王興興，孫建橋，陳明

（中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京100070）

0 引言

隨著新能源發(fā)電裝機(jī)比例的日益增加，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組占比降低，電網(wǎng)可用的調(diào)頻資源減少，頻率特性逐漸呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)性困境，調(diào)頻容量不足的問題凸顯，尋求新型調(diào)頻手段輔助傳統(tǒng)火電機(jī)組提升電網(wǎng)整體調(diào)頻性能成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［1］。

儲(chǔ)能系統(tǒng)以靈活的布置、智能的充放電特性，已經(jīng)滲透到了電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用等各個(gè)環(huán)節(jié)［2］。電儲(chǔ)能由于其自身快速響應(yīng)、精確跟蹤與優(yōu)異的功率頻率特性，參與調(diào)頻效果明顯好于火電機(jī)組［3］，成為了新型調(diào)頻輔助的有效手段，在電網(wǎng)調(diào)頻領(lǐng)域備受業(yè)界關(guān)注。

目前，全球有近20個(gè)國家在建或投運(yùn)了共計(jì)164項(xiàng)兆瓦級(jí)儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目，涉及發(fā)電端、輸配環(huán)節(jié)和需求側(cè)。國內(nèi)外不同國家和地區(qū)依據(jù)各自能源結(jié)構(gòu)特性、市場需求及政策激勵(lì)機(jī)制等，積極開展與推動(dòng)儲(chǔ)能在調(diào)頻領(lǐng)域的示范應(yīng)用及研究。自2013年9月國內(nèi)第1個(gè)儲(chǔ)能調(diào)頻示范項(xiàng)目在京能熱電廠正式投運(yùn)［4］，國內(nèi)其他地區(qū)的儲(chǔ)能調(diào)頻應(yīng)用項(xiàng)目也逐漸增多起來。

隨著廣東地區(qū)調(diào)頻輔助服務(wù)政策的不斷出臺(tái)，以及儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)相關(guān)技術(shù)的逐步發(fā)展［5］，廣東地區(qū)儲(chǔ)能火電聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目呈爆發(fā)式增長。廣東境內(nèi)以火電廠居多，火電廠功率調(diào)節(jié)范圍大，但調(diào)節(jié)速率低，響應(yīng)時(shí)間長，調(diào)節(jié)精度并不太理想［6］。儲(chǔ)能火電聯(lián)合調(diào)頻技術(shù)是目前300～600 MW火電機(jī)組提高性能的主要措施［7］，其中發(fā)電機(jī)承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)中的慢速和大容量功率需求，儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)中的快速和小容量功率需求。

但目前，儲(chǔ)能火電聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)缺乏成熟的設(shè)計(jì)方案作為參考，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善，缺乏發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的控制保護(hù)等相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范［8］，這在一定程度上限制了儲(chǔ)能火電聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目的發(fā)展與市場推廣。

本文基于中國華電科工集團(tuán)有限公司在儲(chǔ)能調(diào)頻輔助服務(wù)方面的工程實(shí)踐，以國電肇慶熱電有限公司2×350 MW機(jī)組調(diào)頻輔助服務(wù)儲(chǔ)能項(xiàng)目為研究對(duì)象，從系統(tǒng)的容量選擇、站區(qū)規(guī)劃和總布置、電氣主接線設(shè)計(jì)、短路電流計(jì)算、系統(tǒng)繼電保護(hù)配置、控制和通信、消防系統(tǒng)等方面進(jìn)行分析，總結(jié)提煉出此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，為新建的儲(chǔ)能火電聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供重要參考依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 原有機(jī)組情況

國電肇慶熱電有限公司安裝2臺(tái)350 MW國產(chǎn)超臨界燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，電廠以220 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)。#1，#2機(jī)組于2014年6月20日轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行。

2臺(tái)350MW機(jī)組以發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線接入廠內(nèi)220 kV配電裝置。220 kV配電裝置采用雙母線接線。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一臺(tái)有載調(diào)壓分裂繞組D，以及d0，d0高壓廠用變壓器（以下簡稱高廠變），即#1，#2高廠變；低壓側(cè)通過6 kV共箱母線與主廠房6 kV配電裝置相連。低壓廠用電系統(tǒng)電壓采用380/220 V。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置

隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的提高，儲(chǔ)能系統(tǒng)投資增加，但聯(lián)合調(diào)頻效果的提升率卻逐漸降低，導(dǎo)致發(fā)電側(cè)調(diào)頻收益減少，故儲(chǔ)能系統(tǒng)容量并不是越大越好，目前國內(nèi)儲(chǔ)能調(diào)頻電站大多按照1.5%～3.0%的機(jī)組容量配置。

本項(xiàng)目接入電廠中，儲(chǔ)能系統(tǒng)視#1，#2機(jī)組實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行情況，選擇且僅能選擇其中一臺(tái)機(jī)組與之聯(lián)合響應(yīng)廣東電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）運(yùn)行模式，獲得AGC補(bǔ)償收益。故本項(xiàng)目儲(chǔ)能系統(tǒng)配置容量為10 MW/5.6 MW·h。

考慮機(jī)組調(diào)節(jié)死區(qū)因素，火電機(jī)組調(diào)節(jié)死區(qū)定義為機(jī)組額定容量1.0%，約3.5 MW，因此10 MW儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助火電機(jī)組AGC調(diào)節(jié)可以有效地快速越過機(jī)組調(diào)節(jié)死區(qū)。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 接入容量校核

儲(chǔ)能系統(tǒng)主功率回路（充放電回路）接入國電肇慶熱電有限公司內(nèi)現(xiàn)有#1，#2高廠變6 kV母線A段。接入容量校核的主要目的是核算機(jī)組原有高廠變?nèi)萘渴欠駶M足儲(chǔ)能系統(tǒng)功率交換的需要。

該電廠#1機(jī)組高廠變?nèi)萘繛?2 MV·A/27-27 MV·A，根據(jù)電廠實(shí)際測錄結(jié)果，#1機(jī)組以最大負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，接入儲(chǔ)能系統(tǒng)后：#1機(jī)組高廠變低壓側(cè)A段負(fù)荷容量為28 415.16 kV·A；#1機(jī)組高廠變低壓側(cè)B段負(fù)荷容量為10 381.91 kV·A。

#1機(jī)組最高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于高廠變低壓側(cè)A段過載，故需要將A段部分負(fù)荷轉(zhuǎn)至B段運(yùn)行，保證A段不過載。該運(yùn)行工況下，高廠變高壓側(cè)負(fù)載率為92.37%。

同理計(jì)算得#2機(jī)組高廠變高壓側(cè)負(fù)荷容量為33 791.11 kV·A，小于42 000.00 kV·A，均滿足變壓器運(yùn)行要求。

以上數(shù)據(jù)是儲(chǔ)能系統(tǒng)容量按照最大功率充電狀態(tài)計(jì)算得出的。實(shí)際運(yùn)行中，在儲(chǔ)能主控系統(tǒng)的調(diào)控下，儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷與高廠變負(fù)荷情況協(xié)調(diào)運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)高廠變過載的情況。

2.2 廠用電核算

10MW儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助用電主要包括冷卻、照明、控制用電等，功率約379.21 kW，功率因數(shù)取0.95。#1機(jī)組380 V母線工作B段，原有負(fù)荷1 695.5 kV·A，接入儲(chǔ)能輔助用電回路后#1機(jī)組380 V變壓器總負(fù)荷2 094.67 kV·A，小于2 500.00 kV·A，滿足接入要求。同理需核算#2機(jī)組380 V母線工作B段是否滿足接入條件。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)

本項(xiàng)目10 MW儲(chǔ)能系統(tǒng)由4個(gè)2.5 MW儲(chǔ)能單元組成。每組1.4 MW·h鋰電池儲(chǔ)能單元配置1套2.5 MW的儲(chǔ)能變流器，儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.4 總平面布置

根據(jù)電廠現(xiàn)場考察結(jié)果，確定系統(tǒng)的最優(yōu)位置，并充分考慮電纜走向及長度，最終布置如圖2所示，廠址用地面積為419 m2和261 m2。電池系統(tǒng)、PCS及配電設(shè)備均采用集裝箱封裝，集裝箱間需要留出維護(hù)通道、電氣隔離間隔等。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of energy storage system

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)總平面布置Fig.2 Overall layout of the energy storage system

2.5 電氣主接線設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)在#1，#2機(jī)組6 kV母線段內(nèi)各設(shè)1個(gè)單一接入點(diǎn)，并根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)配置接入容量新增接入開關(guān)柜體，柜內(nèi)需要有電能計(jì)量表計(jì)、保護(hù)裝置，系統(tǒng)電氣主接線如圖3所示。#1，#2機(jī)組6 kV母線段儲(chǔ)能系統(tǒng)接入點(diǎn)至儲(chǔ)能系統(tǒng)就地母線段間采用電纜連接。

若給#1機(jī)組提供調(diào)頻服務(wù)，當(dāng)系統(tǒng)充電時(shí)，依次合閘101開關(guān)，6 kV母線需設(shè)檢無壓裝置，當(dāng)確認(rèn)母線無電壓時(shí)，才可合閘102開關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)放電時(shí)，需依次閉合負(fù)荷側(cè)102開關(guān)、電源側(cè)101開關(guān)，由儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)跟蹤主網(wǎng)電壓與頻率，帶動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)無縫并入主網(wǎng)。若給#2機(jī)組提供調(diào)頻服務(wù)，閉鎖邏輯同上，保證了該儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

2.6 短路電流計(jì)算

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在放電模式下時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)相當(dāng)于在機(jī)組6.3 kV母線下新增的1個(gè)電源點(diǎn)，此時(shí)若儲(chǔ)能系統(tǒng)機(jī)端發(fā)生故障，會(huì)對(duì)機(jī)端的故障電流水平產(chǎn)生一定影響。

與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組不同，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用高頻逆變裝置并網(wǎng)，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)機(jī)端發(fā)生三相短路故障時(shí)，儲(chǔ)能變流器所能提供的最大短路電流不超過并網(wǎng)逆變裝置額定電流的1.5倍［9］。即在最壞情況下，完全不考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)逆變裝置與接入回路各級(jí)保護(hù)單元的作用，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后對(duì)機(jī)端短路電流的最大影響不超過

本項(xiàng)目中使用的儲(chǔ)能變流器的短路保護(hù)由直流熔斷器與交流斷路器實(shí)現(xiàn)［10］，交流側(cè)最大短路電流為2 kA。

由此可推算出儲(chǔ)能站出口短路電流約為1.375 kA，遠(yuǎn)低于6 kV母線段斷路器關(guān)斷容量，不影響段內(nèi)短路電流關(guān)斷能力，不需要對(duì)段內(nèi)斷路器進(jìn)行改造［11］。

圖3 電氣主接線Fig.3 Electrical main wiring

2.7 系統(tǒng)繼電保護(hù)配置

原電廠內(nèi)新增儲(chǔ)能裝置6 kV及380 V電源開關(guān)柜控制以硬接線接入廠內(nèi)現(xiàn)有的分散控制系統(tǒng)（DCS）中，實(shí)現(xiàn)6 kV及380 V饋線開關(guān)的合分閘控制、報(bào)警監(jiān)控和相關(guān)的電量監(jiān)視。

在儲(chǔ)能裝置就地新增的6 kV開關(guān)柜配置微機(jī)型線路綜合保護(hù)測控裝置，中壓變流箱出線柜內(nèi)設(shè)置變壓器保護(hù)及相關(guān)測控裝置及多功能電表。新增380 V開關(guān)柜采用斷路器作為保護(hù)裝置。本項(xiàng)目中系統(tǒng)保護(hù)裝置、測控裝置等應(yīng)具有對(duì)時(shí)功能，接入原電廠對(duì)時(shí)系統(tǒng)。

通過在6 kV開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置互鎖聯(lián)動(dòng)控制，即將另一回進(jìn)線柜內(nèi)的斷路器常閉接點(diǎn)串入該開關(guān)柜的合閘回路中，避免出現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)在雙回路配置下的運(yùn)行混亂問題［12］。

此外，依據(jù)規(guī)范要求，儲(chǔ)能站內(nèi)配置了故障錄波裝置、同步向量測量裝置及電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。

2.8 控制與通信系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)通信接入方案的設(shè)計(jì)原則是避免對(duì)機(jī)組DCS控制器穩(wěn)定性的影響，盡量減少對(duì)原有機(jī)組控制系統(tǒng)軟、硬件的變更，儲(chǔ)能系統(tǒng)在接入和退出情況下均不影響機(jī)組DCS對(duì)AGC指令的響應(yīng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后的通信控制示意圖如圖4所示，圖中EMS為能量管理系統(tǒng)，NCS為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)就地設(shè)備（含電池系統(tǒng)與PCS）通過Modbus TCP以太網(wǎng)通信協(xié)議將信號(hào)上傳至儲(chǔ)能主控系統(tǒng)，儲(chǔ)能主控系統(tǒng)與火電機(jī)組的DCS通過硬接線相連接［13］，火電機(jī)組的出力與儲(chǔ)能系統(tǒng)出力作為1個(gè)整體響應(yīng)電網(wǎng)的AGC指令［14］。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后的通信控制Fig.4 The control system after accessing the energy storage system

2.9 消防系統(tǒng)

由于本項(xiàng)目中儲(chǔ)能電池為磷酸鐵鋰電池組，熱失控時(shí)不會(huì)釋放爆炸性氣體，故電池集裝箱外不需要做防爆區(qū)設(shè)計(jì)。

電池集裝箱內(nèi)部集成了火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)和氣體滅火系統(tǒng)，火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)能夠探測到集裝箱內(nèi)的異常情況并自動(dòng)或手動(dòng)地啟動(dòng)氣體滅火。氣體滅火采用七氟丙烷滅火裝置，全淹沒方式滅火。另外，集裝箱安裝泄壓閥、爆破門，達(dá)到防爆目的。同時(shí)，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可與電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制、多級(jí)預(yù)警和防護(hù)保護(hù)［15］。

儲(chǔ)能站內(nèi)的火警系統(tǒng)能夠獨(dú)立于全廠火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)工作，并可通過干接點(diǎn)信號(hào)將報(bào)警信息接入全廠火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

本文從系統(tǒng)配置、電氣設(shè)計(jì)、控制及通信等幾個(gè)設(shè)計(jì)角度分析了在儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目中需注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為將來的儲(chǔ)能火電聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)也望借此推動(dòng)國內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化，提升儲(chǔ)能火電聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。