武愛民 郝轟宇

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電準(zhǔn)大發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010399）

一、引言

據(jù)中國(guó)網(wǎng)3月30日消息，舉行的中國(guó)可再生能源發(fā)展有關(guān)情況發(fā)布會(huì)上，從2018 年到2020 年“棄風(fēng)棄光”逐年好轉(zhuǎn)，風(fēng)電光伏利用率大幅度上升，到2020 年風(fēng)電利用率已經(jīng)達(dá)到97%，光伏利用率達(dá)到98%。下一步，在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，要推動(dòng)新能源成為電力供應(yīng)主體，加強(qiáng)火電靈活性改造，要構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，多措并舉保障新能源高水平的消納利用。目前及未來(lái)火力發(fā)電由原來(lái)承擔(dān)電網(wǎng)主要負(fù)荷轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕{(diào)峰作用。隨著火電機(jī)組大面積供熱改造，供熱機(jī)組在電網(wǎng)中的比例越來(lái)越高，為了保證冬季供暖需求，供熱機(jī)組必須維持在一定的負(fù)荷運(yùn)行，這就更加大了電網(wǎng)調(diào)峰難度，威脅電網(wǎng)自身安全運(yùn)行。其他調(diào)峰機(jī)組為了適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求變化，需要頻繁升降負(fù)荷，長(zhǎng)時(shí)間在特殊工況下運(yùn)行，造成汽輪機(jī)調(diào)門頻繁擺動(dòng)，鍋爐及其他輔助設(shè)備長(zhǎng)期承受劇烈的溫度變化和交變應(yīng)力，嚴(yán)重?fù)p害設(shè)備使用壽命，不僅導(dǎo)致檢修頻率增加，維護(hù)成本上升，更可怕的是導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)增多，嚴(yán)重威脅機(jī)組、電網(wǎng)和運(yùn)行人員人身安全。

二、項(xiàng)目概況

內(nèi)蒙古能源發(fā)電準(zhǔn)大發(fā)電有限公司計(jì)劃在場(chǎng)內(nèi)給1#、2#機(jī)組建設(shè)基于鋰電池技術(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合火電機(jī)組開展電網(wǎng)AGC調(diào)頻業(yè)務(wù),項(xiàng)目?jī)?chǔ)能系統(tǒng)總體規(guī)模為9MW。該儲(chǔ)能系統(tǒng)顯著提升機(jī)組AGC 調(diào)節(jié)能力，為內(nèi)蒙電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)高效的AGC 調(diào)節(jié)服務(wù)，從AGC 輔助服務(wù)中避免罰款并獲得了補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)收益。

三、儲(chǔ)能系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能系統(tǒng)投運(yùn)后，電廠RTU 接收到調(diào)度指令直接向發(fā)電機(jī)組負(fù)荷發(fā)送AGC 指令或通過(guò)電廠SIS 系統(tǒng)直調(diào)電廠負(fù)荷間接調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，并增加發(fā)送給儲(chǔ)能系統(tǒng)主控制單元的AGC 指令信號(hào)。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后需要將機(jī)組出力與儲(chǔ)能系統(tǒng)出力進(jìn)行合并，并將合并后的出力信號(hào)上傳電網(wǎng)，作為輔助服務(wù)考核依據(jù)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)是一個(gè)由多個(gè)直流電池組集成的大容量電源系統(tǒng)，電網(wǎng)非調(diào)節(jié)工況時(shí)，由發(fā)電廠6kV 廠用電系統(tǒng)經(jīng)干式變壓器，由6kV 電壓降至0.4kV，經(jīng)整流裝置整流成直流對(duì)電池充電；電網(wǎng)調(diào)節(jié)工況時(shí)，直流電池組經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流50Hz 電源，經(jīng)干式變壓器注入發(fā)電廠6kV 廠用電系統(tǒng)。廠用電系統(tǒng)的用電設(shè)備由直流儲(chǔ)能裝置短時(shí)間供電，發(fā)電機(jī)原先為自身用電設(shè)備供電的容量可直接送入電網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火力燃煤電廠的快速調(diào)節(jié)。同時(shí)，火力燃煤機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)各自逐步調(diào)整并匹配出力，直到燃煤機(jī)組出力滿足調(diào)節(jié)要求，AGC 退出。

四、項(xiàng)目建設(shè)的可行性分析

（一）儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)完全能夠滿足電網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)和安全要求

儲(chǔ)能技術(shù)的特征適合于電網(wǎng)AGC 調(diào)頻

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）主要通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的調(diào)頻電源的有功出力，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率及聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行控制，解決秒或分鐘級(jí)短時(shí)間尺度的區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的具有隨機(jī)特性的有功不平衡問(wèn)題，其對(duì)AGC電源性能提出了調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)精度高、頻繁轉(zhuǎn)換功率調(diào)節(jié)方向等較高要求。

通常電網(wǎng)AGC 調(diào)頻功能主要由包括以水電、燃?xì)鈾C(jī)組以及火電機(jī)組的常規(guī)電源提供。由于這些電源均為具有旋轉(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)歷一系列復(fù)雜過(guò)程，特別是火電機(jī)組的AGC 調(diào)頻性能與電網(wǎng)的調(diào)節(jié)期望比較尚有差距，具體表現(xiàn)為調(diào)節(jié)的延遲、偏差（超調(diào)和欠調(diào)）等現(xiàn)象。圖中顯示一臺(tái)火電機(jī)組的實(shí)際跟蹤電網(wǎng)AGC 指令進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的過(guò)程。

圖4-1 火電機(jī)組跟蹤電網(wǎng)AGC 指令的響應(yīng)過(guò)程

對(duì)成熟的儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，在額定功率范圍內(nèi)，都可以在1 秒鐘內(nèi)、以99%以上的精度完成指定功率的輸出，其綜合響應(yīng)能力完全滿足在AGC 調(diào)頻時(shí)間尺度內(nèi)的功率變換需求。根據(jù)美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory,PNNL）的2008 年研究報(bào)告顯示，平均來(lái)看，儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻效果是水電機(jī)組的1.4 倍，是天然氣機(jī)組的2.3 倍，是燃煤機(jī)組的20 倍以上。10MW 的儲(chǔ)能系統(tǒng)從+10MW 到-10MW 只需要2 秒鐘，即對(duì)于一個(gè)20MW 的AGC 指令，如果采用儲(chǔ)能技術(shù)，可在2 秒內(nèi)完成。儲(chǔ)能的AGC跟蹤曲線幾乎與AGC 指令曲線重合，即調(diào)節(jié)反向、調(diào)節(jié)偏差以及調(diào)節(jié)延遲等問(wèn)題將不會(huì)出現(xiàn)。儲(chǔ)能的綜合AGC 調(diào)節(jié)性能要遠(yuǎn)好于火電機(jī)組。

（二）儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足機(jī)組系統(tǒng)保護(hù)要求

由于儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)為雙向功率器件，接入到機(jī)組廠用電后改變了廠用電負(fù)荷的大小和增大了故障時(shí)的短路電流，因此有必要針對(duì)儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)發(fā)變組原有繼電保護(hù)的影響進(jìn)行評(píng)估，對(duì)發(fā)變組、廠用電繼電保護(hù)和儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)的接口給予充分考慮。

1.儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)工作原理

本項(xiàng)目采用的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、儲(chǔ)能雙向變流器PCS 來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰電池和廠用電源之間的直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的能量雙向流動(dòng)。儲(chǔ)能PCS 根據(jù)AGC 指令將廠用交流電轉(zhuǎn)換為直流電充入鋰電池堆內(nèi)，儲(chǔ)能PCS 在接收到充電停止命令或達(dá)到鋰電池充電截止電壓時(shí)則充電過(guò)程結(jié)束。AGC 控制系統(tǒng)或后臺(tái)調(diào)度系統(tǒng)向儲(chǔ)能系統(tǒng)下達(dá)放電指令時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能雙向變流器PCS 切換為放電模式，儲(chǔ)能PCS 將電池堆內(nèi)直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電輸出至廠用電，儲(chǔ)能PCS 在接收到放電停止命令或達(dá)到鋰電池放電截止電壓時(shí)則放電過(guò)程結(jié)束。

2.儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)運(yùn)行工況

在本項(xiàng)目中，PCS 系統(tǒng)運(yùn)行工況不是四象限運(yùn)行，為有功功率的充電、放電兩象限運(yùn)行，功率因數(shù)近似為1，不參與無(wú)功/電壓調(diào)節(jié)。儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)在機(jī)組處于正常運(yùn)行時(shí)投入工作，不考慮機(jī)組廠用電源由起備變提供電源的工況。

3.儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)諧波輸出對(duì)繼電保護(hù)的影響

儲(chǔ)能輔助調(diào)頻采用雙向變流器PCS 來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰電池和廠用電源之間的能量轉(zhuǎn)換，雙向變流器PCS 采用電力電子變流器PWM，在運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生諧波。根據(jù)能源局發(fā)布的《電池儲(chǔ)能功率控制系統(tǒng)技術(shù)條件》（NB/T31016-2011）的規(guī)定，“功率控制系統(tǒng)滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電流諧波總畸變率限值為5%”。行業(yè)內(nèi)，主流廠家一般控制在3%以內(nèi)的總諧波畸變率。本項(xiàng)目采用的儲(chǔ)能變流器，對(duì)諧波控制通過(guò)引入重復(fù)控制，虛擬阻抗抑制諧振，以及雙邊SVPWM調(diào)制技術(shù)，使得變流器并網(wǎng)電能質(zhì)量?jī)?yōu)于NB/T31016 規(guī)定限值。

圖4-2 儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤電網(wǎng)AGC 調(diào)頻響應(yīng)過(guò)程

4.儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到電力系統(tǒng)的安全性和可靠性能要求

最近十年在全球范圍內(nèi)各種新型儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展，儲(chǔ)能系統(tǒng)在使用壽命、功率和容量的規(guī)?；?、運(yùn)行可靠性、投資成本等方面獲得了突破，具體包括：

系統(tǒng)規(guī)模大：模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)20MW 以上級(jí)別系統(tǒng)規(guī)模；響應(yīng)速度快：毫秒級(jí)時(shí)間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)額定功率范圍內(nèi)的有功無(wú)功的輸入和輸出；

能精確控制：能夠在可調(diào)范圍內(nèi)的任何功率點(diǎn)保持穩(wěn)定輸出；

雙向調(diào)節(jié)能力：充電為用電負(fù)荷，放電為發(fā)電電源，額定功率雙倍的調(diào)節(jié)能力；

系統(tǒng)壽命長(zhǎng)：管理良好的儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命可以達(dá)到百萬(wàn)次以上。

最近幾年來(lái)，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)論證和項(xiàng)目運(yùn)行測(cè)試后，美國(guó)各電力市場(chǎng)已經(jīng)開始大量采用各種新興的儲(chǔ)能系統(tǒng)開展電網(wǎng)AGC 調(diào)頻服務(wù)。截至2013年年底，美國(guó)各地應(yīng)用于電網(wǎng)AGC 調(diào)頻的儲(chǔ)能系統(tǒng)總計(jì)達(dá)到100MW 的規(guī)模，儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)的規(guī)?；逃谩Ｏ到y(tǒng)普遍達(dá)到了97%以上的可用率，并且實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)安全性和可靠性方面已經(jīng)具備參與電力正常生產(chǎn)的條件。目前國(guó)內(nèi)建成投運(yùn)的同達(dá)熱電廠調(diào)頻電站經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行已經(jīng)完全印證了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性。

五、儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)施

儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案應(yīng)確保儲(chǔ)能系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期互聯(lián)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性和安全性，同時(shí)，設(shè)計(jì)方案還應(yīng)充分考慮工程示范點(diǎn)的實(shí)際情況,遵循示范點(diǎn)對(duì)工程實(shí)施可行性、運(yùn)行維護(hù)方便性等環(huán)節(jié)的限制性要求。

按照準(zhǔn)大發(fā)電ACE 調(diào)頻的特性看，80%的調(diào)頻指令在3%倍的機(jī)組全容量左右，即300MW*3%=9MW 附近，考慮目前發(fā)電機(jī)組本身的調(diào)節(jié)能力，配置儲(chǔ)能系統(tǒng)功率為9MW 可一定程度的避免機(jī)組頻繁折返運(yùn)行，最大程度的減少機(jī)組的磨損。

蒙西電網(wǎng)的ACE 調(diào)頻指令發(fā)送周期大部分以3 分鐘為限，為了保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)電池的容量能夠在滿功率的情況下支持3 個(gè)周期，即10 分鐘的滿功率輸出容量，兼顧電池在淺充淺放的要求和長(zhǎng)期充放電對(duì)壽命衰減的綜合考慮，本項(xiàng)目采用方案9MW/4.5MWhde磷酸鐵鋰系統(tǒng)電池，考慮到目前電廠廠用變6kV 母線年平均負(fù)荷為18MW 左右，所以9MW儲(chǔ)能接入后就近為負(fù)荷所消耗，不需要考慮儲(chǔ)能倒送功率對(duì)廠用變6kV 側(cè)斷路器整定值的影響,儲(chǔ)能接入系統(tǒng)方式如下圖所示：

圖5-1 儲(chǔ)能單元接入系統(tǒng)方式拓?fù)?/p>

儲(chǔ)能系統(tǒng)單元的每個(gè)單元由1個(gè)儲(chǔ)能電池集裝箱和1個(gè)配電集裝箱構(gòu)成。儲(chǔ)能電池集裝箱電池配置容量995kWh，采用1 臺(tái)30 英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，箱內(nèi)部配置安裝12 套電池架、1 套BMS、空調(diào)、照明、消防等輔助系統(tǒng)。同時(shí)需要1 臺(tái)配電集裝箱，配電集裝箱采用30 尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，每臺(tái)內(nèi)部安裝4 臺(tái)500KW 雙向逆變器和2 臺(tái)1MW 雙分裂變壓器。儲(chǔ)能電池通過(guò)雙向逆變器進(jìn)行充放電，雙向逆變器再通過(guò)直接接入6KV 電網(wǎng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)由5 個(gè)單元儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，總功率9MW，總電池容量3MWh，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如下。其中1 個(gè)單元為2MW/995KWh，1 個(gè)單元為1MW/497.5KWh。

六、經(jīng)濟(jì)效益分析

儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目實(shí)施、投入后的效果顯著。在響應(yīng)電網(wǎng)AGC 指令的過(guò)程中，準(zhǔn)大儲(chǔ)能聯(lián)合#2 機(jī)組響應(yīng)的DCS 曲線如下：

通過(guò)以上曲線，可以直觀看出：準(zhǔn)大儲(chǔ)能聯(lián)合#2 機(jī)組（藍(lán)色曲線）對(duì)電網(wǎng)指令（紅色曲線）的響應(yīng)質(zhì)量要遠(yuǎn)好于機(jī)組本身（黃色曲線）。

從量化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)角度，以準(zhǔn)大#2 機(jī)組儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)投入見效的2019 年3 月5 日時(shí)間點(diǎn)為分界點(diǎn)。

指標(biāo)量化計(jì)算分析依據(jù)：

1：《內(nèi)蒙古電網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理及并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》

2：源數(shù)據(jù)采用“內(nèi)蒙古電網(wǎng)《兩個(gè)細(xì)則》技術(shù)支持系統(tǒng)”中的準(zhǔn)大熱電廠#2 機(jī)組數(shù)據(jù)；

3：從2019 年3 月開始，向前追朔至2018 年1 月（2018 年1 月及2019年2 月暫無(wú)電網(wǎng)數(shù)據(jù)），共15 個(gè)月的統(tǒng)計(jì)計(jì)算時(shí)間；

準(zhǔn)大發(fā)電公司#2 機(jī)組自身AGC 調(diào)頻技術(shù)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀

結(jié)論：通過(guò)上表統(tǒng)計(jì)計(jì)算：準(zhǔn)大發(fā)電#2 機(jī)組Kp 值在1.42～2.5。年均值在2 左右。AGC 補(bǔ)償分?jǐn)偺幱谔潛p狀態(tài)。

準(zhǔn)大發(fā)電公司儲(chǔ)能聯(lián)合#2 機(jī)組AGC 調(diào)頻技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

準(zhǔn)大發(fā)電公司#2 機(jī)組自身AGC 調(diào)頻技術(shù)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀

準(zhǔn)大發(fā)電有限公司儲(chǔ)能聯(lián)合#2 機(jī)組AGC 調(diào)頻效果從2019 年8 月-12 月（由于電網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)布周期所限）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算

結(jié)論：通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，準(zhǔn)大發(fā)電有限公司#2 機(jī)組儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的K 值（K1,K2,K3,Kp）和經(jīng)濟(jì)收益均得到大幅度提升，其中K1 提升91%、K2 提升5%、K3 提升9%、Kp 提升118，項(xiàng)目實(shí)施效果顯著。

七、結(jié)論

本項(xiàng)目在電力新技術(shù)的開發(fā)利用、智能電網(wǎng)建設(shè)以及提升火電運(yùn)行效率等方面具有較高的價(jià)值和重要的意義。同時(shí)以相關(guān)政府以及電網(wǎng)公司的支持為依托，確保了本項(xiàng)目的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的可行性。