文賢馗,張鴻福,楊大慧,鐘晶亮,馮庭勇

(1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002；2.國家電投集團貴州金元股份有限公司，貴州 貴陽 550002；3.貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

壓縮空氣儲能(compressed air energy storage,CAES)被認為是具有發(fā)展前景的大規(guī)模物理儲能技術之一，具有儲能容量大、污染小、具備轉(zhuǎn)動慣量、壽命長等優(yōu)點[1-3]。

電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻是有差調(diào)頻，是控制系統(tǒng)頻率、維護電網(wǎng)穩(wěn)定的一種重要方式[4]。目前，國內(nèi)電力系統(tǒng)一次調(diào)節(jié)的主要電源是火力發(fā)電和水力發(fā)電機組。新能源發(fā)電大規(guī)模接入電力系統(tǒng)后，其間歇性和波動性影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量與頻率穩(wěn)定性，使得電網(wǎng)調(diào)頻問題突出?，F(xiàn)有的調(diào)頻能力已跟不上調(diào)頻需求，不能較好地保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定地運行[5-6]。大容量電力儲能系統(tǒng)具有頻率響應快、可雙向調(diào)節(jié)等特點，參與電網(wǎng)一次調(diào)頻可以有效緩解新能源大規(guī)模并網(wǎng)后帶來的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻問題[7]。

目前，國內(nèi)對儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻已有較多的研究和應用。文獻[8]通過儲能系統(tǒng)輔助虛擬同步發(fā)電機參與一次調(diào)頻，研究了儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的可行性、經(jīng)濟性與調(diào)頻能力。文獻[9]提出了超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)輔助風電機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的一種控制方法。文獻[10]結(jié)合仿真模型研究和實際運行試驗,基于Cohen-Coon法對抽水蓄能機組參與一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化后的參數(shù)提高了抽水蓄能機組一次調(diào)頻時的調(diào)節(jié)性能和系統(tǒng)響應速度。文獻[11]針對風電接入電網(wǎng)后的慣性響應和頻率響應衰減，提出了一種超導磁儲能系統(tǒng)和電池儲能系統(tǒng)組成的混合儲能系統(tǒng)控制策略。國內(nèi)關于大容量儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的研究，主要在抽水蓄能和電化學儲能系統(tǒng)方向，而關于壓縮空氣儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的研究較少。大多數(shù)的研究集中在儲能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)如何參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，而關于用電側(cè)的研究較少。

本文研究了壓縮空氣儲能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)和用電側(cè)雙向參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。在電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻原理的基礎上，提出了壓縮空氣儲能系統(tǒng)在壓縮儲能階段參與響應電網(wǎng)一次調(diào)頻的方法，并在發(fā)電側(cè)和用電側(cè)分別構(gòu)建參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的功能模塊。同時，參考現(xiàn)有相關規(guī)程、要求，結(jié)合壓縮空氣儲能系統(tǒng)特點，設置相應參數(shù)，設計了整套調(diào)節(jié)控制過程。

1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)

壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮儲能階段由壓縮機和電動機完成，膨脹發(fā)電階段由膨脹機和發(fā)電機完成。壓縮后的空氣儲存在儲氣罐內(nèi)。

在電網(wǎng)處于電量富裕狀態(tài)時，啟動空氣壓縮用電儲能過程為：空氣進入電動機拖動的多級壓縮機進行多級壓縮，空氣壓力提升，存入儲氣罐備用。當電網(wǎng)處于電量緊缺狀態(tài)時，啟動空氣膨脹發(fā)電釋能過程為：壓縮空氣從儲氣罐進入多級膨脹機；多級膨脹釋能帶動同步發(fā)電機發(fā)電，乏氣排入大氣。

電動機功率為：

(1)

式中：Wm為電動機功率；Wc為壓縮機總耗功功率；ηm為電動機效率；ηc為壓縮機效率；n為壓縮機級數(shù)；Wci為第i級壓縮機耗功功率。

發(fā)電機功率為：

(2)

式中：Wg為發(fā)電機功率；Wt為膨脹機總做功功率；ηg為發(fā)電機效率；ηt為膨脹機效率；m為膨脹機級數(shù)；Wti為第i級膨脹機做功功率。

壓縮空氣儲能系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)

2 雙向一次調(diào)頻原理

電力系統(tǒng)的基本特性是瞬時完成發(fā)電、輸電、配電和用電，必須保證發(fā)電和用電的實時平衡，否則會造成系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定。

電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的一次調(diào)頻是指在發(fā)電側(cè)，利用系統(tǒng)固有的負荷頻率特性，以及發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)作用，來阻止系統(tǒng)頻率偏離標準的調(diào)節(jié)方式。

發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻原理如圖2所示。

圖2 發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻原理圖

當電力系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速即發(fā)生變化。如果轉(zhuǎn)速的變化超出規(guī)定的不靈敏區(qū)(即死區(qū))，調(diào)節(jié)系統(tǒng)就會動作，按照調(diào)差系數(shù)調(diào)整發(fā)電機的功率。也就是說，當系統(tǒng)頻率下降時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)會自動增加發(fā)電機的功率；當系統(tǒng)頻率上升時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)會自動減少發(fā)電機的功率。調(diào)整功率在上、下兩個方向均有幅值限制。

壓縮空氣儲能系統(tǒng)包含發(fā)電釋能和用電儲能兩個階段。在發(fā)電釋能階段，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。在用電儲能階段，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以借鑒發(fā)電釋能階段參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的方式，通過調(diào)節(jié)壓縮機和電動機的耗電功率，響應電網(wǎng)一次調(diào)頻。

當電力系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，超出規(guī)定的死區(qū)設置后，按照調(diào)差系數(shù)調(diào)整電動機的功率。也就是說，當系統(tǒng)頻率下降時，自動減少電動機的功率；當系統(tǒng)頻率上升時，自動增加電動機的功率，并設置幅值限制。用電側(cè)一次調(diào)頻原理如圖3所示。

圖3 用電側(cè)一次調(diào)頻原理圖

3 發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻

3.1 功能模塊

根據(jù)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的特點，構(gòu)建其一次調(diào)頻功能模塊，包括頻差模塊、死區(qū)模塊、調(diào)差模塊、修正模塊和限幅模塊。接收膨脹機轉(zhuǎn)速信號，計算后輸出信號，控制膨脹機進氣調(diào)節(jié)閥開度以改變膨脹機輸出功率。壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻系統(tǒng)圖

3.2 參數(shù)設置

一次調(diào)頻設置參數(shù)包括死區(qū)Δn、調(diào)差系數(shù)R和調(diào)節(jié)限幅L。

設置死區(qū)的目的是：當轉(zhuǎn)速波動較小時，可以過濾小擾動信號，使機組不參與調(diào)節(jié)，保持功率穩(wěn)定運行。GB/T 31464—2015《電網(wǎng)運行準則》[12]規(guī)定：電液型汽輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的火電機組和燃機死區(qū)控制在±0.033 Hz內(nèi)；機械、液壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的火電機組和燃機死區(qū)控制在±0.10 Hz內(nèi)；水電機組死區(qū)控制在±0.05 Hz內(nèi)。根據(jù)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的特點，建議死區(qū)范圍設置為±0.10 Hz以內(nèi)。

調(diào)差系數(shù)R是電網(wǎng)頻率變化與機組功率變化的比值，在機組側(cè)一般用轉(zhuǎn)速不等率δ表示。其關系為：

(3)

帶基本負荷機組的轉(zhuǎn)速不等率設置得較大，而調(diào)頻機組的轉(zhuǎn)速不等率設置得較小?！峨娋W(wǎng)運行準則》對轉(zhuǎn)速不等率δ的規(guī)定：火電機組和燃機為4%～5%，水電機組不大于4%。壓縮空氣儲能啟動迅速，建議設置為3～4%。

調(diào)節(jié)限幅L的作用是為了保證機組的安全、穩(wěn)定運行。在壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)電釋能階段，儲氣罐壓力逐步降低，膨脹機進氣壓力逐漸增加，直至達到額定工況，并在之后保持壓力穩(wěn)定。在運行中即使調(diào)節(jié)至功率為零的最小工況，儲氣罐壓力、膨脹機進氣壓力都不會有超壓的危險。膨脹機運行壓力對比如圖5所示。

圖5 膨脹機運行壓力對比圖

膨脹發(fā)電機能夠全行程調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)時不會造成儲氣罐超壓。故調(diào)節(jié)上限幅值設置為機組最大允許運行發(fā)電功率，不設置調(diào)節(jié)下限幅值。

4 用電側(cè)一次調(diào)頻

4.1 功能模塊

要在用電側(cè)響應電網(wǎng)一次調(diào)頻，必須選用能夠調(diào)節(jié)用電功率的壓縮機類型。目前，電力系統(tǒng)中比較成熟的技術是采用直流變頻系統(tǒng)，并構(gòu)建相應的調(diào)頻功能模塊。壓縮空氣儲能系統(tǒng)用電側(cè)一次調(diào)頻系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 壓縮空氣儲能系統(tǒng)用電側(cè)一次調(diào)頻系統(tǒng)圖

壓縮空氣儲能系統(tǒng)中壓縮機和電動機由直流變頻裝置控制。直流變頻裝置包括調(diào)頻功能模塊和變頻功能模塊。調(diào)頻功能模塊接入電網(wǎng)系統(tǒng)頻率信號f，輸出壓縮機功率調(diào)整量ΔPm至壓縮機變頻功能模塊。變頻功能模塊接入原功率控制指令Pm，輸出最終功率P′m至電動機，帶動壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮機工作。

4.2 參數(shù)設置

功能模塊參數(shù)中死區(qū)Δf、調(diào)差系數(shù)R與發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻的參數(shù)設置相同。

調(diào)節(jié)限幅L中，壓縮空氣儲能系統(tǒng)在壓縮環(huán)節(jié)能夠全范圍調(diào)節(jié)，沒有安全限制，因此不設置調(diào)節(jié)下限幅值，調(diào)節(jié)上限幅值設置為電動機最大允許運行功率Pmmax。

4.3 調(diào)頻過程

將電網(wǎng)頻率信號通過算式(4)轉(zhuǎn)換為頻差信號Δfm：

Δfm=f-f0

(4)

式中：f0為系統(tǒng)額定頻率；f為實際頻率。

經(jīng)過死區(qū)判斷后，通過式(5)，根據(jù)調(diào)差系數(shù)R來計算壓縮機功率調(diào)整量ΔPm。壓縮空氣儲能系統(tǒng)在用電儲能階段參與電網(wǎng)一次調(diào)頻時，電動機的運行功率在電網(wǎng)頻率下降時自動減少，在電網(wǎng)頻率上升時自動增加，與發(fā)電釋能階段的發(fā)電機功率變化相反。因此，電動機功率調(diào)整量ΔPm與膨脹發(fā)電時發(fā)電功率調(diào)整量的數(shù)值相同，但是正負相反。

(5)

式中：Pm0為電動機額定功率。

與發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻相同，對原輸入功率指令Pm進行修正，得到修正功率Pm1。通過調(diào)整上、下限幅值限制功率，最終輸出控制功率P′m至電動機，帶動壓縮機工作。

5 雙向調(diào)節(jié)對比

對比壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)電側(cè)和用電側(cè)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的功能：發(fā)電側(cè)和用電側(cè)功能模塊參數(shù)中死區(qū)設置相同，調(diào)差系數(shù)R的數(shù)值相同、調(diào)節(jié)方向相反。雙向一次調(diào)頻功能對比如表1所示。

由表1可以看出，發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的一次調(diào)頻功能模塊采集信號、動作對象和動作方向都是不同的。

6 結(jié)論

壓縮空氣儲能系統(tǒng)的用電儲能和發(fā)電釋能階段分開進行，因此可以在發(fā)電側(cè)和用電側(cè)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。

①發(fā)電側(cè)采集膨脹機轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)死區(qū)判斷后由調(diào)差系數(shù)計算其發(fā)電功率，經(jīng)限幅控制后輸出至膨脹機、發(fā)電機控制系統(tǒng)，不設置調(diào)節(jié)下限幅值。

②用電側(cè)采用可調(diào)節(jié)用電功率的壓縮機、電動機采集電網(wǎng)頻率信號，經(jīng)死區(qū)判斷后由調(diào)差系數(shù)計算其用電功率，經(jīng)限幅控制后輸出至壓縮機、電動機，不設置調(diào)節(jié)下限幅值。

③發(fā)電側(cè)和用電側(cè)調(diào)差系數(shù)的數(shù)值相同，調(diào)節(jié)方向相反。