟動所需容量,容量應(yīng)不小 4.1 MW·h。儲能系統(tǒng)參與輔助調(diào)頻,放電深度維持在60%左右,容量應(yīng)不小于6.83 MW·h,再考慮儲能放電效率90%,儲能容量衰減到80%,容量應(yīng)9.5 MW·h。綜合考慮功率及容量,配置9 MW/9 MW·h儲能系統(tǒng),儲能電池充電和放電倍率均為1 C(C是電池充放電倍率的單位),即一小時可充滿或放光9 MW·h電量。

儲能電池系統(tǒng)由3套3 MW/3 MW·h磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)組成,每套包括蓄電池組、電池管理系統(tǒng)BMS、儲能變流器PCS(雙向工作)、能量管理系統(tǒng)EMS。其中蓄電池組采用模塊化設(shè)計,由若干電池串并聯(lián)組成,從而獲得更大的功率容量。蓄電池組經(jīng)PCS、隔離變壓器與系統(tǒng)相連,并通過BMS和EMS對電池和能量進行控制管理。每個電池組均裝有BMS對電池的充放電進行在線管理,BMS與PCS通過以太網(wǎng)與后臺監(jiān)控相連,執(zhí)行充放電控制策略。

儲能系統(tǒng)帶有一路充電回路、儲能黑啟動回路及儲能輔助調(diào)頻回路。每套蓄電池組經(jīng)過PCS、隔離變壓器后輸出6.6 kV至儲能系統(tǒng)母線。

為了保證儲能系統(tǒng)在全廠失電后能正常工作,設(shè)計了儲能站用電源系統(tǒng),為儲能系統(tǒng)的照明、暖通和控制系統(tǒng)等輔助設(shè)備提供電源。它是由兩路380 VAC冗余電源通過自動切換裝置后獲得,一路接入電廠380 V廠用電,另外一路接入站用變壓器6.6 kV/380 V低壓側(cè),從而保障在輔助供電中斷情況下儲能系統(tǒng)設(shè)備運行安全。

4.2 儲能黑啟動回路接入方案

儲能6.6 kV系統(tǒng)設(shè)計6.6 kV 6M、7M、8M儲能母線段,每一段母線容量均為3 MW/3 MW·h。6.6 kV儲能母線段設(shè)置了聯(lián)合開關(guān)和聯(lián)絡(luò)刀閘,3套3 MW儲能電源可以并聯(lián)使用,保證黑啟動過程中微網(wǎng)容量足夠支撐輔機功率突變與波動。

如圖3 所示,6.6 kV 6M段母線通過黑啟動供電開關(guān)662H接入#02高廠變低壓側(cè)母排,作為黑啟動時廠用電供電電源。6.6 kV 2M段母線引一回線路通過充電開關(guān)6072接入6.6 kV 7M段,作為儲能電池的充電回路。

圖3 儲能系統(tǒng)示意圖

4.3 儲能輔助調(diào)頻回路接入方案

選擇#2、#4、#11汽輪機發(fā)電機出口作為各機組聯(lián)合輔助調(diào)頻接入口。汽輪機發(fā)電機出口電壓為 10.5 kV,因此從每段儲能母線上通過開關(guān)接入一臺6.6/10.5 kV升壓變(#1調(diào)頻變、#2調(diào)頻變、#3調(diào)頻變),從每臺升壓變高壓側(cè)通過隔離開關(guān)分別接入#2 、#4 、#11 汽輪機發(fā)電機出口,以實現(xiàn) AGC 輔助調(diào)頻功能。每套儲能系統(tǒng)可單獨對一臺機組實施輔助調(diào)頻功能,也可以通過儲能母線母聯(lián)開關(guān)實現(xiàn)多套儲能系統(tǒng)對一臺機組實施輔助調(diào)頻功能。圖4為儲能系統(tǒng)接入電廠示意圖。

圖4 儲能系統(tǒng)接入電廠示意圖

5 儲能系統(tǒng)黑啟動實現(xiàn)方法

5.1 廠用電運行方式

該電廠廠用電電壓等級為6.6 kV和400 V。6.6 kV 1M、6.6 kV 2M、6.6 kV 3M段母線正常運行,由#01高廠變供電、#02高廠變供電開關(guān)聯(lián)鎖備用;6.6 kV 4M、6.6 kV 5M段母線正常運行,由#03高廠變供電、#02高廠變供電開關(guān)聯(lián)鎖備用。

3套聯(lián)合循環(huán)機組正常運行,分別由6.6 kV 3M/4M/5M三段廠用母線各自供電,因此每段6.6 kV廠用母線需具備黑啟動能力。為了保證燃氣輪機啟動所需功率及負載容量,儲能6.6 kV 6M/6.6 kV 7M、6.6 kV 7M/6.6 kV 8M段母線之間設(shè)置母聯(lián)開關(guān),燃氣輪機黑啟動時,3套3 MW儲能采用并聯(lián)使用運行方式。儲能6.6 kV 6M、6.6 kV 7M、6.6 kV 8M段母線并聯(lián)后經(jīng)開關(guān)接入廠用6.6 kV各段母線。

5.2 儲能系統(tǒng)啟動方案

儲能系統(tǒng)選擇黑啟動方式,儲能母線段建壓完成。運行人員根據(jù)選擇啟動燃氣輪機通過#02高廠變低壓側(cè)母排來恢復(fù)相應(yīng)6.6 kV段電源,恢復(fù)機組啟動所需廠用電源。

黑啟動基本方法:儲能黑啟動方式→儲能6.6 kV 6M/7M/8M母線段建壓→恢復(fù)機組廠用電→燃氣輪機啟動→死母線合閘→110 kV 母線帶電→投入#01、#03高廠變→同期切換機組廠用電(退出儲能系統(tǒng)供電)→根據(jù)電網(wǎng)要求繼續(xù)恢復(fù)其他燃氣輪機或外送電源。

6 儲能輔助調(diào)頻功能實現(xiàn)方法

6.1 基本原理

在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中,增加儲能設(shè)備,以燃氣輪機機組作為響應(yīng)AGC 調(diào)頻指令的基礎(chǔ)單元,以儲能系統(tǒng)作為補充的快速響應(yīng)單元。利用儲能系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)輸出功率的能力,達到改善機組AGC 響應(yīng)速度和精度、緩解機組設(shè)備磨損并降低運行風(fēng)險的目的[3]。

6.2 控制策略

儲能系統(tǒng)接入后,對原發(fā)電機組響應(yīng)電網(wǎng)AGC指令進行修改,修改基本方法如下:電網(wǎng)通過遠動裝置RTU下發(fā)AGC負荷調(diào)節(jié)指令,機組DCS系統(tǒng)和儲能控制系統(tǒng)EMS同時接收AGC指令,控制機組出力跟蹤電網(wǎng)調(diào)度指令。機組DCS系統(tǒng)和儲能控制系統(tǒng)同時響應(yīng),機組響應(yīng)較慢,儲能控制系統(tǒng)會快速響應(yīng)。隨著機組的響應(yīng),儲能控制系統(tǒng)會根據(jù)負荷指令和機組響應(yīng)出力情況來調(diào)整其輸出或儲存功率。當(dāng)機組實際出力低于AGC指令要求時,儲能系統(tǒng)放電饋送電能;反之,當(dāng)機組實際出力高于AGC指令要求時,儲能系統(tǒng)充電吸收電能,從而主動彌補機組實際出力與AGC指令間的偏差,如圖5 所示。

圖5 儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)控制策略示意圖

7 結(jié)語

與傳統(tǒng)黑啟動電源相比,儲能系統(tǒng)具有占地規(guī)模小、布點靈活、調(diào)節(jié)幅度更大、動態(tài)響應(yīng)更快等特點。如果在燃氣輪機機組中配儲能系統(tǒng),可在黑啟動初始階段提供可靠的電源。而且不論是從配備發(fā)電機的類型,還是從穩(wěn)定性、啟動成功率、環(huán)保性、經(jīng)濟性上來說,儲能系統(tǒng)相較于小型柴油機,都更具優(yōu)勢。儲能系統(tǒng)參與發(fā)電機機組黑啟動時,啟動速度更快,更加經(jīng)濟可靠,有效解決局部電網(wǎng)黑啟動電源不足的問題,減少大停電損失,對電力系統(tǒng)崩潰后的恢復(fù)具有重要意義。

另外,隨著電網(wǎng)現(xiàn)貨市場政策的推行以及新能源滲透比例的不斷提升,電網(wǎng)對調(diào)頻里程的需求將會顯著提升,調(diào)頻機組參與AGC響應(yīng)的需求也會隨之提升。儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)能夠精確地響應(yīng)電力調(diào)頻,解決了傳統(tǒng)機組調(diào)節(jié)速率慢、折返延遲和誤差大的缺點,又能夠使發(fā)電機組在保持平穩(wěn)運行的同時大幅度提高調(diào)頻性能,提高了機組運行調(diào)整的安全性,為機組帶來經(jīng)濟效益。