基于電網(wǎng)考核指標(biāo)的飛輪儲能輔助一次調(diào)頻容量配置方法

李軍，房方，李杰，丁浩天，史福慶

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206；3.華能山東發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)南 250014；4.華能聊城熱電有限公司，山東 聊城 252041）

0 引言

我國正在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，但在能源結(jié)構(gòu)及快速可調(diào)負(fù)荷占比這兩方面與西方國家仍有一定差距。隨著風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)容量的迅猛增長，提升電網(wǎng)綜合調(diào)頻能力的迫切性進(jìn)一步提升。風(fēng)電等新能源所固有的發(fā)電隨機(jī)性和波動(dòng)性，對傳統(tǒng)以火力發(fā)電為主的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和運(yùn)行調(diào)度提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這導(dǎo)致火電機(jī)組將肩負(fù)起更多更重的調(diào)頻任務(wù)［1］。

建設(shè)“儲能+火電”聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)是一種有效的提升調(diào)頻能力的方式。目前，儲能技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)電力行業(yè)的二次調(diào)頻又稱自動(dòng)發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）和調(diào)峰領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用，但采用的基本是化學(xué)類儲能，如磷酸鐵鋰電池，運(yùn)行中普遍受到充放電次數(shù)受限等問題的制約。文獻(xiàn)［2］對電容器、電池、超導(dǎo)磁3 種類型的儲能方式進(jìn)行了對比分析，并介紹3 種儲能設(shè)備參與電網(wǎng)調(diào)頻的運(yùn)行效果。文獻(xiàn)［3］根據(jù)系統(tǒng)頻率的均方根誤差來定量分析儲能電池參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的作用，研究表明，儲能電池能有效改善因系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)引起的頻率偏移。在儲能容量配置方面，文獻(xiàn)［4］提出一種考慮儲能電池經(jīng)濟(jì)性來優(yōu)化儲能電池容量配置的一次調(diào)頻方法，當(dāng)調(diào)頻中加入儲能時(shí)，隨著儲能電池分配比例的增大，調(diào)頻效果增強(qiáng)，但調(diào)頻的凈效益將會降低。

在國內(nèi)已啟動(dòng)的“火電+儲能”聯(lián)合調(diào)頻建設(shè)工程中（如山西京玉發(fā)電廠），鋰離子電池是最常用的儲能方式。但與AGC 調(diào)節(jié)周期和動(dòng)作幅值相比，一次調(diào)頻具有暫態(tài)頻發(fā)特性，所以選擇用于AGC 的磷酸鐵鋰等化學(xué)類電池參與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)，會大幅降低電池的使用壽命，因此，可以考慮選擇飛輪這種機(jī)械類儲能方式開展一次調(diào)頻的優(yōu)化調(diào)節(jié)。孫立本等人對飛輪儲能輔助發(fā)電控制方式進(jìn)行了研究，并結(jié)合電網(wǎng)頻變化開展了飛輪對功率波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)的建模仿真，證實(shí)飛輪有助于機(jī)組一次調(diào)頻［5］。

飛輪在能量充足的條件下，其充放電速度可達(dá)到毫秒級，遠(yuǎn)優(yōu)于火電機(jī)組的響應(yīng)速度，能有效解決火電機(jī)組的高延遲和大慣性問題。但由于儲能設(shè)備的價(jià)格與容量成正比，因此考慮根據(jù)機(jī)組實(shí)際的一次調(diào)頻積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行總?cè)萘康挠?jì)算選擇，以實(shí)現(xiàn)指標(biāo)和收益的最優(yōu)。

1 考核標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際動(dòng)作情況

1.1 現(xiàn)行一次調(diào)頻考核標(biāo)準(zhǔn)

按照GB/T 30370—2013《火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能驗(yàn)收導(dǎo)則》和Q/GDW 669—2011《火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)導(dǎo)則》等相關(guān)一次調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)組參與一次調(diào)頻的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于3 s；機(jī)組一次調(diào)頻的負(fù)荷響應(yīng)速度應(yīng)滿足：達(dá)到75%目標(biāo)負(fù)荷的時(shí)間不大于15 s，達(dá)到90%目標(biāo)負(fù)荷的時(shí)間不大于30 s；機(jī)組參與一次調(diào)頻的穩(wěn)定時(shí)間小于1 min［6-7］。結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)，一次調(diào)頻的在線監(jiān)測、性能評估、特性分析等方向均已開展了諸多研究［8］。

結(jié)合上述導(dǎo)則要求，山東電網(wǎng)執(zhí)行《關(guān)于修訂我省發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則的通知》（魯監(jiān)能市場［2018］57 號）和《關(guān)于調(diào)整發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻評價(jià)辦法的通知》（調(diào)技［2018］140 號）規(guī)定，分別計(jì)算15 s、30 s、45 s的一次調(diào)頻積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)q15、q30、q45，進(jìn)而得到機(jī)組納入考核的一次調(diào)頻積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)q。

式中：K15、K30、K45分別為機(jī)組15 s、30 s、45 s一次調(diào)頻積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)的權(quán)重，目前權(quán)重分別設(shè)為0.55、0.3、0.15。

式中：ΔQS15為機(jī)組0～15 s 一次調(diào)頻實(shí)際積分電量；ΔQE15為機(jī)組0～15 s 一次調(diào)頻理論積分電量。同理，記ΔQS30為機(jī)組0～30 s 一次調(diào)頻實(shí)際積分電量，ΔQS45為機(jī)組0～45 s 一次調(diào)頻實(shí)際積分電量，ΔQE30為機(jī)組0～30 s 一次調(diào)頻理論積分電量，ΔQE45為機(jī)組0～45 s一次調(diào)頻理論積分電量，計(jì)算求取q30和q45。

ΔQS為一次調(diào)頻實(shí)際積分電量，表示從頻率偏差超出死區(qū)開始，至計(jì)算時(shí)段結(jié)束，機(jī)組實(shí)際功率與動(dòng)作前功率相比，增加（或減少）的部分。高頻少發(fā)或低頻多發(fā)電量為正，高頻多發(fā)或低頻少功率為負(fù)。一次調(diào)頻應(yīng)動(dòng)作時(shí)段內(nèi)實(shí)際貢獻(xiàn)電量為正，則為正貢獻(xiàn)電量；反之，則為負(fù)貢獻(xiàn)電量。

式中：A0為一次調(diào)頻評價(jià)起始時(shí)刻，為發(fā)生一次調(diào)頻有效擾動(dòng)時(shí)頻率偏差越過一次調(diào)頻死區(qū)的時(shí)刻；B0為一次調(diào)頻評價(jià)結(jié)束時(shí)刻（即A0時(shí)刻后15 s、30 s 或45 s）；P（0t）為評價(jià)起始出力參量，取機(jī)組A0時(shí)刻前10 s 內(nèi)實(shí)際出力平均值；P（St）為機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)段內(nèi)，機(jī)組在t時(shí)刻的實(shí)際出力。

ΔQE為一次調(diào)頻理論積分電量，從頻率偏差超出規(guī)定的±0.033 Hz 的死區(qū)開始，至計(jì)算時(shí)段結(jié)束，機(jī)組一次調(diào)頻理論積分電量。

式中：ΔPE（t）為機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)段內(nèi)，t時(shí)刻機(jī)組理論功率對應(yīng)的變化量；PN為機(jī)組額定功率；Δf為一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)段內(nèi)，實(shí)際頻率與調(diào)頻死區(qū)的頻率偏差，調(diào)頻死區(qū)?。?0±0.033）Hz；fN為機(jī)組額定頻率（50 Hz）；δ為轉(zhuǎn)速不等率理論整定值。

機(jī)組的一次調(diào)頻積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)q各區(qū)域電網(wǎng)略有所不同，比如西北電網(wǎng)要求q不小于60%，山東電網(wǎng)要求q不小于70%。q為當(dāng)電網(wǎng)頻率偏離50 Hz且觸發(fā)電網(wǎng)考核規(guī)定的頻率考核值時(shí)，各不同時(shí)間段內(nèi)由理論功率曲線構(gòu)成陰影面積和實(shí)際功率曲線構(gòu)成陰影面積的比值的加權(quán)和如圖1所示。

圖1 一次調(diào)頻積分電量計(jì)算

1.2 機(jī)組實(shí)際動(dòng)作情況

由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一般按機(jī)組容量，將機(jī)組參與頻率補(bǔ)償?shù)墓β首兓壬舷抻枰员Ｗo(hù)限制，250 MW之下的機(jī)組限制幅度不小于10%PN，250 MW 至350 MW 之間的機(jī)組限制幅度不小于8%PN，500 MW之上的機(jī)組限制幅度不小于6%PN。結(jié)合機(jī)組A修后一次調(diào)頻涉網(wǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)及電網(wǎng)調(diào)度部門定期開展的一次調(diào)頻遠(yuǎn)程擾動(dòng)測試，分別選取典型的200 MW級、300 MW級以及600 MW級機(jī)組進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，提取一次調(diào)頻動(dòng)作期間0～45 s 時(shí)間內(nèi)機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷動(dòng)作情況，分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 某220 MW機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作曲線

圖3 某330 MW機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作曲線

采集的數(shù)據(jù)時(shí)間為1 月供熱季，機(jī)組存在不同的抽汽供熱情況，對其一次調(diào)頻能力略有影響。從圖2—圖4 可以看出，機(jī)組普遍存在前期動(dòng)作緩慢情況，根源在于機(jī)組執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身所固有的遲延和慣性。對一次調(diào)頻，電網(wǎng)最需要在頻率發(fā)生變化的前期，尤其是前15 s 能夠迅速提供功率支撐，之后可以依靠AGC 來將區(qū)域控制偏差消除，將頻率拉回至50 Hz。這一點(diǎn)從式（1）中各時(shí)間段的權(quán)重指數(shù)也可以明確感知，因此，提升機(jī)組一次調(diào)頻積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)最有效的方法就是提升前15 s的功率補(bǔ)償量。

圖4 某650 MW機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作曲線

2 飛輪儲能特點(diǎn)及容量選取

2.1 飛輪儲能特點(diǎn)

飛輪儲能是一種源于航天的先進(jìn)物理功率型儲能技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要由轉(zhuǎn)子、軸承、電機(jī)等構(gòu)成。處于儲能狀態(tài)時(shí)，電能通過儲能變流器驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；處于能量釋放狀態(tài)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

圖5 飛輪儲能裝置剖面

飛輪儲能的概念起源于20世紀(jì)70年代早期，最初的應(yīng)用場景是電動(dòng)汽車。經(jīng)過多年的發(fā)展，美國、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國家均已研發(fā)出保障飛輪儲能能夠現(xiàn)場應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。美國Beacon Power 公司作為大規(guī)模電網(wǎng)級儲能應(yīng)用的先驅(qū)者，其開發(fā)的飛輪智能能源矩陣（Smart Energy Matrix，SEM）已產(chǎn)出第四代產(chǎn)品，由10個(gè)100 kW 的飛輪單元構(gòu)建成一個(gè)飛輪陣列系統(tǒng)，每個(gè)SEM 系統(tǒng)的額定功率為1 MW，能夠保持額定功率運(yùn)行15 min，轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍為8 000～16 000 r/min，設(shè)計(jì)壽命為20 年。美國Active Power 公司出售的飛輪設(shè)備，轉(zhuǎn)速約7 700 r/min。德國Piller 公司的飛輪儲能裝置具備在15 s 內(nèi)提供1.65 MW電力的能力［9-10］。

不同于化學(xué)類電池技術(shù)，飛輪儲能系統(tǒng)對于功率指令的響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級的大功率充放電；運(yùn)行壽命長，機(jī)械設(shè)備不像化學(xué)儲能設(shè)備受重復(fù)深放電次數(shù)的制約，使用壽命一般超過15 年。這種特性完全適合于解決機(jī)組的短時(shí)、暫態(tài)、頻發(fā)的一次調(diào)頻。

2.2 容量選取原則

由于儲能系統(tǒng)的投資較大，所以需要合理配置儲能容量，以最小的投資來輔助機(jī)組實(shí)現(xiàn)調(diào)頻性能的提升。儲能的選取需要從能量貢獻(xiàn)、持續(xù)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、間隔時(shí)間等多種維度開展研究，以實(shí)現(xiàn)儲能與火電的動(dòng)態(tài)互補(bǔ)。解決思路是對機(jī)組的一次調(diào)頻需求進(jìn)行定量分析，以投資的經(jīng)濟(jì)性和整體功率補(bǔ)償效果為優(yōu)化目標(biāo)，尋求現(xiàn)有控制體系下飛輪儲能可調(diào)容量與火電機(jī)組可調(diào)容量的最優(yōu)配置與調(diào)控優(yōu)化［11］。

首先，從電網(wǎng)考核指標(biāo)數(shù)據(jù)中篩選不合格的數(shù)月（不少于6 個(gè)月）一次調(diào)頻性能指標(biāo)，包括每月的實(shí)際積分電量QiAactual、理論積分電量QiIdeal以及積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)q（ii代表參與計(jì)算的第i個(gè)月）。為了真實(shí)有效地反應(yīng)機(jī)組在不同工況下的一次調(diào)頻情況，采樣數(shù)據(jù)應(yīng)覆蓋不同月份，須重點(diǎn)關(guān)注迎峰度夏、冬季抽汽供熱這兩個(gè)時(shí)間段。

其次，根據(jù)選取的考核數(shù)據(jù)，計(jì)算達(dá)到規(guī)定的積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)所需額外增加的各月補(bǔ)償電量。假設(shè)，利用儲能補(bǔ)償后所期望的積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)為q′i。

式中：ηB為標(biāo)準(zhǔn)值，由各區(qū)域根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況分別制定，一般不低于60%；Ai為第i月需要額外補(bǔ)償?shù)碾娏俊?/p>

根據(jù)參與計(jì)算的n個(gè)月中各月需要額外增加的補(bǔ)償電量值A(chǔ)（ii=1，2，…，n）計(jì)算儲能所需提供的額外增加的補(bǔ)償電量的均值

基于電網(wǎng)對機(jī)組一次調(diào)頻的快速、暫態(tài)響應(yīng)需求，主要利用飛輪儲能毫秒級滿充滿放優(yōu)勢，可忽略其充放電速率和響應(yīng)時(shí)間，即只須考慮其最低的容量配置。各區(qū)域電網(wǎng)一次調(diào)頻考核計(jì)算基本上均取頻率超出死區(qū)后機(jī)組動(dòng)作的前60 s 數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在市場上的飛輪儲能裝置都能夠在100 s 以上的時(shí)間段內(nèi)保持滿容量的功率吸收或釋放，因此，可根據(jù)求取的額外增加的補(bǔ)償電量均值求取需增加的飛輪儲能裝置的最低容量QF。

3 案例分析

以某區(qū)域電網(wǎng)為例，結(jié)合機(jī)組的實(shí)際指標(biāo)，給出設(shè)計(jì)方案的實(shí)施示例。該電網(wǎng)規(guī)定一次調(diào)頻積分電量：電網(wǎng)頻率偏差值超過±0.033 Hz 時(shí)起到恢復(fù)至±0.033 Hz 以內(nèi)，機(jī)組實(shí)時(shí)功率與起始功率之差的積分電量，高頻少發(fā)或低頻多發(fā)電量為正值，反之，高頻多發(fā)或低頻少發(fā)電量為負(fù)值［10］。機(jī)組月度一次調(diào)頻積分電量為該月每一次電網(wǎng)頻率超出（50±0.033）Hz 時(shí)一次調(diào)頻電量的累加值，規(guī)定一次調(diào)頻積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)不低于60%。

目前，國內(nèi)各大電網(wǎng)基本均以300 MW 級汽包爐機(jī)組為主，因此，選取電網(wǎng)內(nèi)一臺300 MW 機(jī)組進(jìn)行典型分析。該機(jī)組因存在工業(yè)抽汽常年存在考核性能指標(biāo)不達(dá)標(biāo)問題，不能滿足電網(wǎng)規(guī)定的積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)不低于60%要求，故增加一套飛輪儲能補(bǔ)償裝置進(jìn)行輔助調(diào)頻，根據(jù)電網(wǎng)頻差實(shí)時(shí)補(bǔ)償機(jī)組一部分調(diào)頻功率缺口。

從電網(wǎng)考核指標(biāo)數(shù)據(jù)中篩選2019 年度12 個(gè)月的一次調(diào)頻性能指標(biāo)，QiAactual、QiIdeal、qi分別記錄，如表1所示。

表1 某300 MW機(jī)組年度一次調(diào)頻性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1 中的考核數(shù)據(jù)，計(jì)算達(dá)到規(guī)定的60%積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)所需額外增加的各月補(bǔ)償電量。

同理，分別計(jì)算求得其他月份所需額外增加的補(bǔ)償電量值，如表1中所示。

根據(jù)求得的各月Ai值，為提升飛輪利用效率，計(jì)算額外增加的補(bǔ)償電量值的均值

根據(jù)求得飛輪所需補(bǔ)償電量的平均值求取須增加飛輪儲能裝置的最低容量值。在機(jī)組飛輪儲能裝置容量的選取上，可按照均值計(jì)算求取。

由于儲能容量一般為整數(shù)配置，因此，確定此機(jī)組飛輪配置容量為700 kW。

4 結(jié)語

運(yùn)用選取能夠反應(yīng)機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)的多月電網(wǎng)考核指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算求得能夠有效補(bǔ)償機(jī)組調(diào)頻功率不足所需額外增加的飛輪儲能裝置的容量。

鑒于國內(nèi)新建大型機(jī)組基本上均為高參數(shù)、高效率的超超臨界二次再熱機(jī)組，普遍存在快速做功能力偏弱情況，造成機(jī)組一次調(diào)頻在電網(wǎng)性能測試中存在不達(dá)標(biāo)問題，如華能萊蕪、華電萊州等1000 MW 級機(jī)組在山東電網(wǎng)每月開展的一次調(diào)頻遠(yuǎn)程擾動(dòng)測試中頻繁出現(xiàn)指標(biāo)低于70%情況，提出的方案對解決該類型問題具有顯著意義，有效保障電網(wǎng)調(diào)頻能力。