基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)頻的研究與應(yīng)用

林慶 于金江

摘要：該文分析了電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)形勢(shì)及前景，介紹了某電廠的儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)的配置情況，結(jié)合電池儲(chǔ)能機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻的工程實(shí)踐，闡述了“燃機(jī)電廠聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻”的原理、控制策略，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，研究了儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)的調(diào)頻效果，對(duì)燃機(jī)電廠的儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)頻進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：燃機(jī)電廠;電池儲(chǔ)能;聯(lián)合調(diào)頻

引言

近年來我國(guó)清潔能源發(fā)展迅猛，電源結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，系統(tǒng)運(yùn)行管理的復(fù)雜性隨之大大增加，對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求。當(dāng)前，我國(guó)電力供應(yīng)能力總體富余，煤電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)呈逐步下降趨勢(shì)，局部地區(qū)棄風(fēng)、棄光、棄水、限核和系統(tǒng)調(diào)峰等問題突出電網(wǎng)峰谷差有不斷增大的趨勢(shì)。目前電網(wǎng)AGC 機(jī)組中大部分是火電機(jī)組，火電機(jī)組特別是燃煤機(jī)組并非優(yōu)質(zhì)調(diào)頻電源，調(diào)頻效果不佳，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻效果遠(yuǎn)好于任何常規(guī)發(fā)電技術(shù)，引入相對(duì)少量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，就能夠迅速有效地提高區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)頻效果。因此，如何應(yīng)用儲(chǔ)能來改善火力發(fā)電廠的調(diào)頻性能得到廣泛關(guān)注。

1 電網(wǎng)的調(diào)頻需求

根據(jù)廣東中調(diào)《南方（以廣東起步）調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)模擬運(yùn)行情況》，廣東負(fù)荷水平1 億kW，峰谷差大，約3500 萬kW，部分時(shí)段變化速率較大，達(dá)80萬kW/min，每個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)調(diào)頻容量在500MW-800MW 之間波動(dòng)，負(fù)荷波動(dòng)大，調(diào)頻需求量大。目前廣東電網(wǎng)AGC 機(jī)組共計(jì)166 臺(tái)，總調(diào)節(jié)容量33452MW，其中火電機(jī)組占比91.94%，而火電機(jī)組特別是燃煤機(jī)組并非優(yōu)質(zhì)調(diào)頻電源，優(yōu)質(zhì)調(diào)頻電源稀缺，不能滿足電網(wǎng)調(diào)節(jié)要求，特別是在夜間出現(xiàn)調(diào)頻供不應(yīng)求的狀況。廣東電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)以大型火電機(jī)組為主，火電機(jī)組長(zhǎng)期擔(dān)任繁重的調(diào)頻任務(wù)，在設(shè)備磨損、煤耗增加、運(yùn)行安全等方面面臨負(fù)面影響，不利于機(jī)組和電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，故電網(wǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)調(diào)頻電源有迫切需求。

2儲(chǔ)能系統(tǒng)配置情況

該儲(chǔ)能系統(tǒng)配置容量為22MW/20.49MWh，由26套預(yù)裝式集裝箱組成。

11個(gè)40尺電池集裝箱，包括7個(gè)2MW/2.47MWh的磷酸鐵鋰電池集裝箱，4個(gè)2MW/0.8MWh的鈦酸鋰電池集裝箱，電池集裝箱由多組鋰電芯組合的電池簇和電池模塊、BMS及消防系統(tǒng)、通風(fēng)制冷系統(tǒng)、直流匯流柜組成。

11個(gè)20尺中壓變流箱，每個(gè)中壓變流箱包括4臺(tái)500kW雙向變流器，一臺(tái)2MVA中壓變壓器，中壓變流箱由雙向變流器、升壓變壓器組成，為交直流電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2個(gè)40尺中壓匯流箱，每個(gè)中壓匯流箱包括2路電源進(jìn)線間隔、6個(gè)箱變開關(guān)接入間隔，中壓匯流箱由6kV開關(guān)柜及低壓輔助屏柜組成，向上向下連接中壓變流箱、機(jī)組廠用電6kV母線。

1個(gè)40尺集控箱和1個(gè)20尺柴油發(fā)電機(jī)集裝箱。前者為項(xiàng)目就地集中控制室，集控箱是整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心，由EMS能力管理系統(tǒng)組成，檢測(cè)電池儲(chǔ)能設(shè)備的狀態(tài)及電量信息，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率。本儲(chǔ)能系統(tǒng)還配置一套600kW柴油發(fā)電機(jī)集裝箱。

3儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)原理與控制

3.1系統(tǒng)原理

聯(lián)合調(diào)頻基本原理是：在傳統(tǒng)火電機(jī)組中，增加儲(chǔ)能設(shè)備，以火電機(jī)組作為響應(yīng)AGC 調(diào)頻指令的基礎(chǔ)單元，以儲(chǔ)能系統(tǒng)作為補(bǔ)充的快速響應(yīng)單元。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)輸出、入功率的能力，達(dá)到改善機(jī)組AGC調(diào)節(jié)速率和響應(yīng)時(shí)間，緩解機(jī)組設(shè)備磨損并降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的目的。

下圖為儲(chǔ)能系統(tǒng)控制示意圖，如圖1 所示。

調(diào)節(jié)信號(hào)的接入及調(diào)頻控制過程如下：電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)送AGC指令到電廠遠(yuǎn)動(dòng)裝置RTU，RTU轉(zhuǎn)發(fā)AGC指令至儲(chǔ)能EMS系統(tǒng)主控單元和電廠DCS，調(diào)頻機(jī)組跟蹤調(diào)度指令控制機(jī)組出力，儲(chǔ)能EMS系統(tǒng)根據(jù)AGC調(diào)度出力指令和調(diào)頻機(jī)組出力差值，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)出力，機(jī)組出力與儲(chǔ)能系統(tǒng)出力合并后的出力信號(hào)上傳電網(wǎng)，作為AGC考核依據(jù)，當(dāng)合并出力達(dá)到調(diào)度指令值時(shí)，既調(diào)頻程序完成。

3.2控制過程

1）計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)出力

當(dāng)機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)均運(yùn)行在正常狀態(tài)時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)AGC指令、機(jī)組實(shí)際出力，確定儲(chǔ)能系統(tǒng)出力需求。當(dāng)機(jī)組實(shí)際出力低于AGC指令要求時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)快速放電補(bǔ)充出力;當(dāng)機(jī)組實(shí)際出力高于AGC指令要求時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)快速充電降低出力。

2）儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)荷分配

儲(chǔ)能控制系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)出力需求，以及儲(chǔ)能單元狀態(tài)，確定儲(chǔ)能系統(tǒng)出力需求在儲(chǔ)能單元間的分配，并通過功率變換裝置（PCS）實(shí)際控制儲(chǔ)能單元的充放電功率。

通過儲(chǔ)能調(diào)頻與機(jī)組原協(xié)調(diào)控制策略的有效協(xié)同工作，可進(jìn)一步避免AGC小負(fù)荷調(diào)頻模式下的機(jī)組常規(guī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)擾動(dòng)。

4 運(yùn)行性能結(jié)果

4.1儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行情況

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行期間，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備及相關(guān)技術(shù)性能參數(shù)運(yùn)行情況如下：

1）機(jī)組的運(yùn)行方式為夜間進(jìn)相調(diào)壓、日間調(diào)峰時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)并未連續(xù)運(yùn)行，SOC范圍為25%-80%，保護(hù)策略及調(diào)頻策略均動(dòng)作正確，未出現(xiàn)因電池電壓達(dá)到限值限功率現(xiàn)象。

2）機(jī)組運(yùn)行方式為連續(xù)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組連續(xù)中標(biāo)參與調(diào)頻，SOC最高達(dá)到95%，系統(tǒng)可充電功率被限制，EMS修改主動(dòng)均衡策略，加大SOC均衡力度，由原設(shè)置的0.4MW提升至1.2MW，能解決SOC過高問題。

3）運(yùn)行期間鈦酸鋰電芯最高溫度35℃，磷酸鐵鋰電芯最高溫度26℃，未發(fā)生過溫保護(hù)動(dòng)作現(xiàn)象，未發(fā)生儲(chǔ)能功率振蕩或跳閘事件，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充電功率20MW，最大放電功率5MW。

從運(yùn)行結(jié)果看，機(jī)組在任何的運(yùn)行方式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)能滿足機(jī)組任意的調(diào)頻需求，同時(shí)保證自身設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2調(diào)頻性能改善情況

1）典型AGC指令跟蹤響應(yīng)情況，儲(chǔ)能輔助機(jī)組AGC調(diào)頻曲線，詳見圖2。

如圖2 所示，儲(chǔ)能裝置發(fā)揮了調(diào)節(jié)速率快，響應(yīng)快速的特點(diǎn)，進(jìn)一步提升了機(jī)組調(diào)整速度，很好地改善了AGC的跟蹤效果。AGC閉環(huán)運(yùn)行結(jié)果表明，2號(hào)機(jī)組與儲(chǔ)能裝置聯(lián)合調(diào)頻響應(yīng)電網(wǎng)AGC調(diào)度指令，系統(tǒng)性能指標(biāo)大幅度提升，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2）儲(chǔ)能系統(tǒng)投入前后#2機(jī)組的調(diào)頻性能指標(biāo)K值變化情況對(duì)比，見表1。

從表1可以看出，投入儲(chǔ)能系統(tǒng)參與機(jī)組調(diào)頻后，#2機(jī)組調(diào)節(jié)速率K1由2.62提升至3.9，響應(yīng)時(shí)間K2由0.89提升至0.94，調(diào)節(jié)精度K3由0.94下降至0.92，綜合調(diào)頻指標(biāo)Kp由1.77提升至2.41。儲(chǔ)能系統(tǒng)投入后，雖然調(diào)節(jié)精度K3略有下降，但調(diào)節(jié)速率K1、響應(yīng)時(shí)間K2值均大幅提高，最終儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)機(jī)組綜合調(diào)頻指標(biāo)KP值得到大幅度提高，有效的提高了火電機(jī)組聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻調(diào)節(jié)性能。

5 結(jié)束語

今后多年，我國(guó)將繼續(xù)大力發(fā)展清潔能源，電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將變的更加復(fù)雜，高比例清潔能源大規(guī)模并網(wǎng)，將給電網(wǎng)調(diào)頻帶來巨大的挑戰(zhàn)。實(shí)踐表明，儲(chǔ)能系統(tǒng)參與燃機(jī)機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻可以改善火電機(jī)組AGC 調(diào)節(jié)性能，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期、效果顯著。儲(chǔ)能系統(tǒng)參與燃機(jī)機(jī)組AGC輔助調(diào)頻，在提高燃機(jī)機(jī)組輔助服務(wù)水平、增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)頻能力、提高電廠的調(diào)頻收益具有較高的價(jià)值和重要意義，可以為燃機(jī)電廠以及電網(wǎng)的調(diào)頻控制策略提供參考。

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