摘要：我國(guó)可再生能源電力裝機(jī)容量逐年增大，消納壓力持續(xù)增加，顯著增加了電網(wǎng)的調(diào)頻需求。目前華北地區(qū)的電源結(jié)構(gòu)以大型燃煤火電機(jī)組為主，調(diào)頻電源幾乎全部由火電機(jī)組承擔(dān)。新型儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻效能高于傳統(tǒng)火電機(jī)組，將不同技術(shù)路線的新型儲(chǔ)能引入傳統(tǒng)火電機(jī)組，可以有效提升調(diào)頻電源的質(zhì)量，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。鑒于此，以華北某火電廠為案例，研究燃煤機(jī)組與飛輪-電化學(xué)聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)方案，證明了火力發(fā)電廠應(yīng)用聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)具備一定的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電；調(diào)頻；飛輪儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能

中圖分類號(hào)：TM621" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）17-0023-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.006

0" " 引言

我國(guó)陸上風(fēng)電資源主要分布在東北、華北、西北地區(qū)，華北地區(qū)五?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)）風(fēng)能資源技術(shù)可開(kāi)發(fā)量位居全國(guó)首位，2022年華北地區(qū)五?。ㄖ陛犑?、自治區(qū)）風(fēng)電裝機(jī)9 852萬(wàn)kW，占全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量的26.6%[1]。陸上風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)將顯著提升電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻以及備用的需求，目前華北地區(qū)電源結(jié)構(gòu)以大型燃煤火電機(jī)組為主，二次調(diào)頻電源幾乎全部為燃煤火電機(jī)組[2]，會(huì)導(dǎo)致煤耗增高、設(shè)備磨損等負(fù)面影響，并影響電網(wǎng)安全和電能質(zhì)量。

新型儲(chǔ)能技術(shù)作為支撐新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)類型，其關(guān)鍵性和功能性日益凸顯[3]。隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)大，大規(guī)模儲(chǔ)能已由示范階段發(fā)展至初步商業(yè)應(yīng)用階段。現(xiàn)有的新型儲(chǔ)能技術(shù)種類繁多，包括電化學(xué)儲(chǔ)能[4]、壓縮空氣儲(chǔ)能[5]、氫儲(chǔ)能[6]及熱儲(chǔ)能[7]等，以上新型儲(chǔ)能技術(shù)路徑各有特點(diǎn)，適用于不同場(chǎng)景和需求。大規(guī)模新型儲(chǔ)能技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)頻日益受到關(guān)注，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成多個(gè)以電化學(xué)儲(chǔ)能為主的儲(chǔ)能調(diào)頻示范工程，包括北京石景山熱電廠電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)、南方電網(wǎng)深圳寶清電池儲(chǔ)能電站、湖南華潤(rùn)鯉魚(yú)江磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)等[8]。目前，國(guó)內(nèi)外主流的儲(chǔ)能調(diào)頻均采用了包括鉛酸電池、鎳氫電池、液流電池以及鋰離子電池在內(nèi)的電化學(xué)儲(chǔ)能路徑[9]。但是，儲(chǔ)能電池壽命難以超過(guò)2年；電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備功率一般按照機(jī)組全容量3%的經(jīng)驗(yàn)比例來(lái)配置，未根據(jù)具體項(xiàng)目特點(diǎn)深入分析其特性；未解決電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在安全隱患，尤其重要的是，深度充放電場(chǎng)景存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，本文以華北地區(qū)某火力發(fā)電廠的兩臺(tái)300 MW級(jí)超臨界燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為案例，研究了燃煤火電機(jī)組與飛輪-電化學(xué)聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合的設(shè)計(jì)方案和性能提升效果。

1" " 燃煤電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

該電廠位于華北某省電網(wǎng)末端，受限于設(shè)備老化狀況和燃煤品種的問(wèn)題，項(xiàng)目機(jī)組在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)力弱。統(tǒng)計(jì)該電廠近兩年內(nèi)共30天的AGC調(diào)頻指令分布，如表1所示。

由AGC指令深度來(lái)看，小于4 MW的指令數(shù)量占總指令的48.9%，小于9 MW的指令占比為82.8%，9～11 MW的指令占比為12.1%。從調(diào)頻指令時(shí)長(zhǎng)來(lái)看，30 s以內(nèi)的指令占比為21.8%，60 s以內(nèi)的指令占比為52.7%，大于60 s的指令占比為47.3%。

考慮到該項(xiàng)目的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為了保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，若本系統(tǒng)規(guī)劃配置9 MW/4.5 MW·h的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)和4 MW/120 MW·s的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，則其中可由飛輪儲(chǔ)能獨(dú)立響應(yīng)的指令占總指令的27.9%，飛輪儲(chǔ)能與機(jī)組同時(shí)響應(yīng)的指令占總指令的21.0%，聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)與機(jī)組同時(shí)響應(yīng)的占51.1%。

2" " 飛輪-電化學(xué)聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)及其工作機(jī)制

2.1" " 聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和儲(chǔ)能調(diào)頻輔助系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻功能，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

儲(chǔ)能單元通過(guò)功率變換裝置、升壓變壓器接入6 kV廠用電回路，升壓并聯(lián)到1#或2#機(jī)組的20 kV母線，再通過(guò)電廠主變送出。儲(chǔ)能單元分裝在7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，每個(gè)集裝箱配置電池或飛輪儲(chǔ)能單元以及溫控、消防、保護(hù)等系統(tǒng)；功率變換及升壓裝置安裝于6個(gè)中壓變流集裝箱內(nèi)。

當(dāng)機(jī)組調(diào)頻降低負(fù)荷時(shí)，聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電運(yùn)行狀態(tài)，由發(fā)電廠的6 kV廠用電母線經(jīng)變壓器和整流裝置向電池和飛輪充電。當(dāng)機(jī)組調(diào)頻增加負(fù)荷時(shí)，聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電運(yùn)行，經(jīng)過(guò)逆變裝置轉(zhuǎn)化為工頻交流電。由于飛輪儲(chǔ)能的參與，聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間縮減為幾百毫秒，極大地提升了調(diào)頻電源的質(zhì)量。

2.2" " 聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作機(jī)制

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，飛輪儲(chǔ)能與機(jī)組配合可以完全響應(yīng)的指令數(shù)量合計(jì)為48.9%，鋰電池儲(chǔ)能無(wú)須投入，可延長(zhǎng)鋰電池使用壽命。從AGC指令深度分布來(lái)看，小于9 MW的占比約為82.8%，9 MW以上的指令占比約為17.2%，雖然這部分指令數(shù)量比例較小，但由于指令調(diào)節(jié)深度大，對(duì)調(diào)頻輔助服務(wù)補(bǔ)償收益的貢獻(xiàn)率可以超過(guò)40%。

AGC指令的初始階段，機(jī)組響應(yīng)滯后，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)出力最大，飛輪儲(chǔ)能承擔(dān)尖峰負(fù)荷部分。當(dāng)鋰電功率大于AGC要求出力時(shí)，通過(guò)配置飛輪儲(chǔ)能，可以降低電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的尖峰出力倍率，延長(zhǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命。當(dāng)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率小于AGC要求出力時(shí)，通過(guò)配置飛輪儲(chǔ)能，可以增大儲(chǔ)能系統(tǒng)的總出力，提高聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)AGC指令的覆蓋率，增加調(diào)頻里程。利用飛輪壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，頻繁快速充放電，提高調(diào)頻服務(wù)的調(diào)節(jié)精度。

3" " 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)分析

3.1" " AGC調(diào)頻性能計(jì)算指標(biāo)

依據(jù)該地調(diào)頻和備用輔助服務(wù)交易實(shí)施的“兩條細(xì)則”文件，調(diào)頻性能指標(biāo)包括調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2、響應(yīng)時(shí)間K3。調(diào)頻性能綜合指標(biāo)Kp由公式（1）決定：

K_p=K₁K₂K₃ （1）

該地區(qū)電網(wǎng)AGC服務(wù)貢獻(xiàn)日補(bǔ)償電量Q計(jì)算如公式（2）所示：

Q=DK_pdY （2）

式中：D為日調(diào)節(jié)深度；K_pd為日調(diào)頻綜合性能指標(biāo)；Y為AGC調(diào)節(jié)性能補(bǔ)償系數(shù)。

3.2" " AGC調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性能分析

飛輪-電化學(xué)聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的設(shè)備材料費(fèi)用主要包括飛輪儲(chǔ)能集裝箱系統(tǒng)、鋰電池集裝箱系統(tǒng)、PCS集裝箱系統(tǒng)、高壓環(huán)網(wǎng)電氣及群控裝置集裝箱、儲(chǔ)能能源平衡系統(tǒng)、AGC調(diào)頻控制系統(tǒng)、集控集裝箱系統(tǒng)、工程設(shè)計(jì)施工等費(fèi)用，總計(jì)約4 120萬(wàn)元，具體明細(xì)如表2所示。

表3為該燃煤機(jī)組未增加儲(chǔ)能時(shí)調(diào)頻原有測(cè)算數(shù)據(jù)。#1機(jī)組原有Kp值為1.65，實(shí)際考核電量為2 150 MW·h，實(shí)際考核金額為61萬(wàn)元，實(shí)際補(bǔ)償電量為27 350 MW·h，實(shí)際補(bǔ)償金額為774萬(wàn)元；#2機(jī)組原有K_p值為1.62，實(shí)際考核電量為1 160 MW·h，實(shí)際考核金額為33萬(wàn)元，實(shí)際補(bǔ)償電量為39 570 MW·h，實(shí)際補(bǔ)償金額為1 120萬(wàn)元。

表4為該燃煤機(jī)組增加聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)時(shí)的測(cè)算數(shù)據(jù)。當(dāng)年運(yùn)行天數(shù)按300天計(jì)算時(shí)，#1機(jī)組的K_p值為4.8，日調(diào)節(jié)里程為3 200 MW·h，日補(bǔ)償收益為8萬(wàn)元，年收益為2 400萬(wàn)元，增量收益為1 626萬(wàn)元；#2機(jī)組的K_p值為4.8，日調(diào)節(jié)里程為3 200 MW·h，日補(bǔ)償收益為8萬(wàn)元，年收益為2 400萬(wàn)元，增量收益為1 280萬(wàn)元。

由此可見(jiàn)，增加飛輪-電化學(xué)聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，單臺(tái)燃煤機(jī)組年增量收益在1 200萬(wàn)元～1 700萬(wàn)元。

4" " 結(jié)論

大規(guī)模飛輪-電化學(xué)聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)具有毫秒級(jí)充放電的功能，應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻具有極大的優(yōu)勢(shì)。飛輪儲(chǔ)能既可單獨(dú)運(yùn)行，又可在調(diào)頻里程大于飛輪儲(chǔ)能容量時(shí)與電化學(xué)儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行，延長(zhǎng)電池壽命；此外，利用飛輪系統(tǒng)壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可以頻繁充放電提高調(diào)頻精度，提升調(diào)頻性能綜合指標(biāo)Kp值。聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)作為高性能調(diào)頻電源加入電網(wǎng)，可以減少火電機(jī)組承擔(dān)AGC任務(wù)的設(shè)備損耗，提高發(fā)電效率，減少排放，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

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收稿日期：2024-05-08

作者簡(jiǎn)介：樊宇航（1995—），男，陜西西安人，碩士研究生，工程師，研究方向：能源電力規(guī)劃、國(guó)際能源電力政策、碳達(dá)峰碳中和、新能源技術(shù)、綜合能源等。