超級電容輔助燃煤機(jī)組快速調(diào)頻技術(shù)研究

王 偉，陳 鋼，常東鋒，兀鵬越，高 林，寇水超，王 倩

（1.西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.華能(蘇州工業(yè)園區(qū))發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 太倉 215424）

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益匱乏和環(huán)境保護(hù)意識的逐步增強(qiáng)，清潔能源利用迅猛發(fā)展，清潔能源并網(wǎng)發(fā)電也快速增加。我國是目前全球新能源規(guī)模最大、發(fā)展最快的國家。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會數(shù)據(jù)，風(fēng)電并網(wǎng)容量10 年增長100 倍，太陽能發(fā)電并網(wǎng)容量5 年增長100 倍。截至2019 年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到4.15 億kW，占總裝機(jī)容量的20.63%。可再生能源發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定產(chǎn)生巨大影響，常規(guī)煤電機(jī)組需承擔(dān)越來越多的調(diào)頻任務(wù)；同時，可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性對現(xiàn)有電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和靈活調(diào)度提出了要求：因此大量風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來前所未有的挑戰(zhàn)[1]。發(fā)揮太陽能、風(fēng)能發(fā)電與燃煤發(fā)電的優(yōu)勢互補(bǔ)，穩(wěn)定高效地輸出電能是解決現(xiàn)有能源緊缺、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的重要舉措[2]。為解決可再生能源消納問題、提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，煤電機(jī)組必須成為重要的靈活性電源。

2009 年，國家電力監(jiān)管委員會印發(fā)了《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》和《發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》（簡稱“兩個細(xì)則”），要求各地電監(jiān)局和省電監(jiān)體現(xiàn)按效果付費(fèi)的精神。2017 年國家五部委印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，進(jìn)一步明確了儲能與機(jī)組聯(lián)合或者獨(dú)立參與輔助服務(wù)市場的重要性。在電源結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)杠桿的雙重驅(qū)動下，煤電的角色正逐步由電量型電源向電力調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)變，大幅提高煤電機(jī)組的調(diào)頻能力將是煤電企業(yè)生存和發(fā)展的必由之路。

本文針對目前大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻技術(shù)手段進(jìn)行分析，提出了一種電容輔助一次調(diào)頻的節(jié)能技術(shù)方案，并對該方案應(yīng)用于某超超臨界1 000 MW 機(jī)組進(jìn)行了分析研究。

1 調(diào)頻技術(shù)手段及研究方法

目前國內(nèi)新建的（超）超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組多采用全周進(jìn)汽節(jié)流配汽方式。該型汽輪機(jī)主蒸汽調(diào)節(jié)閥（主調(diào)閥）全開運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最好，但此時機(jī)組蓄能降低，調(diào)頻能力較差。國內(nèi)幾乎所有汽輪發(fā)電機(jī)組均通過主調(diào)閥保持一定的節(jié)流來滿足電網(wǎng)調(diào)頻需求，調(diào)頻經(jīng)濟(jì)代價高。主調(diào)閥節(jié)流對機(jī)組運(yùn)行煤耗的影響平均在2.4 g/(kW·h)[3]左右，損失較大。因此，有必要探索一種經(jīng)濟(jì)高效的調(diào)頻技術(shù)手段。

目前最廣泛使用的一次調(diào)頻方案包括汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）側(cè)一次調(diào)頻、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）側(cè)一次調(diào)頻、凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)、儲能調(diào)頻技術(shù)[4]。陳波等[5]基于某超超臨界1 050 MW 機(jī)組高壓加熱器給水旁路的工程實(shí)施案例，獲得了該機(jī)組給水旁路的調(diào)頻特性和多種調(diào)頻方式下的調(diào)頻效果對比分析。包偉偉等[6]針對超超臨界1 000 MW機(jī)組一次調(diào)頻的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性問題進(jìn)行研究，認(rèn)為調(diào)節(jié)閥預(yù)節(jié)流調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性最差，可調(diào)整回?zé)岢槠{(diào)頻次之，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性最好。徐星等[7]通過分析超超臨界1 000 MW 二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻的性能狀況，分析了主蒸汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻、凝結(jié)水調(diào)頻和給水調(diào)頻的可行性。王建華等[8]針對某超臨界660 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組1 號高壓加熱器，建立三維有限元模型進(jìn)行了模擬計算，結(jié)果表明，熱、機(jī)械、耦合應(yīng)力的波動幅度均隨著給水旁路程度的增大而增大。根據(jù)以上研究結(jié)果，匯總目前國內(nèi)外主流的調(diào)頻技術(shù)見表1。

表1 常用調(diào)頻技術(shù)比較Tab.1 Comparison of popular frequency modulation technologies

根據(jù)表1 可以看出，基于機(jī)組自身蓄熱能力調(diào)高機(jī)組調(diào)頻能力的技術(shù)手段較多，且各有優(yōu)缺點(diǎn)。儲能技術(shù)以其響應(yīng)速度快、跟蹤功率能力強(qiáng)等特點(diǎn)，成為輔助傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰的先進(jìn)方式。

根據(jù)現(xiàn)有儲能技術(shù)特點(diǎn)，抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、蓄電池儲能、超級電容器儲能以及超導(dǎo)磁儲能等[9-13]均可作為輔助手段，協(xié)助火電機(jī)組調(diào)頻?？紤]到抽水蓄能、壓縮空氣儲能需特定地質(zhì)條件，在火電廠內(nèi)建設(shè)輔助調(diào)頻難以實(shí)現(xiàn)。對其他幾種儲能技術(shù)的參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

從表2 可以看出，超級電容的循環(huán)次數(shù)和能量轉(zhuǎn)化效率高于鋰離子電池，但低于高速飛輪。

華君葉等[14]針對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)能、太陽能發(fā)電特性，探討了風(fēng)能、太陽能及蓄電池輸出電能的特點(diǎn)。牟春華等[15]針對火電機(jī)組與鋰電池儲能系統(tǒng)聯(lián)合自動發(fā)電控制（AGC）調(diào)頻技術(shù)的基本原理、典型方案、控制過程以及實(shí)際工程效果進(jìn)行了分析研究。但業(yè)內(nèi)對鋰電池儲能的安全可 靠性，使用壽命，以及環(huán)保和回收的環(huán)境生態(tài)等 問題[16-18]缺少有效的解決方案。

表2 典型儲能技術(shù)參數(shù)比較Tab.2 Parameters comparison between typical energy storage systems

近年來，在補(bǔ)貼政策的鼓勵下，多個火電廠采用電池儲能系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行AGC 調(diào)頻，經(jīng)濟(jì)效益良好，但也發(fā)生多起安全事故。從2017 年8 月到2019 年10 月，韓國總共發(fā)生25 起儲能電站火災(zāi)[19]。2018 年國內(nèi)某地區(qū)電網(wǎng)側(cè)儲能電站也發(fā)生了起火事故[20]。鋰電池在2C/100%DOD 狀態(tài)下的理論壽命不超過5 000 次，考慮到機(jī)組調(diào)節(jié)的特性和頻次，必須選用足夠容量的電池以滿足淺充淺放延長壽命的要求，這增加了基礎(chǔ)投資。此外，對于頻繁動作的一次調(diào)頻而言，鋰電池的壽命遠(yuǎn)不能滿足要求。故現(xiàn)有項(xiàng)目都是僅響應(yīng)AGC，不響應(yīng)一次調(diào)頻。

超級電容與常規(guī)蓄電池相比具有更高的充放電速率、更寬的溫度適應(yīng)范圍、更長的使用壽命、更大的功率密度[21-22]，且后期回收再利用對生態(tài)環(huán)境的影響相比電池小得多[16-18]。目前國內(nèi)已經(jīng)有針對電網(wǎng)供電系統(tǒng)存在用電負(fù)荷和電能供應(yīng)不平衡問題的研究，仿真結(jié)果顯示，可以實(shí)現(xiàn)超級電容放電釋能過程的控制[23]。這些研究表明，超級電容應(yīng)用于火電機(jī)組調(diào)頻具有較大優(yōu)勢。

超級電容的特點(diǎn)決定了其相對于鋰離子電池儲能更加適合輔助煤電機(jī)組較高頻次的一次調(diào)頻響應(yīng)。然而目前國內(nèi)針對超級電容輔助火電機(jī)組調(diào)頻技術(shù)的研究局限于控制理論，未見超級電容容量選擇、系統(tǒng)選型連接以及經(jīng)濟(jì)收益分析相關(guān)研究。

本文旨在提供一種超級電容輔助機(jī)組調(diào)頻方案。研究思路如下：1）從電網(wǎng)要求分析出發(fā)，以此作為調(diào)節(jié)目標(biāo)，假設(shè)該值為P0；2）進(jìn)行機(jī)組自身調(diào)頻（主調(diào)閥不參與調(diào)節(jié)）的需求分析，假設(shè)該值為P1，則以二者之間的差距ΔP=P0-P1作為儲能系統(tǒng)容量選擇的依據(jù)，該部分工作主要包括儲能系統(tǒng)的容量選擇和功率選擇，因此要分別計算出這2 個目標(biāo)值；3）進(jìn)行系統(tǒng)的連接、控制及運(yùn)行方式分析；4）針對該儲能輔助系統(tǒng)的投資、節(jié)能收益和輔助服務(wù)收益進(jìn)行分析，從而形成完整的技術(shù)方案，以期為同類型工程問題提供參考。

2 電容輔助調(diào)頻技術(shù)方案

本文所研究的超超臨界1 000 MW 機(jī)組汽輪機(jī)為上汽-西門子制造的N1000-26.25/600/600（TC4F）型。運(yùn)行中通過2 個對稱布置的主調(diào)閥節(jié)流響應(yīng)一次調(diào)頻。部分負(fù)荷下，這2 個主調(diào)閥開度甚至關(guān)小到28%，節(jié)流損失較大，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差[24]。

2.1 電網(wǎng)需求分析

根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)要求，機(jī)組應(yīng)能滿足一次調(diào)頻性能測試[25]，即每次一次調(diào)頻考核時，發(fā)出一個30 MW 的升負(fù)荷指令，機(jī)組根據(jù)該指令，通過開大主調(diào)閥方式進(jìn)行負(fù)荷跟蹤響應(yīng)。電網(wǎng)考核機(jī)組在15、30、45 s 等3 個時刻的積分電量，分別需要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)模式（即按30 MW 功率增加響應(yīng)）積分電量的40%、60%、70%。

按照該要求，計算機(jī)組在不同時間，負(fù)荷增加值從0 開始按照線性增長，15、30、45 s 等3 個時間的積分電量恰好等于機(jī)組以30 MW 升負(fù)荷指令的理想階躍在該3 個時間積分電量的40%、60%、70%，可以計算得到該3 個時間的機(jī)組負(fù)荷增量，最終得到理想的負(fù)荷響應(yīng)曲線，如圖1 所示。

從圖1 可以看出，其實(shí)不必要機(jī)組負(fù)荷一開始即升高至30 MW，只要滿足3 個考核點(diǎn)，即15、30、45 s 對應(yīng)的電量積分不低于圖1 中積分電量（陰影部分的面積）的要求即可。以下以此曲線為目標(biāo)，進(jìn)行機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)分析研究。

2.2 機(jī)組需求分析

該1 000 MW 機(jī)組已經(jīng)完成基于汽水流程自蓄能的一次調(diào)頻優(yōu)化改造[26]。為了進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力，在主調(diào)閥不參與調(diào)節(jié)的情況下進(jìn)行一次調(diào)頻大擾動試驗(yàn)（即給定機(jī)組一個30 MW 的升負(fù)荷指令），結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)距離電網(wǎng)要求尚存在較大差距，必須通過其他手段來補(bǔ)充。

2.3 電容容量選擇

2.3.1 功率選擇

不同負(fù)荷下，機(jī)組實(shí)際響應(yīng)負(fù)荷與理想負(fù)荷之間偏差（即圖2 中各負(fù)荷下實(shí)際負(fù)荷響應(yīng)與理想曲線的偏差）的最大值見表3。根據(jù)表3 結(jié)果選擇偏差最大值，則需要的電容功率最小為22.41 MW。

表3 響應(yīng)負(fù)荷與理想負(fù)荷偏差Tab.3 The deviations between response load and ideal load

2.3.2 容量選擇

不同負(fù)荷下，固定主調(diào)閥開度進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，機(jī)組實(shí)際響應(yīng)負(fù)荷積分電量與理想值之間偏差（即圖2 中各負(fù)荷下負(fù)荷響應(yīng)曲線面積與理想曲線面積的偏差）見表4。

表4 響應(yīng)負(fù)荷積分電量與理想狀態(tài)偏差Tab.4 The accumulated quantity deviation between response load and ideal load

根據(jù)表3 結(jié)果選擇偏差最大值，則需要的電容容量最小為0.21 MW·h?？紤]到可能連續(xù)動作等實(shí)際情況，宜留取一定的裕量。

2.3.3 實(shí)際一次調(diào)頻需求分析

選擇機(jī)組典型日一次調(diào)頻指令數(shù)據(jù)得到正態(tài)分布曲線如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可知：一次調(diào)頻指令最大絕對值為+14.5 MW；指令介于?1~+1 MW 之間的次數(shù)大約占77%；一次調(diào)頻指令99.8%的頻次在?6.35~7.91 MW之間。超級電容功率配置應(yīng)在偶發(fā)的大擾動測試和頻發(fā)的小擾動中，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。

2.4 儲能系統(tǒng)選型

根據(jù)超級電容設(shè)備性能特點(diǎn)，可偶爾短時（1~2 min）安全實(shí)現(xiàn)50%超出額定功率充放電。根據(jù)2.3 節(jié)中的電容容量及功率選擇分析，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)合理的原則，擬為該2 臺機(jī)組分別配置8 MW×2 min 超級電容器儲能系統(tǒng)，該配置實(shí)際中可滿足單機(jī)小頻次12 MW 瞬時功率的需求。

2.5 儲能系統(tǒng)與機(jī)組連接方式

本項(xiàng)目擬選用的集裝箱式超級電容器儲能系統(tǒng)分別通過2 臺機(jī)組的660 V/6 kV 升壓變壓器接入6 kV 廠用電系統(tǒng)。2 個8 MW×2 min 超級電容儲能系統(tǒng)可以聯(lián)合為1 臺機(jī)提供輔助調(diào)頻服務(wù)，或者分別參與2 臺機(jī)組調(diào)頻服務(wù)，達(dá)到電網(wǎng)下達(dá)考核指標(biāo)，同時降低機(jī)組能量損耗。

2.6 儲能系統(tǒng)投資估算

根據(jù)當(dāng)前市場價格，預(yù)計電容輔助調(diào)頻項(xiàng)目總投資約3 090.00 萬元，分項(xiàng)投資見表5。

表5 超級電容儲能系統(tǒng)投資Tab.5 The detail investment of super capacitor energy storage system

3 項(xiàng)目效益

3.1 節(jié)能收益

增加電儲能輔助調(diào)頻之后，主調(diào)閥可以大幅開大，甚至于基本無節(jié)流的狀態(tài)，汽輪機(jī)高壓缸運(yùn)行效率將進(jìn)一步提高。根據(jù)上汽-西門子超超臨界機(jī)組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[27]核算，初步預(yù)計由于主調(diào)閥節(jié)流損失降低引起的煤耗降低1.0 g/(kW·h)左右，如果機(jī)組負(fù)荷率較低，則節(jié)能量更大。

通過調(diào)取運(yùn)行數(shù)據(jù)，該2×1 000 MW 機(jī)組2018 年利用小時為4 846 h，標(biāo)準(zhǔn)煤單價為753 元/t。增加電容輔助調(diào)頻系統(tǒng)之后，預(yù)計2 臺機(jī)組年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約9 692 t，年節(jié)煤收益約730 萬元，節(jié)能收益可觀。根據(jù)2.6 節(jié)投資分析，靜態(tài)投資回收期不到4.3 年，投資回收期較短。

3.2 輔助服務(wù)收益分析

在不考慮高壓調(diào)節(jié)閥參與一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，根據(jù)儲能系統(tǒng)配置，計算各負(fù)荷下超級電容輔助一次調(diào)頻的響應(yīng)參數(shù)，并與機(jī)組改造之前采用高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)節(jié)的指標(biāo)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可以看到，增加超級電容輔助調(diào)頻系統(tǒng)之后，機(jī)組的一次調(diào)頻指標(biāo)大幅提升，不同負(fù)荷下增加幅度在10%~70%之間?？梢?，即使主調(diào)閥全開的節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)下，一次調(diào)頻指標(biāo)仍遠(yuǎn)高于電網(wǎng)要求，為運(yùn)行控制留有充足的調(diào)配裕量。

隨著各地輔助服務(wù)政策的出臺，本項(xiàng)目還將在AGC 響應(yīng)方面帶來較為可觀的服務(wù)收益。

4 結(jié) 論

1）超級電容的容量選擇需要基于機(jī)組所屬電網(wǎng)的一次調(diào)頻要求、機(jī)組目前的調(diào)頻能力、機(jī)組日常的一次調(diào)頻需求3 個方面綜合考慮。

2）采用超級電容輔助機(jī)組調(diào)頻技術(shù)可以在顯著減小汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失、降低機(jī)組煤耗1.0 g/(kW·h)的基礎(chǔ)上，將機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng)能力提升10%~70%。