儲能聯(lián)合火電機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的工程應(yīng)用

毛慶漢

儲能聯(lián)合火電機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的工程應(yīng)用

毛慶漢

（廣州發(fā)展電力集團(tuán)有限公司，廣州 510623）

本文首先分析南方調(diào)頻輔助服務(wù)市場最新規(guī)則中調(diào)頻性能指標(biāo)的構(gòu)成，提高機(jī)組調(diào)頻性能可以顯著提升調(diào)頻收益。為提高機(jī)組調(diào)頻性能，提出一種燃煤機(jī)組儲能系統(tǒng)接入方案和控制策略，該方案在廣州中電荔新電力公司兩臺330MW機(jī)組實施，性能測試和運(yùn)行結(jié)果表明，該方案顯著提升了機(jī)組的調(diào)頻性能，有效降低了中壓抽汽亞臨界機(jī)組對聯(lián)合調(diào)頻的影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。雖然在現(xiàn)有政策下可以預(yù)見未來調(diào)頻儲能的收益將逐年下降，但隨著新能源大量接入，儲能調(diào)頻的需求將進(jìn)一步增大。在廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場的激勵下，儲能調(diào)頻依然具備回收成本乃至盈利的前景。

儲能系統(tǒng)；機(jī)組儲能聯(lián)合調(diào)頻；輔助服務(wù)市場；綜合調(diào)頻性能指標(biāo)

0 引言

近年來，廣東電網(wǎng)的規(guī)模、負(fù)荷結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，部分時段負(fù)荷波動速率較大，此外，風(fēng)能、太陽能等可再生能源電源比例日益增加[1-3]，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)，對優(yōu)質(zhì)調(diào)頻的需求日益提升。

煤電自動發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）機(jī)組成本較高、性能較差，而儲能系統(tǒng)采用電力電子裝置，控制環(huán)節(jié)較為簡單且具有快速的響應(yīng)能力，是優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源[4-5]。國內(nèi)外已有大量儲能調(diào)頻工程案例[6-8]，儲能系統(tǒng)快速精確的響應(yīng)特性給機(jī)組調(diào)頻性能帶來的提升效果非常明顯[9-10]。

本文提出儲能聯(lián)合火電機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的接入方案、控制策略及工程應(yīng)用。與現(xiàn)有同類工程相比，主要創(chuàng)新在于：該技術(shù)有效降低了中壓抽汽亞臨界機(jī)組對聯(lián)合調(diào)頻的影響，該智能型儲能AGC控制器首次在儲能聯(lián)合火電機(jī)組調(diào)頻場景中成功應(yīng)用。

1 火電機(jī)組儲能聯(lián)合系統(tǒng)的調(diào)頻性能指標(biāo)分析

1.1 綜合調(diào)頻性能指標(biāo)

2020年9月1日《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易規(guī)則》已經(jīng)正式印發(fā)[11]，廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場正式啟動運(yùn)行，這是我國首次真正意義上的輔助服務(wù)市場的實際運(yùn)營案例。根據(jù)《交易規(guī)則》，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)定義為

1.2 火電機(jī)組關(guān)鍵指標(biāo)分析

廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場的相關(guān)費(fèi)用分為補(bǔ)償、繳納、考核三種。補(bǔ)償費(fèi)用分為調(diào)頻里程補(bǔ)償和AGC容量補(bǔ)償。只有在廣東調(diào)頻市場中標(biāo)發(fā)電單元才可獲得相應(yīng)調(diào)頻里程補(bǔ)償費(fèi)用?，F(xiàn)貨電能量市場啟動后，調(diào)頻市場中標(biāo)發(fā)電單元按照現(xiàn)貨規(guī)則計算發(fā)電單元留出AGC調(diào)頻容量產(chǎn)生的機(jī)會成本，作為其調(diào)頻容量補(bǔ)償。

中標(biāo)發(fā)電單元在廣東調(diào)頻市場中提供調(diào)頻服務(wù)可以獲得相應(yīng)的調(diào)頻里程補(bǔ)償。

廣東調(diào)頻市場以發(fā)電單元的調(diào)頻里程為交易標(biāo)的。以歸一化后的發(fā)電單元綜合調(diào)頻性能指標(biāo)將各發(fā)電單元的調(diào)頻里程報價進(jìn)行調(diào)整，作為調(diào)頻里程排序價格。

式中：P為第個發(fā)電單元歸一化之后的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；k為第個發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；max為該臺發(fā)電機(jī)所屬調(diào)頻資源分布區(qū)內(nèi)所有發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)中的最大值。

調(diào)頻里程排序價格的計算公式為

綜上所述，提升綜合調(diào)頻性能指標(biāo)，可以使機(jī)組調(diào)頻里程排序價格更靠前，中標(biāo)的可能性更大。綜合調(diào)頻性能指標(biāo)越大，機(jī)組的調(diào)頻性能越好，中標(biāo)時段的調(diào)頻里程越大。綜合調(diào)頻性能指標(biāo)越大，調(diào)頻里程補(bǔ)償也越大。

2 儲能系統(tǒng)接入系統(tǒng)方案

儲能調(diào)頻系統(tǒng)主要由儲能電池、電氣一二次設(shè)備、儲能變流器、儲能控制系統(tǒng)，儲能能量管理系統(tǒng)（energy management system, EMS）、升壓變壓器和動力電纜、消防設(shè)施等構(gòu)成。儲能調(diào)頻系統(tǒng)如圖1所示。

調(diào)度AGC指令下發(fā)到發(fā)電機(jī)組，該AGC指令同時被儲能系統(tǒng)讀取，由于火電機(jī)組響應(yīng)速度較慢（分鐘級），儲能系統(tǒng)可以利用自身響應(yīng)速度快（秒級）的特性先短時間內(nèi)彌補(bǔ)機(jī)組出力與AGC指令間的偏差。待機(jī)組響應(yīng)逐漸跟上指令后，儲能系統(tǒng)可以降低出力，確保儲能系統(tǒng)和機(jī)組聯(lián)合出力與AGC指令一致，并做好響應(yīng)下一次AGC指令的準(zhǔn)備。儲能調(diào)頻AGC出力示意圖如圖2所示。

控制方面，機(jī)組原有控制方式不變，接收AGC指令和機(jī)組出力反饋信號，控制火電機(jī)組出力跟隨AGC指令。無論是否接入儲能系統(tǒng)，機(jī)組均獨立控制出力跟蹤AGC指令，不控制和管理儲能系統(tǒng)的出力。圖3為接入儲能系統(tǒng)后的控制示意圖。

3 儲能系統(tǒng)控制策略

中電荔新2×330MW中壓抽汽亞臨界機(jī)組，因主要熱用戶獨特的供熱需求采用全國獨一無二的中壓抽汽汽包結(jié)構(gòu)。

圖1 儲能調(diào)頻系統(tǒng)

圖2 儲能調(diào)頻AGC出力示意圖

圖3 接入儲能系統(tǒng)后的控制示意圖

機(jī)組的上述特性對聯(lián)合調(diào)頻帶來的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：①供熱量的變化直接影響電負(fù)荷。增加中壓供熱，機(jī)組必須減少電負(fù)荷，反之亦然。當(dāng)供汽量引起的電負(fù)荷變化方向與AGC調(diào)頻方向相反時，機(jī)組反方向調(diào)節(jié)，對機(jī)組儲能聯(lián)合調(diào)頻性能影響極大；②兩臺機(jī)組供汽量無法單獨控制，機(jī)組的汽壓和溫度波動較大，引起機(jī)組電負(fù)荷閉鎖。在這種情況下，火電機(jī)組儲能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)僅有儲能系統(tǒng)出力，AGC指令較小，儲能出力可以滿足AGC調(diào)頻要求，AGC指令較大，超出儲能調(diào)節(jié)范圍時，對綜合調(diào)頻性能影響較大。

針對機(jī)組的上述特點，采用“機(jī)組優(yōu)化+儲能控制邏輯優(yōu)化”技術(shù)方案，通過外掛先進(jìn)控制系統(tǒng)優(yōu)化機(jī)組的控制參數(shù)，提升機(jī)組的響應(yīng)性能；通過優(yōu)化儲能AGC控制器的控制邏輯，減少機(jī)組對聯(lián)合調(diào)頻的負(fù)面影響。

儲能系統(tǒng)調(diào)頻策略的主要特點如下：①基于調(diào)頻輔助服務(wù)綜合性能評價方法，設(shè)計儲能系統(tǒng)AGC控制指令的架構(gòu)，形成“三段式”儲能AGC調(diào)頻的總體響應(yīng)策略；②針對區(qū)域調(diào)頻特點及機(jī)組實時響應(yīng)情況，優(yōu)化機(jī)組和儲能的實時指令分配策略，有效提升聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)在單方向合并指令和大指令情況下的影響性能；③考慮電池系統(tǒng)延壽和穩(wěn)定儲能電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC），進(jìn)一步優(yōu)化儲能指令，減少儲能系統(tǒng)的吞吐電量，在保證調(diào)頻響應(yīng)效果的情況下降低儲能系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)，延長電池循環(huán)壽命；并在AGC調(diào)頻控制過程中引入智能補(bǔ)電策略，有效減少儲能系統(tǒng)SOC過高或過低的發(fā)生概率，提高儲能系統(tǒng)的調(diào)頻可用率。

4 燃煤電廠機(jī)組儲能聯(lián)合系統(tǒng)的應(yīng)用

該項目在中電荔新發(fā)電機(jī)組側(cè)安裝建設(shè)一套可切換電化學(xué)儲能調(diào)頻系統(tǒng)，容量為9MW/5MW?h，通過切換接入1、2號機(jī)組6kV廠用電母線工作段，并實現(xiàn)儲能系統(tǒng)響應(yīng)電網(wǎng)AGC運(yùn)行模式，滿足互鎖和切換功能。儲能系統(tǒng)電氣一次系統(tǒng)如圖4所示。儲能系統(tǒng)視1、2號機(jī)組實際并網(wǎng)運(yùn)行情況，選擇其中一臺機(jī)組并與之聯(lián)合響應(yīng)電網(wǎng)AGC帶基點正常調(diào)節(jié)子模式（base load regulated, BLR）。

圖4 儲能系統(tǒng)電氣一次系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)電氣一次回路用四路電力電纜分4.2MW/2.45MW?h和4.8MW/2.8MW?h以一拖二的方式分別接入電廠1、2號機(jī)組廠用6kV母線Ⅰa段、Ⅰb段、Ⅱa段、Ⅱb段，如圖4所示，即第1組4.2MW/2.45MW?h儲能設(shè)備分別通過斷路器同時接入6kV Ⅰa、Ⅱa段，兩個斷路器之間配有機(jī)械閉鎖，不能同時合閘；第2組4.8MW/2.8MW?h儲能設(shè)備分別通過斷路器同時接入6kV Ⅰb、Ⅱb段，兩個斷路器之間配有機(jī)械閉鎖，不能同時合閘；當(dāng)電廠AGC接收到電網(wǎng)AGC指令后，轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)組分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）和儲能EMS，儲能EMS根據(jù)AGC指令和實時的機(jī)組出力，控制儲能設(shè)備的充放電。儲能站只對單個機(jī)組進(jìn)行輔助調(diào)頻，在儲能側(cè)6kV出線中，當(dāng)Ⅰa、Ⅰb段儲能并網(wǎng)開關(guān)閉合時，Ⅱa、Ⅱb段儲能并網(wǎng)開關(guān)由于機(jī)械閉鎖，無法閉合。

5 性能測試

為驗證儲能電站的各相并網(wǎng)性能是否滿足GB/T 36547《電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求，對儲能調(diào)頻系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)性能測試。

5.1 80%功率平臺下機(jī)組與儲能聯(lián)合AGC試驗

2020年11月20日11:15:14，2號機(jī)組AGC指令由264MW變?yōu)?72MW，2min后變?yōu)?89MW，再過5min后，目標(biāo)值恢復(fù)至264MW。在此期間，每次AGC目標(biāo)變化，儲能均能正確響應(yīng)AGC指令；當(dāng)聯(lián)合出力到達(dá)AGC目標(biāo)值后，隨著機(jī)組功率向AGC目標(biāo)靠近，儲能出力逐漸減小，并實時保證機(jī)組與儲能聯(lián)合出力維持在AGC目標(biāo)附近。整個小指令響應(yīng)過程中，聯(lián)合調(diào)頻的響應(yīng)速度明顯優(yōu)于機(jī)組單獨出力。小指令變化期間，儲能最大放電出力達(dá)到9.012MW，最大充電功率到達(dá)-9.657MW。整個變負(fù)荷過程中，機(jī)組的主汽壓力最大偏差1.034MPa。相關(guān)性能指標(biāo)估算見表1～表3，試驗曲線如圖5所示。變負(fù)荷過程中，幅度較小的變負(fù)荷指令，由于儲能的快速出力，很快到達(dá)目標(biāo)值，其綜合調(diào)頻性能會有較大的提高。

圖5 80%功率平臺儲能與2號機(jī)組聯(lián)合AGC變負(fù)荷的試驗曲線

表1 2號機(jī)組264→272MW變負(fù)荷AGC響應(yīng)性能指標(biāo)

表2 2號機(jī)組272→289MW變負(fù)荷AGC響應(yīng)性能指標(biāo)

表3 2號機(jī)組289→264MW變負(fù)荷AGC響應(yīng)性能指標(biāo)

5.2 機(jī)組負(fù)荷反向延時時間測定

機(jī)組變負(fù)荷試驗期間，開展反向延時測試。2020年11月20日14:38:13開始進(jìn)行AGC實際負(fù)荷反向延時測試，實際負(fù)荷反向延時平均值為3.33s，滿足不大于120s的要求，小于機(jī)組單獨運(yùn)行的反向延時時間91s。

6 項目運(yùn)行收益情況

廣東調(diào)頻市場交易組織采用日前報價、日內(nèi)集中統(tǒng)一出清的模式。參與調(diào)頻輔助服務(wù)的機(jī)組在日前進(jìn)行發(fā)電單元里程報價。實際運(yùn)行日以小時為周期集中統(tǒng)一出清。從2021年1月投入運(yùn)行數(shù)據(jù)來看（見表4），中電荔新在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中產(chǎn)生的總調(diào)節(jié)里程約202.9GW，正式出清的結(jié)算均價在16元/MW左右，值實際運(yùn)行在0.79～1.44之間。項目最終獲得的收益由儲能廠家和電廠采取合同能源管理的模式進(jìn)行分成。

表4 2021年1月調(diào)頻日性能k值與調(diào)頻里程

在現(xiàn)有政策下，考慮系統(tǒng)維護(hù)和中標(biāo)概率，儲能年運(yùn)行天數(shù)按270天計算；同時，隨著火電機(jī)組儲能項目的增加，近幾年預(yù)計結(jié)算價格將逐年降低，調(diào)頻繳納費(fèi)用也會逐年降低?，F(xiàn)有政策下儲能系統(tǒng)逐年收益評估見表5。項目總投資約3 400萬元，預(yù)計第2年可回收成本。由此可見，機(jī)組儲能聯(lián)合系統(tǒng)具備回收成本乃至盈利的前景。此外，機(jī)組儲能聯(lián)合系統(tǒng)也為電網(wǎng)提供了大量優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻電源資源，對電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定、安全運(yùn)行具有重要作用。

表5 現(xiàn)有政策下儲能系統(tǒng)逐年收益評估

7 結(jié)論

本文分析了新政下的儲能調(diào)頻指標(biāo)，提出了一種機(jī)組儲能聯(lián)合系統(tǒng)接入設(shè)計方案和控制策略，通過在中電荔新電廠的應(yīng)用表明，該方案能夠大幅改善火電機(jī)組的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)，有效降低了中壓抽汽亞臨界機(jī)組對聯(lián)合調(diào)頻的影響，明顯地增強(qiáng)了其在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中的競爭力，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，該智能型儲能AGC控制器是首次在儲能聯(lián)合火電機(jī)組調(diào)頻場景中成功應(yīng)用，該項技術(shù)將繼續(xù)在其他集團(tuán)所屬電廠推廣使用。

目前，在廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場的有效激勵作用下，儲能調(diào)頻具備良好的收回成本乃至創(chuàng)造利潤的前景，雖然在現(xiàn)有政策下值會逐年下降，影響調(diào)頻收益，但未來隨著新能源的大量接入，儲能調(diào)頻的需求仍會進(jìn)一步增加，利潤前景良好。

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[11] 關(guān)于廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場啟動正式運(yùn)行的通知(廣電調(diào)控〔2020〕203號)[Z]. 廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心, 2020.

Engineering application of battery energy storage system coordinated with thermal power unit in regulating ancillary service market

MAO Qinghan

(Guangzhou Development Power Group Co., Ltd, Guangzhou 510623)

Fristly, the composition of the frequency modulation (FM) performance index in the latest rules of the frequency regulation auxiliary service market in southern China is analyzed in this paper. Improving the FM performance of the unit can significantly improve the FM revenue. In order to improving the FM performance of the unit, the access scheme and control strategy of the combination system are proposed. The battery energy storage system (BESS) project in Guangzhou Zhongdian Lixin Thermoelectric Company has verified the practicability of the proposed control strategy. After performance test and actual running, the project has good economic benefits. The influence of medium pressure extraction subcritical unit on combined frequency regulation is effectively reduced. Although it can be predicted that the revenue of FM energy storage will decrease year by year under the current policy, the demand for FM energy storage will further increase with the large number of new energy access. Finally, it is proposed that the BESS has the prospect of stable cost recovery and even profitability under the effective incentive of Guangdong regulating ancillary service market.

battery energy storage system (BESS); BESS coordinated with thermal power unit; ancillary service market; comprehensive frequency modulation (FM) performance index

2021-03-12

2021-04-13

毛慶漢（1974—），男，江西鷹潭人，本科，工程師，主要從事企業(yè)電氣技術(shù)管理、電力企業(yè)管理工作。