儲(chǔ)能系統(tǒng)在火電廠中的應(yīng)用

張利明，任蓓蓓，郭 慶

（1.京能集團(tuán)山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046021；2.國(guó)網(wǎng)山西電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030000）

0 引 言

近些年，隨著時(shí)代的進(jìn)步，電網(wǎng)中開(kāi)始大規(guī)模并入風(fēng)電與光伏發(fā)電等新能源。因其發(fā)電特性固定，直接影響了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，其中以調(diào)峰與調(diào)頻兩方面表現(xiàn)最為明顯。冬天是風(fēng)電大發(fā)時(shí)節(jié)，因火電機(jī)組大部分進(jìn)入供熱階段，一定程度上降低了電網(wǎng)調(diào)頻能力，出現(xiàn)了嚴(yán)重的風(fēng)電棄風(fēng)問(wèn)題。電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的日益擴(kuò)大，一旦AGC調(diào)頻輔助服務(wù)需求得不到電網(wǎng)的滿(mǎn)足，就會(huì)嚴(yán)重制約風(fēng)電等新能源的有效開(kāi)發(fā)與利用，同時(shí)嚴(yán)重影響火電機(jī)組輔助服務(wù)雙細(xì)則收益[1]。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合分析

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻的意義

在電力生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理中，作為主要調(diào)頻資源，大型火電站燃煤機(jī)組儲(chǔ)能AGC調(diào)頻效果明顯較好。儲(chǔ)能系統(tǒng)引入量較少，有效緩解了區(qū)域電網(wǎng)缺乏調(diào)頻資源的問(wèn)題。本項(xiàng)目研究預(yù)計(jì)會(huì)直接影響電網(wǎng)AGC調(diào)頻運(yùn)行情況，明顯改善電網(wǎng)可靠性與安全性，對(duì)智能電網(wǎng)建立與可再生能源接納能力的改善產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。另外，如果在AGC調(diào)頻任務(wù)中大量火電機(jī)組不斷被解放，穩(wěn)定處理且負(fù)荷率日益提升，將有效改善機(jī)組燃煤效率，緩解因AGC頻繁調(diào)節(jié)引起的火電機(jī)組設(shè)備的疲勞和磨損問(wèn)題，提升機(jī)組使用效率，延長(zhǎng)其使用壽命，從而為社會(huì)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要保障。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)方案與主要技術(shù)條件

儲(chǔ)能技術(shù)的特征適合于電網(wǎng)AGC調(diào)頻。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，AGC發(fā)電自控系統(tǒng)主要是對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻電源有功出力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以此有效控制電網(wǎng)頻率與聯(lián)絡(luò)功率，從而為短時(shí)間內(nèi)因電網(wǎng)隨機(jī)性引起的有功不平衡現(xiàn)象的解決奠定基礎(chǔ)。在此情況下，AGC電源性能必須要滿(mǎn)足調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)精度高及調(diào)節(jié)頻率轉(zhuǎn)換方向等要求。

AGC電網(wǎng)調(diào)頻功能包含來(lái)自水電、燃?xì)馀c火電機(jī)組等常規(guī)電源。因構(gòu)成該電源的機(jī)械器件具有一定的旋轉(zhuǎn)慣性，必須要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜流程才能將一次電源成功轉(zhuǎn)換成電能。尤其是火電機(jī)組AGC調(diào)頻功能與電網(wǎng)調(diào)節(jié)效果存在的差距較大，如調(diào)節(jié)延遲、超出或不足等問(wèn)題。儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置能夠很好地配合電網(wǎng)響應(yīng)AGC指令來(lái)調(diào)節(jié)功率。

如果儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行比較成熟，在功率規(guī)定范圍內(nèi)的1s時(shí)間內(nèi)，指定功率輸出精度就會(huì)達(dá)到99%，其綜合響應(yīng)能力確保滿(mǎn)足了AGC調(diào)頻時(shí)間范圍功率轉(zhuǎn)換需求。由美國(guó)西太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacif i c Northwest National Laboratory，PNNL）2008年提供的一份研究報(bào)告指出，平均來(lái)講，相較之水電、天然氣及燃煤等機(jī)組，儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻效果分別是其1.4倍、2.3倍與20倍。若儲(chǔ)能系統(tǒng)為10MW，只需2s就可從+10MW降為-10MW，即若AGC指令為20 MW，應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)就可在2s內(nèi)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，儲(chǔ)能AGC追蹤與其指令曲線幾乎完全重合，即不再出現(xiàn)反向、偏差及延遲等一系列調(diào)節(jié)問(wèn)題?？梢?jiàn)，對(duì)于火電機(jī)組而言，儲(chǔ)能系統(tǒng)有著更加突出的綜合AGC調(diào)節(jié)性能。

1.3 實(shí)例分析

某電廠選用的儲(chǔ)能系統(tǒng)是由美國(guó)A123 Systems公司推出的磷酸鐵鋰電池。在世界范圍內(nèi)，該公司屬于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)頂尖供應(yīng)商，更是美國(guó)能源發(fā)展重點(diǎn)支持的企業(yè)。它獨(dú)特的納米材料Nanophosphate專(zhuān)利技術(shù)，保證了其儲(chǔ)能系統(tǒng)的高可靠性和安全性。在合理管理的條件下，系統(tǒng)循環(huán)充放電壽命達(dá)到百萬(wàn)次，確保系統(tǒng)使用壽命達(dá)到10年以上。截止到現(xiàn)在，該企業(yè)在中國(guó)、南北美、歐洲及非洲等地區(qū)銷(xiāo)售大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，總計(jì)已經(jīng)有超過(guò)100 MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)在美國(guó)及南美的多個(gè)電力市場(chǎng)提供AGC調(diào)頻服務(wù)，運(yùn)行效果良好，未發(fā)生系統(tǒng)事故[2]。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤電網(wǎng)AGC調(diào)頻響應(yīng)過(guò)程

近年來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)論證和項(xiàng)目運(yùn)行測(cè)試后，美國(guó)各電力市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始大量采用各種新興的儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)展電網(wǎng)AGC調(diào)頻服務(wù)。到2013年末，美國(guó)各地區(qū)電網(wǎng)AGC調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)?？傆?jì)實(shí)現(xiàn)100 MW。此種情況下，儲(chǔ)能技術(shù)促使電網(wǎng)規(guī)?；逃泌厔?shì)日益明顯，系統(tǒng)普遍達(dá)到了97%以上的可用率，且實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行?？梢?jiàn)，系統(tǒng)安全性和可靠性方面已經(jīng)具備參與電力正常生產(chǎn)的條件。

1.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)格局

現(xiàn)場(chǎng)安裝2.33 MW×15 min的儲(chǔ)能單元，在預(yù)置水泥支撐腳處整體就位集裝箱，以此確保儲(chǔ)能系統(tǒng)整體靈活布局。結(jié)合項(xiàng)目場(chǎng)地布局，合理組合并擺放該儲(chǔ)能單元、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備及制冷設(shè)備系統(tǒng)等，整個(gè)設(shè)備占地面積為20 m×7 m。

并聯(lián)不同模塊構(gòu)成大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，如2.33 MW的單模塊儲(chǔ)能系統(tǒng)。在本研究項(xiàng)目中，7 MW儲(chǔ)能系統(tǒng)包含2.33 MW模塊3個(gè)。對(duì)模塊面積、冷卻系統(tǒng)、逆變裝置與通道寬度等因素進(jìn)行綜合考慮，系統(tǒng)占地總面積達(dá)到500 mm2。參考20 m×25 m的方法布局，亦或是結(jié)合場(chǎng)地條件，對(duì)布局方式進(jìn)行靈活調(diào)整與設(shè)計(jì)。各單元儲(chǔ)能系統(tǒng)與室外安裝要求相一致，無(wú)需另外建設(shè)廠房。

2 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

參考國(guó)家能源局山西監(jiān)管辦制定的《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》，根據(jù)調(diào)頻電源AGC調(diào)節(jié)深度與性能之間的乘積進(jìn)行有效補(bǔ)償，即為AGC服務(wù)補(bǔ)償規(guī)則。

具體來(lái)講，針對(duì)某臺(tái)AGC電源，有[3]：

其中，日補(bǔ)償費(fèi)用為每日AGC調(diào)節(jié)深度的總和；當(dāng)天設(shè)備AGC平均調(diào)節(jié)性能通過(guò)其指標(biāo)進(jìn)行體現(xiàn)，包含調(diào)節(jié)速率、精度與響應(yīng)時(shí)間等；而元/MW則是補(bǔ)償價(jià)格的單位。這一規(guī)則在一定程度上反映了依照AGC調(diào)頻效果付費(fèi)原則有效控制電網(wǎng)AGC貢獻(xiàn)，得到了更高的AGC補(bǔ)償。

以項(xiàng)目7 MW儲(chǔ)能系統(tǒng)為例。該儲(chǔ)能系統(tǒng)投運(yùn)后，根據(jù)目前火電機(jī)組的AGC補(bǔ)償政策獲得收益。根據(jù)已有同類(lèi)項(xiàng)目運(yùn)行的實(shí)際情況，結(jié)果如表1所示。本項(xiàng)目7 MW儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助300 MW火電機(jī)組提供AGC調(diào)頻，項(xiàng)目每天將獲得約800 MW的有效調(diào)節(jié)深度，即每天獲得5萬(wàn)元的AGC補(bǔ)償收益，每年獲得1500萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)收益。

表1 加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)AGC補(bǔ)償數(shù)據(jù)

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)將顯著提升電廠AGC調(diào)節(jié)能力及收益

某電廠建設(shè)的兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)亞臨界燃煤循環(huán)流化床空冷機(jī)組，容量為3×105kW，其燃料以煤矸石與洗中煤為主，電壓等級(jí)為220 kV，與山西電網(wǎng)接入。受流化床機(jī)組屬性與煤質(zhì)等因素影響，機(jī)組AGC有限的調(diào)節(jié)能力無(wú)法獲得更多的AGC輔助服務(wù)補(bǔ)償。整個(gè)2013年，AGC補(bǔ)償每月平均僅有0.7萬(wàn)元。儲(chǔ)能系統(tǒng)正式投入運(yùn)行后，AGC調(diào)節(jié)能力將顯著增高，成為電網(wǎng)最優(yōu)質(zhì)的AGC調(diào)頻電源。

4 某電廠機(jī)組加裝儲(chǔ)能裝置投入ACE模式后存在的問(wèn)題

機(jī)組投入ACE模式后，在調(diào)試階段，原系統(tǒng)協(xié)調(diào)邏輯沒(méi)有改變，只將機(jī)組負(fù)荷變化率由原來(lái)的3.6 MW改為2MW。

存在問(wèn)題：

（1）負(fù)荷指令變化幅度大（變化范圍為5～12MW），且經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)加或連續(xù)減負(fù)荷情況（上下幅度可達(dá)到30 MW）。

（2）主汽壓變化幅度大。如果不進(jìn)行人為干預(yù)，在負(fù)荷指令變化情況下，機(jī)前壓力波動(dòng)范圍為-1.5～+1.5 MPa（在人為干預(yù)情況下，與AGC模式下的主汽壓相比較，波動(dòng)要大許多）。

（3）空預(yù)入口氧量波動(dòng)范圍較大（0.5%～1%）。因負(fù)荷指令變化，引起給煤量變化，進(jìn)而引起爐膛風(fēng)量變化量較大，從而導(dǎo)致空預(yù)器入口氧量變化，爐膛負(fù)壓變化能夠達(dá)到±700 Pa（由于鍋爐調(diào)節(jié)性能的滯后性，人為干預(yù)爐膛總風(fēng)量時(shí)，與AGC模式相比較，風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍較大）。

（4）二氧化硫變化（氮氧化物的變化還需觀察）。負(fù)荷指令變化引起煤量變化和風(fēng)量變化，從而導(dǎo)致二氧化硫排放值波動(dòng)（二氧化硫變化，可能會(huì)導(dǎo)致石灰石投入量變化，具體石灰石耗量增加與否還需要觀察一段時(shí)間）。

（5）電氣方面。6 kV母線電壓波動(dòng)幅度最大能達(dá)到約70 V，高廠變負(fù)荷波動(dòng)，但均在正常范圍內(nèi)。

（6）汽機(jī)側(cè)。因負(fù)荷指令的變化幅度比AGC模式時(shí)大，因此各監(jiān)視段壓力也經(jīng)常變化（但幅度不是太大），其他暫時(shí)未見(jiàn)異常。

（7）從DCS上看，負(fù)荷指令跟蹤基本正常，具體需參看調(diào)度方面的數(shù)據(jù)。

（8）由于負(fù)荷指令變化幅度大且較頻繁，鍋爐汽溫調(diào)整量增大，減溫水量波動(dòng)帶來(lái)汽包水位略有波動(dòng)，需進(jìn)一步優(yōu)化邏輯。

5 結(jié) 論

綜合分析，火電機(jī)組加裝儲(chǔ)能裝置能夠滿(mǎn)足電網(wǎng)AGC輔助服務(wù)需要，實(shí)現(xiàn)多贏，使電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)更加精確、快速，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)潮流均勻分配，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電廠之間共贏的目的，同時(shí)提高火電機(jī)組安全運(yùn)行水平。