用混合儲能輔助核電一次調頻控制策略研究

仵華南，李華東，李昌衛，王子奇

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003）

0 引言

核電機組存在燃料能量密度大、零碳排放、技術成熟度高等優點，裝機容量占比日益增大，核電機組參與電網一次調頻控制，將對電網穩定控制具有重大意義。同時，按照國家能源結構調整和發展規劃，電網發展迫切期望核電機組具備較強一次調頻能力，來輔助保障區域的電網供電平衡和供電品質。

從核電機組參與電網一次調頻應用研究來看，目前核電機組一次調頻控制投入存在較多制約問題。具體制約表現：1）核電機組安全控制限制條件多，一旦達到安全限制工況，將閉鎖一次調頻作用；2）一次調頻頻繁作用時，反應堆控制棒多頻次動作易造成棒驅動機構磨損大；3）核電機組帶滿負荷為常態工況，核電機組滿負荷時不具備一次調頻上調負荷能力。

隨著儲能技術日益成熟，儲能技術在電力調頻、削峰填谷等方面上得到飛速發展和應用。儲能技術在快速調節響應方面具有巨大優勢，在電網調頻發展應用上擁有廣闊前景［1?3］。

根據對核電機組和儲能技術一次調頻特性研究及多年現場經驗實踐總結，提出一種用飛輪加鋰電池的混合儲能技術輔助提高核電機組一次調頻功能控制策略，針對性解決完善核電機組一次調頻控制投入制約問題，提高核電廠一次調頻響應速度和調節幅度的能力。

1 儲能技術調頻特點及優勢

1.1 飛輪儲能調頻特點

飛輪儲能屬于高物理儲能方式，有充放電次數達百萬數量級、應用環境適應性強、零污染排放等諸多顯著優點。飛輪儲能在電網一次調頻控制應用中，擁有毫秒級快速精確響應，能量轉換效率達到85%以上，具備大于常規機組20 倍的一次調頻效益等巨大性能優勢。

同時，飛輪儲能受到造價成本較高（1 773～2 000 歐元/kW）制約，建設容量規模較小，導致儲能單元輔助調頻幅度能力有限。研究表明，充分利用飛輪儲能容量規模和性能特點，將飛輪儲能應用到電網頻率小擾動輔助調頻有很好的控制效果和前景。

1.2 鋰電池儲能調頻特點

鋰電池儲能屬于電化學儲能方式，為目前儲能技術中應用最廣的成熟技術路線，有價格成本低、自然條件受限少、自放電小、無記憶效應等諸多顯著優點。鋰電池儲能造價成本低（150～250 歐元/kW），具有實現大容量建設經濟優勢，在電網一次調頻控制應用中，擁有調頻幅度能力強，秒級快速精確響應，能量轉換效率達到90%以上等性能特點。

同時，鋰電池儲能參與一次調頻控制中，存在頻繁充放電易造成電池壽命折損不利因素。研究表明，將其他儲能方式與鋰電池儲能有效混合利用，減少鋰電池儲能參與一次調頻控制充放電頻次，可大大減少對鋰電池壽命損耗。

1.3 混合應用調頻優勢

飛輪加鋰電池的混合儲能調頻技術，通過飛輪和鋰電池儲能裝置之間進行有效調頻配合，可充分發揮出飛輪儲能瞬時功率大、毫秒級響應、充放電次數多和鋰電池儲能容量大、調頻幅度高的優點，同時可避免鋰電池頻繁充放電損耗。

利用飛輪加鋰電池的儲能有效調頻配合，區域電網頻率為小范圍波動時，飛輪儲能利用自身一次調頻優勢，可以迅速參與維護區域電網供需平衡控制，此工況無須鋰電池儲能參與一次調頻控制，從而有效避免鋰電池的頻繁充放電；電網頻率為大幅度波動時，飛輪儲能毫秒級調頻響應，迅速參與電網頻率控制，鋰電池儲能秒級響應，協助飛輪儲能參與一次調頻控制，利用容量大調頻優勢，穩定頻率周波［4?10］。鋰電池儲能聯合飛輪儲能一次調頻控制時，由于飛輪儲能第一時間響應，電網頻率收斂和防惡化控制得到加強，降低后序鋰電池儲能需協助付出調頻承載量，從而有效減少鋰電池能量消耗，提高了鋰電池儲能參與電網一次調頻控制時效性。

2 輔助核電調頻控制策略

2.1 基本控制方案

利用飛輪加鋰電池混合儲能技術輔助核電機組一次調頻控制。由飛輪、鋰電池和核電機組有效調頻配合組成一次調頻控制系統，充分利用各單元一次調頻控優勢，進行最優一次調頻控制。

用飛輪儲能對網頻小擾動段進行一次調頻調節控制；用飛輪和鋰電池儲能對網頻大擾動段、超大負向擾動段進行聯合承載一次調頻調節控制；用飛輪、鋰電池和核電機組對網頻超大增向擾動段進行聯合承載一次調頻調節控制。

2.2 調頻控制系統結構

由飛輪、鋰電池和核電機組組成一次調頻控制系統（圖1），設立調頻三級執行器，飛輪儲能作為第一級執行器，鋰電池儲能作為第二級執行器，核電機組作為第三級執行器；在核電機組分散控制系統（Distributed Control System，DCS）中設立調頻分配控制器，調頻分配控制器采集區域網頻信號，經過一次調頻邏輯分配運算，輸出調頻分級指令。調頻一級指令送至第一級執行器（飛輪儲能），調頻二級指令送至第二級執行器（鋰電池儲能），調頻三級指令送至第三級執行器（核電機組）。飛輪儲能功率控制器依據調頻一級指令信號進行功率調節控制；鋰電池儲能能量控制器依據調頻二級指令信號進行能量調節控制；核電機組負荷控制器依據調頻三級指令信號進行負荷調節控制。飛輪、鋰電池和核電機組對一次調頻控制響應疊加和為核電機組對區域電網一次調頻指令輸出。

圖1 一次調頻控制系統結構

2.3 調頻參數設置定義

飛輪加鋰電池混合儲能技術輔助核電機組一次調頻控制，按一次調頻調差率5%、網頻死區±0.033 Hz進行參數定義設置，滿足標準DL/T 1870《電力系統網源協調技術規范》中調差率4%～5%、死區≤0.08 Hz的要求。

定義設置網頻擾動死區段、小擾動段、大擾動段、超大負向擾動段、超大增向擾動段的區間值。一次調頻網頻死區段定義為49.967～50.033 Hz；網頻小擾動段區間定義為49.933～49.967 Hz 和50.033～50.067 Hz；網頻大擾動段區間定義為49.767～49.933 Hz 和50.067～50.233 Hz；網頻超大負向擾動定義為網頻小于49.767 Hz；網頻超大增向擾動定義為網頻大于50.233 Hz。

定義設置第一、二、三級執行器一次調頻最大調頻幅度值。第一級執行器一次調頻最大調頻幅度為核電機組額定功率的1.36%（正負雙向）；第二級執行器一次調頻最大調頻幅度為核電機組額定功率的6.64%（正負雙向）；第三級執行器一次調頻最大調頻幅度為核電機組額定功率的2.68%（負向為?2.68%，正向為0%）。一次調頻調節負荷范圍為核電機組額定功率?10.68%～+8%，滿足標準DL/T 1870《電力系統網源協調技術規范》負荷調節幅度≥5%的要求。

2.4 調頻分級承載

網頻值在小擾動定義區間，飛輪儲能作為第一級執行器承載一次調頻控制，鋰電池儲能作為第二級執行器、核電機組作為第三級執行器不參與一次調頻控制。

網頻值在大擾動定義區間，飛輪儲能作為第一級執行器和鋰電池儲能作為第二級執行器聯合承載一次調頻控制，其中飛輪儲能一次調頻動作量為定義第一級執行器調頻最大幅值（±1.36%Pe），核電機組作為第三級執行器不參與一次調頻控制。

網頻值在超大負向擾動定義區間，飛輪儲能作為第一級執行器、鋰電池儲能作為第二級執行器聯合承載一次調頻控制，其中飛輪儲能一次調頻動作量為定義第一級執行器調頻最大正向幅值（+1.36%Pe）、鋰電池儲能一次調頻動作量為定義第二級執行器調頻最大正向幅值（+6.64%Pe），核電機組作為第三級執行器不參與一次調頻控制。

網頻值在超大增向擾動定義區間，飛輪儲能作為第一級執行器、鋰電池儲能作為第二級執行器、核電機組作為第三級執行器聯合承載一次調頻控制，其中飛輪儲能一次調頻動作量為定義第一級執行器調頻最大負向幅值（?1.36%Pe）、鋰電池儲能一次調頻動作量為定義第二級執行器調頻最大負向幅值（?6.64%Pe）。

2.5 構建實施要點

利用本輔助調頻控制策略構建一次調頻控制系統，應將以下作為實施要點：1）按調頻分級指令為一次調頻負荷變動指令值的定義，對各級一次調頻執行器一次調頻控制邏輯進行對應性修改；2）選定調頻分配控制器的掃描運算周期滿足一次調頻快速響應的要求；3）調頻分配控制器采集的網頻信號精度滿足一次調頻控制要求；4）調頻一至三級指令信號實施多重冗余可靠設計；5）調頻分配控制器一次調頻控制邏輯組態正確。

3 實施應用

3.1 要點實施分析

以核電330 MW 壓水堆核電機組為實施例，對飛輪加鋰電池儲能輔助核電機組調頻控制策略應用實施進行分析。

1）調頻執行器邏輯修改。各級執行器（飛輪儲能、鋰電池儲能、核電機組）原控制邏輯中一次調頻負荷變動指令，通過網頻信號f減去設定值50 Hz 得出頻差值，經“頻差—負荷”對應函數p（x）生成。現調頻分配控制器傳送給各執行器調頻分級指令，為已計算后的負荷變動指令，原一次調頻負荷變動指令不符合輔助調頻控制策略要求［11?13］。

依據執行器一次調頻邏輯修改方案（圖2），對執行器一次調頻負荷變動指令邏輯進行修改，通過對切換器T設置邏輯True作用方式，屏蔽切換器的“N”支路的原調頻指令，使一次調頻指令恒選為切換器的“Y”支路的調頻分級指令Demand。

圖2 執行器一次調頻邏輯修改方案

2）調頻分配控制器選定設置。在核電機組DCS中選定62 號控制器作為調頻分配控制器，為滿足一次調頻快速響應及運算要求，調頻分配控制器掃描運算周期設置為50 ms。

3）網頻信號選取設置。網頻信號從電氣二次側變送器屏柜采集，以4～20 mA 標準模擬量信號方式送至調頻分配控制器3塊模擬量輸入（Analog Input，AI）卡件上，AI 卡件通道采集周期設置為50 ms；3 路網頻信號在調頻分配控制器中經信號判斷、邏輯選擇等系列運算處理，得出調頻控制網頻信號f。

4）調頻分級指令信號設計。調頻一至三級指令從調頻分配控制器以4～20 mA 標準模擬量信號，通過硬接線方式輸送3 路冗余信號到各一次調頻執行器的控制器。

5）調頻分配控制器控制邏輯組態。按圖3 組態一次調頻分配控制邏輯，其中用網頻信號f減去設定值50 Hz 得出頻差值；頻差值經函數（fx）計算出調頻一級指令分配系數，式（1）為（fx）表達式；經函數g（x）計算出調頻二級指令分配系數，式（2）為g（x）表達式；經函數h（x）計算出調頻三級指令分配系數，式（3）為h（x）表達式；各分配系數與核電機組額定功率值（330 MW）相乘，生成一次調頻一級、二級和三級指令，并輸出至對應執行器；調頻一至三級指令相加產生調頻總指令，輸出至DCS數據顯示系統。

圖3 一次調頻分配控制邏輯方案

3.2 調頻動作分析

在核電330 MW 機組應用飛輪加鋰電池儲能輔助核電機組調頻控制策略，在不同網頻擾動下，相應一次調頻總指令、飛輪調頻指令、鋰電池調頻指令和核電機組調頻指令按表1所示。結合表1對控制策略一次調頻動作進行分析。

表1 核電330 MW機組一次調頻動作指令值

1）網頻死區內擾動。當電網頻率在49.967～50.033 Hz 之間時，處于一次調頻動作死區，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令值為零，飛輪儲能、鋰電池儲能、核電機組接收到一次調頻指令值為零，飛輪儲能、鋰電池儲能、核電機組一次調頻控制輸出為零，DCS顯示一次調頻輸出為零。

擾動例：當電網頻率為49.968 Hz 時，處于一次調頻動作死區，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令值為零，飛輪儲能、鋰電池儲能、核電機組接收到一次調頻指令值為零，飛輪儲能、鋰電池儲能、核電機組一次調頻控制輸出為零，DCS 顯示一次調頻輸出為零。當電網頻率為50.032 Hz 時，處于一次調頻動作死區，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令值為零，飛輪儲能、鋰電池儲能、核電機組接收到一次調頻指令值為零，飛輪儲能、鋰電池儲能、核電機組一次調頻控制輸出為零，DCS 顯示一次調頻輸出為零。

2）網頻小擾動。當電網網頻在49.933～49.967 Hz和50.033～50.067 Hz 區間內，核電一次調頻量由第一級執行器（飛輪儲能）通過控制充放電量來完成。

擾動例：當電網頻率為49.934 Hz 時，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令，飛輪儲能功率控制器接收到一級調頻指令值為4.356 MW，飛輪儲能進入放電狀態，對電網供電4.356 MW；鋰電池儲能能量管理控制器接收到二級調頻指令值為零；核電機組負荷控制器接收到三級調頻指令值為零；DCS顯示一次調頻輸出為4.356 MW。當電網頻率為50.066 Hz 時，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令，飛輪儲能功率控制器接收到一級調頻指令值為?4.356 MW，飛輪儲能進入充電狀態，從電網吸收4.356 MW；鋰電池儲能能量管理控制器接收到二級調頻指令值為零；核電機組負荷控制器接收到三級調頻指令值為零；DCS 顯示一次調頻輸出為?4.356 MW。

3）網頻大擾動。當電網網頻在49.767～49.933 Hz和50.067～50.233 Hz 區間內，核電一次調頻量由第一級執行器（飛輪儲能）和第二級執行器（鋰電池儲能）控制通過充放電量來完成；其中第一級執行器（飛輪儲能）調頻動作量達到最大幅度4.488 MW。

擾動例：當電網頻率為49.9 Hz 時，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令，飛輪儲能功率控制器接收到一級調頻指令值為4.488 MW，飛輪儲能進入放電狀態，對電網供電4.488 MW；鋰電池儲能能量管理控制器接收到二級調頻指令值為4.356 MW，鋰電池儲能進入放電狀態，對電網供電4.356 MW；核電機組負荷控制器接收到三級調頻指令值為零；DCS顯示一次調頻輸出為8.844 MW。當電網頻率為50.1Hz 時，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令，飛輪儲能功率控制器接收到一級調頻指令值為?4.488 MW，飛輪儲能進入充電狀態，從電網側吸收4.488 MW；鋰電池儲能能量管理控制器接收到二級調頻指令值為?4.356 MW，鋰電池儲能進入充電狀態，從電網側吸收4.356 MW；核電機組負荷控制器接收到三級調頻指令值為零；DCS顯示一次調頻輸出為?8.844 MW。

4）網頻超大負向擾動。當電網網頻小于49.767 Hz，核電一次調頻量由第一級執行器（飛輪儲能）和第二級執行器（鋰電池儲能）通過控制放電量來完成，第三級執行器（核電機組）一次調頻動作量為零；其中第一級執行器（飛輪儲能）調頻動作量達到最大升幅4.488 MW，第二級執行器（鋰電池儲能）調頻動作量達到最大升幅21.912 MW，一次調頻總輸出達到最大正向幅度26.4 MW。

擾動例：當電網頻率為49.717 Hz 時，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令，飛輪儲能功率控制器接收到一級調頻指令值為4.488 MW，飛輪儲能進入放電狀態，對電網供電4.488 MW；鋰電池儲能能量管理控制器接收到二級調頻指令值為21.912 MW，鋰電池儲能進入放電狀態，對電網供電21.912 MW；核電機組負荷控制器接收到三級調頻指令值為零；DCS顯示一次調頻輸出為26.4 MW。

5）網頻超大增向擾動。當電網網頻大于50.233 Hz，核電一次調頻量由第一級執行器（飛輪儲能）、第二級執行器（鋰電池儲能）和第三級執行器（核電機組）來聯合完成；其中，第一級執行器（飛輪儲能）調頻動作量達到最大降幅4.488 MW，第二級執行器（鋰電池儲能）調頻動作量達到最大降幅21.912 MW。網頻大于或等于50.3 Hz，第三級執行器（核電機組）調頻動作量達到最大降幅8.844 MW，一次調頻總輸出達到最大負向幅度35.244 MW。

擾動例：當電網頻率為50.283 Hz 時，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令，飛輪儲能功率控制器接收到一級調頻指令值為?4.488 MW，飛輪儲能進入充電狀態，從電網側吸收4.488 MW；鋰電池儲能能量管理控制器接收到二級調頻指令值為?21.912 MW，鋰電池儲能進入充電狀態，從電網側吸收21.912 MW；核電機組負荷控制器接收到三級調頻指令值為?6.6 MW，核電機組降負荷6.6 MW，DCS 顯示一次調頻輸出為?33 MW。當電網頻率為50.3 Hz 時，一次調頻分配控制器輸出一次調頻一至三級指令，飛輪儲能功率控制器接收到一級調頻指令值為?4.488 MW，飛輪儲能進入充電狀態，從電網側吸收4.488 MW；鋰電池儲能能量管理控制器接收到二級調頻指令值為?21.912 MW，鋰電池儲能進入充電狀態，從電網側吸收21.912 MW；核電機組負荷控制器接收到三級調頻指令值為?8.844 MW，核電機組降負荷8.844 MW；DCS 顯示一次調頻輸出為?35.244 MW。

4 實施效果

將飛輪、鋰電池和核電機組特性優勢組合利用，投資少，實施操作簡便，安全性高，使用壽命長。

飛輪加鋰電池儲能可以安全的輔助完成一次調頻控制，并不受核電機組一次調頻安全閉鎖限制影響，很好滿足電網一次調頻要求［14?17］。

在網頻易擾動工況（高頻次小擾動）時，飛輪儲能很好承載一次調頻控制，反應堆控制棒無須調頻動作響應，有效解決核電一次調頻時反應堆控制棒多頻次動作磨損大問題。

滿負荷工況下網頻負向擾動，飛輪加鋰電池儲能進行放電承擔完成一次調頻控制。針對性解決核電機組滿負荷工況下網頻低時無法進行一次調頻的限制問題。

5 結語

用飛輪加鋰電池儲能輔助核電一次調頻控制策略，電網頻率擾動時，飛輪儲能和鋰電池儲能通過充放電控制很好承擔完成機組一次調頻任務；發生電網頻率超大增向擾動特殊工況時，需要發電機組降負荷時，飛輪儲能和鋰電池儲能將迅速進行一次調頻控制，吸收電網負荷，同時核電機組將通過降負荷參與一次調頻控制，來最大程度維持電網穩定。針對性解決核電機組現有一次調頻多重制約問題，提高了核電機組一次調頻品質，提高了核電機組一次調頻的安全性和經濟效益，很好滿足電網一次調頻的控制要求，有非常好的應用推廣價值。