趙 磊 王明明 崔進波 咸秀超

（1中國電建集團核電工程有限公司 2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 3.山東電力工程咨詢院有限公司 4.山東電力工程咨詢院有限公司）

0 引言

隨著近些年風電和光伏等新能源接入電網(wǎng)容量的迅速增加，其間歇式發(fā)電的特性導(dǎo)致電網(wǎng)對調(diào)節(jié)容量的需求增加，而新能源發(fā)電自身又不具備參與頻率調(diào)節(jié)的功能，原有傳統(tǒng)機組則需要承擔這些新能源發(fā)電帶來的調(diào)頻任務(wù)。

以山東電網(wǎng)為例，目前電網(wǎng)二次調(diào)頻主要依靠火電機組?；痣姍C組具有響應(yīng)時滯長、機組爬坡速率慢的特性。如果頻繁進行大范圍的調(diào)節(jié)，一方面會對機組設(shè)備造成影響，不利于機組的穩(wěn)定和經(jīng)濟運行；另一方面，機組進行的超低排放改造也在一定程度上限制了火電機組的調(diào)節(jié)速率，降低了調(diào)節(jié)性能。

電化學(xué)儲能電池系統(tǒng)輔助火電機組進行二次調(diào)頻，具有響應(yīng)時間短（<100ms）、調(diào)節(jié)速度快（空載至滿載的調(diào)節(jié)時間<20ms）、調(diào)節(jié)精度高的特點。儲能輔助火電機組二次調(diào)頻既可以提高火電機組調(diào)節(jié)性能，也能顯著減少電網(wǎng)所需調(diào)頻備用容量。而且由于電池儲能系統(tǒng)響應(yīng)速度快、運行靈活，可以在滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求的同時產(chǎn)生動態(tài)效益。

本文針對電池儲能輔助火電機組二次調(diào)頻的特性，基于山東省某火力發(fā)電廠儲能調(diào)頻項目，研究儲能輔助火電機組二次調(diào)頻的配置、控制及工程建設(shè)方案，并對其經(jīng)濟性進行分析。

1 儲能輔助火電機組二次調(diào)頻

1.1 儲能輔助火電機組二次調(diào)頻過程

二次調(diào)頻也稱為自動發(fā)電控制（Automаtion Gеnеrаtor Control，AGC），是在生產(chǎn)高質(zhì)量電能的前提下，滿足電力供需實時平衡，應(yīng)對幾分鐘至十幾分鐘內(nèi)負荷變化。二次調(diào)頻的任務(wù)包括維持電網(wǎng)頻率在允許誤差范圍內(nèi)、控制互聯(lián)電網(wǎng)凈交換功率按計劃值運行、控制互聯(lián)電網(wǎng)交換電能量在計劃限值之內(nèi)，參與三次調(diào)頻等。

火儲聯(lián)合系統(tǒng)采用電池儲能系統(tǒng)接入廠用電高壓側(cè)母線的方式，利用電廠原有廠用變壓器的富裕容量，經(jīng)二次升壓后接入發(fā)電機出口?；痣娐?lián)合儲能二次調(diào)頻的基本過程如圖1所示，其過程如下：

（1）電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)實時的電網(wǎng)負荷情況、機組工作狀態(tài)及電網(wǎng)頻率情況，對機組進行遠程負荷調(diào)度，產(chǎn)生AGC指令；AGC指令通過遠程傳輸通道傳送至電廠RTU。

（2）電廠RTU將AGC指令傳輸至火電機組DCS，DCS一方面依據(jù)機組負荷限幅、負荷變化率設(shè)定值等調(diào)節(jié)機組的出力，跟蹤AGC指令；另一方面將AGC指令和機組出力等運行數(shù)據(jù)傳輸至儲能EMS。

（3）儲能EMS從電廠獲取AGC指令、機組當前出力值、儲能當前出力值等信號，結(jié)合儲能電池狀態(tài)，計算出儲能系統(tǒng)出力指令，并下發(fā)至儲能系統(tǒng)本地控制器；儲能系統(tǒng)本地控制器將指令分配給各儲能單元，控制儲能電池充放電。

（4）機組DCS通過內(nèi)部邏輯計算儲能系出力，并與機組出力進線疊加，作為AGC的反饋信號傳送至RTU；RTU將反饋信號傳回電網(wǎng)調(diào)度中心。

綜上所述，實現(xiàn)了電廠與電網(wǎng)調(diào)度中心的電力生產(chǎn)過程閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.2 儲能輔助火電機組二次調(diào)頻原理

頻率的二次調(diào)節(jié)就是移動發(fā)電機組的頻率特性曲線，改變機組有功功率來平衡負荷的變化，從而使系統(tǒng)的頻率恢復(fù)至正常范圍。

火電機組AGC調(diào)節(jié)存在以下幾個問題：

（1）受到能量轉(zhuǎn)換過程的限制，響應(yīng)時間長，一般在數(shù)10s的量級。

（2）調(diào)節(jié)速度慢，火電機組標準的調(diào)節(jié)速率（MW/min）一般不超過額定功率的3%。

（3）調(diào)節(jié)精度差，火電機組允許偏差為額定功率的1%。

電池儲能系統(tǒng)通過高頻電力電子裝置接入電網(wǎng)，沒有能量轉(zhuǎn)換過程所需的延遲和慣性，可以快速調(diào)節(jié)功率的大小和方向。儲能輔助火電機組二次調(diào)頻可以為響應(yīng)較慢的同步發(fā)電機啟動調(diào)頻提供足夠的時間。

儲能輔助火電機組二次調(diào)頻，儲能與火電機組在并網(wǎng)端并聯(lián)運行，共同出力跟蹤AGC調(diào)度指令，使之整體調(diào)節(jié)性能大幅改善。其AGC原理如圖2所示。電池儲能系統(tǒng)在接收到AGC指令后，利用其快速、精確的控制特點迅速彌補火電機組實時出力和AGC指令差值導(dǎo)致的功率需求缺口；隨著火電機組出力逐步趨近AGC指令，儲能系統(tǒng)出力響應(yīng)退出，直至最終全部由火電機組承擔，儲能系統(tǒng)適時進入充電模式，為下次響應(yīng)過程儲備能量。

圖2 儲能輔助火電機組AGC原理示意圖

2 儲能系統(tǒng)建設(shè)及火電機組改造

電池儲能具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點，但是又存在能量存儲少，使用壽命有限等不足。根據(jù)二次調(diào)的特點，結(jié)合火電機組的容量，以山東省某火力發(fā)電廠儲能調(diào)頻項目的實際情況來進行設(shè)計。

2.1 儲能系統(tǒng)配置

儲能系統(tǒng)設(shè)計方案應(yīng)確保儲能系統(tǒng)與發(fā)電機組長期互聯(lián)運行的可靠性、經(jīng)濟性和安全性，儲能電池在電力系統(tǒng)中應(yīng)用首先要選擇合適的功率和容量配置。

通過分析山東省內(nèi)電廠的AGC調(diào)頻的特性，97%的調(diào)頻指令在3%倍的機組容量以內(nèi)，對比已投入儲能輔助調(diào)頻后實際達到的效果，本項目儲能調(diào)頻系統(tǒng)電池方案選用3%倍的機組全容量（1C）配置方案，對于山東某電廠的兩臺350MW機組配置10MW/10MWh儲能系統(tǒng)輔助調(diào)頻。

山東區(qū)域電網(wǎng)AGC-R模式對機組的響應(yīng)要求高，為響應(yīng)負荷的快速波動，機組通常犧牲一定安全冗余，鍋爐燃燒穩(wěn)定性得不到保證，對機組各運行參數(shù)影響很大。本項目選用目前市場上應(yīng)用成熟的磷酸鐵鋰電池，其倍率指標、使用壽命、安全性能等可以滿足輔助火電機組二次調(diào)頻的要求。

本項目選擇低壓PCS并聯(lián)組網(wǎng)方案。采用低壓（400V）PCS，直流側(cè)接入磷酸鐵鋰電池，交流側(cè)多臺PCS并聯(lián)后，接入變壓器升壓至6kV，然后接入6kV廠用電母線。

2.2 RTU和DCS的改造

儲能系統(tǒng)接入后，儲能和火電機組共同響應(yīng)電網(wǎng)AGC指令，電廠RTU需將發(fā)電機出力和儲能出力信號合并后上傳電網(wǎng)，作為調(diào)頻考核依據(jù)。為此，需要對RTU和DCS進行改造。

對RTU改造主要包括：

（1）對機組出力和儲能出力信號疊加前、后的數(shù)據(jù)作為出力反饋信號回傳電網(wǎng)，即上傳機組出力、儲能出力和機組儲能疊加出力三個信號；

（2）根據(jù)調(diào)度要求，增加儲能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)與RTU的通信，以約定的通訊協(xié)議進行通訊傳輸數(shù)據(jù)，獲取儲能系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)；

（3）增加儲能廠用6kV段開關(guān)狀態(tài)信號；

（4）增加高壓廠用變高壓側(cè)有功，無功和電流信號。

對DCS的改造主要有：

（1）在機組DCS增加對儲能系統(tǒng)接入點的監(jiān)測，包括電流信號、電壓信號；

（2）DCS通過內(nèi)部邏輯計算出儲能出力，并與機組出力進行疊加，疊加前后的數(shù)據(jù)作為AGC反饋信號發(fā)送至RTU；

（3）增加DCS與儲能系統(tǒng)總控制單元的通訊，進行信號、狀態(tài)的交換。

儲能系統(tǒng)可根據(jù)電廠運行需求上傳儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，包括：儲能系統(tǒng)并網(wǎng)連接狀態(tài)反饋、儲能系統(tǒng)并網(wǎng)功率、儲能系統(tǒng)輔助調(diào)峰投入反饋、儲能系統(tǒng)充放電狀態(tài)等。儲能系統(tǒng)只從DCS系統(tǒng)接收指令或狀態(tài)，不向DCS系統(tǒng)發(fā)送指令，保證儲能系統(tǒng)增加后不影響電廠工控系統(tǒng)安全。

3 儲能輔助火電機組二次調(diào)頻的控制策略

3.1 儲能系統(tǒng)控制指令

決定儲能輔助火電機組二次調(diào)頻成效的關(guān)鍵在于儲能系統(tǒng)的控制策略。電池儲能系統(tǒng)需要依據(jù)AGC指令及機組的實時出力，結(jié)合儲能系統(tǒng)電池SOC等自身狀態(tài)參數(shù)，構(gòu)造儲能系統(tǒng)的出力指令，實現(xiàn)快速功率控制與調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 儲能輔助AGC控制框圖

3.2 控制策略

本項目選用基于區(qū)域控制偏差（Arеа Control Error，ACE）信號的控制方式。相對于傳統(tǒng)的滯后控制，基于ACE信號的控制方式可以充分利用儲能電池出力速度快的特點，控制儲能出力及時響應(yīng)AGC指令。

基于ACE的控制方式是指：當系統(tǒng)出現(xiàn)負荷擾動產(chǎn)生調(diào)頻需求時，對系統(tǒng)區(qū)域控制偏差信號，做為調(diào)頻指令分配給常規(guī)機組和儲能電池的控制方式?；贏CE控制方式的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型如圖4所示。

圖4 基AEC控制方式的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型

其中α為儲能出力在AEC信號中所占的比例系數(shù)，1-α為火電機組二次調(diào)頻出力在AEC信號之后所占的比例系數(shù)；?f（s）是系統(tǒng)頻率偏差；?PG（s）為常規(guī)機組出力，?PG（s）=?Ps（s）+?Pf（s）；?Pb（s）為儲能系統(tǒng)出力。通過計算可得：

從上式可以看出，儲能電源出力隨頻率偏差變化而增減，但是避免了PⅠ控制器的延時影響。在接收到AGC命令時，儲能系統(tǒng)瞬時響應(yīng)，出力大小與AEC信號成正比關(guān)系；AGC過程結(jié)束時，最終由火電機組二次調(diào)頻補充全部負荷增量，儲能電源出力減少至0。這種控制方式不僅可以保證系統(tǒng)的快速動作，還能實現(xiàn)儲能電源自適應(yīng)的減少SOC變化。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 考核指標

AGC是電廠向電網(wǎng)提供的有償服務(wù)，各區(qū)域電網(wǎng)都出臺有并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則和并網(wǎng)運行管理實施細則。以本工程所在華北區(qū)域為例，《華北區(qū)域電力并網(wǎng)運行管理實施細則（2022 年意見征求稿）》附件2規(guī)定了發(fā)電機組AGC服務(wù)的考核指標Kp：

式中，K1，調(diào)節(jié)速率，2-機組實際調(diào)節(jié)速率/機組標準調(diào)節(jié)速率；

K2，調(diào)節(jié)精度，2-調(diào)節(jié)偏差量/調(diào)節(jié)允許偏差量；K3，響應(yīng)時間，2-機組出力響應(yīng)時間/機組標準響應(yīng)時間。

AGC服務(wù)日貢獻補償費用計算如下：

式中，D為機組AGC日調(diào)節(jié)深度（MW）；CAGC，為AGC服務(wù)貢獻率；

Kpd，調(diào)節(jié)性能日指標，

YAGC，AGC補償標準（元/MW）。

調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時間決定了機組的調(diào)節(jié)性能指標，而調(diào)節(jié)性能指標又決定了補償費用的計算?；痣娐?lián)合儲能二次調(diào)頻能夠優(yōu)化調(diào)節(jié)性能指標，顯著提升火電廠AGC收益。

4.2 AGC服務(wù)補償收益

根據(jù)山東濱州某電廠#1、#2機組實際AGC調(diào)節(jié)性能指標，具體統(tǒng)計如表1。

表1

其中，YAGC為AGC補償標準，山東將調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易價格限值上限定為12元/MW（含稅），暫按上限計算；CAGC為AGC服務(wù)貢獻率，目前政策暫定直調(diào)公用火電機組AGC貢獻率為1.0，儲能設(shè)施AGC貢獻率為0.1，儲能電站聯(lián)合火電機組調(diào)頻取1。

加裝儲能后，原來#1、#2機組一年250天參與調(diào)頻的調(diào)頻里程由7500增加為9500，收益計算如下：

理論上項目新增年收益含稅為1631.86萬元。

5 結(jié)束語

本文基于山東省某火力發(fā)電廠儲能調(diào)頻項目，通過對儲能系統(tǒng)輔助火電機組二次調(diào)頻的過程和原理進行分析，提出本項目的儲能系統(tǒng)配置方案及對火電機組控制系統(tǒng)的改造方案，指導(dǎo)完成了工程建設(shè)；并進一步對儲能輔助火電機組的控制策略進行了分析，選擇使用響應(yīng)速度快、應(yīng)用成熟的基于ACE的控制方式；最后依據(jù)華北區(qū)域電網(wǎng)“兩個細則”及山東省政策對本項目的經(jīng)濟性進行了初步分析。最后將研究成果成功應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，顯著提高了該電廠2臺機組參與電網(wǎng)二次調(diào)頻的能力。