飛輪-電化學聯(lián)合儲能調(diào)頻系統(tǒng)研究

摘要：我國可再生能源電力裝機容量逐年增大，消納壓力持續(xù)增加，顯著增加了電網(wǎng)的調(diào)頻需求。目前華北地區(qū)的電源結構以大型燃煤火電機組為主，調(diào)頻電源幾乎全部由火電機組承擔。新型儲能系統(tǒng)調(diào)頻效能高于傳統(tǒng)火電機組，將不同技術路線的新型儲能引入傳統(tǒng)火電機組，可以有效提升調(diào)頻電源的質(zhì)量，提高電網(wǎng)運行可靠性。鑒于此，以華北某火電廠為案例，研究燃煤機組與飛輪-電化學聯(lián)合儲能調(diào)頻系統(tǒng)方案，證明了火力發(fā)電廠應用聯(lián)合儲能調(diào)頻系統(tǒng)具備一定的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：火力發(fā)電；調(diào)頻；飛輪儲能；電化學儲能

中圖分類號：TM621" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0023-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.006

0" " 引言

我國陸上風電資源主要分布在東北、華北、西北地區(qū)，華北地區(qū)五省（直轄市、自治區(qū)）風能資源技術可開發(fā)量位居全國首位，2022年華北地區(qū)五省（直轄市、自治區(qū)）風電裝機9 852萬kW，占全國風電裝機總量的26.6%[1]。陸上風電大規(guī)模并網(wǎng)將顯著提升電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻以及備用的需求，目前華北地區(qū)電源結構以大型燃煤火電機組為主，二次調(diào)頻電源幾乎全部為燃煤火電機組[2]，會導致煤耗增高、設備磨損等負面影響，并影響電網(wǎng)安全和電能質(zhì)量。

新型儲能技術作為支撐新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的重要技術類型，其關鍵性和功能性日益凸顯[3]。隨著技術進步和應用場景擴大，大規(guī)模儲能已由示范階段發(fā)展至初步商業(yè)應用階段。現(xiàn)有的新型儲能技術種類繁多，包括電化學儲能[4]、壓縮空氣儲能[5]、氫儲能[6]及熱儲能[7]等，以上新型儲能技術路徑各有特點，適用于不同場景和需求。大規(guī)模新型儲能技術參與電網(wǎng)調(diào)頻日益受到關注，國內(nèi)已經(jīng)建成多個以電化學儲能為主的儲能調(diào)頻示范工程，包括北京石景山熱電廠電池儲能調(diào)頻系統(tǒng)、南方電網(wǎng)深圳寶清電池儲能電站、湖南華潤鯉魚江磷酸鐵鋰電池儲能調(diào)頻系統(tǒng)等[8]。目前，國內(nèi)外主流的儲能調(diào)頻均采用了包括鉛酸電池、鎳氫電池、液流電池以及鋰離子電池在內(nèi)的電化學儲能路徑[9]。但是，儲能電池壽命難以超過2年；電化學儲能設備功率一般按照機組全容量3%的經(jīng)驗比例來配置，未根據(jù)具體項目特點深入分析其特性；未解決電化學儲能系統(tǒng)的潛在安全隱患，尤其重要的是，深度充放電場景存在安全風險。

綜上，本文以華北地區(qū)某火力發(fā)電廠的兩臺300 MW級超臨界燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組為案例，研究了燃煤火電機組與飛輪-電化學聯(lián)合儲能系統(tǒng)耦合的設計方案和性能提升效果。

1" " 燃煤電廠運行數(shù)據(jù)分析

該電廠位于華北某省電網(wǎng)末端，受限于設備老化狀況和燃煤品種的問題，項目機組在調(diào)頻輔助服務市場中競爭力弱。統(tǒng)計該電廠近兩年內(nèi)共30天的AGC調(diào)頻指令分布，如表1所示。

由AGC指令深度來看，小于4 MW的指令數(shù)量占總指令的48.9%，小于9 MW的指令占比為82.8%，9～11 MW的指令占比為12.1%。從調(diào)頻指令時長來看，30 s以內(nèi)的指令占比為21.8%，60 s以內(nèi)的指令占比為52.7%，大于60 s的指令占比為47.3%。

考慮到該項目的運行數(shù)據(jù)，為了保障儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，若本系統(tǒng)規(guī)劃配置9 MW/4.5 MW·h的電化學儲能系統(tǒng)和4 MW/120 MW·s的飛輪儲能系統(tǒng)，則其中可由飛輪儲能獨立響應的指令占總指令的27.9%，飛輪儲能與機組同時響應的指令占總指令的21.0%，聯(lián)合儲能系統(tǒng)與機組同時響應的占51.1%。

2" " 飛輪-電化學聯(lián)合儲能調(diào)頻系統(tǒng)及其工作機制

2.1" " 聯(lián)合儲能系統(tǒng)構成

本系統(tǒng)采用飛輪儲能系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)和儲能調(diào)頻輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的調(diào)頻功能，具體拓撲結構如圖1所示。

儲能單元通過功率變換裝置、升壓變壓器接入6 kV廠用電回路，升壓并聯(lián)到1#或2#機組的20 kV母線，再通過電廠主變送出。儲能單元分裝在7個標準集裝箱內(nèi)，每個集裝箱配置電池或飛輪儲能單元以及溫控、消防、保護等系統(tǒng)；功率變換及升壓裝置安裝于6個中壓變流集裝箱內(nèi)。

當機組調(diào)頻降低負荷時，聯(lián)合儲能系統(tǒng)處于充電運行狀態(tài)，由發(fā)電廠的6 kV廠用電母線經(jīng)變壓器和整流裝置向電池和飛輪充電。當機組調(diào)頻增加負荷時，聯(lián)合儲能系統(tǒng)放電運行，經(jīng)過逆變裝置轉(zhuǎn)化為工頻交流電。由于飛輪儲能的參與，聯(lián)合儲能系統(tǒng)的響應時間縮減為幾百毫秒，極大地提升了調(diào)頻電源的質(zhì)量。

2.2" " 聯(lián)合儲能系統(tǒng)工作機制

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，飛輪儲能與機組配合可以完全響應的指令數(shù)量合計為48.9%，鋰電池儲能無須投入，可延長鋰電池使用壽命。從AGC指令深度分布來看，小于9 MW的占比約為82.8%，9 MW以上的指令占比約為17.2%，雖然這部分指令數(shù)量比例較小，但由于指令調(diào)節(jié)深度大，對調(diào)頻輔助服務補償收益的貢獻率可以超過40%。

AGC指令的初始階段，機組響應滯后，此時儲能系統(tǒng)出力最大，飛輪儲能承擔尖峰負荷部分。當鋰電功率大于AGC要求出力時，通過配置飛輪儲能，可以降低電化學儲能系統(tǒng)的尖峰出力倍率，延長電化學儲能系統(tǒng)壽命。當電化學儲能系統(tǒng)功率小于AGC要求出力時，通過配置飛輪儲能，可以增大儲能系統(tǒng)的總出力，提高聯(lián)合儲能系統(tǒng)響應AGC指令的覆蓋率，增加調(diào)頻里程。利用飛輪壽命長的優(yōu)勢，頻繁快速充放電，提高調(diào)頻服務的調(diào)節(jié)精度。

3" " 項目經(jīng)濟分析

3.1" " AGC調(diào)頻性能計算指標

依據(jù)該地調(diào)頻和備用輔助服務交易實施的“兩條細則”文件，調(diào)頻性能指標包括調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2、響應時間K3。調(diào)頻性能綜合指標Kp由公式（1）決定：

K_p=K₁K₂K₃ （1）

該地區(qū)電網(wǎng)AGC服務貢獻日補償電量Q計算如公式（2）所示：

Q=DK_pdY （2）

式中：D為日調(diào)節(jié)深度；K_pd為日調(diào)頻綜合性能指標；Y為AGC調(diào)節(jié)性能補償系數(shù)。

3.2" " AGC調(diào)頻經(jīng)濟性能分析

飛輪-電化學聯(lián)合儲能調(diào)頻系統(tǒng)的設備材料費用主要包括飛輪儲能集裝箱系統(tǒng)、鋰電池集裝箱系統(tǒng)、PCS集裝箱系統(tǒng)、高壓環(huán)網(wǎng)電氣及群控裝置集裝箱、儲能能源平衡系統(tǒng)、AGC調(diào)頻控制系統(tǒng)、集控集裝箱系統(tǒng)、工程設計施工等費用，總計約4 120萬元，具體明細如表2所示。

表3為該燃煤機組未增加儲能時調(diào)頻原有測算數(shù)據(jù)。#1機組原有Kp值為1.65，實際考核電量為2 150 MW·h，實際考核金額為61萬元，實際補償電量為27 350 MW·h，實際補償金額為774萬元；#2機組原有K_p值為1.62，實際考核電量為1 160 MW·h，實際考核金額為33萬元，實際補償電量為39 570 MW·h，實際補償金額為1 120萬元。

表4為該燃煤機組增加聯(lián)合儲能調(diào)頻系統(tǒng)時的測算數(shù)據(jù)。當年運行天數(shù)按300天計算時，#1機組的K_p值為4.8，日調(diào)節(jié)里程為3 200 MW·h，日補償收益為8萬元，年收益為2 400萬元，增量收益為1 626萬元；#2機組的K_p值為4.8，日調(diào)節(jié)里程為3 200 MW·h，日補償收益為8萬元，年收益為2 400萬元，增量收益為1 280萬元。

由此可見，增加飛輪-電化學聯(lián)合儲能系統(tǒng)后，單臺燃煤機組年增量收益在1 200萬元～1 700萬元。

4" " 結論

大規(guī)模飛輪-電化學聯(lián)合儲能調(diào)頻系統(tǒng)具有毫秒級充放電的功能，應用于電網(wǎng)調(diào)頻具有極大的優(yōu)勢。飛輪儲能既可單獨運行，又可在調(diào)頻里程大于飛輪儲能容量時與電化學儲能聯(lián)合運行，延長電池壽命；此外，利用飛輪系統(tǒng)壽命長的優(yōu)勢，可以頻繁充放電提高調(diào)頻精度，提升調(diào)頻性能綜合指標Kp值。聯(lián)合儲能調(diào)頻系統(tǒng)作為高性能調(diào)頻電源加入電網(wǎng)，可以減少火電機組承擔AGC任務的設備損耗，提高發(fā)電效率，減少排放，具有一定的經(jīng)濟效益和社會價值。

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收稿日期：2024-05-08

作者簡介：樊宇航（1995—），男，陜西西安人，碩士研究生，工程師，研究方向：能源電力規(guī)劃、國際能源電力政策、碳達峰碳中和、新能源技術、綜合能源等。