火電聯合儲能調頻技術的研究與應用

山西河坡發電有限責任公司 山西 陽泉 045000

引言

隨著新能源發電的快速發展，因其固有的發電特性，對電力系統穩定運行造成了一定的影響，主要表現為調峰和調頻兩個方面。火電作為華北地區電網主力機組，長期承擔繁重的AGC調節任務，造成了發電煤耗增高、設備磨損增加等一系列問題，同時也有可能造成一定設備運行風險。電儲能由于其快速響應的特點，參與AGC調頻效果明顯。火電聯合相對適量的儲能系統參與調峰調頻，能夠迅速并有效地解決區域電網調頻資源不足的問題，改善電網運行的可靠性及安全性。對構建堅強型智能電網并改善電網對可再生能源的接納能力具有重要意義 。 本文以某電廠兩臺350MW超臨界循環流化床燃煤機組為例，研究了火電機組與電儲能聯合調頻系統的設計方案和性能提升效果 。

1 容量選擇

在儲能火電聯合調頻系統中，在確定儲能系統功率配置時考慮以下要求，一是儲能功率配置應大于機組調節死區，二是儲能功率應覆蓋大部分AGC目標出力與機組實際出力偏差值，三是應兼顧儲能設備的經濟性。

根據電網AGC調頻的特性統計，80%的調頻指令在3%倍的機組全容量左右，即350MW×3%＝10.5MW，結合目前發電機組本身的調節能力及機組調節余量，綜合考慮投資收益率、設備利用率等因素，配置儲能系統功率為9MW可在一定程度上避免機組頻繁折返運行，減少機組的磨損[1]。

電網的ACE調頻指令發送周期大部分以5min為限，為了保證儲能系統的調節能力，設計電池的容量能夠在滿功率的情況下支持3個周期，即15min的滿功率輸出／輸入容量，可以得出電池的有效容量為9×1/4＝2.25MWh。但是此容量下電池工作狀態為全容量的充放，為保證儲能系統同時具備正向和反向調節的能力，儲能系統電池組荷電狀態估計（SOC）維持在75%左右，同時考慮電池有效利用系數為95%（放電深度×放電效率），以及電廠自身性能，配置容量為4.5MWh。

2 與廠內一次系統的接入

圖1 電儲能系統一次接入

每個儲能逆變器單元通過升壓變壓器升壓到6KV后接至儲能調頻裝置6KV母線段，再通過切換開關分別接入兩臺機組的高壓6KV廠用母線。考慮到機組調頻深度，其中，分別與兩臺機組交互的兩個6KV電源開關互為閉鎖，即只能同時參與一臺機組的調頻任務。儲能系統輔助用電分別接入兩臺機組380V公用變，以保證供電中斷情況下系統的運行安全。如圖1所示。

3 控制方法

儲能系統接入機組后，儲能控制系統接收來自機組DCS的信號，獲取實時生產數據，判斷機組運行現狀，并結合電網對機組調度要求，經過內置算法分析處理，計算出優化數據，下發給儲能系統功率裝置執行，實現對機組生產的優化性干預，達到提升機組生產性能指標的目的[2]。

在儲能系統投運過程中，閉鎖儲能系統充放電的情況有：電儲能調頻控制裝置是否故障，如果故障，則儲能輔助裝置不動作，同時與機組NCS進行信息交互；，根據《華北區域發電廠并網運行管理實施細則》中第十七條第七項相關規定，當機組AGC與一次調頻反向時，則儲能裝置不動作；?在正常參與調頻過程中，為了保護電池，延長電池壽命，當持續充電至90%或持續放電至20%以下時，則儲能裝置不動作。

正常情況下，當AGC為升負荷指令時，儲能裝置進行放電，使機組增加出力，以實現機組的輸出快速響應AGC指令；同時隨著機組自身出力的增加，儲能放電量逐漸減小，始終保持機組聯合出力與AGC相等。當AGC為降負荷指令時，儲能裝置進行充電，使機組減小出力來實現機組的輸出快速響應 AGC指令；同時隨著機組自身出力的減小，儲能充電量也逐漸減小，始終保持機組聯合出力與AGC相等。如圖2所示。

圖2 電儲能充放電過程

4 效益分析

4.1 AGC性能指標評估方法

依據電網 “雙細則” 文件，調頻性能指標包括調節速率K1、調節精度K2與響應時間K3。 AGC 調節性能計算公式為 ：

式中，Ki，jp衡量的是AGC機組i第j次調節過程中的調節性能好壞程度；Ki，j1為第i臺機組第j次調節的調節速率的考核指標；Ki，j2是AGC機組i第j次實際調節偏差量與其允許偏差量相比達到的程度；Ki，j3是該AGC機組i該第j次實際響應時間與標準響應時間相比達到的程度[3]。

4.2 調節深度

基于調節深度指標，對具備不同響應能力的調頻資源給予不同程度的補償。響應能力強、調節速度快、跟蹤性能好的機組對電網調頻的貢獻更大，應獲得更多的補償。

日調節深度定義為每日調節量的總和，即：

式中，D為機組當天AGC調節深度；n為日調節次數；Dj為機組第 j 次的調節深度，MW。

4.3 調頻收益

根據山西電網兩個細則，日收益為=日平均綜合性能指標kp ×日調節深度。

4.4 收益比較

下表為按5元競價（區間為5～10元）

表1 儲能系統投運性能及效益對照表

續表

由上表可以看出，在8月16日至8月20日期間，電儲能參與#1機組聯合調頻的情況下，其綜合性能指標（Kp值）基本達到6.0以上，日均收益在8萬元左右。而未投入電儲能的#2機組，在升負荷率為6mw/min機組在調門大幅度頻繁動作的情況其日均收益也只有5萬元左右[4]。

5 結束語

項目投運后，綜合性能指標（Kp值）可提升至6.0以上，同時還有助于延長機組運行壽命、降低消耗、減少排放，對電網安全穩定運行、提高電網對可再生能源接納水平等方面有重要意義。