電池儲能與火電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周小兵 劉 潛 王 拓 嚴(yán)后楊

（1.華能國際電力股份有限公司江蘇清潔能源分公司，江蘇南京210000；2.南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇南京210000；3.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

作為智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)、高比例新能源接入以及能源互聯(lián)網(wǎng)接入的重要環(huán)節(jié)，儲能起著越來越大的作用。儲能技術(shù)的發(fā)展，對于提升以化石儲能為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來了極大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，未來電力系統(tǒng)一定是一個多能源融合組成、多系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的高靈活性系統(tǒng)。

在當(dāng)前的多數(shù)電網(wǎng)系統(tǒng)中，調(diào)頻的主要任務(wù)依然是由水電機(jī)組或火電機(jī)組承擔(dān)，由于其機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量的固有影響，調(diào)節(jié)速度很慢，響應(yīng)時間也很長，不利于高靈活性電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，特別是新能源的大規(guī)模接入，對電力系統(tǒng)調(diào)頻提出了更高的要求。

電池儲能系統(tǒng)在響應(yīng)速度和響應(yīng)時間上具有獨(dú)特的優(yōu)勢：主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）電化學(xué)反應(yīng)速度快，可在毫秒到秒范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的滿功率輸出；

（2）精確控制，可在全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)、可靠、穩(wěn)定調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)在不同時間尺度下對電網(wǎng)運(yùn)行的全力支撐。

因此，電池儲能能夠參與到電網(wǎng)調(diào)頻中，將加快調(diào)頻控制的速度，精確地滿足系統(tǒng)的需求，有效地抑制系統(tǒng)頻率的變化，避免或減少ACE聯(lián)絡(luò)線之間因調(diào)頻而引起的功率波動，極大地減少系統(tǒng)頻率對傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組的依賴，降低機(jī)組的疲勞磨損和故障率[1-2]。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 儲能變流器（PCS）多機(jī)并聯(lián)穩(wěn)定性及控制策略

PCS多機(jī)并聯(lián)會引起環(huán)流問題，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為：并網(wǎng)情況下，由于變壓器漏抗及線路阻抗等原因，多臺PCS與電網(wǎng)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)耦合構(gòu)成復(fù)雜的高階電路結(jié)構(gòu)，此時PCS的諧振特性會發(fā)生改變，在原有諧振尖峰的基礎(chǔ)上會另外在高、低頻處產(chǎn)生諧振尖峰，傳統(tǒng)控制策略難以進(jìn)行抑制，造成各臺PCS輸出電流諧波含量增加，嚴(yán)重情況下甚至?xí)斐蒔CC點(diǎn)電壓發(fā)生諧振，導(dǎo)致整個儲能系統(tǒng)停機(jī)。

1.2 火電、儲能聯(lián)合調(diào)頻控制策略

實(shí)現(xiàn)火電與儲能聯(lián)合調(diào)頻[3]的主要機(jī)理是：充分發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，利用儲能響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，優(yōu)先快速響應(yīng)AGC的調(diào)頻指令，待火電機(jī)組能夠獨(dú)立承擔(dān)AGC調(diào)頻指令時，儲能設(shè)備輸出為0，退出運(yùn)行。這樣可以充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)響應(yīng)速度快、持續(xù)時間短，火電機(jī)組響應(yīng)速度慢，但持續(xù)輸出能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)火電、儲能聯(lián)合系統(tǒng)的速度和精度調(diào)節(jié)，大大改善其AGC調(diào)頻性能。

儲能控制系統(tǒng)除了監(jiān)控火電機(jī)組、儲能系統(tǒng)的出力及運(yùn)行狀態(tài)外，還能接收AGC的指令，在儲能系統(tǒng)允許的工作范圍內(nèi)，計(jì)算出儲能應(yīng)該運(yùn)行的工作模式及調(diào)節(jié)度，實(shí)現(xiàn)有效組合運(yùn)行[4-5]。

1.3 火電機(jī)組AGC輔助服務(wù)補(bǔ)償計(jì)算方法

儲能作為良好的可控資源參與到電網(wǎng)輔助服務(wù)中，目前主要是參考華北區(qū)域兩個細(xì)則。在細(xì)則中對于AGC調(diào)頻的要求如下：由電力調(diào)度總站控制裝設(shè)的AGC裝置，其補(bǔ)償度需要在調(diào)節(jié)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)下，根據(jù)調(diào)節(jié)深度和調(diào)節(jié)性能的乘積進(jìn)行綜合計(jì)算。

（1）日調(diào)節(jié)總和：

式中：Di為第i次的調(diào)節(jié)量；n為調(diào)節(jié)次數(shù)。

（2）調(diào)節(jié)性能指標(biāo)Kpd：

Kpd定義為當(dāng)天的調(diào)節(jié)性能指標(biāo)，公式如下：

式中：K1、K2、K3分別為調(diào)節(jié)速率指標(biāo)、調(diào)節(jié)精度指標(biāo)、響應(yīng)時間指標(biāo)，三者的乘積作為Kp的綜合體現(xiàn)。

（3）AGC服務(wù)貢獻(xiàn)日補(bǔ)償費(fèi)用：

式中：YAGC定義為AGC調(diào)節(jié)性能補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

2 火電儲能聯(lián)調(diào)調(diào)頻

儲能系統(tǒng)的接入一般放在火電機(jī)組末端，做集中式配置，實(shí)現(xiàn)對火電機(jī)組的輔助AGC調(diào)節(jié)。首先，將火電機(jī)組和儲能作為一個整體，其輸出功率之和作為反饋信號，根據(jù)電網(wǎng)的AGC調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)輸出功率到電網(wǎng)調(diào)度側(cè)的控制。其次，測量火電機(jī)組和儲能系統(tǒng)各自的出力情況及儲能系統(tǒng)電池本體的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的AGC調(diào)度需求。

儲能接入火電機(jī)組的通信方案如圖1所示。

主要功能描述如下：

（1）測控和遠(yuǎn)動設(shè)備：測控裝置主要用于實(shí)現(xiàn)測量和控制，同步測量火電機(jī)組出力、儲能系統(tǒng)出力情況，將二者相加作為總的輸出，上傳到電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)；遠(yuǎn)動裝置主要用于接收電網(wǎng)調(diào)度AGC指令，并完成同步轉(zhuǎn)發(fā)，分別將調(diào)度參考值分配給火電機(jī)組DCS和儲能控制系統(tǒng)。

圖1 儲能接入火電機(jī)組的通信方案

（2）儲能控制系統(tǒng)：儲能控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，它一方面實(shí)時監(jiān)控儲能系統(tǒng)自身的狀態(tài)和火電機(jī)組的AGC狀態(tài)、實(shí)時出力等數(shù)據(jù)信息；另一方面，其內(nèi)置調(diào)度控制算法，在接收到電網(wǎng)的AGC調(diào)度指令后，根據(jù)火電機(jī)組和自身的儲能狀態(tài)進(jìn)行反饋，最終控制儲能系統(tǒng)按照其調(diào)度指令要求，完成對儲能的有效控制。

（3）火電機(jī)組DCS：火電機(jī)組DCS主要用于監(jiān)測火電機(jī)組出力信號，同時接收AGC的調(diào)度要求，控制火電機(jī)組跟隨AGC的調(diào)度指令完成其出力要求；增加與儲能控制系統(tǒng)的通信接口，主要是將自身的運(yùn)行狀態(tài)及機(jī)組出力信息發(fā)送給儲能系統(tǒng)。

3 結(jié)語

本文主要構(gòu)建火電機(jī)組和儲能系統(tǒng)的一體化系統(tǒng)，利用儲能技術(shù)的快速響應(yīng)特點(diǎn)作為火電機(jī)組的有力補(bǔ)充，最終提出電池儲能綜合利用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)除監(jiān)測火電機(jī)組和儲能系統(tǒng)自身的運(yùn)行狀態(tài)和出力外，能接收電網(wǎng)AGC的調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的靈活、有效控制。