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    電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的優(yōu)勢分析

    2013-10-22 09:05:38楊水麗李建林李蓓惠東
    電網(wǎng)與清潔能源 2013年2期
    關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

    楊水麗,李建林,李蓓,惠東

    (中國電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所,北京 100192)

    為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性,需要將電網(wǎng)的頻率維持在50 Hz(60 Hz)左右,即需要實時保持發(fā)電與負(fù)荷需求之間的平衡。而電力的供應(yīng)很少等于負(fù)荷需求,因而需要不斷的對兩者進(jìn)行校正,以維持頻率的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的調(diào)頻方式,是通過增減電網(wǎng)的發(fā)電功率輸出來響應(yīng)頻率的變化,而隨著當(dāng)今世界科技的飛速進(jìn)步,電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大、負(fù)荷變化速率的提高、電力市場的深化以及新能源的大規(guī)模并網(wǎng)應(yīng)用等,都給電力系統(tǒng)的調(diào)頻帶來了新的要求與挑戰(zhàn)。

    傳統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)中的頻率控制是通過輸出功率的快速增減來維持發(fā)電功率與負(fù)荷需求的平衡。而發(fā)電機的響應(yīng)慢、爬坡速率低而易導(dǎo)致:1)因爬坡慢而不能較快地實現(xiàn)調(diào)度目標(biāo)從而快速實現(xiàn)再調(diào)度,因而不能提供所有的區(qū)域控制誤差校正;2)因爬坡慢而無法快速改變方向,有時甚至?xí)峁┓聪蛘{(diào)節(jié),因而發(fā)電機有時會增加區(qū)域控制誤差。

    根據(jù)《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》,風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源在未來幾年將會繼續(xù)得到高速、大規(guī)模的發(fā)展與應(yīng)用。當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機容量達(dá)到一定規(guī)模時,風(fēng)電功率波動或風(fēng)電場因故整體退出運行,可能會導(dǎo)致系統(tǒng)有功出力與負(fù)荷之間的動態(tài)不平衡,造成系統(tǒng)頻率偏差,嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率越限,進(jìn)而危及電網(wǎng)安全運行。就如歐洲與北非國家的電網(wǎng)在接入風(fēng)電場后突顯的問題一樣[1],因大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電而造成的頻率驟降已是近年來大范圍內(nèi)發(fā)生的事件。我國在甘肅酒泉與張家口相繼發(fā)生風(fēng)電場大規(guī)模脫網(wǎng)事故,造成了我國局部電網(wǎng)頻率的較大跌落。

    因而,當(dāng)我們要求電網(wǎng)能提供更高品質(zhì)的電能質(zhì)量,電網(wǎng)的運行更加穩(wěn)定,且能并入更多的可再生能源以加大對清潔能源的利用時,傳統(tǒng)調(diào)頻設(shè)備顯然已不能完全滿足這些需求,現(xiàn)有調(diào)頻容量不足的問題突顯,亟需新的調(diào)頻手段的出現(xiàn)。

    電池儲能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、精確跟蹤的特點,而使得其比傳統(tǒng)調(diào)頻手段高效。近年來,將大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)取代發(fā)電廠進(jìn)行調(diào)頻,已受到業(yè)界的關(guān)注。

    電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的原理是當(dāng)發(fā)電大于用電時把電能儲存起來,防止系統(tǒng)頻率的上升;在發(fā)電小于用電時把儲存的電能釋放出來,防止系統(tǒng)頻率的進(jìn)一步下跌。電池儲能系統(tǒng)響應(yīng)速度快、短時功率吞吐能力強,有助于提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。尤其是當(dāng)電網(wǎng)薄弱時,有大量的風(fēng)電或其他可再生能源并入電網(wǎng),這項技術(shù)的應(yīng)用顯得非常有用。大容量電池儲能系統(tǒng)以其獨特的技術(shù)、經(jīng)濟特點和較高的環(huán)境效益,通過與自動發(fā)電控制系統(tǒng)的有效結(jié)合,成為維持系統(tǒng)頻率處于標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi),減少旋轉(zhuǎn)備用容量需求的有效途徑。

    美國、智利和巴西等國家均在大規(guī)模儲能系統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)頻方面開展了大量研究與應(yīng)用示范[2],包括對儲能系統(tǒng)和傳統(tǒng)的燃汽輪機的調(diào)頻性能與效果進(jìn)行了比較,對加入儲能系統(tǒng)可減少因新能源大規(guī)模并網(wǎng)而急劇上升的調(diào)頻容量需求進(jìn)行了分析研究,對不同類型的儲能系統(tǒng)調(diào)頻的經(jīng)濟性與效果進(jìn)行了理論研究與仿真分析,以及對促進(jìn)儲能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻廣泛應(yīng)用的政策進(jìn)行了提議等。自2008年始,A123公司、Xtreme Power和Altairnano公司已投建多處示范項目,涉及鋰離子電池等多種儲能技術(shù)類型,系統(tǒng)容量從1.1 MW/0.5 MWh到20 MW/5 MWh級不等,并取得一定成果。

    我國在大容量儲能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的理論分析與研究、示范測試方面均處于起步階段,投建的示范項目有張北風(fēng)光儲輸示范基地和南方電網(wǎng)深圳寶清10 MW儲能站等。

    1 現(xiàn)有調(diào)頻技術(shù)面臨的問題

    電力系統(tǒng)頻率是與廣大用戶的電力設(shè)備以及發(fā)供電設(shè)備本身的安全和效率具有密切關(guān)系的電力系統(tǒng)運行的重要控制參量。肩負(fù)維持此控制參量穩(wěn)定的傳統(tǒng)調(diào)頻機組爬坡速度慢,不能精確出力是其固有的不足,而日益增加的可再生能源比例,是引發(fā)電網(wǎng)調(diào)頻困難的新因素。

    1.1 傳統(tǒng)調(diào)頻機組固有的問題

    常用于調(diào)頻的水電與火電機組,各自具有一定的限制與不足[3],影響電網(wǎng)頻率的安全與品質(zhì),例如火電機組響應(yīng)時滯長,不適合參與更短周期的調(diào)頻,而水電機組的調(diào)頻容量易受地域與季節(jié)性的制約;一次調(diào)頻機組受蓄熱制約而存在調(diào)頻量明顯不足,甚至存在遠(yuǎn)未達(dá)到一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量理論值的問題[4];參與二次調(diào)頻的機組爬坡速率慢,不能精確跟蹤調(diào)度AGC指令;一、二次調(diào)頻的協(xié)聯(lián)配合也尚需加強[5-6]。

    若電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展不那么迅速,已有的傳統(tǒng)調(diào)頻能力也能比較好地滿足調(diào)頻需求,但隨著日益擴大的間歇能源比例,已使得目前新能源集中接入量大的地區(qū)調(diào)頻問題突出,現(xiàn)有的調(diào)頻能力已不能很好地滿足調(diào)頻需求,保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

    1.2 大規(guī)模新能源接入引發(fā)的問題

    風(fēng)電場頻繁的功率波動會引起電網(wǎng)的頻率偏差,風(fēng)電功率波動的大小對電網(wǎng)頻率偏差的影響程度也不一樣,假設(shè)風(fēng)電場輸出的功率波動為ΔPi,因此波動而引起的電網(wǎng)頻率變化如式(1)所示。

    式中,ρ為電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù);Kg為發(fā)電機組頻率靜態(tài)特性系數(shù);Kf為負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性系數(shù);Pi為區(qū)域電網(wǎng)總有功負(fù)荷。

    基于張北某風(fēng)電場2009年風(fēng)電功率數(shù)據(jù)分析風(fēng)電功率波動規(guī)律[7],選取49.5 MW級風(fēng)電系統(tǒng)的EMS中12個月的功率數(shù)據(jù),采集時間間隔為5 min,對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,得出風(fēng)電功率波動變化率的分布概率。

    通過算例分析接入變電站的風(fēng)電全切后對電網(wǎng)頻率的影響,電網(wǎng)數(shù)據(jù)選擇2009年遼寧冬季最大負(fù)荷運行方式[8],有功發(fā)電為1 171萬kW,負(fù)荷水平為1 556萬kW,接入某變電站的風(fēng)電裝機容量為397.8 MW。選取電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)ρ=1.05。發(fā)電機組頻率靜態(tài)特性系數(shù)為Kg=10.4,負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性系數(shù)為Kf=1.5。

    假設(shè)接入某變電站的裝機容量為397.8 MW的風(fēng)電場的功率波動變化率的分布概率與張北某風(fēng)場的一致,則擁有張北某風(fēng)場功率波動規(guī)律的397.8 MW的風(fēng)電場對冬季最大負(fù)荷運行方式下的遼寧電網(wǎng)頻率帶來的影響如表1所示,時間尺度為5 min。

    表1 風(fēng)電波動對電網(wǎng)頻率的影響Tab.1 Impacts of wind power fluctuations on the grid frequency

    由表1可知,在5分鐘的時間尺度下,風(fēng)電功率的波動引起電網(wǎng)頻率波動的范圍主要在0.045%fe以內(nèi),在全年出現(xiàn)的概率為總統(tǒng)計時間的82.8%左右。電網(wǎng)的頻率死區(qū)是±0.066%fe,由表1可得出,大約有82.8%的情況下風(fēng)電功率波動沒有越過電網(wǎng)頻率死區(qū),17.2%的情況下的風(fēng)電功率波動將與變動的負(fù)荷一起加劇電網(wǎng)頻率的變化,當(dāng)397.8 MW風(fēng)電場突然全切時,將會引起區(qū)域電網(wǎng)頻率越限。

    2 電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的優(yōu)勢分析

    電池儲能系統(tǒng)具有自動化程度高、增減負(fù)荷靈活、對負(fù)荷隨機和瞬間變化可做出快速反應(yīng)等優(yōu)點,能保證電網(wǎng)周波穩(wěn)定,很好的起到調(diào)頻作用。其通過與常規(guī)調(diào)頻機組的調(diào)速器、現(xiàn)有自動發(fā)電控制系統(tǒng)有效結(jié)合,參與電網(wǎng)的一、二次調(diào)頻,維持系統(tǒng)頻率于標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi),可成為提高電力系統(tǒng)對可再生能源的接納能力、并減少旋轉(zhuǎn)備用容量需求的有效途徑。

    2.1 電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的原理

    電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行頻率的一、二次調(diào)節(jié),是利用電池能量的雙向流動性,來阻止系統(tǒng)頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)范圍的調(diào)節(jié)方式,圖1為電池儲能系統(tǒng)的功率-頻率靜態(tài)特性[9]。當(dāng)電力系統(tǒng)中原動機功率或負(fù)荷發(fā)生變化時,必然引起電力系統(tǒng)頻率的變化,此時,儲能系統(tǒng)進(jìn)行判斷,電網(wǎng)供電大于負(fù)荷需求,系統(tǒng)頻率上升時,電池儲能系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收電能;電網(wǎng)供電小于負(fù)荷需求,系統(tǒng)頻率下降時,電池儲能系統(tǒng)則釋放電能于電網(wǎng)。

    圖1 儲能系統(tǒng)功率-頻率特性圖Fig.1 The power-frequency characteristics of BESS

    2.2 電池儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的優(yōu)勢

    頻率控制通過輸出功率的快速增減,來校正電網(wǎng)的供需平衡。電池儲能系統(tǒng)有極快的響應(yīng)速度,尤其適合于調(diào)頻。更快的響應(yīng)自然會使得頻率控制更精確和高效。國外的大量研究表明,儲能系統(tǒng)幾乎能夠即時跟蹤區(qū)域控制誤差,而發(fā)電機的響應(yīng)則很慢,有時會違背區(qū)域控制誤差。

    電池儲能系統(tǒng)響應(yīng)快速而使得頻率控制更精確,最終需要更少的調(diào)控容量[2]。因為:1)靈活且爬坡快的設(shè)備能夠更快地實現(xiàn)調(diào)度目標(biāo)從而快速實現(xiàn)再調(diào)度。因此,相對而言快速調(diào)頻設(shè)備能夠提供更多的區(qū)域控制誤差校正。2)爬坡慢的設(shè)備無法快速改變方向,所以它們有時會提供反向調(diào)節(jié)而增加區(qū)域控制誤差。靈活且爬坡快的設(shè)備則能避免因增加區(qū)域控制誤差而需要的額外調(diào)頻容量。

    電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果究竟比傳統(tǒng)調(diào)頻機組高效多少倍[2]?將依據(jù)具體實例來進(jìn)行分析。在我國的能源結(jié)構(gòu)中,火力發(fā)電機組所占比重最大,占83.16%;其次是水電機組,占12.37%;核電、風(fēng)電及其他新能源的比重也日漸提高,能源結(jié)構(gòu)比例如圖2所示?;谌济簷C組在我國的能源結(jié)構(gòu)中所占的份額大,因而在電力調(diào)頻中起主要作用的是燃煤機組。故,將對燃煤機組與電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果進(jìn)行定量的比較。

    假定燃煤機組進(jìn)行調(diào)頻時的爬坡速率為3%額定功率/min,因此大約需要30多分鐘才能夠使燃煤機組從零功率輸出到滿發(fā)功率。設(shè)電網(wǎng)功率突然下降,在接下來的10 min需要并入電網(wǎng)25 MW的功率。也就是說,在接下來的10 min,需要從所有調(diào)頻機組那里獲得每分鐘2.5 MW的功率增長速率。如果只有燃煤機組以3%額定功率/min的爬坡速率進(jìn)行調(diào)頻,則需要83.3 MW的燃煤機組才能滿足調(diào)頻需要。相反,25 MW的電池儲能能夠在20 ms內(nèi)提供25 MW的功率。

    圖2 我國能源結(jié)構(gòu)比例圖Fig.2 Theproportion diagram of China’senergy structure

    因而,25 MW的電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果相當(dāng)于83.3 MW的燃煤機組所具有的。這個倍數(shù)可以更大(如果系統(tǒng)操作員直到幾分鐘以后才發(fā)現(xiàn)問題)或更小(如果有更快的發(fā)電機并網(wǎng))。

    由此可知,電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效率是燃煤機組的3.3倍左右。

    電池儲能系統(tǒng)在參與電力調(diào)頻的應(yīng)用中,不僅具有節(jié)省電力系統(tǒng)投資和運行費用,降低單位煤耗,達(dá)到節(jié)約燃料消耗等靜態(tài)效益;而且由于響應(yīng)快速、運行靈活可使其具有減少調(diào)頻旋轉(zhuǎn)備用容量,減少區(qū)域控制誤差校正所需的調(diào)控容量,減少因所需調(diào)頻容量減少而使額外間接成本(維修、壽命)降低等動態(tài)效益。另外,電池儲能系統(tǒng)減少了電網(wǎng)燃料消耗,也就相應(yīng)減少了污染物排放及其治理費用,不僅自身清潔生產(chǎn),而且具有一定的環(huán)境效益。

    2.3 國內(nèi)外政策

    中國目前尚未有專門的政策機制支持儲能進(jìn)入電力調(diào)頻市場,但在國家發(fā)展改革委關(guān)于印發(fā)《電力需求側(cè)管理城市綜合試點工作中央財政獎勵資金管理暫行辦法》中提到“對通過需求響應(yīng)臨時性減少的高峰電力負(fù)荷,每千瓦獎勵100元?!?,這將降低用于調(diào)頻類輔助服務(wù)的電池儲能系統(tǒng)的投資成本,對電池儲能系統(tǒng)在電力調(diào)頻中的應(yīng)用可起到積極的促進(jìn)作用。

    英格蘭地區(qū)把調(diào)頻性能指標(biāo)納入調(diào)頻裝置成本中,實施“按效果付費”[2]。美國電力市場也建議出臺按效果付費的方法及相關(guān)的政策,以完善儲能系統(tǒng)參與電力調(diào)頻的價格機制,推動其在電網(wǎng)調(diào)頻中的廣泛應(yīng)用。

    3 結(jié)論

    傳統(tǒng)調(diào)頻機組響應(yīng)慢、爬坡速率低,故不能完全迎合因電力系統(tǒng)快速發(fā)展及并入新能源等而引發(fā)的新的頻率穩(wěn)定問題的需要。通過對電池儲能系統(tǒng)的功率-頻率特性、特點及優(yōu)勢的分析,得出電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果是燃煤機組的3.3倍左右,同時也具有一定的靜態(tài)、動態(tài)及環(huán)境效益。國內(nèi)外均出臺了促進(jìn)儲能系統(tǒng)在電力調(diào)頻中應(yīng)用的相關(guān)政策,以推動電池儲能系統(tǒng)在調(diào)頻領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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