火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用研究

趙覺(jué)，傅學(xué)輝，黃澤璋

（浙江浙能樂(lè)清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂(lè)清 325600）

目前，浙江省電網(wǎng)調(diào)頻以火電機(jī)組為主，通過(guò)調(diào)整機(jī)組有功出力，響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。火電機(jī)組由自身通過(guò)汽輪機(jī)調(diào)門調(diào)節(jié)功率，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、爬升速率低，無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤調(diào)度的指令，會(huì)導(dǎo)致調(diào)整時(shí)間延遲、調(diào)整偏差、調(diào)整反向等現(xiàn)象。與火電機(jī)組相比，水力發(fā)電機(jī)組的響應(yīng)更快，可以在幾秒鐘內(nèi)達(dá)到調(diào)度指令要求。然而，浙江境內(nèi)水力發(fā)電機(jī)組建設(shè)受到地理?xiàng)l件與天氣因素的制約，總體可用頻調(diào)能力有限，因此迫切需要更新的頻調(diào)技術(shù)，以滿足調(diào)度的頻調(diào)要求。火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)響應(yīng)速度快，短時(shí)功率升降快，調(diào)節(jié)靈活，可在毫秒至秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷輸出，并在額定功率范圍內(nèi)精確控制。

1 火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的應(yīng)用特點(diǎn)

火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻技術(shù)在火電廠中的作用主要體現(xiàn)在改善電廠自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）性能方面。研究表明，當(dāng)一臺(tái)全程參與AGC頻調(diào)的火電機(jī)組有儲(chǔ)能裝置參與輔助調(diào)節(jié)時(shí)，可以有效提高火電廠的AGC性能，并將機(jī)組的Kp值（調(diào)節(jié)性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)）提高到5.0以上。

此外，由于傳統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)組需要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的過(guò)程才能將一次能源轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)有功功率調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度較慢，這導(dǎo)致當(dāng)機(jī)組承擔(dān)AGC調(diào)節(jié)任務(wù)時(shí)，制粉系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)負(fù)載升高、設(shè)備磨損嚴(yán)重、發(fā)電煤耗增高等一系列問(wèn)題。然而，采用火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻技術(shù)，可以彌補(bǔ)上述缺陷。

通常情況下，在火電廠配備儲(chǔ)能系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）可靠性和安全性高，保證電網(wǎng)/機(jī)組在正常或故障條件下的可靠運(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行和切換不影響機(jī)組本身的正常運(yùn)行；（2）充放電響應(yīng)速度快，可滿足相關(guān)調(diào)頻應(yīng)用場(chǎng)景下的短期大功率輸出要求；（3）循環(huán)壽命高，能夠滿足系統(tǒng)頻繁往復(fù)充放電的需要；（4）能源利用率高，儲(chǔ)能系統(tǒng)的能源利用率應(yīng)達(dá)到97%以上，整體能源轉(zhuǎn)換效率應(yīng)高于90%；（5）集成度高，空間占用小。

2 火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的基本原理

火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)由儲(chǔ)能蓄電池倉(cāng)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儲(chǔ)能雙向變流器（PCS）、儲(chǔ)能能量管理和調(diào)頻控制系統(tǒng)（EMS）等部件組成。

其工作原理是，通過(guò)將儲(chǔ)能設(shè)備接入火電機(jī)組中，一般接于機(jī)組廠用電，火電機(jī)組作為響應(yīng)AGC調(diào)頻命令的基本響應(yīng)單元，而儲(chǔ)能系統(tǒng)作為快速響應(yīng)的補(bǔ)充單元。當(dāng)調(diào)度發(fā)送AGC指令到機(jī)組 時(shí)，機(jī)組同時(shí)發(fā)送AGC指令到儲(chǔ)能控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組按常規(guī)流程響應(yīng)AGC指令，儲(chǔ)能控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算AGC指令和機(jī)組實(shí)際出力，自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)組出力偏差（見(jiàn)圖1）。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地調(diào)節(jié)輸出功率，因此其應(yīng)用可以有效提高機(jī)組AGC指令的響應(yīng)精度和速度，同時(shí)也可以顯著降低機(jī)組運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)，緩解機(jī)組運(yùn)行中設(shè)備的磨損。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)不需要與發(fā)電廠單元共享相同的生產(chǎn)控制邏輯，可以最大限度地減少儲(chǔ)能介入機(jī)組的操作風(fēng)險(xiǎn)，避免對(duì)機(jī)組的調(diào)頻控制。

圖1 火電儲(chǔ)能調(diào)頻原理

3 火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻實(shí)例

3.1 儲(chǔ)能容量配置

儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量通常由電網(wǎng)AGC調(diào)頻特性和機(jī)組功率決定。以浙江某發(fā)電廠一期2×660MW機(jī)組儲(chǔ)能項(xiàng)目為例，統(tǒng)計(jì)表明，電網(wǎng)向電廠機(jī)組發(fā)出AGC調(diào)頻命令，其中80%的調(diào)頻命令約為機(jī)組滿負(fù)荷的3%。因此，電廠需要配備約19.8MW的儲(chǔ)存裝置。考慮到發(fā)電機(jī)組本身的調(diào)節(jié)能力和頻調(diào)命令的裕度，配置20MW的儲(chǔ)能容量即可滿足調(diào)頻需求。

3.2 儲(chǔ)能接入方式

考慮到原機(jī)組一次接線已固定，為節(jié)省施工改造成本及運(yùn)行維護(hù)便捷，本項(xiàng)目分為兩個(gè)10MW/10MWh子系統(tǒng)，分別接入1#、2#機(jī)組6kV廠用電A段和B段備用間隔（10BBA01GH007、10BBB01GH010、20BBA01GH007、20BBB01GH010），同時(shí)，將電廠側(cè)6kV備用間隔所配電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置改為線路差動(dòng)保護(hù)裝置，并新增雙向電能計(jì)量裝置用于儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)電量結(jié)算。儲(chǔ)能電站就地內(nèi)設(shè)置2段6kV儲(chǔ)能母線A、B，分別接入4個(gè)2.5MW/2.5MWh儲(chǔ)能單元6kV出線，每個(gè)儲(chǔ)能單元由2.5MWh儲(chǔ)能電池單元和2.5MW儲(chǔ)能變流升壓?jiǎn)卧獦?gòu)成（見(jiàn)圖2）。

圖2 儲(chǔ)能接入系統(tǒng)原理圖

3.3 機(jī)組調(diào)控改造

儲(chǔ)能系統(tǒng)以通訊/硬接線方式接入機(jī)組RTU和DCS系統(tǒng)，為確保機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠整體響應(yīng)電網(wǎng)AGC調(diào)度指令，有必要對(duì)原機(jī)組RTU和DCS系統(tǒng)進(jìn)行改造，具體方案如下。

（1）機(jī)組RTU改造。①將機(jī)組出力和儲(chǔ)能系統(tǒng)出力相加，作為機(jī)組整體出力（機(jī)組回傳調(diào)度的遙測(cè)點(diǎn)不變，無(wú)需新加機(jī)組返回值）。②儲(chǔ)能控制系統(tǒng)使用約定的通信協(xié)議（單向，RTU站單送，儲(chǔ)能系統(tǒng)主控單元單收）與RTU通信，以獲得實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

接入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，RTU將機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出相加為單個(gè)信號(hào)，并發(fā)送至調(diào)度。從調(diào)度的角度來(lái)看，儲(chǔ)能和發(fā)電廠沒(méi)有區(qū)別，而是作為一個(gè)整體進(jìn)行評(píng)估，即無(wú)論儲(chǔ)能投入或是退出，上送至調(diào)度的遙測(cè)信號(hào)數(shù)量保持不變，儲(chǔ)能系統(tǒng)僅使用約定的通信協(xié)議從發(fā)電廠接收（不返回）RTU信號(hào)。

（2）機(jī)組DCS改造。增加DCS系統(tǒng)與儲(chǔ)能控制系統(tǒng)之間的通信，進(jìn)行信息數(shù)據(jù)交換。為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能,儲(chǔ)能總控單元需要從機(jī)組DCS系統(tǒng)獲得以下數(shù)據(jù)：DCS允許儲(chǔ)能投入、發(fā)電機(jī)組出力反饋、發(fā)電機(jī)組調(diào)峰投入反饋、調(diào)峰指令、發(fā)電機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令、發(fā)電機(jī)組調(diào)峰投入反饋、發(fā)電機(jī)組一次調(diào)峰動(dòng)作標(biāo)志、發(fā)電機(jī)組出力限幅、發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)速率限幅。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)電廠運(yùn)行要求上傳儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息包括：儲(chǔ)能系統(tǒng)投入退出反饋、儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助調(diào)峰投入反饋、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電狀態(tài)、儲(chǔ)能蓄電池電壓等。

3.4 高廠變?nèi)萘啃：?/h3>

目前，電廠1#A、1#B、2#A及2#B高廠變?nèi)萘繛?0MVA，根據(jù)電廠提供的高廠變最大工況運(yùn)行數(shù)據(jù)，校核計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 高廠變?nèi)萘啃：?/p>

從校核結(jié)果可知，接入20MW儲(chǔ)能系統(tǒng)后，1#機(jī)組和2#機(jī)組的高廠變?nèi)萘繉?shí)際運(yùn)行工況下，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載情況。

3.5 短路電流校核

由于儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)的核心設(shè)備PCS為雙向功率器件，接入機(jī)組廠用電后改變了廠用電負(fù)荷的大小，增大了故障時(shí)的短路電流，因此有必要針對(duì)儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)發(fā)短路電流的影響進(jìn)行評(píng)估。電廠6kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)額定短路開(kāi)斷電流50kA，儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)處于額定放電工況時(shí)，6kV母線側(cè)發(fā)生短路時(shí)，提供的短路電流為儲(chǔ)能系統(tǒng)與原廠用電短路電流之和。

儲(chǔ)能系統(tǒng)采用基于高頻電力電子技術(shù)的雙向功率變換裝置（PCS），以恒功率形式運(yùn)行，其所能提供的短路電流受到電力電子器件IGBT的制約，最大不超過(guò)IGBT額定容量電流的1.5倍。每段6kV母線上的10MW/10MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)所能提供的最大短路電流不超過(guò)1.443kA×2=2.1645kA。因此，從表2可知，滿足短路要求。

表2 短路電流核算

4 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)能系統(tǒng)與常規(guī)火電機(jī)組的結(jié)合有效地提高了電網(wǎng)的整體頻調(diào)能力，可有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)異常或故障造成的出力偏差，提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。同樣對(duì)于電廠來(lái)說(shuō)，提升電廠的AGC指令秒級(jí)響應(yīng)能力獲取額外的AGC服務(wù)補(bǔ)償費(fèi)用；將機(jī)組從長(zhǎng)期的AGC調(diào)頻任務(wù)中解放出來(lái)，高負(fù)荷率的穩(wěn)定出力提升機(jī)組的燃煤效率，有效緩解由于頻繁調(diào)節(jié)造成機(jī)組的設(shè)備磨損和疲勞，機(jī)組的可用率及使用壽命得到提升，同時(shí)符合國(guó)家節(jié)能減排要求。