邵忠衛(wèi)，李國良，劉文偉

（1.山西陽光發(fā)電有限責任公司，山西 陽泉 045200;2.晉能電力集團，山西 太原 030001）

火電聯合儲能調頻技術的研究與應用

邵忠衛(wèi)1，李國良2，劉文偉1

（1.山西陽光發(fā)電有限責任公司，山西 陽泉 045200;2.晉能電力集團，山西 太原 030001）

指出了先進大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)具有毫秒級精確控制充放電功率的能力，應用于電網調頻有著常規(guī)火電機組無可比擬的優(yōu)勢；火電聯合儲能調頻技術的應用將改善電網運行的可靠性及安全性，對構建堅強型智能電網并改善電網對可再生能源的接納能力具有重要意義。結合北京睿能世紀科技有限公司電池儲能與山西陽光發(fā)電有限責任公司2號機組聯合調頻的工程實踐，闡述了“火電聯合儲能調頻”的原理、協(xié)調控制策略、項目經濟性，結合實際運行經驗對儲能系統(tǒng)的安全生產進行了總結。

電池儲能；火電機組；聯合調頻；安全生產

1 國內外儲能調頻應用基本概況

目前，大容量儲能系統(tǒng)已經開始應用于電網自動發(fā)電控制AGC（automation generator control）調頻領域。在美國經過多年的實際運行論證，現在已經大規(guī)模采用。紐約州電力系統(tǒng)運行情況表明，9 MW的儲能調頻系統(tǒng)雖然只占其電網總體調頻容量的3.3%，其完成的調頻任務量卻占總體調頻任務量的23.8%，儲能系統(tǒng)能夠有效降低電網調頻容量。韓國已有300 MW儲能調頻系統(tǒng)投運，在未來3 a還將部署500 MW的儲能調頻系統(tǒng)。德國有100 MW儲能調頻系統(tǒng)正在建設。印度中央電力監(jiān)管委員會目前正在制定引進輔助服務市場的政策框架，要求2%～3%的發(fā)電容量用于調頻，將帶來4～5 GW的調頻市場潛力[1]。中國國內也開展了一些應用儲能實現削峰填谷的示范應用工程。

我國北部地區(qū)電源結構還是以大型火電機組為主，調頻電源主要依靠火電機組，機組功率調節(jié)任務繁重。火電機組長期承擔繁重的調節(jié)任務，會造成發(fā)電機組設備磨損嚴重，超凈排放目標難以實現等一系列負面影響，嚴重考驗電力系統(tǒng)的可靠運行。山西省科技廳曾在2015年山西省低碳創(chuàng)新重大專項煤電產業(yè)創(chuàng)新鏈中指出要重點研究提升省內發(fā)電機組的調頻性能。由于儲能系統(tǒng)的調頻效果遠好于任何常規(guī)發(fā)電技術，引入相對少量的儲能系統(tǒng)，就能夠迅速有效地提高區(qū)域電網應對新能源接入的挑戰(zhàn)。因此，如何應用儲能來改善火力發(fā)電廠的調頻性能得到廣泛關注。

2 電網的高性能調頻需求

根據國家能源局山西監(jiān)督辦公室統(tǒng)計口徑，截至2017年5月底，山西全省發(fā)電裝機容量76 849.1 MW。其中火電63 197.3 MW，占比82%；風電8 035.3 MW，占比10%；水電2 441.5 MW，占比3%；太陽能發(fā)電3 175 MW，占比4%。2017年1月—5月全省發(fā)電量完成1 057.95億kW·h。其中，火電953.25億kW·h；風電69.29億kW·h；水電16.22億kW·h；尤其是太陽能發(fā)電19.20億kW·h，發(fā)電量增速達到187%。

可以看出，山西省電源結構還是以大型火電機組為主，調頻電源幾乎全部為火電機組。由于火電機組區(qū)域控制偏差ACE（area control error）調節(jié)能力較弱，因此山西電網整體ACE調頻能力有限。特別在冬季，風電發(fā)電量增大，而大部分火電機組進入供熱期，調節(jié)能力進一步下降，造成電網整體的調節(jié)能力進一步下降，電網運行安全存在潛在隱患。要提高電網頻率的穩(wěn)定性，就必須提高區(qū)域的AGC控制性能，即提高機組對AGC信號的響應能力，包括響應時間、調節(jié)速率和調節(jié)精度等指標。

火電機組作為調頻電源的主力軍，其缺點是響應時滯長、機組爬坡速率低，不能準確跟蹤自動發(fā)電控制AGC指令，有時甚至會造成對區(qū)域控制誤差的反方向調節(jié)。由于一次調頻死區(qū)等非線性環(huán)節(jié)的存在，傳統(tǒng)的AGC線性模型控制方式不能實現良好的動態(tài)調節(jié)性能，火電機組性能不同則其響應速率不同，造成調節(jié)效果千差萬別。

為加強并網發(fā)電廠考核和輔助服務管理工作，提高電力系統(tǒng)電能質量和安全穩(wěn)定運行水平，華北電監(jiān)局針對華北區(qū)域電力系統(tǒng)的實際狀況制定了輔助服務管理實施細則，使得AGC成為了有償輔助服務。華北電網中，山西電網是國內實施兩個細則規(guī)范化最高的區(qū)域電網，到2017年3月補償總額已接近4 000萬元。

根據山西電網兩個細則，電網AGC考核采用式（1） 計算。

式中：BAGC——考核收益，元；

SAGC——有效考核深度，MW；

YAGC——調節(jié)性能補償標準，取15元/MW；

Kp——綜合性能。

式（1） 中Kp綜合性能按照式（2） 計算。

式中：K1——調節(jié)速率；

K2——調節(jié)精度；

K3——響應時間。

從式（1）可見，電廠想要獲得考核收益，必須提高Kp值及SAGC值。如果Kp＜e-1，那么日補償費用記為0元。機組效益的增加主要來自兩方面：一是提高機組ACE考核的性能指標Kp，從而提高系統(tǒng)ACE考核收益；二是提高機組出力響應速度，從而捕捉到更多ACE調節(jié)深度。兩個細則實施后，雖出現了協(xié)調控制系統(tǒng)調節(jié)品質較好的機組，但很多機組與兩個細則規(guī)定的AGC的調節(jié)指標還有不小的差距。

3 山西陽光發(fā)電有限責任公司儲能聯合調頻

山西陽光發(fā)電有限責任公司有裝機容量為4×320 MW的抽汽供熱機組， ACE調節(jié)性能較差，平時不參加在ACE工況運行調節(jié)。為此，火電廠技術人員開展了很多研究，對協(xié)調控制系統(tǒng)采取了多項措施，但效果并不如人意，迫切需要改善機組現有ACE調頻性能。

2016年9月在山西陽光發(fā)電有限責任公司2號機組實施了“聯合儲能輔助AGC調頻裝置改造”，2016年底完成工程建設，之后又完成了對1號機組與3號機組的接入工作。2017年5月23日儲能設備并網投入試運行。經過近2個月的AGC/ACE工況運行考驗，運行穩(wěn)定，實現了“儲能與火電機組聯合調頻”，圓滿完成了山西電網下達的AGC調頻任務、為電廠創(chuàng)造了可觀的收益，達到并超出了項目預期目的。

4 儲能聯合調頻系統(tǒng)組成與控制

4.1 系統(tǒng)原理與結構

聯合調頻基本原理是：在傳統(tǒng)火電機組中，增加儲能設備，以火電機組作為響應AGC調頻指令的基礎單元，而以儲能系統(tǒng)作為補充的快速響應單元。利用儲能系統(tǒng)快速調節(jié)輸出功率的能力，達到改善機組AGC響應速度和精度、緩解機組設備磨損并降低運行風險的目的。儲能系統(tǒng)運行不接入電廠機組生產控制邏輯，以對機組控制系統(tǒng)DCS（distributed control system） 最小變更為原則，避免改造帶來運行風險。

在儲能系統(tǒng)接入火電機組聯合調頻前，通過理論分析和數值仿真對儲能裝置接入電廠后的安全性問題進行了研究，在充分考慮儲能系統(tǒng)容量選擇、接入風險、安裝場地限制、施工周期與成本、機組檢修計劃等因素后，確定9 MW儲能系統(tǒng)將通過雙繞組變壓器接入6.3 kV廠用電系統(tǒng)[2]。儲能系統(tǒng)接入電廠示意圖如圖1所示。該接入方案具有施工周期短，工程造價低，對機組安全運行影響小等優(yōu)點。

圖1 儲能系統(tǒng)接入電廠示意圖

儲能系統(tǒng)主要由儲能單元、功率變換裝置PCS（power converter system）、通信與控制單元構成，系統(tǒng)包括MW級儲能單元，接入MVA級雙向功率變換裝置，通過升壓變壓器接入6.3 kV廠用電高壓回路。儲能系統(tǒng)輔助用電由電廠380 V廠用電提供。

儲能系統(tǒng)基于標準化的3 MW電池儲能單元設計，通過并聯獲得更大的功率容量，包括3 MW儲能單元，3 MVA雙向功率變換裝置[3]，通過升壓變壓器升壓到6.3 kV。儲能系統(tǒng)輔助用電接入電廠380 V用電回路，提供儲能系統(tǒng)照明、冷卻和控制系統(tǒng)用電，同時儲能系統(tǒng)內置UPS保障在輔助供電中斷情況下系統(tǒng)的運行安全。

4.2 協(xié)調控制策略

儲能系統(tǒng)接入山西陽光發(fā)電有限公司2號機組機端后，電廠儲能控制系統(tǒng)通過與2號機DCS控制系統(tǒng)和電廠遠動終端單元RTU(remote terminal unit)系統(tǒng)的通訊連接，獲取2號機組的實時生產數據，判斷機組運行現狀，并結合電網對機組的調度要求，經過內置算法分析處理，計算出優(yōu)化數據，下發(fā)給儲能系統(tǒng)功率裝置執(zhí)行，實現對2號機組生產的優(yōu)化性干預，達到大幅度提升2號機組生產性能指標的目的。

機組AGC工況運行下，電網通過機端RTU設備直接采集機組出力，并用于AGC考核計算。在儲能系統(tǒng)加入后，對機端RTU進行了改造，將機組出力與儲能系統(tǒng)出力在RTU后臺軟件進行合并后作為系統(tǒng)出力信號送至電網AGC系統(tǒng)，同時將原有機組出力信號送入電廠DCS作為機組出力控制反饋信號。

5 運行性能結果與經濟性效果

儲能聯合調頻項目于2017年5月23日至5月27日并網投入試運行，截至2017年7月，已經歷近2個月的考驗，期間進行各項技術性能測試和效益測算，均達到預期目標。

5.1 儲能設備技術性能指標測試結果

在儲能系統(tǒng)試運行和正式上線運行期間，對系統(tǒng)的技術性能參數進行了各項測試，測試結果如下。

a)出力控制誤差小于30 kW，小于儲能系統(tǒng)額定容量的1.5%。

b)額定功率下儲能系統(tǒng)并網線路損耗22.7 kW，占儲能系統(tǒng)額定功率容量的1.1%。

c)直流側（電池側） 能量效率92.66%；交流側（含PCS損耗和并網線路損耗）能量效率85.56%。

d)出力對AGC調度指令平均出力響應延遲約（含測量、控制、通訊回路延遲）3 s。

測試結果表明儲能系統(tǒng)出力控制精度高、響應速度快，對電網AGC調頻指令的響應速度、調節(jié)速率、響應精度明顯優(yōu)于火電機組。

5.2 并網運行AGC指標的改善

山西陽光發(fā)電有限公司2號機組帶儲能裝置試驗過程中，對機組、儲能裝置出力控制精度、響應時間，以及儲能裝置運行穩(wěn)定性和可靠性進行了監(jiān)控和測量。

在整個AGC閉環(huán)運行試驗期間，2號機組帶儲能裝置進行ACE閉環(huán)試驗整體運行穩(wěn)定可靠，機組AGC性能指標得到了大幅度提升，達到設計要求。

a)儲能裝置接入后對2號機組高廠變壓器運行穩(wěn)定性的影響。項目9 MW儲能裝置主功率回路通新增6240開關柜接入2號機組6 kV IIB段，輔助供電回路通過新增321902接入2號機組380 V IIB段。測試運行過程中，對2號機組6 kV段和低壓段內電壓、潮流進行了長期監(jiān)控和測試。測試結果表明，儲能裝置的充放電功率相對于高壓廠用段負荷較小，儲能裝置的投切和運行均未對2號機組6 kV段和低壓段內造成不利沖擊，儲能裝置的2號機組與儲能裝置運行平穩(wěn)。

b)2號機組與儲能裝置協(xié)調控制邏輯。儲能裝置接入后，與原有2號機組協(xié)調響應電網AGC調度指令，2號機組與儲能裝置協(xié)調控制邏輯原理為：當電網下達AGC調節(jié)指令后，2號機組DCS和儲能裝置同時接收電網指令，控制2號機組出力跟蹤電網調度指令；機組和儲能裝置會同時響應，機組響應較慢，儲能裝置會快速響應，隨著機組的響應，儲能裝置會根據指令和機組響應情況調整輸出或者儲存功率，完成一次調節(jié)過程，等待下一次調節(jié)指令的到來。

c)2號機組與儲能裝置聯合響應電網調度指令的典型曲線。2號機組帶儲能裝置進行ACE閉環(huán)試驗期間，機組與儲能裝置協(xié)調控制邏輯運行穩(wěn)定，總體上能夠有效可靠地響應電網上調和下調調度指令。圖2是儲能裝置和機組聯合響應AGC的曲線。

圖2 儲能裝置和機組聯合響應AGC曲線

如圖2所示，儲能裝置發(fā)揮了響應快速、調節(jié)精確可靠的特點，彌補了機組性完善機組調整速度不足，很好地改善了AGC的跟蹤效果。AGC閉環(huán)運行結果表明，2號機組與9 MW儲能裝置聯合響應山西電網AGC調度指令，系統(tǒng)性能指標大幅度提升，達到了預期設計目標，其中，調節(jié)速率達到19 MW/min，速率指標達到K1=1.77；調節(jié)精度達到0.73 MW，精度指標達到K2=1.75；響應時間達到15.3 s，響應時間指標達到K3=1.74；綜合指標Kp提升至5.19。

儲能系統(tǒng)對機組KP值大幅度提高，火電機組聯合儲能調頻的日平均Kp值達到5.0以上。山西陽光發(fā)電有限公司2號機組AGC調節(jié)性能位列山西電網第一名。

5.3 經濟性分析

經濟性能主要體現在項目總投資和每年收益水平上。其中年收益水平包括：AGC補償費用增加，耗電成本增高兩個方面，其中關鍵是AGC補償費用增加。

2017年5月在相同工況下，做了儲能裝置退出和投入兩種情況的實際運行情況的測試，具體數值見表1?？梢?，在可比運行工況下，未投入儲能裝置補償額日均為9 415元；投入儲能裝置后補償日均額為7 1115元；投入后是投入前的7.5倍。

表1 儲能裝置投入前后AGC補償費用

從表1運行記錄來看，在機組正常運行的情況下，系統(tǒng)AGC調頻的收入能夠維持在平均每小時3 000元的水平，即每天約7萬元調頻收益。

根據電廠相關數據核算，以1 a為單位計算，預計AGC補償費用提高約2 100萬元，耗電成本增高60萬元。年收益可達到2 040萬元。項目總投資4 280萬元，預計不到2.5 a即可收回投資成本，經濟收益顯著。

6 結束語

高比例可再生能源大規(guī)模并網導致傳統(tǒng)調頻電源面臨日益嚴重的調頻問題，利用“火電聯合儲能調頻”技術，可以有效地改善機組的AGC調節(jié)性能。用9 MW電池儲能接在火電機組端部，通過協(xié)調響應AGC指令，達到改善機組AGC調節(jié)性能的目的；但也存在一定的缺陷，主要表現在如果在AGC指令連續(xù)升或者降的過程中，儲能同樣會出現反調現象。因此，“火電聯合儲能調頻”技術在使用前，必須對機組的基本調節(jié)性能進行試驗，或者優(yōu)化優(yōu)化機組得AGC調節(jié)性能后，并及時解決儲能的反調問題，可以更加有效地提高AGC調節(jié)性能。

實踐表明，火電聯合儲能調頻技術指標達到預期，經濟效益顯著。火電聯合儲能調頻技術及其應用實踐，是在改善火電機組AGC調節(jié)性能方面所做的有益探索，在保證安全生產的前提下給機組帶來了可觀的經濟效益，為火電廠以及電網的調頻控制拓寬了思路。

[1] 胡娟，楊水麗，侯朝勇，等.規(guī)?；瘍δ芗夹g典型示范應用的現狀分析與啟示 [J].電網技術，2015，39(4)：879-885.

[2] 葉季蕾，薛金花，王偉，等.儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用現狀與前景 [J].中國電力，2015，47(3)：1-5.

[3] 郭永紅，謝小榮，王斌，等.MW級電池儲能系統(tǒng)輔助火電機組調頻 [J].中國電力，2015，47(12)：1-5.

Research and Application of BESS-aided Thermal Power Frequency-regulation Technology

SHAO Zhongwei1,LI Guoliang2,LIU Wenwei1
（1.Shanxi Yangguang Power Generation Co.,Ltd.,Yangquan,Shanxi045200,China；2.Jinneng Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanx i030001,China）

It is pointed out that advanced large-scale battery energy storage system can control over the power of charging and dischargingwith millisecond precision.It enjoys advantages which conventional thermal power units donot possess.The application ofjoint frequency control of thermal power and energy storage technology will improve the reliability and security of grid operation,and it will contribute to building strong and smart grid and improving grid compatibility with renewable energy.Based on the practice of joint frequency of battery energy storage of Beijing Ray Power Company and No.2 Unit in Shanxi Yangguang Power Generation Company,this paper analyzes the theoretical principles,coordination strategies and economy ofthe joint frequency project.Finally,it summarizes the safe operation ofthe storage systembased on practical operation experience.

batteryenergystorage;thermal power units;joint frequency-regulation;safe operation

TK323

A

1671-0320（2017）06-0062-05

2017-09-05，

2017-10-20

邵忠衛(wèi)（1970），男，山西永濟人，1996年畢業(yè)于東北電力大學信息工程專業(yè)，工程師，從事電廠電氣專業(yè)工作；

李國良（1971），男，山西臨猗人，1994年畢業(yè)于山西大學工程學院熱能動力專業(yè)，工程師，從事電力管理工作；

劉文偉（1973），男，山西五臺人，1994年畢業(yè)于山西大學工程學院熱能動力專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電廠生產管理工作。