三梅英,姚洋陽(yáng),邱亞鳴,秦會(huì)會(huì)
(1.黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限公司,青海 西寧 810000;2.上海明華電力科技有限公司,上海 200090;3.黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限公司拉西瓦發(fā)電公司,青海 貴德 811700)
在 “雙碳”目標(biāo)的大背景下,我國(guó)正在加快建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1-2],新能源裝機(jī)及發(fā)電占比不斷提高,電網(wǎng)調(diào)頻壓力越來(lái)越大[3],對(duì)傳統(tǒng)電源調(diào)頻能力提出了越來(lái)越高的要求[4-5]。西北電網(wǎng)是我國(guó)新能源占比最高的區(qū)域電網(wǎng),其《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》《發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱“兩個(gè)細(xì)則”)要求水電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)響應(yīng)時(shí)間須小于10 s,且響應(yīng)時(shí)間合格率不足98%會(huì)被考核[6]。目前,西北電網(wǎng)調(diào)頻水電站響應(yīng)時(shí)間考核面對(duì)的形勢(shì)較為嚴(yán)峻,其中第一調(diào)頻水電站2022年AGC被考核910萬(wàn)元,比2021年上漲30%。
目前,對(duì)水電AGC控制策略優(yōu)化的研究主要集中在機(jī)組效率、響應(yīng)速率及AGC與一次調(diào)頻協(xié)同控制方面[7-8]。李濱等將AGC響應(yīng)速率與響應(yīng)精度引入經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù),建立了基于“兩個(gè)細(xì)則”的水電廠AGC最優(yōu)控制策略模型[9]。常輝對(duì)AGC穿越振動(dòng)區(qū)策略進(jìn)行了優(yōu)化,增加小負(fù)荷分配策略,提升了水電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[10]。胡翔等基于變步長(zhǎng)求解器,構(gòu)建了水電機(jī)組調(diào)速及監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型;結(jié)合剛性水輪機(jī)模型,提出一次調(diào)頻與AGC協(xié)同策略模型,顯著提升機(jī)組調(diào)頻能力[11]。然而對(duì)提升AGC響應(yīng)時(shí)間方面的研究較少,基本都采用調(diào)節(jié)開(kāi)度脈沖時(shí)長(zhǎng)的方法[12-13],對(duì)于調(diào)節(jié)頻繁的第一調(diào)頻水電站,該方法只能在一段時(shí)間內(nèi)有效提高AGC響應(yīng)時(shí)間性能,隨著機(jī)械磨損的加劇,AGC響應(yīng)性能會(huì)進(jìn)一步下降,而開(kāi)度脈沖時(shí)間不能無(wú)限加長(zhǎng),需要尋求更有效的方法提升AGC性能。
本文以西北電網(wǎng)第一調(diào)頻電廠某水電站為例,分析電站運(yùn)行特性及電站考核情況,研究水儲(chǔ)協(xié)同配置方案及控制策略,并進(jìn)行水儲(chǔ)協(xié)同經(jīng)濟(jì)性分析,通過(guò)水儲(chǔ)協(xié)同方法提高水電站AGC性能,大幅度減少AGC響應(yīng)時(shí)間考核,提高水電站經(jīng)濟(jì)效益。
某水電站共6臺(tái)機(jī)組,總裝機(jī)容量4 200 MW,是黃河流域裝機(jī)容量最大的水電站,在西北電網(wǎng)承擔(dān)第一調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù),機(jī)組AGC投單機(jī)調(diào)頻模式,當(dāng)系統(tǒng)頻率超出±0.02 Hz時(shí),由調(diào)度側(cè)主站發(fā)出調(diào)節(jié)指令進(jìn)行機(jī)組有功調(diào)節(jié),控制系統(tǒng)頻率在50 Hz±0.02 Hz范圍之內(nèi)。近年來(lái)“兩個(gè)細(xì)則”考核問(wèn)題較為嚴(yán)峻,主要原因是AGC響應(yīng)時(shí)間合格率欠佳。該水電站2021—2022年AGC考核情況如圖1所示,2022年相較于2021年考核問(wèn)題更為嚴(yán)峻,最高一個(gè)月被考核97.8萬(wàn)元。
圖1 某水電站2021—2022年AGC考核情況
2022年2月份電站6臺(tái)機(jī)組AGC各分項(xiàng)考核情況見(jiàn)表1,所有機(jī)組可用率、調(diào)節(jié)速率均滿足“兩個(gè)細(xì)則”要求,未受到考核。除最新投運(yùn)的4號(hào)機(jī)組外,其余機(jī)組響應(yīng)時(shí)間合格率均未達(dá)到“兩個(gè)細(xì)則”要求的98%,受到不同程度考核,其中3號(hào)和6號(hào)機(jī)組考核分?jǐn)?shù)占比最高,分別為192.20分、249.94分。
表1 2022年2月電站AGC各分項(xiàng)考核情況
由于西北電網(wǎng)新能源能源占比不斷提高,第一調(diào)頻水電站調(diào)節(jié)任務(wù)日益繁重,AGC日調(diào)節(jié)頻次大幅度增加,導(dǎo)致水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各傳動(dòng)件加速磨損,機(jī)械死區(qū)變大,調(diào)節(jié)性能降低,響應(yīng)時(shí)間增加。此外,短時(shí)間內(nèi)反向功率指令、尾水壓力脈動(dòng)等原因都造成電站AGC響應(yīng)時(shí)間合格率達(dá)不到西北電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”98%的要求,考核分?jǐn)?shù)居高不下。
電站機(jī)組基本一直保持并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),每臺(tái)機(jī)組同一時(shí)刻接收電網(wǎng)的AGC調(diào)度指令,動(dòng)作方向均一致。對(duì)電站2022年1月份典型日AGC響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),2臺(tái)機(jī)組在同時(shí)刻AGC響應(yīng)時(shí)間被考核的次數(shù)為142次,3臺(tái)機(jī)組在同時(shí)刻AGC響應(yīng)時(shí)間被考核的次數(shù)為11次,4臺(tái)機(jī)組在同時(shí)刻AGC響應(yīng)時(shí)間被考核的次數(shù)為3次,主要是部分性能差的機(jī)組響應(yīng)被考核概率高,3臺(tái)及以上機(jī)組在同時(shí)刻AGC響應(yīng)時(shí)間被考核的概率較低。
圖2為電站機(jī)組2022年1月AGC響應(yīng)時(shí)間分布概率,AGC響應(yīng)時(shí)間不合格的工況中,響應(yīng)時(shí)間11~14 s的工況占比較大,響應(yīng)時(shí)間大于17 s的工況占比很少。
圖2 電站機(jī)組2022年1月份AGC響應(yīng)時(shí)間 分布
2.1.1儲(chǔ)能選型
鋰電池是目前技術(shù)比較成熟,且發(fā)展勢(shì)頭最為迅猛的電儲(chǔ)能方式[14]。近年來(lái),行業(yè)內(nèi)對(duì)于儲(chǔ)能電池的選擇普遍轉(zhuǎn)向磷酸鐵鋰電池,磷酸鐵鋰電池在國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位[15]。綜合考慮安全、性價(jià)比等因素,儲(chǔ)能可選用磷酸鐵鋰電池。
鑒于第一調(diào)頻水電站AGC響應(yīng)時(shí)間不滿足要求而受到“兩個(gè)細(xì)則”考核,在選擇配套儲(chǔ)能時(shí)主要考慮儲(chǔ)能對(duì)AGC響應(yīng)時(shí)間的改善。西北電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”中對(duì)AGC響應(yīng)時(shí)間的定義是自AGC指令開(kāi)始變化時(shí)刻起,至機(jī)組實(shí)際負(fù)荷開(kāi)始變化,變化幅度超過(guò)負(fù)荷穩(wěn)態(tài)偏差允許范圍(水電機(jī)組穩(wěn)態(tài)偏差指不超過(guò)裝機(jī)容量的±1%),并在趨勢(shì)上不再反向的時(shí)刻之間的時(shí)間差。水電機(jī)組的AGC響應(yīng)時(shí)間要求小于或等于10 s。AGC響應(yīng)時(shí)間按照響應(yīng)時(shí)間月度合格率進(jìn)行考核,要求不低于98%。
調(diào)頻電站水儲(chǔ)協(xié)同的主要功能是,在AGC指令下達(dá)接近10 s且機(jī)組出力變化幅度還沒(méi)有超過(guò)穩(wěn)態(tài)偏差時(shí),用電儲(chǔ)能進(jìn)行出力調(diào)節(jié),將AGC響應(yīng)時(shí)間控制在10 s以內(nèi),以減少AGC響應(yīng)時(shí)間考核。
2.1.2相關(guān)參數(shù)選擇
1)充放電功率。電站AGC響應(yīng)時(shí)間基本都能控制在17 s以內(nèi),儲(chǔ)能需要支撐的時(shí)間只需要秒級(jí),待水電機(jī)組出力變化超過(guò)穩(wěn)態(tài)偏差之后就可以逐漸退出。然而對(duì)儲(chǔ)能功率要求較高,電站共6臺(tái)機(jī)組,每臺(tái)機(jī)組裝機(jī)均為700 MW,穩(wěn)態(tài)偏差達(dá)7 MW,儲(chǔ)能最高充放電功率需達(dá)到穩(wěn)態(tài)偏差7 MW。
2)電池倍率。電池倍率越大,發(fā)熱和極化越嚴(yán)重,電池壽命越短;此外,循環(huán)放電的程度越深,電池老化也越快[16-17]。2C系統(tǒng)單位造價(jià)比1C儲(chǔ)能系統(tǒng)高,但2C系統(tǒng)總體造價(jià)比1C儲(chǔ)能系統(tǒng)低30%左右,目前應(yīng)用于工程領(lǐng)域的磷酸鐵鋰電池普遍不超過(guò)2C。綜合考慮成本、生命周期、安全等因素,2C倍率的磷酸鐵鋰電池最合適。
3)電池容量。該電站主要是部分性能差的機(jī)組響應(yīng)被考核概率高,3臺(tái)及以上機(jī)組在同時(shí)刻AGC響應(yīng)時(shí)間被考核的概率較低,綜合考慮場(chǎng)地和成本,配備2套電儲(chǔ)能系統(tǒng)最適宜,可同時(shí)對(duì)兩臺(tái)機(jī)組的AGC響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化??紤]到運(yùn)行靈活性,每套儲(chǔ)能裝置安裝3套切換閘刀,這樣每套儲(chǔ)能裝置可以通過(guò)切換供不同機(jī)組調(diào)用。此外,電池有一致性問(wèn)題[18],性能最差的電芯決定系統(tǒng)性能,為不讓電芯倍率超過(guò)設(shè)計(jì)倍率,電池容量須留有一定裕度。綜上,可配置2套7 MW/3.5 MW·h的儲(chǔ)能裝置。
2.1.3磷酸鐵鋰電池性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)
表2為某品牌磷酸鐵鋰電池性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),Pn為額定功率。除充電轉(zhuǎn)放電工況外,其余工況的純延時(shí)時(shí)間均在80 ms以內(nèi),充電方向轉(zhuǎn)放電方向的純延遲時(shí)間稍長(zhǎng)(達(dá)150 ms),但仍為秒級(jí)響應(yīng)。調(diào)節(jié)時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)250 ms,在秒級(jí)內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)功率。因此,儲(chǔ)能協(xié)同水電機(jī)組進(jìn)行AGC調(diào)節(jié)時(shí),留有1 s的時(shí)間裕度,足以完成充放電準(zhǔn)備工作。
表2 某品牌500 kW/1 MW·h磷酸鐵鋰電池 性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)
實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,儲(chǔ)能與機(jī)組之間的刀閘無(wú)法頻繁切換,優(yōu)先對(duì)AGC性能相對(duì)差的機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié),也可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行切換。機(jī)組優(yōu)先級(jí)可以根據(jù)AGC響應(yīng)性能進(jìn)行排序,日均AGC響應(yīng)時(shí)間合格率越低,則優(yōu)先級(jí)越高。每臺(tái)機(jī)組與對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備之間均設(shè)置閘刀,方便機(jī)組檢修或停機(jī)時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能鏈路切換??紤]到線路越長(zhǎng),虧損越大,優(yōu)先匹配距離機(jī)組位置近且條件具備的電儲(chǔ)能系統(tǒng)。
水儲(chǔ)協(xié)同控制策略流程如圖3所示,系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)投用儲(chǔ)能回路機(jī)組的AGC指令變化情況,當(dāng)AGC指令變化后開(kāi)始計(jì)時(shí),當(dāng)計(jì)時(shí)到第9 s時(shí)若機(jī)組功率變化未越過(guò)穩(wěn)態(tài)偏差,則會(huì)發(fā)出該機(jī)組的儲(chǔ)能請(qǐng)求調(diào)用指令。
圖3 水儲(chǔ)協(xié)同控制策略流程
若電網(wǎng)頻率降低,要求機(jī)組AGC增負(fù)荷,機(jī)組在AGC指令下發(fā)第9 s時(shí)功率變化幅度未向上越過(guò)穩(wěn)態(tài)偏差,儲(chǔ)能在第9 s即開(kāi)始發(fā)送放電指令,放電功率為機(jī)組變化欠穩(wěn)定偏差的部分;此外需要滿足整體功率不下降的條件,待機(jī)組自身出力變化越過(guò)穩(wěn)態(tài)偏差之后,儲(chǔ)能退出放電模式。若電網(wǎng)頻率升高,要求機(jī)組AGC減負(fù)荷,機(jī)組在AGC指令下發(fā)第9 s時(shí)功率變化幅度未向下越過(guò)穩(wěn)態(tài)偏差,儲(chǔ)能在第9 s即開(kāi)始發(fā)送充電指令,充電功率為機(jī)組變化欠穩(wěn)定偏差的部分;此外需要滿足整體功率不升高的條件,待機(jī)組自身出力變化越過(guò)穩(wěn)態(tài)偏差后,儲(chǔ)能退出充電模式。若儲(chǔ)能響應(yīng)10 s之后機(jī)組功率變化幅度還沒(méi)越過(guò)穩(wěn)態(tài)偏差,則退出電儲(chǔ)能調(diào)用,避免儲(chǔ)能浪費(fèi),機(jī)組延時(shí)時(shí)間超過(guò)17 s的概率不大,對(duì)延時(shí)時(shí)間超過(guò)17 s的工況進(jìn)行調(diào)節(jié)意義不大。充放電過(guò)程中為防止電池過(guò)功率充放電影響電池壽命,設(shè)置電儲(chǔ)能充放電上限功率7.5 MW。
按照上述策略用Simulink軟件進(jìn)行建模仿真,模型如圖4所示。其中,PowerCMDWithTime為單機(jī)AGC指令,PowerWithTime為單機(jī)實(shí)測(cè)功率反饋。通過(guò)Transport Delay1和Add2計(jì)算單機(jī)AGC指令變化量,通過(guò)Triggered Subsystem和Add5計(jì)算實(shí)際功率變化量。當(dāng)Triggered Subsystem1檢測(cè)到AGC指令出現(xiàn)變化時(shí),會(huì)對(duì)當(dāng)前功率變化量進(jìn)行判斷:如果大于穩(wěn)態(tài)偏差,則輸出0;否則將當(dāng)前功率實(shí)際變化量與穩(wěn)態(tài)偏差的差值通過(guò)Switch1變量輸出,并通過(guò)Integrator對(duì)欠穩(wěn)態(tài)偏差Switch1非零的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)時(shí)長(zhǎng)在9~17 s時(shí),Matlab Function會(huì)將欠穩(wěn)態(tài)偏差Switch1作為電儲(chǔ)能的負(fù)荷設(shè)定值指令下發(fā),并通過(guò)純延遲環(huán)節(jié)Transport Delay和一階慣性環(huán)節(jié)Transfer Fcn2模擬電儲(chǔ)能的響應(yīng)特性。最終機(jī)組的總功率反饋由水輪機(jī)出力和電儲(chǔ)能出力通過(guò)Add 1疊加得到。
基于上述水儲(chǔ)協(xié)同仿真模型對(duì)電站的真實(shí)運(yùn)行曲線進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化前后功率曲線如圖5所示。可以看出,經(jīng)過(guò)水儲(chǔ)協(xié)同模型優(yōu)化,AGC響應(yīng)時(shí)間得到明顯優(yōu)化,控制在10 s以內(nèi),可以有效緩解電站AGC響應(yīng)時(shí)間考核嚴(yán)峻的現(xiàn)狀。
圖4 水儲(chǔ)協(xié)同建模仿真模型
(a)電儲(chǔ)能仿真功率
(b)優(yōu)化前后功率
對(duì)2022年2月響應(yīng)時(shí)間不合格的各機(jī)組進(jìn)行儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)節(jié)仿真,優(yōu)化前后相關(guān)機(jī)組AGC響應(yīng)時(shí)間合格率見(jiàn)表3??梢钥闯?,優(yōu)化后機(jī)組月度AGC響應(yīng)時(shí)間合格率均提高到98%以上,滿足西北電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”的考核要求。
表3 優(yōu)化調(diào)節(jié)前后AGC響應(yīng)時(shí)間合格率 %
1)投資成本。鋰電池的初始投資成本因項(xiàng)目區(qū)別有一定差異,假設(shè)初始投資單位成本為2.5元/(W·h),總投資成本1 750萬(wàn)元。隨著儲(chǔ)能技術(shù)日益成熟,鋰電池投資成本還有一定的下降空間。
2)年度運(yùn)維成本。運(yùn)維成本包括電站運(yùn)營(yíng)期間的燃料動(dòng)力費(fèi),以及為維持電站運(yùn)營(yíng)所必須的零部件更換、系統(tǒng)維護(hù)、人工費(fèi)等費(fèi)用[19-20],此類成本根據(jù)儲(chǔ)能類型的不同大致占初始投資成本的1%~10%。鑒于鋰離子電池儲(chǔ)能電站普遍采用遠(yuǎn)程監(jiān)控與定期巡檢相結(jié)合的方式,人工費(fèi)用相比其他電池類型低,假設(shè)運(yùn)維成本占初始投資成本的4%。
3)系統(tǒng)殘值率。磷酸鐵鋰電池相較其他類型電池回收價(jià)值較低,假設(shè)其系統(tǒng)殘值率為5%。
4)系統(tǒng)壽命。鋰電池循環(huán)壽命為3 500~5 000次,以2022年1月電站考核情況作為參考計(jì)算,若給AGC響應(yīng)性能較差的3號(hào)和6號(hào)機(jī)組調(diào)用儲(chǔ)能,月均循環(huán)次數(shù)25次,假設(shè)其循環(huán)壽命為4 000次,則系統(tǒng)壽命約10年。
5)系統(tǒng)收益?;?022年2月AGC響應(yīng)性能最差的3號(hào)、6號(hào)機(jī)組的考核情況,若延時(shí)17 s以下的工況均通過(guò)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)降至10 s以內(nèi),則配置儲(chǔ)能后2臺(tái)機(jī)組AGC響應(yīng)時(shí)間月度合格率均達(dá)98%以上,每月可減少考核分440分,每年可換算成收益528萬(wàn)元,每年折算成現(xiàn)金流入528萬(wàn)元。
6)其他。假設(shè)放電深度90%,儲(chǔ)能循環(huán)效率88%,壽命終止容量75%。
在上述假設(shè)邊界條件的基礎(chǔ)上,對(duì)第一調(diào)頻電站水儲(chǔ)協(xié)同項(xiàng)目進(jìn)行簡(jiǎn)要投資測(cè)算,采用等額本金方式償還貸款,貸款利率4.9%。相關(guān)投資及貸款情況數(shù)見(jiàn)表4。
表4 水儲(chǔ)協(xié)同系統(tǒng)投資及貸款情況
按上述條件計(jì)算出的內(nèi)部收益率達(dá)18.7%,投資回收期為4.5年,但仍存在一些不穩(wěn)定因素:一是,每月收入不穩(wěn)定,加裝儲(chǔ)能之后,每年減免考核費(fèi)用不足470萬(wàn),內(nèi)部收益率將小于10%,若每年減免考核費(fèi)用不足413萬(wàn),內(nèi)部收益率將變?yōu)樨?fù)值;二是,電池壽命是一個(gè)不穩(wěn)定因素,電站調(diào)頻頻繁,短時(shí)間頻繁淺充淺放對(duì)電儲(chǔ)能壽命的影響有待考量。
西北電網(wǎng)新能源占比高,近年來(lái)第一調(diào)頻水電站被考核問(wèn)題日益嚴(yán)重,最主要原因是AGC響應(yīng)時(shí)間合格率偏低,常規(guī)增加開(kāi)度脈沖時(shí)間的方法不能從根本上解決問(wèn)題。采用水儲(chǔ)協(xié)同的方法可以有效提升電站AGC響應(yīng)時(shí)間性能。本文對(duì)調(diào)頻水電站運(yùn)行特性和考核情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),2臺(tái)以上機(jī)組同時(shí)被考核的概率較小,且AGC響應(yīng)延時(shí)時(shí)間基本在17 s以內(nèi)?;谝陨咸匦裕岢鰞?chǔ)能選型及配置方案,研究提升AGC響應(yīng)時(shí)間性能的水儲(chǔ)協(xié)同控制策略,配置2套儲(chǔ)能設(shè)備同時(shí)對(duì)2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié),通過(guò)電氣閘刀可以進(jìn)行儲(chǔ)能鏈路切換,僅對(duì)響應(yīng)時(shí)間在17 s以內(nèi)的工況進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié),并在Simulink平臺(tái)進(jìn)行了建模,對(duì)電站實(shí)際運(yùn)行曲線進(jìn)行優(yōu)化仿真計(jì)算。
以上研究結(jié)果表明,通過(guò)水儲(chǔ)協(xié)同優(yōu)化,電站實(shí)際AGC運(yùn)行曲線得到明顯優(yōu)化,儲(chǔ)能可以及時(shí)對(duì)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié),將響應(yīng)時(shí)間控制在10 s以內(nèi)。此外,基于假設(shè)經(jīng)濟(jì)邊界條件,對(duì)水儲(chǔ)協(xié)同方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,以2022年2月AGC性能最差的2臺(tái)機(jī)組作為參考,若每月少考核440分,則內(nèi)部收益率達(dá)18.7%,可以有效改善電站AGC響應(yīng)時(shí)間被考核嚴(yán)峻的現(xiàn)狀,提升電站的經(jīng)濟(jì)效益。