壓縮空氣儲(chǔ)能雙向參與電網(wǎng)一次調(diào)頻研究

文賢馗,張鴻福,楊大慧,鐘晶亮,馮庭勇

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.國(guó)家電投集團(tuán)貴州金元股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；3.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage,CAES)被認(rèn)為是具有發(fā)展前景的大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)之一，具有儲(chǔ)能容量大、污染小、具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻是有差調(diào)頻，是控制系統(tǒng)頻率、維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定的一種重要方式[4]。目前，國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)一次調(diào)節(jié)的主要電源是火力發(fā)電和水力發(fā)電機(jī)組。新能源發(fā)電大規(guī)模接入電力系統(tǒng)后，其間歇性和波動(dòng)性影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量與頻率穩(wěn)定性，使得電網(wǎng)調(diào)頻問(wèn)題突出?，F(xiàn)有的調(diào)頻能力已跟不上調(diào)頻需求，不能較好地保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行[5-6]。大容量電力儲(chǔ)能系統(tǒng)具有頻率響應(yīng)快、可雙向調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，參與電網(wǎng)一次調(diào)頻可以有效緩解新能源大規(guī)模并網(wǎng)后帶來(lái)的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻問(wèn)題[7]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻已有較多的研究和應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助虛擬同步發(fā)電機(jī)參與一次調(diào)頻，研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的可行性、經(jīng)濟(jì)性與調(diào)頻能力。文獻(xiàn)[9]提出了超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的一種控制方法。文獻(xiàn)[10]結(jié)合仿真模型研究和實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn),基于Cohen-Coon法對(duì)抽水蓄能機(jī)組參與一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的參數(shù)提高了抽水蓄能機(jī)組一次調(diào)頻時(shí)的調(diào)節(jié)性能和系統(tǒng)響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[11]針對(duì)風(fēng)電接入電網(wǎng)后的慣性響應(yīng)和頻率響應(yīng)衰減，提出了一種超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。國(guó)內(nèi)關(guān)于大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的研究，主要在抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)方向，而關(guān)于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的研究較少。大多數(shù)的研究集中在儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)如何參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，而關(guān)于用電側(cè)的研究較少。

本文研究了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)和用電側(cè)雙向參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。在電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻原理的基礎(chǔ)上，提出了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在壓縮儲(chǔ)能階段參與響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻的方法，并在發(fā)電側(cè)和用電側(cè)分別構(gòu)建參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的功能模塊。同時(shí)，參考現(xiàn)有相關(guān)規(guī)程、要求，結(jié)合壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，設(shè)計(jì)了整套調(diào)節(jié)控制過(guò)程。

1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮儲(chǔ)能階段由壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)完成，膨脹發(fā)電階段由膨脹機(jī)和發(fā)電機(jī)完成。壓縮后的空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐內(nèi)。

在電網(wǎng)處于電量富裕狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)空氣壓縮用電儲(chǔ)能過(guò)程為：空氣進(jìn)入電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的多級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行多級(jí)壓縮，空氣壓力提升，存入儲(chǔ)氣罐備用。當(dāng)電網(wǎng)處于電量緊缺狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)空氣膨脹發(fā)電釋能過(guò)程為：壓縮空氣從儲(chǔ)氣罐進(jìn)入多級(jí)膨脹機(jī)；多級(jí)膨脹釋能帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，乏氣排入大氣。

電動(dòng)機(jī)功率為：

(1)

式中：Wm為電動(dòng)機(jī)功率；Wc為壓縮機(jī)總耗功功率；ηm為電動(dòng)機(jī)效率；ηc為壓縮機(jī)效率；n為壓縮機(jī)級(jí)數(shù)；Wci為第i級(jí)壓縮機(jī)耗功功率。

發(fā)電機(jī)功率為：

(2)

式中：Wg為發(fā)電機(jī)功率；Wt為膨脹機(jī)總做功功率；ηg為發(fā)電機(jī)效率；ηt為膨脹機(jī)效率；m為膨脹機(jī)級(jí)數(shù)；Wti為第i級(jí)膨脹機(jī)做功功率。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

2 雙向一次調(diào)頻原理

電力系統(tǒng)的基本特性是瞬時(shí)完成發(fā)電、輸電、配電和用電，必須保證發(fā)電和用電的實(shí)時(shí)平衡，否則會(huì)造成系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定。

電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的一次調(diào)頻是指在發(fā)電側(cè)，利用系統(tǒng)固有的負(fù)荷頻率特性，以及發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)作用，來(lái)阻止系統(tǒng)頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)方式。

發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻原理如圖2所示。

圖2 發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻原理圖

當(dāng)電力系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速即發(fā)生變化。如果轉(zhuǎn)速的變化超出規(guī)定的不靈敏區(qū)(即死區(qū))，調(diào)節(jié)系統(tǒng)就會(huì)動(dòng)作，按照調(diào)差系數(shù)調(diào)整發(fā)電機(jī)的功率。也就是說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加發(fā)電機(jī)的功率；當(dāng)系統(tǒng)頻率上升時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減少發(fā)電機(jī)的功率。調(diào)整功率在上、下兩個(gè)方向均有幅值限制。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)包含發(fā)電釋能和用電儲(chǔ)能兩個(gè)階段。在發(fā)電釋能階段，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。在用電儲(chǔ)能階段，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以借鑒發(fā)電釋能階段參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)的耗電功率，響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻。

當(dāng)電力系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，超出規(guī)定的死區(qū)設(shè)置后，按照調(diào)差系數(shù)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的功率。也就是說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，自動(dòng)減少電動(dòng)機(jī)的功率；當(dāng)系統(tǒng)頻率上升時(shí)，自動(dòng)增加電動(dòng)機(jī)的功率，并設(shè)置幅值限制。用電側(cè)一次調(diào)頻原理如圖3所示。

圖3 用電側(cè)一次調(diào)頻原理圖

3 發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻

3.1 功能模塊

根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建其一次調(diào)頻功能模塊，包括頻差模塊、死區(qū)模塊、調(diào)差模塊、修正模塊和限幅模塊。接收膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，計(jì)算后輸出信號(hào)，控制膨脹機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度以改變膨脹機(jī)輸出功率。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻系統(tǒng)圖

3.2 參數(shù)設(shè)置

一次調(diào)頻設(shè)置參數(shù)包括死區(qū)Δn、調(diào)差系數(shù)R和調(diào)節(jié)限幅L。

設(shè)置死區(qū)的目的是：當(dāng)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小時(shí)，可以過(guò)濾小擾動(dòng)信號(hào)，使機(jī)組不參與調(diào)節(jié)，保持功率穩(wěn)定運(yùn)行。GB/T 31464—2015《電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則》[12]規(guī)定：電液型汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的火電機(jī)組和燃機(jī)死區(qū)控制在±0.033 Hz內(nèi)；機(jī)械、液壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的火電機(jī)組和燃機(jī)死區(qū)控制在±0.10 Hz內(nèi)；水電機(jī)組死區(qū)控制在±0.05 Hz內(nèi)。根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)，建議死區(qū)范圍設(shè)置為±0.10 Hz以?xún)?nèi)。

調(diào)差系數(shù)R是電網(wǎng)頻率變化與機(jī)組功率變化的比值，在機(jī)組側(cè)一般用轉(zhuǎn)速不等率δ表示。其關(guān)系為：

(3)

帶基本負(fù)荷機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置得較大，而調(diào)頻機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置得較小。《電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則》對(duì)轉(zhuǎn)速不等率δ的規(guī)定：火電機(jī)組和燃機(jī)為4%～5%，水電機(jī)組不大于4%。壓縮空氣儲(chǔ)能啟動(dòng)迅速，建議設(shè)置為3～4%。

調(diào)節(jié)限幅L的作用是為了保證機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電釋能階段，儲(chǔ)氣罐壓力逐步降低，膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力逐漸增加，直至達(dá)到額定工況，并在之后保持壓力穩(wěn)定。在運(yùn)行中即使調(diào)節(jié)至功率為零的最小工況，儲(chǔ)氣罐壓力、膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力都不會(huì)有超壓的危險(xiǎn)。膨脹機(jī)運(yùn)行壓力對(duì)比如圖5所示。

圖5 膨脹機(jī)運(yùn)行壓力對(duì)比圖

膨脹發(fā)電機(jī)能夠全行程調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)時(shí)不會(huì)造成儲(chǔ)氣罐超壓。故調(diào)節(jié)上限幅值設(shè)置為機(jī)組最大允許運(yùn)行發(fā)電功率，不設(shè)置調(diào)節(jié)下限幅值。

4 用電側(cè)一次調(diào)頻

4.1 功能模塊

要在用電側(cè)響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻，必須選用能夠調(diào)節(jié)用電功率的壓縮機(jī)類(lèi)型。目前，電力系統(tǒng)中比較成熟的技術(shù)是采用直流變頻系統(tǒng)，并構(gòu)建相應(yīng)的調(diào)頻功能模塊。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)用電側(cè)一次調(diào)頻系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)用電側(cè)一次調(diào)頻系統(tǒng)圖

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)由直流變頻裝置控制。直流變頻裝置包括調(diào)頻功能模塊和變頻功能模塊。調(diào)頻功能模塊接入電網(wǎng)系統(tǒng)頻率信號(hào)f，輸出壓縮機(jī)功率調(diào)整量ΔPm至壓縮機(jī)變頻功能模塊。變頻功能模塊接入原功率控制指令Pm，輸出最終功率P′m至電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮機(jī)工作。

4.2 參數(shù)設(shè)置

功能模塊參數(shù)中死區(qū)Δf、調(diào)差系數(shù)R與發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻的參數(shù)設(shè)置相同。

調(diào)節(jié)限幅L中，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在壓縮環(huán)節(jié)能夠全范圍調(diào)節(jié)，沒(méi)有安全限制，因此不設(shè)置調(diào)節(jié)下限幅值，調(diào)節(jié)上限幅值設(shè)置為電動(dòng)機(jī)最大允許運(yùn)行功率Pmmax。

4.3 調(diào)頻過(guò)程

將電網(wǎng)頻率信號(hào)通過(guò)算式(4)轉(zhuǎn)換為頻差信號(hào)Δfm：

Δfm=f-f0

(4)

式中：f0為系統(tǒng)額定頻率；f為實(shí)際頻率。

經(jīng)過(guò)死區(qū)判斷后，通過(guò)式(5)，根據(jù)調(diào)差系數(shù)R來(lái)計(jì)算壓縮機(jī)功率調(diào)整量ΔPm。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在用電儲(chǔ)能階段參與電網(wǎng)一次調(diào)頻時(shí)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率在電網(wǎng)頻率下降時(shí)自動(dòng)減少，在電網(wǎng)頻率上升時(shí)自動(dòng)增加，與發(fā)電釋能階段的發(fā)電機(jī)功率變化相反。因此，電動(dòng)機(jī)功率調(diào)整量ΔPm與膨脹發(fā)電時(shí)發(fā)電功率調(diào)整量的數(shù)值相同，但是正負(fù)相反。

(5)

式中：Pm0為電動(dòng)機(jī)額定功率。

與發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻相同，對(duì)原輸入功率指令Pm進(jìn)行修正，得到修正功率Pm1。通過(guò)調(diào)整上、下限幅值限制功率，最終輸出控制功率P′m至電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)壓縮機(jī)工作。

5 雙向調(diào)節(jié)對(duì)比

對(duì)比壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電側(cè)和用電側(cè)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的功能：發(fā)電側(cè)和用電側(cè)功能模塊參數(shù)中死區(qū)設(shè)置相同，調(diào)差系數(shù)R的數(shù)值相同、調(diào)節(jié)方向相反。雙向一次調(diào)頻功能對(duì)比如表1所示。

由表1可以看出，發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的一次調(diào)頻功能模塊采集信號(hào)、動(dòng)作對(duì)象和動(dòng)作方向都是不同的。

6 結(jié)論

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的用電儲(chǔ)能和發(fā)電釋能階段分開(kāi)進(jìn)行，因此可以在發(fā)電側(cè)和用電側(cè)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。

①發(fā)電側(cè)采集膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)死區(qū)判斷后由調(diào)差系數(shù)計(jì)算其發(fā)電功率，經(jīng)限幅控制后輸出至膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，不設(shè)置調(diào)節(jié)下限幅值。

②用電側(cè)采用可調(diào)節(jié)用電功率的壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)采集電網(wǎng)頻率信號(hào)，經(jīng)死區(qū)判斷后由調(diào)差系數(shù)計(jì)算其用電功率，經(jīng)限幅控制后輸出至壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)，不設(shè)置調(diào)節(jié)下限幅值。

③發(fā)電側(cè)和用電側(cè)調(diào)差系數(shù)的數(shù)值相同，調(diào)節(jié)方向相反。