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        AGC調(diào)頻技術(shù)在規(guī)模化電網(wǎng)儲能中的應(yīng)用

        2022-07-27 00:30:38南京南瑞繼保電氣有限公司
        電力設(shè)備管理 2022年12期
        關(guān)鍵詞:調(diào)頻規(guī)模化指令

        南京南瑞繼保電氣有限公司 鄭 雷

        1 引言

        規(guī)?;碾娋W(wǎng)的儲能技術(shù)隨著智能化的不斷發(fā)展,已經(jīng)逐漸朝著全自動儲能的方向不斷發(fā)展,電網(wǎng)儲能的形式也變得多種多樣,日常采用的電能儲能方式就是放置在鉛酸蓄電池中進(jìn)行電量的儲蓄,但電池的儲能的能量不足以支撐大量電能的儲存。因此,規(guī)?;娋W(wǎng)儲能中還有更加先進(jìn)的飛輪儲能、超導(dǎo)電容儲能等能夠大容量進(jìn)行儲存的方式。但先進(jìn)的儲能方式還處于未成熟的研究階段,且應(yīng)用的范圍也較小[1]。目前,國內(nèi)市場上使用的電網(wǎng)儲能方法仍舊為鉛酸蓄電池和小規(guī)模的飛輪儲能、超導(dǎo)電容儲能。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,這些電能儲存方法的缺陷逐漸暴露出來,對現(xiàn)有的規(guī)?;娋W(wǎng)儲能方式進(jìn)行優(yōu)化成為了重點(diǎn)。

        AGC調(diào)頻技術(shù)在規(guī)模化電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)中可以起到發(fā)電控制調(diào)頻的輔助作用,可以有效地提升電廠儲能的效率,且AGC調(diào)節(jié)性能很好,不僅符合可持續(xù)發(fā)展的電力節(jié)約精神,還可以為電廠增加經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)用在儲能系統(tǒng)中一舉兩得[2]。傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)的投資成本收回期在10~15年,AGC調(diào)頻實(shí)際工程的加入縮短了回收期時(shí)間的1/2,因此本文將AGC調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用在規(guī)?;娋W(wǎng)儲能中,希望可以在日后的生活中大規(guī)模應(yīng)用,為節(jié)約電能作出貢獻(xiàn)。

        2 建立規(guī)模化電網(wǎng)儲能AGC調(diào)頻模型

        2.1 分析AGC調(diào)頻變化趨勢

        電網(wǎng)儲能的頻率需要在安全的閾值范圍內(nèi),為了對電網(wǎng)的頻率進(jìn)行控制和調(diào)節(jié),需要對電網(wǎng)儲能進(jìn)行調(diào)節(jié)。AGC調(diào)頻分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻,一次調(diào)頻屬于粗略性的調(diào)頻,精度沒有二次調(diào)頻精度高。改變發(fā)電機(jī)組有功發(fā)電基準(zhǔn)點(diǎn)是AGC調(diào)頻的基本手段[3]。發(fā)電基準(zhǔn)點(diǎn)的改變會發(fā)生負(fù)荷變化,可以使規(guī)模化電網(wǎng)儲能達(dá)到平衡狀態(tài)。可以讓儲能設(shè)備中的電能按照額定頻率運(yùn)行。調(diào)頻的示意圖如圖1所示。

        如圖1所示,s1、s2、s3、s4四條線的交點(diǎn)中,a為電荷儲能的平衡點(diǎn),此時(shí)的儲能設(shè)備的額定頻率為w2,如果不進(jìn)行AGC調(diào)頻的話,電網(wǎng)在運(yùn)作的過程中,電端負(fù)荷變大,會產(chǎn)生設(shè)備擾動情況的發(fā)生,按照現(xiàn)階段的電能慣性[4],負(fù)荷頻率曲線會從s3向右下發(fā)生移動,變成s4。負(fù)荷頻率曲線和電力的特性曲線之間的交點(diǎn)變?yōu)閎,儲能設(shè)備中的平衡點(diǎn)也由w2變成了w1。電端負(fù)荷繼續(xù)變大,同時(shí)電網(wǎng)的發(fā)電端的輸出也在不斷增大,頻率特性曲線朝著左上方移動。而兩個(gè)曲線的焦點(diǎn)也由b變?yōu)榱薱,而此時(shí)負(fù)荷頻率曲線和電力的特性曲線向相反的方向發(fā)生變化,平衡點(diǎn)向右邊移動變成了w3。電端負(fù)荷變小的移動軌跡和負(fù)荷變大的軌跡相反。

        圖1 調(diào)頻的示意圖

        2.2 選取模型的相應(yīng)指標(biāo)

        AGC調(diào)頻指標(biāo)分別為調(diào)頻的時(shí)間、調(diào)頻的速率和調(diào)頻的精度。按順序設(shè)置三項(xiàng)指標(biāo)分別為e1、e2、e3,則e1的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為調(diào)頻的指令發(fā)出的時(shí)間和相應(yīng)的頻率回到正常指標(biāo)范圍的時(shí)間[5]。計(jì)算公式為:

        公式中的T為恢復(fù)額定功率的時(shí)間,而T0為開始發(fā)出指令的時(shí)間。e2的計(jì)算方式為:

        在調(diào)頻的速率的計(jì)算中是按照平均的指令響應(yīng)時(shí)間來計(jì)算的,而平均的指令響應(yīng)時(shí)間用Tn來表示,Tn的取值范圍為(50,100)。如果是水電發(fā)電的電網(wǎng)則響應(yīng)時(shí)間要更快一點(diǎn),取值范圍為(10,20)。而精度及計(jì)算方式如下:

        調(diào)頻精度的計(jì)算公式中,電網(wǎng)的電力的計(jì)算單位為kW,在公式(3)中ej(T)則代表存儲設(shè)備的實(shí)際電力輸出值。而en則為AGC調(diào)頻的指令值。AGC調(diào)節(jié)是有一定的周期的,周期在T到T0之間[6],因?yàn)閮δ苁軐?shí)際情況的制約,因此無法做到一次性調(diào)節(jié)成功。一次調(diào)頻和二次調(diào)頻之間的銜接時(shí)刻的指標(biāo)值需要記錄下來。并通過上一次的記錄指標(biāo)和下一次的記錄指標(biāo)進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)指標(biāo)值各項(xiàng)調(diào)節(jié)值的計(jì)算。因此,需要對AGC指令更新時(shí)刻進(jìn)行記錄,以便后續(xù)數(shù)據(jù)的調(diào)取。

        規(guī)?;娋W(wǎng)儲能是采用SOC值進(jìn)行判斷的,儲能設(shè)備的充放電功率是有一定的閾值的。如果功率超過了閾值的范圍則會導(dǎo)致儲能系統(tǒng)崩潰,應(yīng)在設(shè)備中安裝SOC監(jiān)測裝置,在達(dá)到一定閾值停止充放電行為。為了避免儲能設(shè)備產(chǎn)生飽和的現(xiàn)象,在功率數(shù)值接近閾值的時(shí)候就要停止充電的行為,而在SOC值接近最低的閾值的時(shí)候相應(yīng)也要停止放電的行為,SOC值保持越穩(wěn)定,說明該儲電設(shè)備的電源釋放能量水平越正常,AGC調(diào)頻具備雙向調(diào)節(jié)的能力,通過額定功率表示則為:

        公式中的SOCe2為調(diào)節(jié)后的功率,它的數(shù)值始終保持大于閾值中的最低值SOC1,小于閾值中的最大值SOC2

        2.3 基于AGC調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)最大功率約束

        常見的規(guī)模化電網(wǎng)儲能中AGC調(diào)頻技術(shù)是根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行調(diào)頻的,也可以說AGC能力是根據(jù)有功備用來進(jìn)行確定的。持續(xù)以額定功率輸出雖然和AGC調(diào)頻能力有關(guān),但也和儲能設(shè)備的能量有關(guān)。因此需要對最大輸出功率進(jìn)行約束,以便合理優(yōu)化儲能設(shè)備的性能??梢杂萌萘康膭討B(tài)約束方式進(jìn)行最大儲能輸出功率進(jìn)行約束,動態(tài)可用容量的計(jì)算涉及的變量較少,計(jì)算的步驟也較少,因此可縮短調(diào)頻指令的響應(yīng)時(shí)間。動態(tài)可用容量的具體含義為AGC指令經(jīng)過傳輸之后在調(diào)節(jié)的周期內(nèi)的電能調(diào)節(jié)容量的計(jì)算公式如下:

        在上述容量計(jì)算公式(5)中,D為AGC指令經(jīng)過傳輸之后在調(diào)節(jié)的周期內(nèi)的電能調(diào)節(jié)容量,而C為此刻的規(guī)?;娋W(wǎng)儲能容量,C0為最大的容量,C1為最小的容量。d為指令從發(fā)出到狀態(tài)穩(wěn)定的時(shí)間??捎萌萘繑?shù)值的計(jì)算使頻率調(diào)節(jié)的目標(biāo)更加清晰,且可以清晰反映儲能設(shè)備中的功率和容量之間的變化規(guī)律,使調(diào)頻計(jì)算指標(biāo)多了一種,雙重指標(biāo)的計(jì)算方式提升了規(guī)?;娋W(wǎng)儲能的穩(wěn)定性。

        2.4 調(diào)頻儲能下發(fā)電站凈收益模型

        由儲能系統(tǒng)參與的AGC調(diào)頻產(chǎn)生凈收益可分為兩大部分,即發(fā)電站儲能系統(tǒng)儲放過程自身壽命損耗和儲能系統(tǒng)參與的AGC調(diào)頻補(bǔ)償導(dǎo)致的成本,電站儲能系統(tǒng)在AGG調(diào)頻下產(chǎn)生的凈收益值越高,則表示電站的經(jīng)濟(jì)效益越好。其表達(dá)式為:

        上式中:Rgross表示總凈收益;Closs表示儲能電池壽命損耗成本。

        結(jié)合發(fā)電廠儲能系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀可知,儲能系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間越短,則表示出力調(diào)整的速度越快,同時(shí)對其的調(diào)節(jié)精度便會越高,此時(shí)調(diào)頻儲能電站所得到的AGC調(diào)頻補(bǔ)償將會越多。同理,當(dāng)調(diào)頻儲能的AGC指令目標(biāo)幅度變化越大,則所維持的時(shí)間便會越長,由此可知儲能系統(tǒng)的放電深度也會隨著增加。

        上式中:Ctotal表示調(diào)頻儲能發(fā)電站對調(diào)頻儲能系統(tǒng)的投入;cyc表示儲能系統(tǒng)全壽命周期下的最大充放電次數(shù)。

        由公式(7)可知,電站儲能系統(tǒng)的放電深度增加在一定程度上會增加系統(tǒng)壽命損耗的成本。因此,可證明AGC調(diào)頻補(bǔ)償?shù)腞gross與儲能電池壽命損耗成本Closs間存在正相關(guān)的關(guān)系,若使用常規(guī)方法控制儲能系統(tǒng)使其追隨AGC調(diào)控指令,則隨著AGC補(bǔ)償獲得收入的不斷增加,其儲能電池的損耗成本也會逐漸增大,從電站調(diào)頻儲能系統(tǒng)角度來看,此時(shí)的其凈收益未達(dá)到極大值。如果追求凈收益能夠達(dá)到最大化,其判斷形式或影響因素并應(yīng)當(dāng)達(dá)到均衡,即不應(yīng)該由儲能系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行決斷,即出力調(diào)整速度越及時(shí)所調(diào)控的精度越高且凈收益越高。

        3 測試試驗(yàn)

        為了驗(yàn)證本文的規(guī)?;娋W(wǎng)儲能方法的實(shí)用性,設(shè)計(jì)了本次對比試驗(yàn),將本文設(shè)計(jì)的基于AGC調(diào)頻技術(shù)的規(guī)?;娋W(wǎng)儲能方法和傳統(tǒng)的輔助規(guī)模化電網(wǎng)儲能方法、鋰電池規(guī)?;娋W(wǎng)儲能方法進(jìn)行比較,比較三種方法的儲存效率。

        3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

        本文試驗(yàn)可以采用某個(gè)發(fā)電廠的實(shí)際數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源進(jìn)行有效性分析,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之后,電網(wǎng)的儲能設(shè)備可以獲取AGC指令,并通過數(shù)據(jù)判定AGC調(diào)頻指令是否處于可更新的狀態(tài),更新后的機(jī)組功率才是當(dāng)下儲能設(shè)備的正常功率,儲能保持當(dāng)前狀態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不會再有新的變化。為了降低計(jì)算機(jī)中的功率和實(shí)際的儲能功率有偏差,判斷此時(shí)的電網(wǎng)儲能在電力輸出時(shí)的功率是否大于電能的吸收功率。建立AGC調(diào)頻模型,并在模型中代入發(fā)電廠的歷史數(shù)據(jù),得到試驗(yàn)的參數(shù),試驗(yàn)的參數(shù)如表1所示。

        表1 參數(shù)設(shè)置

        如表1所示,5次試驗(yàn)的參數(shù)都是不同的,有細(xì)微的變化,這樣可以驗(yàn)證儲能方法的可靠性。表1中的TB為確定系數(shù),而Erate為均方根誤差。θ為規(guī)?;娋W(wǎng)儲能的最小參數(shù)系數(shù),α和β分別為儲能最大系數(shù)和儲能最小系數(shù)。

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果

        基于以上的試驗(yàn)準(zhǔn)備,使用三種規(guī)?;娋W(wǎng)儲能方法進(jìn)行儲能,對儲能的SOC值進(jìn)行對比,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

        圖2 試驗(yàn)結(jié)果

        如圖2所示,試驗(yàn)中的三種電網(wǎng)儲能方式中,本文設(shè)計(jì)的規(guī)模化電網(wǎng)儲能方式在200個(gè)小時(shí)的試驗(yàn)市場中的SOC值都比較平穩(wěn),而傳統(tǒng)的輔助規(guī)?;娋W(wǎng)儲能方法、鋰電池規(guī)模化電網(wǎng)儲能方法的SOC值有較大的波動,電能的波動太大容易影響儲能設(shè)備的性能,降低儲能設(shè)備的使用壽命。

        4 結(jié)語

        在電網(wǎng)領(lǐng)域中,儲能技術(shù)的發(fā)展推動了電力的發(fā)展。而儲能系統(tǒng)可作為獨(dú)立個(gè)體為電網(wǎng)提供服務(wù)的輔助設(shè)備也需要不斷優(yōu)化,本文提出的AGC調(diào)頻技術(shù)與儲能技術(shù)的融合方式增加了儲能裝機(jī)量,保證了電網(wǎng)儲能的安全性和穩(wěn)定性,且增加了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。輔助AGC調(diào)頻在電網(wǎng)儲能中發(fā)揮著不可忽視的作用,但因?yàn)楸疚牡难芯课磳﹄娋W(wǎng)的同步振蕩和保護(hù)配置進(jìn)行檢測,因此尚不知道該儲能方式其他部分是否會受到影響,希望日后的研究中可以對電網(wǎng)系統(tǒng)其他部分進(jìn)行評估,完善本文的設(shè)計(jì)。

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