李軍，房方，李杰，丁浩天，史福慶

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206；3.華能山東發(fā)電有限公司，山東 濟南 250014；4.華能聊城熱電有限公司，山東 聊城 252041）

0 引言

我國正在構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，但在能源結構及快速可調負荷占比這兩方面與西方國家仍有一定差距。隨著風電、光伏等新能源裝機容量的迅猛增長，提升電網(wǎng)綜合調頻能力的迫切性進一步提升。風電等新能源所固有的發(fā)電隨機性和波動性，對傳統(tǒng)以火力發(fā)電為主的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和運行調度提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，這導致火電機組將肩負起更多更重的調頻任務［1］。

建設“儲能+火電”聯(lián)合調頻系統(tǒng)是一種有效的提升調頻能力的方式。目前，儲能技術已經(jīng)在國內(nèi)電力行業(yè)的二次調頻又稱自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）和調峰領域得到實際應用，但采用的基本是化學類儲能，如磷酸鐵鋰電池，運行中普遍受到充放電次數(shù)受限等問題的制約。文獻［2］對電容器、電池、超導磁3 種類型的儲能方式進行了對比分析，并介紹3 種儲能設備參與電網(wǎng)調頻的運行效果。文獻［3］根據(jù)系統(tǒng)頻率的均方根誤差來定量分析儲能電池參與電力系統(tǒng)一次調頻的作用，研究表明，儲能電池能有效改善因系統(tǒng)負載擾動引起的頻率偏移。在儲能容量配置方面，文獻［4］提出一種考慮儲能電池經(jīng)濟性來優(yōu)化儲能電池容量配置的一次調頻方法，當調頻中加入儲能時，隨著儲能電池分配比例的增大，調頻效果增強，但調頻的凈效益將會降低。

在國內(nèi)已啟動的“火電+儲能”聯(lián)合調頻建設工程中（如山西京玉發(fā)電廠），鋰離子電池是最常用的儲能方式。但與AGC 調節(jié)周期和動作幅值相比，一次調頻具有暫態(tài)頻發(fā)特性，所以選擇用于AGC 的磷酸鐵鋰等化學類電池參與一次調頻調節(jié)，會大幅降低電池的使用壽命，因此，可以考慮選擇飛輪這種機械類儲能方式開展一次調頻的優(yōu)化調節(jié)。孫立本等人對飛輪儲能輔助發(fā)電控制方式進行了研究，并結合電網(wǎng)頻變化開展了飛輪對功率波動進行補償調節(jié)的建模仿真，證實飛輪有助于機組一次調頻［5］。

飛輪在能量充足的條件下，其充放電速度可達到毫秒級，遠優(yōu)于火電機組的響應速度，能有效解決火電機組的高延遲和大慣性問題。但由于儲能設備的價格與容量成正比，因此考慮根據(jù)機組實際的一次調頻積分電量貢獻指數(shù)等指標進行總容量的計算選擇，以實現(xiàn)指標和收益的最優(yōu)。

1 考核標準及實際動作情況

1.1 現(xiàn)行一次調頻考核標準

按照GB/T 30370—2013《火力發(fā)電機組一次調頻試驗及性能驗收導則》和Q/GDW 669—2011《火力發(fā)電機組一次調頻試驗導則》等相關一次調頻標準要求，機組參與一次調頻的響應時間應小于3 s；機組一次調頻的負荷響應速度應滿足：達到75%目標負荷的時間不大于15 s，達到90%目標負荷的時間不大于30 s；機組參與一次調頻的穩(wěn)定時間小于1 min［6-7］。結合上述標準，一次調頻的在線監(jiān)測、性能評估、特性分析等方向均已開展了諸多研究［8］。

結合上述導則要求，山東電網(wǎng)執(zhí)行《關于修訂我省發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則的通知》（魯監(jiān)能市場［2018］57 號）和《關于調整發(fā)電機組一次調頻評價辦法的通知》（調技［2018］140 號）規(guī)定，分別計算15 s、30 s、45 s的一次調頻積分電量貢獻指數(shù)q15、q30、q45，進而得到機組納入考核的一次調頻積分電量貢獻指數(shù)q。

式中：K15、K30、K45分別為機組15 s、30 s、45 s一次調頻積分電量貢獻指數(shù)的權重，目前權重分別設為0.55、0.3、0.15。

式中：ΔQS15為機組0～15 s 一次調頻實際積分電量；ΔQE15為機組0～15 s 一次調頻理論積分電量。同理，記ΔQS30為機組0～30 s 一次調頻實際積分電量，ΔQS45為機組0～45 s 一次調頻實際積分電量，ΔQE30為機組0～30 s 一次調頻理論積分電量，ΔQE45為機組0～45 s一次調頻理論積分電量，計算求取q30和q45。

ΔQS為一次調頻實際積分電量，表示從頻率偏差超出死區(qū)開始，至計算時段結束，機組實際功率與動作前功率相比，增加（或減少）的部分。高頻少發(fā)或低頻多發(fā)電量為正，高頻多發(fā)或低頻少功率為負。一次調頻應動作時段內(nèi)實際貢獻電量為正，則為正貢獻電量；反之，則為負貢獻電量。

式中：A0為一次調頻評價起始時刻，為發(fā)生一次調頻有效擾動時頻率偏差越過一次調頻死區(qū)的時刻；B0為一次調頻評價結束時刻（即A0時刻后15 s、30 s 或45 s）；P（0t）為評價起始出力參量，取機組A0時刻前10 s 內(nèi)實際出力平均值；P（St）為機組一次調頻動作時段內(nèi)，機組在t時刻的實際出力。

ΔQE為一次調頻理論積分電量，從頻率偏差超出規(guī)定的±0.033 Hz 的死區(qū)開始，至計算時段結束，機組一次調頻理論積分電量。

式中：ΔPE（t）為機組一次調頻動作時段內(nèi)，t時刻機組理論功率對應的變化量；PN為機組額定功率；Δf為一次調頻動作時段內(nèi)，實際頻率與調頻死區(qū)的頻率偏差，調頻死區(qū)?。?0±0.033）Hz；fN為機組額定頻率（50 Hz）；δ為轉速不等率理論整定值。

機組的一次調頻積分電量貢獻指數(shù)q各區(qū)域電網(wǎng)略有所不同，比如西北電網(wǎng)要求q不小于60%，山東電網(wǎng)要求q不小于70%。q為當電網(wǎng)頻率偏離50 Hz且觸發(fā)電網(wǎng)考核規(guī)定的頻率考核值時，各不同時間段內(nèi)由理論功率曲線構成陰影面積和實際功率曲線構成陰影面積的比值的加權和如圖1所示。

圖1 一次調頻積分電量計算

1.2 機組實際動作情況

由于相關標準一般按機組容量，將機組參與頻率補償?shù)墓β首兓壬舷抻枰员Ｗo限制，250 MW之下的機組限制幅度不小于10%PN，250 MW 至350 MW 之間的機組限制幅度不小于8%PN，500 MW之上的機組限制幅度不小于6%PN。結合機組A修后一次調頻涉網(wǎng)驗收試驗及電網(wǎng)調度部門定期開展的一次調頻遠程擾動測試，分別選取典型的200 MW級、300 MW級以及600 MW級機組進行了數(shù)據(jù)采集，提取一次調頻動作期間0～45 s 時間內(nèi)機組的實際負荷動作情況，分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 某220 MW機組一次調頻動作曲線

圖3 某330 MW機組一次調頻動作曲線

采集的數(shù)據(jù)時間為1 月供熱季，機組存在不同的抽汽供熱情況，對其一次調頻能力略有影響。從圖2—圖4 可以看出，機組普遍存在前期動作緩慢情況，根源在于機組執(zhí)行機構本身所固有的遲延和慣性。對一次調頻，電網(wǎng)最需要在頻率發(fā)生變化的前期，尤其是前15 s 能夠迅速提供功率支撐，之后可以依靠AGC 來將區(qū)域控制偏差消除，將頻率拉回至50 Hz。這一點從式（1）中各時間段的權重指數(shù)也可以明確感知，因此，提升機組一次調頻積分電量貢獻指數(shù)最有效的方法就是提升前15 s的功率補償量。

圖4 某650 MW機組一次調頻動作曲線

2 飛輪儲能特點及容量選取

2.1 飛輪儲能特點

飛輪儲能是一種源于航天的先進物理功率型儲能技術，其結構如圖5 所示，主要由轉子、軸承、電機等構成。處于儲能狀態(tài)時，電能通過儲能變流器驅動電機實現(xiàn)轉子的高速運行，實現(xiàn)電能到機械能的轉換；處于能量釋放狀態(tài)時，高速旋轉的轉子拖動電機進行發(fā)電，實現(xiàn)機械能到電能的轉換。

圖5 飛輪儲能裝置剖面

飛輪儲能的概念起源于20世紀70年代早期，最初的應用場景是電動汽車。經(jīng)過多年的發(fā)展，美國、日本、加拿大等發(fā)達國家均已研發(fā)出保障飛輪儲能能夠現(xiàn)場應用的關鍵技術。美國Beacon Power 公司作為大規(guī)模電網(wǎng)級儲能應用的先驅者，其開發(fā)的飛輪智能能源矩陣（Smart Energy Matrix，SEM）已產(chǎn)出第四代產(chǎn)品，由10個100 kW 的飛輪單元構建成一個飛輪陣列系統(tǒng)，每個SEM 系統(tǒng)的額定功率為1 MW，能夠保持額定功率運行15 min，轉速運行范圍為8 000～16 000 r/min，設計壽命為20 年。美國Active Power 公司出售的飛輪設備，轉速約7 700 r/min。德國Piller 公司的飛輪儲能裝置具備在15 s 內(nèi)提供1.65 MW電力的能力［9-10］。

不同于化學類電池技術，飛輪儲能系統(tǒng)對于功率指令的響應速度快，能夠實現(xiàn)毫秒級的大功率充放電；運行壽命長，機械設備不像化學儲能設備受重復深放電次數(shù)的制約，使用壽命一般超過15 年。這種特性完全適合于解決機組的短時、暫態(tài)、頻發(fā)的一次調頻。

2.2 容量選取原則

由于儲能系統(tǒng)的投資較大，所以需要合理配置儲能容量，以最小的投資來輔助機組實現(xiàn)調頻性能的提升。儲能的選取需要從能量貢獻、持續(xù)時間、響應時間、間隔時間等多種維度開展研究，以實現(xiàn)儲能與火電的動態(tài)互補。解決思路是對機組的一次調頻需求進行定量分析，以投資的經(jīng)濟性和整體功率補償效果為優(yōu)化目標，尋求現(xiàn)有控制體系下飛輪儲能可調容量與火電機組可調容量的最優(yōu)配置與調控優(yōu)化［11］。

首先，從電網(wǎng)考核指標數(shù)據(jù)中篩選不合格的數(shù)月（不少于6 個月）一次調頻性能指標，包括每月的實際積分電量QiAactual、理論積分電量QiIdeal以及積分電量貢獻指數(shù)q（ii代表參與計算的第i個月）。為了真實有效地反應機組在不同工況下的一次調頻情況，采樣數(shù)據(jù)應覆蓋不同月份，須重點關注迎峰度夏、冬季抽汽供熱這兩個時間段。

其次，根據(jù)選取的考核數(shù)據(jù)，計算達到規(guī)定的積分電量貢獻指數(shù)所需額外增加的各月補償電量。假設，利用儲能補償后所期望的積分電量貢獻指數(shù)為q′i。

式中：ηB為標準值，由各區(qū)域根據(jù)電網(wǎng)實際情況分別制定，一般不低于60%；Ai為第i月需要額外補償?shù)碾娏俊?/p>

根據(jù)參與計算的n個月中各月需要額外增加的補償電量值A（ii=1，2，…，n）計算儲能所需提供的額外增加的補償電量的均值

基于電網(wǎng)對機組一次調頻的快速、暫態(tài)響應需求，主要利用飛輪儲能毫秒級滿充滿放優(yōu)勢，可忽略其充放電速率和響應時間，即只須考慮其最低的容量配置。各區(qū)域電網(wǎng)一次調頻考核計算基本上均取頻率超出死區(qū)后機組動作的前60 s 數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在市場上的飛輪儲能裝置都能夠在100 s 以上的時間段內(nèi)保持滿容量的功率吸收或釋放，因此，可根據(jù)求取的額外增加的補償電量均值求取需增加的飛輪儲能裝置的最低容量QF。

3 案例分析

以某區(qū)域電網(wǎng)為例，結合機組的實際指標，給出設計方案的實施示例。該電網(wǎng)規(guī)定一次調頻積分電量：電網(wǎng)頻率偏差值超過±0.033 Hz 時起到恢復至±0.033 Hz 以內(nèi)，機組實時功率與起始功率之差的積分電量，高頻少發(fā)或低頻多發(fā)電量為正值，反之，高頻多發(fā)或低頻少發(fā)電量為負值［10］。機組月度一次調頻積分電量為該月每一次電網(wǎng)頻率超出（50±0.033）Hz 時一次調頻電量的累加值，規(guī)定一次調頻積分電量貢獻指數(shù)不低于60%。

目前，國內(nèi)各大電網(wǎng)基本均以300 MW 級汽包爐機組為主，因此，選取電網(wǎng)內(nèi)一臺300 MW 機組進行典型分析。該機組因存在工業(yè)抽汽常年存在考核性能指標不達標問題，不能滿足電網(wǎng)規(guī)定的積分電量貢獻指數(shù)不低于60%要求，故增加一套飛輪儲能補償裝置進行輔助調頻，根據(jù)電網(wǎng)頻差實時補償機組一部分調頻功率缺口。

從電網(wǎng)考核指標數(shù)據(jù)中篩選2019 年度12 個月的一次調頻性能指標，QiAactual、QiIdeal、qi分別記錄，如表1所示。

表1 某300 MW機組年度一次調頻性能指標統(tǒng)計

根據(jù)表1 中的考核數(shù)據(jù)，計算達到規(guī)定的60%積分電量貢獻指數(shù)所需額外增加的各月補償電量。

同理，分別計算求得其他月份所需額外增加的補償電量值，如表1中所示。

根據(jù)求得的各月Ai值，為提升飛輪利用效率，計算額外增加的補償電量值的均值

根據(jù)求得飛輪所需補償電量的平均值求取須增加飛輪儲能裝置的最低容量值。在機組飛輪儲能裝置容量的選取上，可按照均值計算求取。

由于儲能容量一般為整數(shù)配置，因此，確定此機組飛輪配置容量為700 kW。

4 結語

運用選取能夠反應機組一次調頻性能指標的多月電網(wǎng)考核指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過計算求得能夠有效補償機組調頻功率不足所需額外增加的飛輪儲能裝置的容量。

鑒于國內(nèi)新建大型機組基本上均為高參數(shù)、高效率的超超臨界二次再熱機組，普遍存在快速做功能力偏弱情況，造成機組一次調頻在電網(wǎng)性能測試中存在不達標問題，如華能萊蕪、華電萊州等1000 MW 級機組在山東電網(wǎng)每月開展的一次調頻遠程擾動測試中頻繁出現(xiàn)指標低于70%情況，提出的方案對解決該類型問題具有顯著意義，有效保障電網(wǎng)調頻能力。