基于儲能系統(tǒng)的9F級燃氣輪機調頻的研究與應用

林慶 于金江

摘要：該文分析了電網調頻服務市場形勢及前景，介紹了某電廠的儲能輔助調頻系統(tǒng)的配置情況，結合電池儲能機組聯(lián)合調頻的工程實踐，闡述了“燃機電廠聯(lián)合儲能調頻”的原理、控制策略，結合實際運行經驗，研究了儲能輔助調頻系統(tǒng)的調頻效果，對燃機電廠的儲能系統(tǒng)聯(lián)合調頻進行了總結。

關鍵詞：燃機電廠;電池儲能;聯(lián)合調頻

引言

近年來我國清潔能源發(fā)展迅猛，電源結構、網架結構發(fā)生重大變化，系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴大，系統(tǒng)運行管理的復雜性隨之大大增加，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提出了更高要求。當前，我國電力供應能力總體富余，煤電機組利用小時數呈逐步下降趨勢，局部地區(qū)棄風、棄光、棄水、限核和系統(tǒng)調峰等問題突出電網峰谷差有不斷增大的趨勢。目前電網AGC 機組中大部分是火電機組，火電機組特別是燃煤機組并非優(yōu)質調頻電源，調頻效果不佳，由于儲能系統(tǒng)的調頻效果遠好于任何常規(guī)發(fā)電技術，引入相對少量的儲能系統(tǒng)，就能夠迅速有效地提高區(qū)域電網的調頻效果。因此，如何應用儲能來改善火力發(fā)電廠的調頻性能得到廣泛關注。

1 電網的調頻需求

根據廣東中調《南方（以廣東起步）調頻輔助服務市場模擬運行情況》，廣東負荷水平1 億kW，峰谷差大，約3500 萬kW，部分時段變化速率較大，達80萬kW/min，每個時刻的瞬時調頻容量在500MW-800MW 之間波動，負荷波動大，調頻需求量大。目前廣東電網AGC 機組共計166 臺，總調節(jié)容量33452MW，其中火電機組占比91.94%，而火電機組特別是燃煤機組并非優(yōu)質調頻電源，優(yōu)質調頻電源稀缺，不能滿足電網調節(jié)要求，特別是在夜間出現調頻供不應求的狀況。廣東電網電源結構以大型火電機組為主，火電機組長期擔任繁重的調頻任務，在設備磨損、煤耗增加、運行安全等方面面臨負面影響，不利于機組和電網運行的經濟性、安全性和可靠性，故電網對優(yōu)質調頻電源有迫切需求。

2儲能系統(tǒng)配置情況

該儲能系統(tǒng)配置容量為22MW/20.49MWh，由26套預裝式集裝箱組成。

11個40尺電池集裝箱，包括7個2MW/2.47MWh的磷酸鐵鋰電池集裝箱，4個2MW/0.8MWh的鈦酸鋰電池集裝箱，電池集裝箱由多組鋰電芯組合的電池簇和電池模塊、BMS及消防系統(tǒng)、通風制冷系統(tǒng)、直流匯流柜組成。

11個20尺中壓變流箱，每個中壓變流箱包括4臺500kW雙向變流器，一臺2MVA中壓變壓器，中壓變流箱由雙向變流器、升壓變壓器組成，為交直流電能轉換的關鍵環(huán)節(jié)。

2個40尺中壓匯流箱，每個中壓匯流箱包括2路電源進線間隔、6個箱變開關接入間隔，中壓匯流箱由6kV開關柜及低壓輔助屏柜組成，向上向下連接中壓變流箱、機組廠用電6kV母線。

1個40尺集控箱和1個20尺柴油發(fā)電機集裝箱。前者為項目就地集中控制室，集控箱是整個儲能系統(tǒng)的核心，由EMS能力管理系統(tǒng)組成，檢測電池儲能設備的狀態(tài)及電量信息，控制儲能系統(tǒng)充放電功率。本儲能系統(tǒng)還配置一套600kW柴油發(fā)電機集裝箱。

3儲能聯(lián)合調頻系統(tǒng)原理與控制

3.1系統(tǒng)原理

聯(lián)合調頻基本原理是：在傳統(tǒng)火電機組中，增加儲能設備，以火電機組作為響應AGC 調頻指令的基礎單元，以儲能系統(tǒng)作為補充的快速響應單元。利用儲能系統(tǒng)快速調節(jié)輸出、入功率的能力，達到改善機組AGC調節(jié)速率和響應時間，緩解機組設備磨損并降低運行風險的目的。

下圖為儲能系統(tǒng)控制示意圖，如圖1 所示。

調節(jié)信號的接入及調頻控制過程如下：電網調度中心發(fā)送AGC指令到電廠遠動裝置RTU，RTU轉發(fā)AGC指令至儲能EMS系統(tǒng)主控單元和電廠DCS，調頻機組跟蹤調度指令控制機組出力，儲能EMS系統(tǒng)根據AGC調度出力指令和調頻機組出力差值，控制儲能系統(tǒng)出力，機組出力與儲能系統(tǒng)出力合并后的出力信號上傳電網，作為AGC考核依據，當合并出力達到調度指令值時，既調頻程序完成。

3.2控制過程

1）計算儲能系統(tǒng)出力

當機組與儲能系統(tǒng)均運行在正常狀態(tài)時，根據電網AGC指令、機組實際出力，確定儲能系統(tǒng)出力需求。當機組實際出力低于AGC指令要求時，儲能系統(tǒng)快速放電補充出力;當機組實際出力高于AGC指令要求時，儲能系統(tǒng)快速充電降低出力。

2）儲能系統(tǒng)負荷分配

儲能控制系統(tǒng)根據儲能系統(tǒng)出力需求，以及儲能單元狀態(tài)，確定儲能系統(tǒng)出力需求在儲能單元間的分配，并通過功率變換裝置（PCS）實際控制儲能單元的充放電功率。

通過儲能調頻與機組原協(xié)調控制策略的有效協(xié)同工作，可進一步避免AGC小負荷調頻模式下的機組常規(guī)協(xié)調控制系統(tǒng)的調節(jié)擾動。

4 運行性能結果

4.1儲能設備運行情況

儲能系統(tǒng)運行期間，儲能系統(tǒng)設備及相關技術性能參數運行情況如下：

1）機組的運行方式為夜間進相調壓、日間調峰時，儲能系統(tǒng)并未連續(xù)運行，SOC范圍為25%-80%，保護策略及調頻策略均動作正確，未出現因電池電壓達到限值限功率現象。

2）機組運行方式為連續(xù)運行時，機組連續(xù)中標參與調頻，SOC最高達到95%，系統(tǒng)可充電功率被限制，EMS修改主動均衡策略，加大SOC均衡力度，由原設置的0.4MW提升至1.2MW，能解決SOC過高問題。

3）運行期間鈦酸鋰電芯最高溫度35℃，磷酸鐵鋰電芯最高溫度26℃，未發(fā)生過溫保護動作現象，未發(fā)生儲能功率振蕩或跳閘事件，儲能系統(tǒng)最大充電功率20MW，最大放電功率5MW。

從運行結果看，機組在任何的運行方式下，儲能系統(tǒng)能滿足機組任意的調頻需求，同時保證自身設備的安全穩(wěn)定運行。

4.2調頻性能改善情況

1）典型AGC指令跟蹤響應情況，儲能輔助機組AGC調頻曲線，詳見圖2。

如圖2 所示，儲能裝置發(fā)揮了調節(jié)速率快，響應快速的特點，進一步提升了機組調整速度，很好地改善了AGC的跟蹤效果。AGC閉環(huán)運行結果表明，2號機組與儲能裝置聯(lián)合調頻響應電網AGC調度指令，系統(tǒng)性能指標大幅度提升，達到了預期設計目標。

2）儲能系統(tǒng)投入前后#2機組的調頻性能指標K值變化情況對比，見表1。

從表1可以看出，投入儲能系統(tǒng)參與機組調頻后，#2機組調節(jié)速率K1由2.62提升至3.9，響應時間K2由0.89提升至0.94，調節(jié)精度K3由0.94下降至0.92，綜合調頻指標Kp由1.77提升至2.41。儲能系統(tǒng)投入后，雖然調節(jié)精度K3略有下降，但調節(jié)速率K1、響應時間K2值均大幅提高，最終儲能系統(tǒng)對機組綜合調頻指標KP值得到大幅度提高，有效的提高了火電機組聯(lián)合儲能調頻調節(jié)性能。

5 結束語

今后多年，我國將繼續(xù)大力發(fā)展清潔能源，電網電源結構、網架結構將變的更加復雜，高比例清潔能源大規(guī)模并網，將給電網調頻帶來巨大的挑戰(zhàn)。實踐表明，儲能系統(tǒng)參與燃機機組聯(lián)合調頻可以改善火電機組AGC 調節(jié)性能，且各項技術指標達到預期、效果顯著。儲能系統(tǒng)參與燃機機組AGC輔助調頻，在提高燃機機組輔助服務水平、增強電網調頻能力、提高電廠的調頻收益具有較高的價值和重要意義，可以為燃機電廠以及電網的調頻控制策略提供參考。

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