基于火電機(jī)組廠級(jí)AGC的儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)

華潤智慧能源有限公司 胡 斌 彭馭風(fēng) 季遇春 湖南華潤電力鯉魚江有限公司 謝學(xué)軍 蘭海濤

伴隨鋰離子電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的快速下降，越來越多規(guī)?；到y(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域。隨著電改的持續(xù)深入，電源側(cè)的盈利空間被進(jìn)一步壓縮，為電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)而獲得補(bǔ)償也將成為發(fā)電企業(yè)增加盈利的重要手段之一，電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的建立，大量?jī)?chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目相繼在全國各地陸續(xù)投產(chǎn)。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻輔助服務(wù)，可大幅提高AGC調(diào)頻性能，為發(fā)電企業(yè)帶來良好的調(diào)頻服務(wù)收益。同時(shí)對(duì)改善電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性、改善電網(wǎng)接納可再生能源的能力、構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)型智能電網(wǎng)都具有重要意義。

火電廠廠級(jí)AGC系統(tǒng)由于其低成本、高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，越來越得到電網(wǎng)、電廠的認(rèn)可和推廣應(yīng)用。廠級(jí)AGC系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直控機(jī)組的調(diào)度方式，在接受調(diào)度中心下達(dá)的全廠負(fù)荷指令后，系統(tǒng)根據(jù)每臺(tái)機(jī)組的煤耗率、鍋爐燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保排放指標(biāo)、響應(yīng)速率、調(diào)節(jié)范圍、輔機(jī)運(yùn)行方式等參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化組合和分配，可有效降低發(fā)電成本，促進(jìn)機(jī)組安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。目前投運(yùn)的火電儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目均采用儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助單臺(tái)機(jī)組響應(yīng)AGC指令的運(yùn)行方式。對(duì)于實(shí)施廠級(jí)AGC控制系統(tǒng)的電廠，儲(chǔ)能系統(tǒng)僅輔助單臺(tái)機(jī)組難以實(shí)現(xiàn)全廠調(diào)頻性能、收益的最優(yōu)。

1 背景

廣東電網(wǎng)位于負(fù)荷中心，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電源結(jié)構(gòu)中西電、水電、煤電、氣電、核電、新能源發(fā)電等多種電源并存，煤電電源占50%左右，水電、抽蓄等靈活調(diào)節(jié)電源占比10%左右。負(fù)荷峰谷差大、變化快速，AGC調(diào)頻電源需求量大，火電機(jī)組AGC調(diào)節(jié)能力相對(duì)較弱，優(yōu)質(zhì)調(diào)頻電源比較稀缺。2018年8月2日國家能源局南方監(jiān)管局下發(fā)了關(guān)于印發(fā)《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則（試行）》的通知，廣東調(diào)頻市場(chǎng)于2018年9月1日啟動(dòng)試運(yùn)行并正式開始結(jié)算。

湖南華潤電力鯉魚江有限公司地處湖南省資興市鯉魚江鎮(zhèn)，現(xiàn)運(yùn)營兩臺(tái)330MW燃煤機(jī)組，屬南網(wǎng)直調(diào)電廠，是廣東電網(wǎng)最北端的一個(gè)重要電源點(diǎn)。2017年11月獲得南方電網(wǎng)公司批準(zhǔn)成為廣東電網(wǎng)首批儲(chǔ)能調(diào)頻試點(diǎn)項(xiàng)目，根據(jù)調(diào)頻市場(chǎng)試運(yùn)行情況、機(jī)組容量及其AGC現(xiàn)狀，項(xiàng)目配置12MW/6MWh磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，與常規(guī)300MW機(jī)組儲(chǔ)能容量配置相比優(yōu)勢(shì)在于：基于仿真測(cè)算確定容量配比，投資回報(bào)率較高；運(yùn)行方式上更靈活，可根據(jù)需要選擇雙機(jī)或單機(jī)參與市場(chǎng)，在檢修或局部故障處理時(shí)影響較??；單機(jī)運(yùn)行期間，更大容量的儲(chǔ)能容量參與調(diào)節(jié)，可顯著提升調(diào)頻性能；雙機(jī)運(yùn)行時(shí)，保證調(diào)頻性能、滿足中標(biāo)率，可大幅增加調(diào)節(jié)里程。

項(xiàng)目于2019年9月23日順利通過30天連續(xù)試運(yùn)行，正式投入商業(yè)運(yùn)營。該項(xiàng)目總投資3750萬元，運(yùn)營期6年，是國內(nèi)首個(gè)由電廠自主投資建設(shè)運(yùn)維的儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目，也是儲(chǔ)能系統(tǒng)首次應(yīng)用于廠級(jí)AGC系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)方案

鯉魚江儲(chǔ)能項(xiàng)目12MW/6MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)共配置14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，主要包括6個(gè)儲(chǔ)能電池集裝箱、6個(gè)PCS集裝箱和2個(gè)高壓配電集裝箱。每個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池集裝箱內(nèi)置4個(gè)電池堆、1臺(tái)中控柜、1套消防系統(tǒng)。每個(gè)電池堆由3個(gè)電池簇、1臺(tái)工業(yè)空調(diào)、1臺(tái)DC匯流柜組成。每個(gè)PCS集裝箱內(nèi)部配置4臺(tái)500kW雙向變流器（PCS）、1個(gè)2200kVA雙分裂6kV變壓器、1臺(tái)6kV開關(guān)柜以及相關(guān)配電控制設(shè)備，采用風(fēng)道散熱。2個(gè)高壓配電集裝箱內(nèi)部共配置4條6kV母線、12面開關(guān)柜、1面直流屏、1面交流屏和1面通信屏。

圖1 鯉魚江電廠儲(chǔ)能系統(tǒng)接入拓?fù)?/p>

考慮廠級(jí)AGC的運(yùn)行方式，鯉魚江電廠儲(chǔ)能系統(tǒng)分四段接入#1、#2機(jī)組高廠變6kV母線，可根據(jù)需要手動(dòng)切換三種運(yùn)行方式（表1）。儲(chǔ)能系統(tǒng)配置分區(qū)保護(hù)，在保護(hù)區(qū)發(fā)生各種類型的故障保護(hù)應(yīng)能正確啟動(dòng)并可靠動(dòng)作；當(dāng)故障點(diǎn)不在保護(hù)區(qū)內(nèi)則保護(hù)應(yīng)可靠不動(dòng)作。相鄰保護(hù)區(qū)間應(yīng)存在重疊部分，保證所有的電氣設(shè)備都在保護(hù)范圍內(nèi)[1]。

表1 廠級(jí)AGC儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行工況開關(guān)操作表

3 EMS

EMS是儲(chǔ)能輔助調(diào)頻項(xiàng)目協(xié)調(diào)控制的核心，是保障項(xiàng)目高效、穩(wěn)定、安全可靠運(yùn)行和獲取最大經(jīng)濟(jì)利益的重要工具。鯉魚江儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目采用華潤智慧能源有限公司自主研發(fā)的EMS系統(tǒng)，其主控單元采用PLC方案，主備冗余配置。系統(tǒng)包含通訊卡件、IO卡件、算法軟件和監(jiān)控管理平臺(tái)，與電廠RTU系統(tǒng)、兩臺(tái)機(jī)組DCS系統(tǒng)和儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制。EMS主要功能如下。

圖2 鯉魚江電廠儲(chǔ)能EMS系統(tǒng)拓?fù)鋱D

數(shù)據(jù)采集與處理。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息采集，為系統(tǒng)其他功能模塊提供數(shù)據(jù)支撐，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、事件告警處理等功能，可實(shí)現(xiàn)60臺(tái)以上設(shè)備、數(shù)萬數(shù)據(jù)點(diǎn)的秒級(jí)采集和處理；廠級(jí)AGC運(yùn)行模式識(shí)別。采用一套控制設(shè)備監(jiān)控全部運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別廠級(jí)AGC系統(tǒng)的運(yùn)行工況，并自動(dòng)匹配相應(yīng)的控制策略。此功能為本項(xiàng)目獨(dú)有功能[2]。

圖3 鯉魚江電廠儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻功率曲線圖

AGC響應(yīng)與功率分配。根據(jù)調(diào)度計(jì)算細(xì)則和儲(chǔ)能電池特性定制AGC控制策略，在保證收益的前提下實(shí)現(xiàn)電池壽命損耗最小。算法基于廠級(jí)AGC指令、機(jī)組工況和儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算儲(chǔ)能出力，并根據(jù)儲(chǔ)能設(shè)備SOC自動(dòng)完成功率分配下達(dá)至儲(chǔ)能PCS，可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)功率輸出響應(yīng)。與機(jī)組功率相比，聯(lián)合出力對(duì)AGC指令的響應(yīng)更為快速且精準(zhǔn)，反應(yīng)出控制策略的精準(zhǔn)高效；人機(jī)交互。更方便、直觀和快速的操作方法，具有多窗口顯示、菜單驅(qū)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單、信息準(zhǔn)確等特點(diǎn)，畫面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新周期≤3秒，數(shù)據(jù)綜合誤差≤±2.0%。

4 收益模式

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻市場(chǎng)，利用儲(chǔ)能的快速充放電特性精準(zhǔn)響應(yīng)電網(wǎng)AGC指令，可大幅提高電廠調(diào)頻性能指標(biāo)K。由于調(diào)頻性能的提升，在提高中標(biāo)率的同時(shí)整體調(diào)頻里程也相應(yīng)提高。

廣東電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)補(bǔ)償費(fèi)用包括里程補(bǔ)償和容量補(bǔ)償，均采用按小時(shí)統(tǒng)計(jì)、按月結(jié)算的方式。其中容量補(bǔ)償費(fèi)用與機(jī)組額定功率相關(guān)，不計(jì)入儲(chǔ)能系統(tǒng)收益。調(diào)頻里程補(bǔ)償計(jì)算公式為：，其中n為每月廣東調(diào)頻市場(chǎng)總的交易小時(shí)數(shù)；Di為該發(fā)電單元在第i個(gè)小時(shí)提供的調(diào)頻里程，單位為兆瓦；Qi為第i個(gè)小時(shí)的里程結(jié)算價(jià)格，單位為元/兆瓦；Ki為發(fā)電單元在第i個(gè)小時(shí)的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)平均值。

圖4 鯉魚江電廠2019年調(diào)頻性能指標(biāo)曲線圖

截至2019年10月31日，鯉魚江儲(chǔ)能系統(tǒng)累計(jì)調(diào)頻1509小時(shí)，調(diào)頻里程共計(jì)320230MW，里程補(bǔ)償收益1100萬元，電池循環(huán)330次。廠級(jí)AGC運(yùn)行模式歷經(jīng)1#機(jī)組單機(jī)運(yùn)行、雙機(jī)運(yùn)行、2#機(jī)組單機(jī)運(yùn)行三種工況。

由性能指標(biāo)曲線可知：儲(chǔ)能系統(tǒng)投運(yùn)前單機(jī)運(yùn)行K值在1.0左右波動(dòng)，日調(diào)頻里程多數(shù)低于2000MW。受K值影響調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)率較低，存在多日全天未中標(biāo)情況；儲(chǔ)能系統(tǒng)投運(yùn)后單機(jī)運(yùn)行K值在2.5左右，日調(diào)頻里程在2000～6000MW范圍波動(dòng)。雙機(jī)運(yùn)行K值在1.8左右，日調(diào)頻里程在4000～9000MW范圍波動(dòng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)調(diào)頻性能K值的提升效果顯著，日調(diào)頻里程雖有波動(dòng)，但也有明顯提高。鯉魚江儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目商業(yè)模式全面創(chuàng)新，是南方電網(wǎng)首個(gè)由電廠自主投資建設(shè)運(yùn)維的儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目。項(xiàng)目獲取的全部里程補(bǔ)償收益均歸電廠所有，扣除成本費(fèi)用后，項(xiàng)目運(yùn)營期電廠獲取的利潤遠(yuǎn)高于第三方投資的商業(yè)模式[3]。

綜上，隨著火電儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目的推廣開展，儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助單臺(tái)機(jī)組響應(yīng)AGC指令的運(yùn)行方式已不能滿足實(shí)際項(xiàng)目的需求。對(duì)于實(shí)施廠級(jí)AGC控制系統(tǒng)的電廠，既能兼顧廠級(jí)AGC系統(tǒng)高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略提出了新的要求。