儲(chǔ)能系統(tǒng)在火力發(fā)電廠(chǎng)聯(lián)合調(diào)頻中的應(yīng)用

刁云鵬，王忠言，張來(lái)星，于曉輝，宋 陽(yáng)

(1. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，長(zhǎng)春 130028；2. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 長(zhǎng)春 130021；3.通化熱電有限責(zé)任公司，吉林 通化 134000；4. 華能吉林發(fā)電有限公司長(zhǎng)春熱電廠(chǎng)， 長(zhǎng)春 130000)

自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)又稱(chēng)二次調(diào)頻，作為并網(wǎng)發(fā)電廠(chǎng)輔助服務(wù)7個(gè)項(xiàng)目之一，主要是指各類(lèi)調(diào)頻資源通過(guò)自動(dòng)發(fā)電控制功能按照一定調(diào)節(jié)速率實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電出力，跟蹤電力調(diào)度指令，以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率控制要求，解決短時(shí)間內(nèi)，區(qū)域電網(wǎng)隨機(jī)特性的功率不平衡問(wèn)題。目前，我國(guó)的調(diào)頻電源主要為火電機(jī)組，但是火電機(jī)組響應(yīng)時(shí)滯長(zhǎng)、機(jī)組爬坡速率低，不能準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)調(diào)度的調(diào)頻指令，存在調(diào)節(jié)延遲、調(diào)節(jié)偏差和調(diào)節(jié)反向等現(xiàn)象?；痣姍C(jī)組頻繁變換功率運(yùn)行,會(huì)加重機(jī)組設(shè)備疲勞和磨損，影響機(jī)組的運(yùn)行壽命[1]。比較而言，水電機(jī)組響應(yīng)較快，可以在幾秒內(nèi)達(dá)到滿(mǎn)功率輸出，但水電機(jī)組的建設(shè)受地理?xiàng)l件的限制，整體可提供的調(diào)頻容量較為有限，亟需新的調(diào)頻手段。

目前電池儲(chǔ)能系統(tǒng)解決了上述問(wèn)題，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度快，短時(shí)功率吞吐能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)靈活，誤差小，可在1 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)功率輸出，在額定功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。持續(xù)充/放電時(shí)間為15 min的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其調(diào)頻效率不僅比燃煤機(jī)組表現(xiàn)優(yōu)秀，也優(yōu)于水電機(jī)組。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻，節(jié)約電力系統(tǒng)投資運(yùn)行費(fèi)用和降低煤耗靜態(tài)效益明顯，其響應(yīng)快速，運(yùn)行靈活，也達(dá)到了系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)頻需求而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效益預(yù)期[2]。本文介紹了國(guó)內(nèi)最大電廠(chǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)投入前后綜合調(diào)頻性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)收益。

1 工程概況及AGC性能指標(biāo)計(jì)算方法

1.1 工程概況

某電廠(chǎng)采用第三方投資方式建設(shè)國(guó)內(nèi)最大的電廠(chǎng)側(cè)儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目，儲(chǔ)能調(diào)頻裝置的建設(shè)由第三方公司投資，設(shè)備投產(chǎn)后的運(yùn)行、維護(hù)、備件更換等事項(xiàng)全部由第三方公司負(fù)責(zé)，合作期為10年，電廠(chǎng)與第三方公司對(duì)新增儲(chǔ)能調(diào)頻裝置為電網(wǎng)提供市場(chǎng)調(diào)頻服務(wù)所增加的收入進(jìn)行分成。

該項(xiàng)目采用磷酸鐵鋰電池，容量為30 MW/15 MW·h儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)頻時(shí)最大功率為30 MW持續(xù)充電或者放電30 min。項(xiàng)目投資金額1.2×108元，采用10 m集裝箱布局方式，模塊化設(shè)計(jì)，集成度高占地面積約1 500 m2。電池部分：15個(gè)10 m集裝箱，每個(gè)集裝箱為電池容量為995 kW·h；功率部分：15個(gè)10 m集裝箱，每個(gè)集裝箱2 MW，10 kV輸出；集控部分：1個(gè)10 m集裝箱；高壓電氣部分：1個(gè)10 m集裝箱。電池系統(tǒng)有可靠的安全性；電池管理系統(tǒng)(BMS)三級(jí)架構(gòu)，可以監(jiān)測(cè)到每顆電芯的運(yùn)行狀態(tài)信息；電池采用磷酸鐵鋰電池，穩(wěn)定性較好，受熱不會(huì)產(chǎn)生氧氣，配合消防系統(tǒng)可消除危險(xiǎn)；通過(guò)了CSA/TUV認(rèn)證，在撞擊、針刺、短路、高溫等情況下不起火爆炸；電池超過(guò)60 ℃，系統(tǒng)停機(jī)，消除了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目從開(kāi)工建設(shè)到完成30天連續(xù)試運(yùn)，一共用了1年多的時(shí)間。

1.2 AGC性能指標(biāo)計(jì)算方法

2017年國(guó)家發(fā)改委聯(lián)合多部門(mén)發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出“允許儲(chǔ)能系統(tǒng)與機(jī)組聯(lián)合或作為獨(dú)立主體參與輔助服務(wù)交易”，這標(biāo)志著儲(chǔ)能參與電力調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的正式到來(lái)。隨后全國(guó)各省的電力市場(chǎng)新政中“儲(chǔ)能”一詞也屢見(jiàn)不鮮，這進(jìn)一步說(shuō)明了儲(chǔ)能在電力調(diào)頻輔助服務(wù)中重要地位。調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)精度是廣泛用于評(píng)價(jià)發(fā)電單元相應(yīng)AGC指令動(dòng)作情況的指標(biāo)。

綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k指發(fā)電單元響應(yīng)AGC控制指令的綜合性能表現(xiàn),計(jì)算公式如下：

k=0.25×(2×k1+k2+k3)

式中：k1為調(diào)節(jié)速率，k1≤5, 保證發(fā)電單元響應(yīng)AGC控制指令時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)節(jié)或超調(diào)的情況;k2為響應(yīng)時(shí)間；k3為調(diào)節(jié)精度。

不同時(shí)間周期內(nèi)發(fā)電單元綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k的算術(shù)平均值，即對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

圖1 升負(fù)荷時(shí)跟蹤電網(wǎng)AGC調(diào)頻響應(yīng)過(guò)程

圖2 降負(fù)荷時(shí)跟蹤電網(wǎng)AGC調(diào)頻響應(yīng)過(guò)程

通過(guò)對(duì)該電廠(chǎng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取和分析發(fā)現(xiàn)該電廠(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)未投入使用前機(jī)組k值平均在0.6左右，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)投入后k值平均為1.3左右，k值得到顯著提升(見(jiàn)表1)，經(jīng)濟(jì)收益上看，儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻平均每天收益1×105元，如全天24 h都中標(biāo)的情況下歷史最高收益將達(dá)到27×104元。

表1 儲(chǔ)能投入前后綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k值對(duì)比

某電廠(chǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目建成后，與機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，顯著提升電廠(chǎng)發(fā)電機(jī)組AGC調(diào)節(jié)性能，大幅度提高了k值，產(chǎn)生了可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為機(jī)組提供緊急保安電源，保證設(shè)備安全，儲(chǔ)能系統(tǒng)使電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)更加精確、快速，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電廠(chǎng)之間的共贏。

3 結(jié)束語(yǔ)

2019年9月國(guó)家能源局東北監(jiān)管局發(fā)布兩個(gè)細(xì)則文件《東北區(qū)域發(fā)電廠(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《東北區(qū)域發(fā)電廠(chǎng)并網(wǎng)輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》，對(duì)AGC機(jī)組的響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度都有了新的要求，雖然現(xiàn)有的輔助服務(wù)管理細(xì)則中只對(duì)AGC的可用時(shí)間和AGC服務(wù)貢獻(xiàn)電量進(jìn)行補(bǔ)償，未出臺(tái)如華北電網(wǎng)、廣東電網(wǎng)根據(jù)調(diào)頻性能指標(biāo)k值及調(diào)節(jié)深度等進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募?xì)則，但相信在不久的將來(lái)吉林省為構(gòu)建有效的調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)，激勵(lì)發(fā)電企業(yè)提供更優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻輔助服務(wù)，一定會(huì)出臺(tái)相應(yīng)的政策和細(xì)則。吉林省內(nèi)一些科研院所已經(jīng)開(kāi)展了一些電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的研究并參與了個(gè)別儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目的建設(shè)，通過(guò)這些系列研究和項(xiàng)目參與能充分了解調(diào)頻方面的突出優(yōu)勢(shì)、掌握目前國(guó)內(nèi)示范項(xiàng)目的真實(shí)應(yīng)用情況，進(jìn)一步推動(dòng)省內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助火力發(fā)電廠(chǎng)調(diào)頻的開(kāi)發(fā)研究，以期合理推動(dòng)全省儲(chǔ)能電源建設(shè)，促進(jìn)全省新能源健康穩(wěn)定發(fā)展，保障全省電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。