AGC調(diào)頻技術(shù)在規(guī)模化電網(wǎng)儲能中的應(yīng)用

廣東水電二局股份有限公司 許齊文

在電力企業(yè)實踐中，發(fā)現(xiàn)AGC調(diào)頻技術(shù)可輔助規(guī)模化電網(wǎng)更好儲能，有效提升電廠的儲能效率。目前，我國的供電主力依然是火電機組，會耗費大量的不可再生能源，而且還具有響應(yīng)速度慢、遲滯性高等特點，進行儲能升級優(yōu)化具有重要意義。AGC調(diào)頻技術(shù)具有調(diào)節(jié)性能好、響應(yīng)速度快的特點，將其應(yīng)用到儲能系統(tǒng)中能夠有效節(jié)約電力，還能增加電廠經(jīng)濟效益。在過去，傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)的投資成本回收期為10～15年，但引入AGC調(diào)頻技術(shù)后，可以將成本回收期縮短一半左右，能夠幫助電廠快速提升經(jīng)濟效益。

1 規(guī)模化電網(wǎng)儲能AGC調(diào)頻模型的建立

1.1 AGC調(diào)頻變化趨勢分析

是否能夠?qū)㈦娋W(wǎng)儲能頻率控制在安全閥值范圍內(nèi)，會對電網(wǎng)儲能能力造成極大影響[1]。因此，需要做好電網(wǎng)儲能頻率控制工作，確保電網(wǎng)頻率的有效控制和調(diào)節(jié)，如此才能提升電網(wǎng)儲能穩(wěn)定性，為國民和社會提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。AGC調(diào)頻技術(shù)具有兩次調(diào)頻的特性，一個屬于粗略性調(diào)頻，另一個是精細化調(diào)頻，具體通過進行發(fā)電機組有功發(fā)電進行調(diào)頻[2]。在儲能設(shè)備中，有四條線相交，相交點分別是a、b、c、d四點。其中，a為電荷儲能平衡點，b為電力的特性曲線和負荷頻率曲線的交點，當(dāng)電端負荷及電端輸出持續(xù)變大時，兩個曲線的交點將由b變?yōu)閏。

1.2 選取模型的相應(yīng)指標(biāo)

在AGC調(diào)頻系統(tǒng)中，e1表示的是調(diào)頻時間，e2表示調(diào)頻速率，e3表示調(diào)頻精度，這是最為關(guān)鍵的三項指標(biāo)[3]。其中，e1可以計算出標(biāo)準(zhǔn)調(diào)頻指令相應(yīng)數(shù)據(jù)和時間。計算公式為：e1=T-To，式中：T表示的是恢復(fù)額定功率的時間，To表示的是發(fā)出指令時間，通過該公式計算，可以得出指令發(fā)出時間和相應(yīng)的頻率正常指標(biāo)范圍的時間。

e2表示調(diào)頻速度，通過按照平均指令響應(yīng)時間進行計算。計算公式為：e2=2-e1/T，在該公式中，水電發(fā)電電網(wǎng)的相應(yīng)時間取值范圍是（10，20），其他電網(wǎng)平均響應(yīng)時間取值范圍為（50，100）。

e3表示的是調(diào)頻精度，計算公式非常復(fù)雜，涉及存儲設(shè)備電力輸出值、AGC調(diào)頻指令值等多個因素，在大多數(shù)情況下需要進行二次調(diào)頻，并要做好一次調(diào)頻和二次調(diào)頻銜接時刻指標(biāo)值的相關(guān)記錄工作，從而更好地進行調(diào)頻指令值數(shù)值計算。計算公式為：

其中，ej代表的是存儲設(shè)備的實際電力輸出值，en則表示AGC調(diào)頻的指令值。T與To是AGC調(diào)節(jié)的周期。

在規(guī)模化電網(wǎng)中，主要采用SOC值判斷電網(wǎng)儲能性能，一旦功率超出標(biāo)準(zhǔn)閾值，可能會造成儲能系統(tǒng)崩潰，安裝SOC監(jiān)測裝置是進行數(shù)值監(jiān)測和預(yù)防的重要舉措。有了SOC監(jiān)測裝置，當(dāng)數(shù)據(jù)達到一定閾值后就會停止充放電行為，可有效控制電網(wǎng)儲能穩(wěn)定性和安全性。當(dāng)SOC值發(fā)展曲線越穩(wěn)定，則說明該儲能設(shè)備的電能釋放水平越正常。

AGC調(diào)頻技術(shù)擁有雙向調(diào)節(jié)能力，可以同時兼顧儲能設(shè)備和電力輸送雙重需求，儲能設(shè)備電源能量釋放水平計算公式為：SCO1＜SOCe2＜SOC2，在該公式中，SOCe2表示的是調(diào)節(jié)后的功率，其數(shù)值必須保持大于閾值最低值和小于閾值最大值的要求，SCO1和SOC2分別表示閾值最小值和最大值。

1.3 AGC調(diào)頻技術(shù)的功率約束作用

AGC調(diào)頻技術(shù)是規(guī)模化電網(wǎng)儲能的關(guān)鍵技術(shù)之一，可根據(jù)電網(wǎng)儲能數(shù)值進行合理調(diào)頻，保持電網(wǎng)的額定輸出功率。同時，該技術(shù)也能影響儲能設(shè)備的能量值，約束最大輸出功率可以更好的優(yōu)化儲能設(shè)備性能。AGC調(diào)頻技術(shù)采用的約束動態(tài)容量來約束相關(guān)儲能輸出功率，有著計算步驟少、涉及變量少等優(yōu)勢，可以有效縮短指令響應(yīng)時間。計算公式為：

式中：D表示的是電能調(diào)節(jié)容量，d表示的是時間，C是規(guī)模化電網(wǎng)儲能容量，Co指的是最大容量，C1則是最小容量。該式子可以計算出AGC指令的調(diào)節(jié)周期內(nèi)電能調(diào)節(jié)容量，讓容量數(shù)值計算變得更加清晰明了，有效提升規(guī)模化電網(wǎng)儲能安全性和可靠性。

1.4 調(diào)頻儲能背景下發(fā)電站凈收益分析

規(guī)模化電網(wǎng)儲能關(guān)系到國家供電輸送質(zhì)量，也會影響社會經(jīng)濟發(fā)展，了解發(fā)電站的凈收益模型和方式，有助于更好地優(yōu)化電網(wǎng)儲能調(diào)頻質(zhì)量，從而提升規(guī)模化電網(wǎng)經(jīng)濟效益和社會效益。從儲能調(diào)頻角度看，發(fā)電站的收益，主要來源于AGC調(diào)頻補償成本和發(fā)電站儲能系統(tǒng)儲放過程自身壽命損耗，有了AGG調(diào)頻降低壽命損耗和提升補償成本，能夠有效提高發(fā)電站凈收益值。計算公式為：R=Rgross-Closs，其中，Rgross和Closs分別表示總凈收益和儲能電池壽命損耗成本。R則代表凈收益，通過讓總凈收益減去儲能電池壽命損耗成本就能獲得發(fā)電站的凈收益值。

一般來說，儲能系統(tǒng)響應(yīng)時間也會影響到發(fā)電站的凈收益，響應(yīng)時間越短，則說明調(diào)整速度越快，AGG調(diào)頻耗損的成本就會下降，調(diào)頻儲能電站所獲得的補償變得更多。同時，發(fā)電站在調(diào)頻儲能系統(tǒng)的投入也是影響發(fā)電站凈收益的重要因素，Rgross與Closs之間存在正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)儲能系統(tǒng)的投入越大，且儲能系統(tǒng)充放電次數(shù)越多時，儲能電池壽命損耗成本越小，自然而然就可以增加發(fā)電站的凈收益。通過采用AGG調(diào)頻技術(shù)，能夠有效增長儲能系統(tǒng)全壽命周期下的最大充放電次數(shù)，從而降低儲能系統(tǒng)電池耗損程度，就可以提升發(fā)電站凈收益。

2 測試試驗

本文將通過對比試驗來分析AGC調(diào)頻技術(shù)，對提升規(guī)模化電網(wǎng)儲能質(zhì)量的效果，通過試驗驗證規(guī)模化電網(wǎng)儲能方法的實用性和策略。本次試驗主要進行傳統(tǒng)輔助型電網(wǎng)儲能、鋰電池電網(wǎng)儲能及AGC調(diào)頻技術(shù)電網(wǎng)儲能比較，觀察對比這三種方法的儲存效率，驗證使用AGC調(diào)頻技術(shù)在提升規(guī)模化電網(wǎng)儲能安全性和穩(wěn)定性的作用。

2.1 試驗準(zhǔn)備

本文將某地的發(fā)電廠作為研究對象，通過分析該發(fā)電廠的實際數(shù)據(jù)在電網(wǎng)儲能設(shè)備的應(yīng)用搭建仿真模型。第一，電網(wǎng)模型。本次采用的電網(wǎng)機組一次調(diào)頻系數(shù)取值范圍為4%～6%，負荷頻率特性系數(shù)取值范圍是1～3，電網(wǎng)頻偏系數(shù)取值為800MW/0.1Hz。在選好發(fā)電廠后，就開始進行信號輸入，本次試驗將模擬電網(wǎng)實際負荷擾動情況，并選擇時間為2h的AGE歷史采樣曲線作為系統(tǒng)擾動源，采集時間為每隔5s采用一次。

在進行試驗前，需要先觀察電網(wǎng)額儲能設(shè)備是否能夠獲取AGC指令，判斷AGC指令對規(guī)模化電網(wǎng)儲能的影響，觀察其是否處于正常更新狀態(tài)，從而確保儲能設(shè)備的正常運行。同時，也要觀察儲能設(shè)備處于正常狀態(tài)時系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，避免其他因素對其造成影響。在完成試驗準(zhǔn)備工作后，通過觀察電網(wǎng)中的功率變化和儲能功率變化來判斷電網(wǎng)儲能在電力輸出的功率大小，分析電網(wǎng)儲能在電力輸出時功率與電能吸收功率的關(guān)系，當(dāng)前者大于后者時，則說明該發(fā)電廠處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。本次試驗在建立AGC調(diào)頻模型后，會將發(fā)電廠的歷史數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，得到的試驗參數(shù)見表1。

表1 參數(shù)設(shè)置

由表1可以看出，在這5次試驗中，所采用的參數(shù)是有一定區(qū)別的，通過細微的變化來驗證電網(wǎng)儲能可靠性。其中，TB是確定系數(shù)，Erate是均方根誤差，θ、α和β分別規(guī)模化電網(wǎng)儲能的最小參數(shù)系數(shù)、儲能最大系數(shù)及最小系數(shù)。

2.2 試驗結(jié)果

在明確相關(guān)試驗參數(shù)后，就可以分別采用上述三種方法進行儲能驗證，通過對比試驗的儲能SOC值分析不同方法的試驗效果。由圖1可以看出，采用AGC調(diào)頻技術(shù)的規(guī)模化電網(wǎng)儲能SOC值更加穩(wěn)定，在20～60徘徊。而采用傳統(tǒng)輔助規(guī)模化電網(wǎng)儲能方法和鋰電池規(guī)模化電網(wǎng)儲能方法的SOC值波動更大，在20～100浮動。SOC值的穩(wěn)定性和波動狀態(tài)將會對儲能設(shè)備性能、壽命造成極大影響，本文所采用的電網(wǎng)儲能方式更加適用于規(guī)模化電網(wǎng)儲能中，不僅能夠提升儲能設(shè)備性能，還能最大化提升儲能設(shè)備使用壽命，可以應(yīng)用到相關(guān)電網(wǎng)儲能活動中。

圖1 試驗結(jié)果

2.3 AGC調(diào)頻技術(shù)規(guī)模化電網(wǎng)儲能仿真

本次試驗除了進行三種不同儲能方法試驗外，還基于AGC調(diào)頻視角進行多個控制場景的數(shù)值仿真分析。本次共設(shè)計了4個運行場景，通過進行不同運行場景仿真試驗，從而了解規(guī)模化電網(wǎng)在電網(wǎng)調(diào)頻中的應(yīng)用。

場景1：未配置電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)，觀察有無儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響；場景2：給電網(wǎng)配置儲能系統(tǒng)，儲能容量為10MWh（額定輸出功率為±40MW），不采用任何SOC管理策略；場景3：同樣配備10MWh的儲能系統(tǒng)，采用AGC調(diào)頻技術(shù)；場景4：配備儲能容量為20MWh（額定輸出功率為±40MW）的儲能系統(tǒng)，不考慮SOC管理策略。

通過進行四個場景常規(guī)機組調(diào)節(jié)，可以發(fā)現(xiàn)場景4需要調(diào)節(jié)的次數(shù)最少，場景1的調(diào)節(jié)次數(shù)最高，調(diào)節(jié)里程也是最大的。而場景3的調(diào)節(jié)里程最低，調(diào)節(jié)次數(shù)比場景2和場景4要高一些，通過進行分析，可以得到調(diào)節(jié)次數(shù)的增加與SOC管理策略有一定關(guān)系。

在三個配備儲能系統(tǒng)的場景中，場景2的能SOC變化曲線波動最大，在0.8h時掉到臨界值。場景3中的SOC變化曲線波動最為平穩(wěn)，在1.6h左右達到最低值，能夠?qū)OC進行更有效的合理控制。場景4從1.2h開始處于臨界值邊緣變化，雖然后期有所上升，但很快又下降了。從仿真試驗來看，規(guī)模化電網(wǎng)儲能需要考慮到SOC控制策略，采用合理的儲能系統(tǒng)和調(diào)頻技術(shù)，從而能夠讓儲能系統(tǒng)保持理想運行區(qū)間，更好地為電網(wǎng)調(diào)頻工作服務(wù)，提升儲能設(shè)備性能和延長相關(guān)設(shè)備使用壽命。

3 AGC調(diào)頻技術(shù)在規(guī)模化電網(wǎng)儲能應(yīng)用中面臨的問題

AGC調(diào)頻技術(shù)不同于傳統(tǒng)輔助規(guī)模化電網(wǎng)儲能系統(tǒng)和鋰電池儲能系統(tǒng)，可以對常規(guī)發(fā)電機組進行快速、精準(zhǔn)地調(diào)頻指令輸出，從而保證電網(wǎng)輸出功率的穩(wěn)定性和合理性。因此，AGC調(diào)頻技術(shù)已經(jīng)成為未來電網(wǎng)調(diào)頻方向之一，也是提升規(guī)模化電網(wǎng)儲能效率的重要手段。但從發(fā)電站建設(shè)來看，現(xiàn)在一些發(fā)電站并沒有大范圍普及應(yīng)用AGC調(diào)頻技術(shù)的儲能系統(tǒng)和發(fā)電機組，AGC調(diào)頻技術(shù)的應(yīng)用還需要進一步深化改革。在該過程中，需要解決以下幾個問題。

第一，明確AGC調(diào)頻技術(shù)在規(guī)模化電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的重要定位，并積極推行示范項目，通過示范項目引領(lǐng)方式促進AGC調(diào)頻技術(shù)大范圍推廣。同時，相關(guān)政府也要積極制定相關(guān)政策法規(guī)，為推廣AGC調(diào)頻技術(shù)奠定依據(jù)和支持。

第二，優(yōu)化收益估算方式。從上文可以了解到AGC調(diào)頻技術(shù)具有提升規(guī)模化電網(wǎng)凈收益的作用，一旦進行大規(guī)模使用，將會對整個電網(wǎng)行業(yè)產(chǎn)生極大影響。因此，相關(guān)部門和企業(yè)需要重新調(diào)整收益估算方式和手段，綜合考慮如何在保證電網(wǎng)儲能系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時達到預(yù)期經(jīng)濟效益。

第三，急需進一步完善常規(guī)發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)之間的控制和保護。當(dāng)前，電網(wǎng)中缺乏發(fā)電機和儲能系統(tǒng)的科學(xué)控制設(shè)計規(guī)范，相關(guān)儲能設(shè)備生產(chǎn)廠家和電網(wǎng)企業(yè)需要盡快做好相關(guān)對接控制，有效規(guī)范發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)的接口，提升電網(wǎng)儲能安全性和穩(wěn)定性。

綜上所述，儲能技術(shù)直接影響到電網(wǎng)電力供應(yīng)和輸出，優(yōu)化儲能技術(shù)才能更好地進行儲能系統(tǒng)SOC健康管理。將AGC調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用到儲能系統(tǒng)中，可更好地輔助相關(guān)設(shè)備發(fā)揮儲能功效，提高電網(wǎng)儲能的安全性及經(jīng)濟效益。