王 偉，陳 鋼，常東鋒，兀鵬越，高 林，寇水超，王 倩

（1.西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.華能(蘇州工業(yè)園區(qū))發(fā)電有限責任公司，江蘇 太倉 215424）

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益匱乏和環(huán)境保護意識的逐步增強，清潔能源利用迅猛發(fā)展，清潔能源并網(wǎng)發(fā)電也快速增加。我國是目前全球新能源規(guī)模最大、發(fā)展最快的國家。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會數(shù)據(jù)，風電并網(wǎng)容量10 年增長100 倍，太陽能發(fā)電并網(wǎng)容量5 年增長100 倍。截至2019 年，風電、太陽能發(fā)電裝機容量達到4.15 億kW，占總裝機容量的20.63%?？稍偕茉窗l(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定產(chǎn)生巨大影響，常規(guī)煤電機組需承擔越來越多的調(diào)頻任務(wù)；同時，可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性對現(xiàn)有電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和靈活調(diào)度提出了要求：因此大量風能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來前所未有的挑戰(zhàn)[1]。發(fā)揮太陽能、風能發(fā)電與燃煤發(fā)電的優(yōu)勢互補，穩(wěn)定高效地輸出電能是解決現(xiàn)有能源緊缺、經(jīng)濟環(huán)保的重要舉措[2]。為解決可再生能源消納問題、提高電網(wǎng)運行可靠性，煤電機組必須成為重要的靈活性電源。

2009 年，國家電力監(jiān)管委員會印發(fā)了《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》和《發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理規(guī)定》（簡稱“兩個細則”），要求各地電監(jiān)局和省電監(jiān)體現(xiàn)按效果付費的精神。2017 年國家五部委印發(fā)了《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，進一步明確了儲能與機組聯(lián)合或者獨立參與輔助服務(wù)市場的重要性。在電源結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟杠桿的雙重驅(qū)動下，煤電的角色正逐步由電量型電源向電力調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)變，大幅提高煤電機組的調(diào)頻能力將是煤電企業(yè)生存和發(fā)展的必由之路。

本文針對目前大容量火電機組一次調(diào)頻技術(shù)手段進行分析，提出了一種電容輔助一次調(diào)頻的節(jié)能技術(shù)方案，并對該方案應(yīng)用于某超超臨界1 000 MW 機組進行了分析研究。

1 調(diào)頻技術(shù)手段及研究方法

目前國內(nèi)新建的（超）超臨界汽輪發(fā)電機組多采用全周進汽節(jié)流配汽方式。該型汽輪機主蒸汽調(diào)節(jié)閥（主調(diào)閥）全開運行經(jīng)濟性最好，但此時機組蓄能降低，調(diào)頻能力較差。國內(nèi)幾乎所有汽輪發(fā)電機組均通過主調(diào)閥保持一定的節(jié)流來滿足電網(wǎng)調(diào)頻需求，調(diào)頻經(jīng)濟代價高。主調(diào)閥節(jié)流對機組運行煤耗的影響平均在2.4 g/(kW·h)[3]左右，損失較大。因此，有必要探索一種經(jīng)濟高效的調(diào)頻技術(shù)手段。

目前最廣泛使用的一次調(diào)頻方案包括汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）側(cè)一次調(diào)頻、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）側(cè)一次調(diào)頻、凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)、儲能調(diào)頻技術(shù)[4]。陳波等[5]基于某超超臨界1 050 MW 機組高壓加熱器給水旁路的工程實施案例，獲得了該機組給水旁路的調(diào)頻特性和多種調(diào)頻方式下的調(diào)頻效果對比分析。包偉偉等[6]針對超超臨界1 000 MW機組一次調(diào)頻的技術(shù)經(jīng)濟性問題進行研究，認為調(diào)節(jié)閥預(yù)節(jié)流調(diào)頻的經(jīng)濟性最差，可調(diào)整回熱抽汽調(diào)頻次之，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的經(jīng)濟性最好。徐星等[7]通過分析超超臨界1 000 MW 二次再熱機組一次調(diào)頻的性能狀況，分析了主蒸汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻、凝結(jié)水調(diào)頻和給水調(diào)頻的可行性。王建華等[8]針對某超臨界660 MW 燃煤發(fā)電機組1 號高壓加熱器，建立三維有限元模型進行了模擬計算，結(jié)果表明，熱、機械、耦合應(yīng)力的波動幅度均隨著給水旁路程度的增大而增大。根據(jù)以上研究結(jié)果，匯總目前國內(nèi)外主流的調(diào)頻技術(shù)見表1。

表1 常用調(diào)頻技術(shù)比較Tab.1 Comparison of popular frequency modulation technologies

根據(jù)表1 可以看出，基于機組自身蓄熱能力調(diào)高機組調(diào)頻能力的技術(shù)手段較多，且各有優(yōu)缺點。儲能技術(shù)以其響應(yīng)速度快、跟蹤功率能力強等特點，成為輔助傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰的先進方式。

根據(jù)現(xiàn)有儲能技術(shù)特點，抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、蓄電池儲能、超級電容器儲能以及超導磁儲能等[9-13]均可作為輔助手段，協(xié)助火電機組調(diào)頻?？紤]到抽水蓄能、壓縮空氣儲能需特定地質(zhì)條件，在火電廠內(nèi)建設(shè)輔助調(diào)頻難以實現(xiàn)。對其他幾種儲能技術(shù)的參數(shù)進行對比，結(jié)果見表2。

從表2 可以看出，超級電容的循環(huán)次數(shù)和能量轉(zhuǎn)化效率高于鋰離子電池，但低于高速飛輪。

華君葉等[14]針對風光互補發(fā)電系統(tǒng)中的風能、太陽能發(fā)電特性，探討了風能、太陽能及蓄電池輸出電能的特點。牟春華等[15]針對火電機組與鋰電池儲能系統(tǒng)聯(lián)合自動發(fā)電控制（AGC）調(diào)頻技術(shù)的基本原理、典型方案、控制過程以及實際工程效果進行了分析研究。但業(yè)內(nèi)對鋰電池儲能的安全可 靠性，使用壽命，以及環(huán)保和回收的環(huán)境生態(tài)等 問題[16-18]缺少有效的解決方案。

表2 典型儲能技術(shù)參數(shù)比較Tab.2 Parameters comparison between typical energy storage systems

近年來，在補貼政策的鼓勵下，多個火電廠采用電池儲能系統(tǒng)聯(lián)合進行AGC 調(diào)頻，經(jīng)濟效益良好，但也發(fā)生多起安全事故。從2017 年8 月到2019 年10 月，韓國總共發(fā)生25 起儲能電站火災(zāi)[19]。2018 年國內(nèi)某地區(qū)電網(wǎng)側(cè)儲能電站也發(fā)生了起火事故[20]。鋰電池在2C/100%DOD 狀態(tài)下的理論壽命不超過5 000 次，考慮到機組調(diào)節(jié)的特性和頻次，必須選用足夠容量的電池以滿足淺充淺放延長壽命的要求，這增加了基礎(chǔ)投資。此外，對于頻繁動作的一次調(diào)頻而言，鋰電池的壽命遠不能滿足要求。故現(xiàn)有項目都是僅響應(yīng)AGC，不響應(yīng)一次調(diào)頻。

超級電容與常規(guī)蓄電池相比具有更高的充放電速率、更寬的溫度適應(yīng)范圍、更長的使用壽命、更大的功率密度[21-22]，且后期回收再利用對生態(tài)環(huán)境的影響相比電池小得多[16-18]。目前國內(nèi)已經(jīng)有針對電網(wǎng)供電系統(tǒng)存在用電負荷和電能供應(yīng)不平衡問題的研究，仿真結(jié)果顯示，可以實現(xiàn)超級電容放電釋能過程的控制[23]。這些研究表明，超級電容應(yīng)用于火電機組調(diào)頻具有較大優(yōu)勢。

超級電容的特點決定了其相對于鋰離子電池儲能更加適合輔助煤電機組較高頻次的一次調(diào)頻響應(yīng)。然而目前國內(nèi)針對超級電容輔助火電機組調(diào)頻技術(shù)的研究局限于控制理論，未見超級電容容量選擇、系統(tǒng)選型連接以及經(jīng)濟收益分析相關(guān)研究。

本文旨在提供一種超級電容輔助機組調(diào)頻方案。研究思路如下：1）從電網(wǎng)要求分析出發(fā)，以此作為調(diào)節(jié)目標，假設(shè)該值為P0；2）進行機組自身調(diào)頻（主調(diào)閥不參與調(diào)節(jié)）的需求分析，假設(shè)該值為P1，則以二者之間的差距ΔP=P0-P1作為儲能系統(tǒng)容量選擇的依據(jù)，該部分工作主要包括儲能系統(tǒng)的容量選擇和功率選擇，因此要分別計算出這2 個目標值；3）進行系統(tǒng)的連接、控制及運行方式分析；4）針對該儲能輔助系統(tǒng)的投資、節(jié)能收益和輔助服務(wù)收益進行分析，從而形成完整的技術(shù)方案，以期為同類型工程問題提供參考。

2 電容輔助調(diào)頻技術(shù)方案

本文所研究的超超臨界1 000 MW 機組汽輪機為上汽-西門子制造的N1000-26.25/600/600（TC4F）型。運行中通過2 個對稱布置的主調(diào)閥節(jié)流響應(yīng)一次調(diào)頻。部分負荷下，這2 個主調(diào)閥開度甚至關(guān)小到28%，節(jié)流損失較大，機組運行經(jīng)濟性較差[24]。

2.1 電網(wǎng)需求分析

根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)要求，機組應(yīng)能滿足一次調(diào)頻性能測試[25]，即每次一次調(diào)頻考核時，發(fā)出一個30 MW 的升負荷指令，機組根據(jù)該指令，通過開大主調(diào)閥方式進行負荷跟蹤響應(yīng)。電網(wǎng)考核機組在15、30、45 s 等3 個時刻的積分電量，分別需要達到標準響應(yīng)模式（即按30 MW 功率增加響應(yīng)）積分電量的40%、60%、70%。

按照該要求，計算機組在不同時間，負荷增加值從0 開始按照線性增長，15、30、45 s 等3 個時間的積分電量恰好等于機組以30 MW 升負荷指令的理想階躍在該3 個時間積分電量的40%、60%、70%，可以計算得到該3 個時間的機組負荷增量，最終得到理想的負荷響應(yīng)曲線，如圖1 所示。

從圖1 可以看出，其實不必要機組負荷一開始即升高至30 MW，只要滿足3 個考核點，即15、30、45 s 對應(yīng)的電量積分不低于圖1 中積分電量（陰影部分的面積）的要求即可。以下以此曲線為目標，進行機組一次調(diào)頻響應(yīng)分析研究。

2.2 機組需求分析

該1 000 MW 機組已經(jīng)完成基于汽水流程自蓄能的一次調(diào)頻優(yōu)化改造[26]。為了進一步挖掘節(jié)能潛力，在主調(diào)閥不參與調(diào)節(jié)的情況下進行一次調(diào)頻大擾動試驗（即給定機組一個30 MW 的升負荷指令），結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出，機組負荷響應(yīng)距離電網(wǎng)要求尚存在較大差距，必須通過其他手段來補充。

2.3 電容容量選擇

2.3.1 功率選擇

不同負荷下，機組實際響應(yīng)負荷與理想負荷之間偏差（即圖2 中各負荷下實際負荷響應(yīng)與理想曲線的偏差）的最大值見表3。根據(jù)表3 結(jié)果選擇偏差最大值，則需要的電容功率最小為22.41 MW。

表3 響應(yīng)負荷與理想負荷偏差Tab.3 The deviations between response load and ideal load

2.3.2 容量選擇

不同負荷下，固定主調(diào)閥開度進行一次調(diào)頻試驗，機組實際響應(yīng)負荷積分電量與理想值之間偏差（即圖2 中各負荷下負荷響應(yīng)曲線面積與理想曲線面積的偏差）見表4。

表4 響應(yīng)負荷積分電量與理想狀態(tài)偏差Tab.4 The accumulated quantity deviation between response load and ideal load

根據(jù)表3 結(jié)果選擇偏差最大值，則需要的電容容量最小為0.21 MW·h?？紤]到可能連續(xù)動作等實際情況，宜留取一定的裕量。

2.3.3 實際一次調(diào)頻需求分析

選擇機組典型日一次調(diào)頻指令數(shù)據(jù)得到正態(tài)分布曲線如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可知：一次調(diào)頻指令最大絕對值為+14.5 MW；指令介于?1~+1 MW 之間的次數(shù)大約占77%；一次調(diào)頻指令99.8%的頻次在?6.35~7.91 MW之間。超級電容功率配置應(yīng)在偶發(fā)的大擾動測試和頻發(fā)的小擾動中，結(jié)合經(jīng)濟性綜合考慮。

2.4 儲能系統(tǒng)選型

根據(jù)超級電容設(shè)備性能特點，可偶爾短時（1~2 min）安全實現(xiàn)50%超出額定功率充放電。根據(jù)2.3 節(jié)中的電容容量及功率選擇分析，并結(jié)合經(jīng)濟合理的原則，擬為該2 臺機組分別配置8 MW×2 min 超級電容器儲能系統(tǒng)，該配置實際中可滿足單機小頻次12 MW 瞬時功率的需求。

2.5 儲能系統(tǒng)與機組連接方式

本項目擬選用的集裝箱式超級電容器儲能系統(tǒng)分別通過2 臺機組的660 V/6 kV 升壓變壓器接入6 kV 廠用電系統(tǒng)。2 個8 MW×2 min 超級電容儲能系統(tǒng)可以聯(lián)合為1 臺機提供輔助調(diào)頻服務(wù)，或者分別參與2 臺機組調(diào)頻服務(wù)，達到電網(wǎng)下達考核指標，同時降低機組能量損耗。

2.6 儲能系統(tǒng)投資估算

根據(jù)當前市場價格，預(yù)計電容輔助調(diào)頻項目總投資約3 090.00 萬元，分項投資見表5。

表5 超級電容儲能系統(tǒng)投資Tab.5 The detail investment of super capacitor energy storage system

3 項目效益

3.1 節(jié)能收益

增加電儲能輔助調(diào)頻之后，主調(diào)閥可以大幅開大，甚至于基本無節(jié)流的狀態(tài)，汽輪機高壓缸運行效率將進一步提高。根據(jù)上汽-西門子超超臨界機組的試驗數(shù)據(jù)[27]核算，初步預(yù)計由于主調(diào)閥節(jié)流損失降低引起的煤耗降低1.0 g/(kW·h)左右，如果機組負荷率較低，則節(jié)能量更大。

通過調(diào)取運行數(shù)據(jù)，該2×1 000 MW 機組2018 年利用小時為4 846 h，標準煤單價為753 元/t。增加電容輔助調(diào)頻系統(tǒng)之后，預(yù)計2 臺機組年節(jié)約標準煤約9 692 t，年節(jié)煤收益約730 萬元，節(jié)能收益可觀。根據(jù)2.6 節(jié)投資分析，靜態(tài)投資回收期不到4.3 年，投資回收期較短。

3.2 輔助服務(wù)收益分析

在不考慮高壓調(diào)節(jié)閥參與一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，根據(jù)儲能系統(tǒng)配置，計算各負荷下超級電容輔助一次調(diào)頻的響應(yīng)參數(shù)，并與機組改造之前采用高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)節(jié)的指標進行對比，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可以看到，增加超級電容輔助調(diào)頻系統(tǒng)之后，機組的一次調(diào)頻指標大幅提升，不同負荷下增加幅度在10%~70%之間?？梢?，即使主調(diào)閥全開的節(jié)能運行狀態(tài)下，一次調(diào)頻指標仍遠高于電網(wǎng)要求，為運行控制留有充足的調(diào)配裕量。

隨著各地輔助服務(wù)政策的出臺，本項目還將在AGC 響應(yīng)方面帶來較為可觀的服務(wù)收益。

4 結(jié) 論

1）超級電容的容量選擇需要基于機組所屬電網(wǎng)的一次調(diào)頻要求、機組目前的調(diào)頻能力、機組日常的一次調(diào)頻需求3 個方面綜合考慮。

2）采用超級電容輔助機組調(diào)頻技術(shù)可以在顯著減小汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失、降低機組煤耗1.0 g/(kW·h)的基礎(chǔ)上，將機組的一次調(diào)頻響應(yīng)能力提升10%~70%。