電儲(chǔ)能與燃煤發(fā)電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻響應(yīng)

巴黎明，馮 沛，趙璐璐，LEMMON John

(北京低碳清潔能源研究所，北京 昌平 102211)

電儲(chǔ)能與燃煤發(fā)電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻響應(yīng)

巴黎明，馮 沛，趙璐璐，LEMMON John

(北京低碳清潔能源研究所，北京 昌平 102211)

隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模和特高壓線路數(shù)量的增多，電網(wǎng)頻率管理也愈發(fā)嚴(yán)格。由于蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)具有流程長(zhǎng)、熱惰性大等問(wèn)題，燃煤發(fā)電機(jī)組面臨的調(diào)頻工作壓力也越來(lái)越大。為了解決以上問(wèn)題，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助調(diào)頻應(yīng)用開展了深入研究。介紹了電儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃煤發(fā)電機(jī)組聯(lián)合響應(yīng)自動(dòng)發(fā)電控制(auto generation control,AGC)調(diào)頻調(diào)度指令的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的仿真模型，并根據(jù)實(shí)際電廠數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算分析。仿真結(jié)果表明，增加一定規(guī)模的儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)可以將合并輸出調(diào)頻性能提高2～3倍，避免被考核。還從多個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)不同接入方式的安全性進(jìn)行了分析，認(rèn)為儲(chǔ)能調(diào)頻應(yīng)用不會(huì)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)可以從發(fā)電輔助服務(wù)市場(chǎng)獲得補(bǔ)償，減少機(jī)組過(guò)度調(diào)節(jié)，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，對(duì)電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行具有重要意義。

電儲(chǔ)能；調(diào)頻；燃煤發(fā)電機(jī)組；自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)仿真

0 引言

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電、光伏等新能源接入規(guī)模日益增加。2015年新增風(fēng)電裝機(jī)容量32.97 GW，光伏裝機(jī)容量15.28 GW，新能源裝機(jī)規(guī)模已經(jīng)占總裝機(jī)規(guī)模的32.7%。由于風(fēng)電、光伏出力受自然條件影響較大，出力反復(fù)波動(dòng)，使電網(wǎng)頻率管理壓力日益凸顯。我國(guó)資源分布不均勻，新能源和煤炭等資源分布均呈現(xiàn)西北多、東南少的形勢(shì)，需要通過(guò)特高壓通道進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，也會(huì)造成受端附近聯(lián)絡(luò)線頻率偏差較大。新能源并網(wǎng)和特高壓遠(yuǎn)距離輸電的壓力造成華北、華東等裝機(jī)裕量緊張的地區(qū)聯(lián)絡(luò)線功率-頻率管理困難，影響用電安全。為了提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性，各區(qū)域電網(wǎng)監(jiān)管機(jī)構(gòu)相繼出臺(tái)了《并網(wǎng)發(fā)電廠運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》(簡(jiǎn)稱“兩個(gè)細(xì)則”)來(lái)規(guī)范發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻響應(yīng)性能。其核心就是通過(guò)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)(auto generation control,AGC)保證電網(wǎng)一次調(diào)頻和二次調(diào)頻能力[1-3]。“兩個(gè)細(xì)則”的實(shí)施切實(shí)保證了電網(wǎng)頻率安全性，但也給發(fā)電企業(yè)帶來(lái)了額外的壓力。華北、華東等區(qū)域缺乏水電等高響應(yīng)速度機(jī)組，調(diào)頻任務(wù)多由火電機(jī)組承擔(dān)。部分火電企業(yè)由于機(jī)組老化、控制系統(tǒng)落后等原因遲遲無(wú)法達(dá)標(biāo)，每年考核費(fèi)用超千萬(wàn)；還有企業(yè)通過(guò)汽門頻繁調(diào)整等措施來(lái)滿足考核指標(biāo)[4-5]，雖然獲取了一定的補(bǔ)償收入，但在檢修中也屢有設(shè)備裂紋等現(xiàn)象發(fā)生。燃煤發(fā)電機(jī)組在AGC響應(yīng)中存在的主要問(wèn)題是響應(yīng)慢造成的調(diào)節(jié)延遲、控制誤差過(guò)大造成的調(diào)節(jié)偏差和部分反向調(diào)節(jié)、停滯等問(wèn)題，一部分原因是蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的固有問(wèn)題，難以大幅改善。“兩個(gè)細(xì)則”也拓展了發(fā)電輔助服務(wù)市場(chǎng)的范圍，給高響應(yīng)速度電源提供了一定的補(bǔ)償機(jī)制[6-8]。如何解決燃煤發(fā)電機(jī)組響應(yīng)速度慢，如何提高發(fā)電輔助服務(wù)市場(chǎng)收益成為新形勢(shì)下需要加以深入研究的問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，一個(gè)可行的解決方案就是引入高響應(yīng)速度調(diào)頻電源替代一部分燃煤機(jī)組調(diào)頻工作[9-14]。美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家都在這方面出臺(tái)了相關(guān)市場(chǎng)政策并推廣實(shí)施了電網(wǎng)儲(chǔ)能調(diào)頻應(yīng)用[15-17]。電儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage system, ESS)從0到最大出力的響應(yīng)時(shí)間僅為數(shù)百毫秒，可以提供燃煤機(jī)組25倍以上的響應(yīng)能力[18]。使用電儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃煤機(jī)組聯(lián)合響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令，電儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)大部分波動(dòng)性和折返性的調(diào)節(jié)指令，可以降低對(duì)燃煤機(jī)組調(diào)節(jié)性能的要求，使機(jī)組工作狀態(tài)更加平穩(wěn)，減小汽門反復(fù)調(diào)節(jié)損失。類似功能技術(shù)的研究表明可以降低煤耗1.3 g/(kW·h)左右[19]。

本文介紹儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)方案，建立儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的仿真模型，并根據(jù)實(shí)際機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)出力、調(diào)頻響應(yīng)效果和效益進(jìn)行計(jì)算。

1 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)方案

儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)包括主控制器、儲(chǔ)能變流器(power control system, PCS)和鋰電池組等組成，分類裝入數(shù)個(gè)集裝箱中，集裝箱的內(nèi)、外結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用集裝箱方式可以布置在廠區(qū)露天空地，方便進(jìn)出線和安裝調(diào)試，并且可以根據(jù)工作情況調(diào)整系統(tǒng)規(guī)模，提高了系統(tǒng)靈活性。

儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)與燃煤機(jī)組之間的連接方式也比較靈活，可以接入發(fā)電機(jī)出口側(cè)，如圖2所示，也可以接入廠用電側(cè)，如圖3所示。接入發(fā)電機(jī)出口側(cè)需要對(duì)封閉母線進(jìn)行一定的改造。接入廠用電側(cè)可以靈活布置，安全性相對(duì)較高。

圖1 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)集裝箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of ESS frequency regulation container

圖2 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入發(fā)電機(jī)出口側(cè)Fig.2 ESS frequency regulation system connected to generator’s output

圖3 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入廠用電側(cè)Fig.3 ESS frequency regulation system connected to self-supplied power system

圖4 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of ESS frequency regulation system

儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。電網(wǎng)傳遞來(lái)的AGC指令由燃煤機(jī)組分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)。作為單獨(dú)控制的分立系統(tǒng)，儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)不影響機(jī)組對(duì)AGC的響應(yīng)控制流程，而是根據(jù)機(jī)組出力和AGC指令要求之間的差距自動(dòng)計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)出力并執(zhí)行。在電網(wǎng)側(cè)的總出力是燃煤機(jī)組出力和儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)出力的加和。

儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的控制模塊根據(jù)AGC指令要求和機(jī)組出力情況計(jì)算自身出力設(shè)定值，其控制算法流程如圖5所示。儲(chǔ)能調(diào)頻控制系統(tǒng)還包括收益檢測(cè)、PCS和電池組工作狀況監(jiān)測(cè)等模塊。

圖5 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)控制算法流程圖Fig.5 Algorithm flow chart of ESS frequency regulation system

2 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)仿真結(jié)果

本文根據(jù)上述儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能在Matlab/Simulink中搭建了實(shí)時(shí)仿真模型，并引入電廠實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真計(jì)算。

某電廠超臨界機(jī)組服役時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)計(jì)蓄熱較小，僅相當(dāng)于普通汽包鍋爐的20%左右，使AGC指令響應(yīng)速度慢，Kp值一直保持在1左右，如表1所示。

表1 某電廠機(jī)組AGC性能指標(biāo)Table 1 AGC performance index of a coal-fired power generator

圖6表示在沒(méi)有引入儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)時(shí)，在大約總計(jì)50 MW的連續(xù)升負(fù)荷過(guò)程中，燃煤機(jī)組出力對(duì)AGC指令的響應(yīng)跟隨情況。由于機(jī)組蓄熱較小，響應(yīng)速度慢，最初的10 MW升負(fù)荷AGC指令的K3考核就沒(méi)有達(dá)標(biāo)，隨后又在170～250 s出現(xiàn)了較長(zhǎng)的出力平臺(tái)，沒(méi)有及時(shí)響應(yīng)后續(xù)的8 MW升負(fù)荷指令，隨后的過(guò)程中也出現(xiàn)了多次延遲響應(yīng)或出力平臺(tái)的現(xiàn)象，造成整個(gè)過(guò)程K1值低于1，機(jī)組被考核。

圖6 燃煤機(jī)組出力對(duì)AGC指令的響應(yīng)跟隨情況Fig.6 Output of coal-fired power unit responding to AGC command

在增加儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)以后，當(dāng)燃煤機(jī)組出力對(duì)AGC指令響應(yīng)遲緩時(shí)，儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤并調(diào)整出力，使機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)合并出力可以達(dá)到滿足AGC指令要求下的高Kp值曲線，如圖7所示。

圖7 加入儲(chǔ)能以后的AGC指令響應(yīng)改善情況Fig.7 Output of coal-fired power unit with EES responding to AGC command

在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，燃煤機(jī)組會(huì)經(jīng)歷多次的升降負(fù)荷過(guò)程，使儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)也處于輸出或吸收能量的循環(huán)工況下。儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)在3天時(shí)間內(nèi)的出力情況如圖8所示。10 MW儲(chǔ)能系統(tǒng)可以輔助600 MW燃煤機(jī)組達(dá)到合并Kp值大于3.5，實(shí)現(xiàn)3倍于燃煤機(jī)組的AGC響應(yīng)能力提高。如果燃煤機(jī)組自身性能較好，可以實(shí)現(xiàn)Kp值達(dá)到2左右，加入儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)以后可以將合并Kp值提高到5左右，如表2所示。高Kp值不僅可以避免對(duì)機(jī)組的考核，而且可以承擔(dān)更多的帶基點(diǎn)正常調(diào)節(jié)子模式運(yùn)行任務(wù)，獲得更大的調(diào)節(jié)深度和補(bǔ)償，在發(fā)電輔助服務(wù)市場(chǎng)獲得顯著的收益。

圖8 3天內(nèi)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)出力情況Fig.8 3 days’ output of ESS frequency regulation system

表2 某機(jī)組增加儲(chǔ)能調(diào)頻前后AGC性能指標(biāo)變化Table 2 Variation of AGC performance index before and after installation of ESS frequency regulation system

3 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)安全性

儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)承擔(dān)了大部分的AGC指令響應(yīng)工作，避免為了達(dá)到較高的考核指標(biāo)而對(duì)機(jī)組進(jìn)行過(guò)度頻繁的調(diào)節(jié)，對(duì)汽門等關(guān)鍵調(diào)節(jié)設(shè)備起到保護(hù)延壽作用，也可以提高機(jī)組運(yùn)行中的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入發(fā)電機(jī)出口側(cè)的潮流分布如圖9所示。儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)出力僅相當(dāng)于燃煤機(jī)組裝機(jī)容量的1%～2%，其功率變化對(duì)發(fā)電機(jī)出口母線電壓的影響很小，基本可以忽略不計(jì)。儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入廠用電側(cè)的潮流分布如圖10所示。儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)出力占廠用變?nèi)萘康?/3左右，從最大輸出到最大輸入下的廠用電側(cè)電壓變化率不超過(guò)2%。

圖9 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入發(fā)電機(jī)出口側(cè)潮流分布Fig.9 Power flow distribution of ESS frequency regulation system connected to generator’s output

圖10 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入廠用電側(cè)潮流分布Fig.10 Power flow distribution of ESS frequency regulation system connected to station service power

在諧波控制方面，儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)中的PCS可以采取脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)逆變器多重化或多電平技術(shù)等多種技術(shù)手段抑制諧波量，將輸出諧波水平控制在3%以下，一般不需要另外安裝濾波器。儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)容量相對(duì)燃煤機(jī)組容量比例較小，對(duì)合并輸出的發(fā)電質(zhì)量基本不產(chǎn)生影響。PWM逆變器的諧波分量為奇次諧波，不會(huì)與軸系自然扭振頻率發(fā)生共振關(guān)系，不存在引發(fā)次同步震蕩的風(fēng)險(xiǎn)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)配置有完善的保護(hù)功能，在外部電網(wǎng)故障或擾動(dòng)下，PCS能由正常工作狀態(tài)進(jìn)入異常狀態(tài)，通過(guò)PCS控制電流電壓在額定范圍以內(nèi)，保證裝置的安全運(yùn)行。如果儲(chǔ)能裝置自身故障或外部短路故障，PCS可以快速閉鎖逆變器，或跳開交流側(cè)斷路器，把儲(chǔ)能系統(tǒng)與交流電網(wǎng)隔離開來(lái)。

4 結(jié)論

本文介紹了電儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃煤發(fā)電機(jī)組聯(lián)合響應(yīng)AGC調(diào)頻調(diào)度指令的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的仿真模型，并根據(jù)實(shí)際電廠數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算分析。儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助燃煤機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻響應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)具有百毫秒級(jí)的響應(yīng)速度，使其具有燃煤發(fā)電機(jī)組25倍以上的調(diào)頻能力。

(2) 將儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)與燃煤發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，可以使合并出力的AGC考核指標(biāo)Kp值提高2～3倍，不僅可以避免機(jī)組考核，還可以從輔助服務(wù)市場(chǎng)獲得收益。

(3) 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)承擔(dān)了大部分的AGC調(diào)節(jié)響應(yīng)任務(wù)，可以避免燃煤發(fā)電機(jī)組設(shè)備的頻繁調(diào)節(jié)，可以延長(zhǎng)設(shè)備壽命，保證安全生產(chǎn)。

(4) 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)在諧波控制和次同步震蕩抑制等方面具有良好的安全性能，在機(jī)端或儲(chǔ)能端故障情況下可以可靠隔離，不會(huì)對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。

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巴黎明

LEMMON John(1964—)，男，美國(guó)，博士，主要從事分布式能源研發(fā)工作，johnlemmon@nicenergy.com。

(編輯 蔣毅恒)

Combined Frequency Regulationof ESS and Coal-fired Power Unit

BA Liming, FENG Pei, ZHAO Lulu, LEMMON John

(National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Changping District, Beijing 102211, China)

With the surge of new energy integration and ultra-high voltage (UHV) lines, it calls for even more strict management in frequency regulation of power grid. Considering the long process flow, large thermal inertness of steam power system, the coal-fired power units are facing even higher pressure in frequency regulation. For this, an energy storage system (ESS)-aided frequency regulation was discussed in this paper. The system structure of dispatching command for combined ESS and coal-fired power units, was proposed; the simulation model was built on the platform of Matlab/Simulink to study the frequency regulation of energy storage; an instance study was made with practical operation data. The results show that the combination system can serve 2 to 3 times response than conventional system; the introduction of such ESS system with energy storage would not affect the safe operation of power units; It makes great reference for the development of auxiliary service market for power generation in reduced over-regulation, prolonged life span, safer and higher-efficiency operation of power system.

ESS; frequency regulation; coal-fired power units; AGC simulation

TK02

A

2096-2185(2016)02-0044-06

2016-08-21

巴黎明(1982—)，男，工程師，碩士，通訊作者，主要從事儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)工作，baliming@nicenergy.com；

馮 沛(1983—)，男，工程師，碩士，主要從事儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)工作，fengpei@nicenergy.com；

趙璐璐(1985—)，女，工程師，碩士，主要從事電力電子設(shè)備技術(shù)開發(fā)工作，zhaolulu@nicenergy.com；