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        新型快速儲能參與調(diào)頻的必要性及可行性

        2015-03-16 05:09:56陳遠(yuǎn)揚(yáng)黃際元李欣然吳佩穎
        湖南電力 2015年6期
        關(guān)鍵詞:聯(lián)絡(luò)線火電調(diào)頻

        陳遠(yuǎn)揚(yáng),黃際元,李欣然,吳佩穎

        (1.國網(wǎng)湖南省電力公司,湖南長沙410007;2.湖南大學(xué),湖南長沙410082;3.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,湖南長沙410004)

        新型快速儲能參與調(diào)頻的必要性及可行性

        陳遠(yuǎn)揚(yáng)1,黃際元2,李欣然2,吳佩穎3

        (1.國網(wǎng)湖南省電力公司,湖南長沙410007;2.湖南大學(xué),湖南長沙410082;3.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,湖南長沙410004)

        對新型快速儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻的必要性以及可行性展開研究。首先,通過分析區(qū)域電網(wǎng)及傳統(tǒng)電源的頻率特性、含傳統(tǒng)儲能—抽水蓄能的實(shí)際電網(wǎng)調(diào)頻性能,分析引入新型快速儲能的必要性;然后,通過分析新型快速儲能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、參與調(diào)頻的控制模式,說明其參與調(diào)頻的可行性;最后,依據(jù)長株潭電網(wǎng)算例,仿真驗(yàn)證其對區(qū)間聯(lián)絡(luò)線功率性能的改善效果。結(jié)果表明,引進(jìn)新型快速儲能可以優(yōu)化調(diào)度策略且提高網(wǎng)/省調(diào)的協(xié)調(diào)性。

        頻率;聯(lián)絡(luò)線;快速儲能;功率調(diào)整;長株潭

        國內(nèi)的能源中心和電力負(fù)荷中心距離跨度大,電力系統(tǒng)遵循著大電網(wǎng)、大電機(jī)的發(fā)展方向,按照集中輸配模式運(yùn)行。目前,電力系統(tǒng)調(diào)頻主要由一次調(diào)頻和二次調(diào)頻共同承擔(dān)。其中,一次調(diào)頻是由系統(tǒng)中的負(fù)荷和有旋轉(zhuǎn)備用容量的發(fā)電機(jī)組共同自發(fā)完成的有差調(diào)節(jié);二次調(diào)頻即為狹義的自動發(fā)電控制 (Automatic Generation Control,AGC),主要通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電網(wǎng)中調(diào)頻電源的有功出力,對頻率及聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行控制,解決區(qū)域電網(wǎng)的功率不平衡問題,以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)〔1〕。近十年來,隨著可再生能源發(fā)電的飛速發(fā)展和對電能質(zhì)量要求的不斷提高,調(diào)頻容量不足的問題日益突出,亟需新的調(diào)頻手段、具備快速調(diào)節(jié)特性的儲能來滿足電網(wǎng)的安全穩(wěn)定要求。

        儲能技術(shù)主要分為物理儲能 (如抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪等)、化學(xué)儲能 (如鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池和液流電池等)、電磁儲能 (如超級電容、超導(dǎo)磁等)以及相變儲能 (冰蓄冷)4種形式。抽水蓄能作為一種傳統(tǒng)儲能技術(shù),應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟,主要用于調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等,其釋放時(shí)間可以從幾個(gè)小時(shí)到幾天,能量轉(zhuǎn)換效率在70~85%之間。然而,它本身對地形環(huán)境的依賴使其應(yīng)用受到地域、工程投資和建設(shè)工期等因素制約。相對于傳統(tǒng)儲能方式,新型快速儲能技術(shù)主要指隨材料科學(xué)及生產(chǎn)制造工藝不斷成熟發(fā)展的化學(xué)儲能和電磁儲能,一般由儲能元件組成的儲能裝置和由電力電子器件組成的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等2部分組成,前者主要實(shí)現(xiàn)能量的儲存、釋放或快速功率交換,后者實(shí)現(xiàn)儲能裝置與電網(wǎng)之間的能量雙向傳遞與轉(zhuǎn)換。它具有容量范圍寬 (從幾十千瓦到幾百兆瓦容量不等)、放電時(shí)間跨度大 (從毫秒到小時(shí))、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn),可貫穿發(fā)電、輸電、配電和用電系統(tǒng)〔2〕。目前,國內(nèi)儲能技術(shù)的發(fā)展研究,以中國電科院張北風(fēng)光儲基地電池儲能電站、南方電網(wǎng)深圳寶清電池儲能電站、上海漕溪能源轉(zhuǎn)換綜合展示基地以及北京石景山熱電廠鋰電池儲能電網(wǎng)調(diào)頻系統(tǒng)等4處大容量儲能技術(shù)的示范工程為代表,尚屬起步階段。從上述示范工程來看,以電池儲能為代表的新型快速儲能技術(shù)已逐漸被業(yè)界認(rèn)識和重視起來〔3-4〕。

        1 新型快速儲能參與調(diào)頻的必要性

        1.1 區(qū)域電網(wǎng)及傳統(tǒng)電源的頻率特性

        傳統(tǒng)電源主要包括核電、火電以及水電機(jī)組等。其中,核電機(jī)組基本處于滿載運(yùn)行且不宜突然改變出力,從而可忽略其參與調(diào)頻的能力;而水電機(jī)組和火電機(jī)組均由具有旋轉(zhuǎn)慣性的機(jī)械器件組成,將一次能源轉(zhuǎn)換成電能將經(jīng)歷一系列過程,其參與電網(wǎng)調(diào)頻均具有一定的限制與不足:例如,火電機(jī)組響應(yīng)時(shí)滯長,不適合參與較短周期的調(diào)頻,參與二次調(diào)頻的火電機(jī)組受爬坡速率限制(Generation Rate Constraint,GRC),不能精確跟蹤調(diào)度調(diào)頻指令;水電機(jī)組的調(diào)頻容量易受地域與季節(jié)制約;另外,傳統(tǒng)電源在機(jī)組控制中要考慮對響應(yīng)功率幅值與極性改變速度的限制,甚至對同一方向的功率信號持續(xù)時(shí)間規(guī)定一個(gè)限值,在此時(shí)間段內(nèi)封鎖反向功率信號。以上限制均會導(dǎo)致調(diào)節(jié)的延遲、偏差及反向等現(xiàn)象,而對調(diào)頻信號的不準(zhǔn)確響應(yīng),使得電網(wǎng)調(diào)度需要更大更快的響應(yīng)功率儲備〔1〕。然而,國內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)中又以火電機(jī)組為主 (比重約 83.16%),水電機(jī)組 (比重約12.37%)為輔。因此在電網(wǎng)調(diào)頻中起主要作用的是調(diào)頻能力較弱的火電機(jī)組,導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)整體調(diào)頻能力更為有限。此外,火電機(jī)組若長期承擔(dān)繁重的調(diào)頻任務(wù)又會進(jìn)一步加劇機(jī)組設(shè)備磨損,不但顯著增加燃料使用、運(yùn)營成本、廢物排放和系統(tǒng)的熱備用容量等,也更加惡化了其參與調(diào)頻的質(zhì)量和靈活性〔5〕。

        如何進(jìn)一步提高區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)頻能力,并同時(shí)提高傳統(tǒng)電源的運(yùn)行效率,是電力輔助服務(wù)市場的重要課題。

        1.2 實(shí)際電網(wǎng)中傳統(tǒng)儲能的調(diào)頻性能分析

        黑麋峰抽水蓄能電廠位于長沙市望城區(qū)橋驛鎮(zhèn)境內(nèi),緊鄰湖南電網(wǎng)負(fù)荷中心長株潭地區(qū)〔6〕。電廠安裝4臺單機(jī)容量30萬kW的可逆式機(jī)組,總裝機(jī)容量120萬kW,并通過500 kV黑沙線接入500 kV沙坪變。自2009年6月投運(yùn)以來,一直擔(dān)負(fù)著削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等任務(wù),對優(yōu)化電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu),解決負(fù)荷季節(jié)性不均衡問題起到了積極意義。

        一般而言,停備、并網(wǎng)發(fā)電、并網(wǎng)抽水為抽水蓄能機(jī)組主要工況。為了調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷差,抽蓄機(jī)組一般在23∶00—9∶00(次日)區(qū)間內(nèi)抽水,在9∶00—22∶00區(qū)間內(nèi)發(fā)電。由于黑麋峰電廠單機(jī)達(dá)到300 MW,其并網(wǎng)發(fā)電時(shí)機(jī)組出力增加率較快,調(diào)節(jié)范圍為180~300 MW,而并網(wǎng)抽水機(jī)組只有-300 MW一個(gè)運(yùn)行值。因此1臺機(jī)組并網(wǎng)抽水時(shí)相當(dāng)于瞬間300 MW左右的負(fù)荷波動,并網(wǎng)發(fā)電也相當(dāng)于有180 MW左右的波動,對電網(wǎng)發(fā)供電平衡影響較大,造成省間聯(lián)絡(luò)線相應(yīng)波動,對省內(nèi)平衡聯(lián)絡(luò)線備用容量要求較高。以抽水為例,從下令啟停機(jī)組,到抽蓄機(jī)組抽水工況并網(wǎng)接帶負(fù)荷,需要為8~12 min不等,而這期間恰恰是下備用最為緊張的時(shí)刻,聯(lián)絡(luò)線有可能持續(xù)低于日前計(jì)劃,而瞬間接帶300 MW負(fù)荷,又極有可能使聯(lián)絡(luò)線瞬時(shí)高于計(jì)劃,這樣對每15 min進(jìn)行網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線控制偏差 (Area Control Error,ACE)絕對值調(diào)整控制,顯然是不利的。

        從調(diào)度下令啟停機(jī)組、接帶負(fù)荷、省間聯(lián)絡(luò)線功率沖擊等相應(yīng)關(guān)系的角度,統(tǒng)計(jì)分析了2014年7月1—16日的黑麋峰抽水蓄能電廠機(jī)組啟停次數(shù)、接帶負(fù)荷等相關(guān)數(shù)據(jù)。在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi),黑麋峰抽水蓄能電廠一共有效開、停機(jī)共162次,其中抽水工況并網(wǎng)共34次,發(fā)電工況并網(wǎng)48次。由啟、停機(jī)所引起網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線波動在200 MW及以上,達(dá)93次,占總啟停次數(shù)的57.4%。如圖1所示,啟停機(jī)組使聯(lián)絡(luò)線產(chǎn)生較大波動,①,②點(diǎn)黑麋峰開機(jī)抽水工況并網(wǎng)造成聯(lián)絡(luò)線瞬間超用計(jì)劃200 MW以上,而③,④,⑤點(diǎn)機(jī)組停機(jī),又造成聯(lián)絡(luò)線瞬時(shí)少用計(jì)劃超過100 MW。

        圖1 某日黑麋峰電廠實(shí)時(shí)出力及聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃、實(shí)際曲線

        抽水蓄能電廠機(jī)組啟停,對參與電網(wǎng)削峰填谷、調(diào)頻調(diào)峰具備積極的意義,但是對省間聯(lián)絡(luò)線功率波動也是不容忽視,需要制定有效的措施、經(jīng)驗(yàn)調(diào)度進(jìn)行預(yù)防控制。因此,引入更加快速、靈活的調(diào)頻技術(shù)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)儲能在調(diào)頻上的缺陷,是有必要的。

        2 新型快速儲能參與調(diào)頻的可行性

        2.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能

        技術(shù)性能方面,在額定功率范圍內(nèi),新型快速儲能的輸出外特性具有以下特點(diǎn):①響應(yīng)速度快。可在毫秒范圍內(nèi)滿功率輸出,響應(yīng)能力完全滿足調(diào)頻時(shí)間尺度內(nèi)的功率變換需求;②控制精確??稍谌魏喂β庶c(diǎn)保持穩(wěn)定輸出;③雙向調(diào)節(jié)能力。充電過程表現(xiàn)為負(fù)荷,放電過程表現(xiàn)為電源。因此,若采用新型快速儲能,幾乎能實(shí)現(xiàn)調(diào)頻跟蹤曲線與指令曲線重合,即調(diào)節(jié)反向、偏差和延遲等現(xiàn)象將不會出現(xiàn)。

        新型快速儲能參與調(diào)頻的優(yōu)勢在于:在受控狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)上調(diào)功率、下調(diào)功率或兩者的交替,從長期來看,上調(diào)和下調(diào)功率趨于平衡,從而需配置的容量較??;響應(yīng)功率儲備裕度小,其對充放電命令響應(yīng)快速準(zhǔn)確,可以減少功率儲備裕度;調(diào)頻過程中處于浮充電狀態(tài),相對于平抑電網(wǎng)峰谷負(fù)荷需要深度充放電來說,對其壽命影響較小,可理解為參與調(diào)頻的成本較低廉。

        基于火電機(jī)組在國內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)中所占的大比重,文獻(xiàn)〔7〕分析得到1 MW儲能提供的AGC調(diào)頻能力相當(dāng)于25 MW火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力,且隨著電網(wǎng)的調(diào)節(jié)需求越緊迫,儲能的優(yōu)勢越明顯的結(jié)論,此結(jié)論與國外研究機(jī)構(gòu)提出的結(jié)論相似〔8〕。

        經(jīng)濟(jì)性能方面,新型快速儲能的調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性能一般從投資成本、壽命期內(nèi)的運(yùn)行及維護(hù)成本、對系統(tǒng)總調(diào)頻成本影響進(jìn)行分析:

        1)投資成本方面,經(jīng)分析文獻(xiàn)〔3〕可知儲能年平均投資是火電機(jī)組的2.7~4.7倍,考慮到在實(shí)際調(diào)頻效果上兩者有近20倍的差異,并且儲能未來還有成本下降的空間,從長期的電源投資建設(shè)來看,配置少量的儲能具備一定的效益。

        2)運(yùn)行成本具有一定的優(yōu)勢。由于AGC上下調(diào)節(jié)的過程可以近似為能量平衡的過程,并且在此過程中都是在為系統(tǒng)提供調(diào)頻服務(wù),因此其運(yùn)行成本較低,主要是由運(yùn)行效率產(chǎn)生的能量消耗決定。

        3)儲能對系統(tǒng)總調(diào)頻成本的影響較難估測,但因其快速精確的跟蹤特性,可顯著減少系統(tǒng)所需旋轉(zhuǎn)備用容量,而節(jié)省的旋轉(zhuǎn)備用容量可用于電網(wǎng)調(diào)峰、事故備用等,能夠產(chǎn)生一定的間接效益。

        2.2 參與調(diào)頻的控制模式

        對于新型快速儲能,通過控制其變流器模擬傳統(tǒng)電源的下垂特性可實(shí)現(xiàn)參與一次調(diào)頻,而根據(jù)ACE信號控制其充放電可實(shí)現(xiàn)參與二次調(diào)頻〔9〕。由于電網(wǎng)的頻率是統(tǒng)一調(diào)節(jié)的,因此儲能的容量必須足夠大才能有效地響應(yīng)頻率變化,但較小的容量可對區(qū)間聯(lián)絡(luò)線功率水平的改善起到顯著的作用。

        綜上可知,與傳統(tǒng)電源相比,新型快速儲能的技術(shù)優(yōu)勢較明顯,經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)。因此,在合適的場景下,配置少量的新型快速儲能容量,能有效提升以火電機(jī)組為主的電網(wǎng)整體調(diào)頻能力,提高頻率及ACE控制的合格率,進(jìn)而保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

        3 仿真驗(yàn)證及分析

        3.1 長—株—潭三區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型

        長株潭城市群位于湖南中東部,包括長沙、株洲和湘潭三市,日平均供電負(fù)荷占湖南電網(wǎng)總負(fù)荷的35%,裝機(jī)容量占總裝機(jī)的25%,為典型負(fù)荷中心、受端電網(wǎng)。以冬小運(yùn)行方式對應(yīng)的開機(jī)方式為基礎(chǔ)構(gòu)建出長—株—潭三區(qū)8機(jī)的區(qū)域等效模型、區(qū)域示意和開機(jī)情況分別如圖2和表1所示。

        由表1可知,長沙的600 MW火電機(jī)組和株洲的300 MW火電機(jī)組均為滿發(fā)狀態(tài),僅湘潭的火電機(jī)組和株洲的小容量水電機(jī)組還有額外的調(diào)節(jié)容量。按照一次調(diào)頻占可調(diào)機(jī)組額定容量8%的原則,計(jì)算可得一次調(diào)頻容量為32.96 MW。同時(shí),依據(jù) 《華中電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定》,火電機(jī)組調(diào)差系數(shù)取0.05 p.u.,一次調(diào)頻容量取8%,GRC為0.001 7 p.u.MW/s;而水電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)取0.04 p.u.,且不受一次調(diào)頻容量和GRC限制。機(jī)組的其余參數(shù)可參考文獻(xiàn)〔1〕,并以額定頻率50 Hz和最大功率機(jī)組 (即長沙01的額定功率 (600 MW))為基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)幺化。

        圖2 長—株—潭三區(qū)域示意圖

        表1 長—株—潭區(qū)域電網(wǎng)機(jī)組情況MW

        3.2 仿真條件

        假設(shè)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)頻率偏差限值為0.002 p.u.Hz (0.1 Hz),聯(lián)絡(luò)線傳輸功率極限為0.1 p.u.MW。首先將前述三區(qū)域等效模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間方程〔10〕,然后接入張北風(fēng)光儲基地的1 MW/1 MWh磷酸鐵鋰電池儲能至長沙地區(qū),設(shè)置其SOC范圍為 (0.2,0.8),選用模型控制預(yù)測控制器(Model Predict Control,MPC)進(jìn)行控制,其中MPC控制器采樣周期為0.5 s,預(yù)測時(shí)具體如圖3、圖4及表2所示??刂谱兞恐校瑄1和u3分別為株洲和湘潭的傳統(tǒng)電源調(diào)頻出力;ue為電池儲能的調(diào)頻出力;ΔPL2為階躍負(fù)荷擾動。輸出變量中,Δf1、Δf2和Δf3分別為株洲、長沙和湘潭的頻率偏差;ΔPtie1、 ΔPtie2和 ΔPtie3分別為長沙與株洲、 長沙與湘潭、湘潭與株洲的聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差;ACE1和ACE3分別為株洲和湘潭的ACE信號。可以有效應(yīng)對常見的負(fù)荷擾動,且調(diào)節(jié)時(shí)間較短。對于典型的0.025 p.u.MW的負(fù)荷擾動,長株潭三區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)在60 s便完成頻率調(diào)整,且穩(wěn)態(tài)頻率偏差在電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定的死區(qū)范圍內(nèi)。

        圖3 控制變量圖

        圖4 輸出變量圖

        表2 電池儲能接入前后的MPC調(diào)頻效果對比

        3.3 結(jié)果分析

        當(dāng)在長沙接入電池儲能后,通過MPC控制器,在負(fù)荷擾動發(fā)生后迅速以額定功率進(jìn)行出力,有效地在短時(shí)間內(nèi)抑制頻率偏差以及聯(lián)絡(luò)線交換功率的偏移。相比不含儲能的工況,各區(qū)域的頻率超調(diào)量及波動程度明顯減小,長沙的聯(lián)絡(luò)線交換功率偏移也顯著減少,部分調(diào)頻責(zé)任向長沙轉(zhuǎn)移。此外,株洲及湘潭的機(jī)組出力及其調(diào)節(jié)時(shí)間也減小,有效地削弱了GRC給調(diào)頻性能所帶來的影響,減少了火電機(jī)組的磨損。仿真結(jié)果證明設(shè)計(jì)的MPC取得了較好的控制效果,接入電池儲能可顯著改善系統(tǒng)的區(qū)間聯(lián)絡(luò)線功率水平。

        4 結(jié)論

        1)新型快速儲能比傳統(tǒng)調(diào)頻電源高效,其能夠滿足電網(wǎng)對調(diào)頻資源的緊迫需求,通過對含抽水蓄能的湖南電網(wǎng)分析可知引入新型快速儲能很有必要。

        2)考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能及調(diào)頻控制模式,在合理場景下配置較小容量的儲能參與調(diào)頻,不僅能有效提升電網(wǎng)調(diào)頻能力、減少對傳統(tǒng)電源依賴,還能使調(diào)頻控制更迅速、精確地滿足調(diào)頻要求。

        3)依據(jù)長株潭電網(wǎng)冬小運(yùn)行方式構(gòu)建的區(qū)域等效模型,仿真表明較小的電池儲能容量即能有效改善區(qū)間聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)節(jié)的性能,顯著提高網(wǎng)/省調(diào)的協(xié)調(diào)性。

        〔1〕Prabha Kundur.電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制〔M〕.北京:中國電力出版社,2002,389-410.

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        〔10〕吳云亮,孫元章,徐箭,等.基于多變量廣義預(yù)測理論的互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷-頻率協(xié)調(diào)控制體系〔J〕.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(9):101-107.

        Necessity and feasibility of involving new fast energy storage systems in frequency regulation

        CHEN Yuanyang1,HUANG Jiyuan2,LI Xinran2,WU Peiying3
        (1.State Grid Hunan Electric Power Corporation,Changsha 410007,China;2.Hunan University,Changsha 410082,China;3.State Grid Hunan Electric Power Corporation Economic&Technology Institute,Changsha 410004,China)

        Necessity and feasibility of involving new fast energy storage systems in power grid frequency regulation are studied in this paper.Firstly,by analyzing the basic frequency characteristics of region grids and traditional generators and the frequency regulation performance of an actual grid containing traditional storage systems(pump storage plants),the necessity of involving new fast energy storage systems in frequency regulation is illustrated.Then,by analyzing the technical and economic performance of new fast energy storage systems and their control mode in frequency regulation,the feasibility of their involvement in frequency regulation is proved.Finally,based on Chang-Zhu-Tan(CZT)Grid Case,the improvement scale of tie-line power control performances is measured through simulations.The results show that involving new fast energy storage systems can optimize the dispatching strategy and improve the coordination between networks.

        frequency;tie-line;fast energy storage;power regulation;Chang-Zhu-Tan

        TM734

        A

        1008-0198(2015)06-0015-04

        10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.004

        陳遠(yuǎn)揚(yáng) (1987),男,碩士研究生,工程師,從事調(diào)度運(yùn)行工作。

        2015-05-04 改回日期:2015-07-07

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