儲能火電聯合調頻的容量配置及收益預測研究

摘 ?要：隨著可再生能源的飛速發展和大范圍接入電網，電網對電源側調頻的能力要求也越來越高。儲能火電聯合調頻技術是目前用于提升火電機組調頻性能的主要措施，在實現電網有功平衡、維護電網頻率穩定方面的應用逐漸增多。故本文就儲能火電聯合調頻的優化配置及收益預測展開討論。

關鍵詞：儲能火電;聯合調頻;儲能系統

中圖分類號：TM935.26 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0043-03

Abstract：With the rapid development of renewable energy and large-scale access to the power grid，the ability of the power grid to adjust the frequency of the power supply side is also increasing. The energy storage thermal power combined frequency modulation technology is currently the main measure for improving the frequency modulation performance of thermal power units，and the application in realizing the power balance of the power grid and maintaining the stability of the power grid is increasing. Therefore，this paper discusses the optimal configuration and revenue forecast of energy storage thermal power combined frequency modulation.

Keywords：energy storage thermal power;joint frequency modulation;energy storage system

0 ?引 ?言

我國能源分布主要集中在中西部地區，東部地區屬于資源短缺、高耗能地區。能源與電力需求的逆向分布，是我國電力能源的主要特點。與此同時，隨著可再生能源的飛速發展和大范圍接入電網，進一步增加了電網系統的運行調控難度，電網對優質調頻資源的需求也越來越高。由于區域、地形以及地址環境等要素的限制，水電站在調節電網頻率方面具有一定的局限性，因此許多地區依然主要采用火電機組進行電網調頻。而火電機組調頻性能參差不齊，特別是燃煤機組性能較差。而且頻繁的進行出力調節，勢必會使火電設備產生巨大壓力，不但影響設備使用壽命，增加燃料損耗，同時也有可能造成一定設備運行風險，故有必要對儲能火電聯合調頻技術進行探討。

1 ?儲能調頻應用現狀分析

1.1 ?國際儲能調頻發展現狀

美國：美國從本世紀初就開始加大對儲能的研究力度，經過多年的研究試驗，發現儲能的調頻性能是火電機組的20余倍以上。隨后，美國2007年通過的“890法案”要求區域電力市場允許儲能等非傳統發電電源提供AGC調頻服務;2011年推出的“755法案”解決了儲能系統參與電網AGC調頻的合理回報問題;2013年7月，“784法案”進一步解決了儲能的身份問題，并增強了輔助服務市場的競爭力和透明度;2013年11月，“792法案”為儲能開設了快速并網審批通道，進一步掃清了儲能系統的并網障礙。[1]

韓國：韓國電力公司大規模采購儲能設備，預計規模達500MW，受此帶動，Kokam、三星SDI等韓國主要鋰離子電池廠商在韓國市場連續建設多個大型調頻儲能電站項目。2016年9月，韓國工業貿易和能源署（MOETI）宣傳將從2017年起對安裝了儲能系統的光伏電站也給予額外的可再生能源證書。根據MOETI的預測，由于新能源電站加裝儲能設備科獲取證書獎勵，預計截至2020年該政策可帶來800MWh的增量儲能需求，并創造4400億韓元（3.92億美元）產值。

1.2 ?國內儲能調頻發展現狀

我國儲能參與電網調頻發展較晚，雖然石景山熱電廠儲能項目在2013年已投運，但直到2017年華北地區出臺調頻輔助服務政策后才逐步得到推廣應用，根據CNESA研究部預測，儲能應用于調頻輔助服務領域的比例在2020年有望達到18%，2倍于現有的市場份額。[2]

從總體發展態勢上看，行業發展呈大幅上升趨勢，儲能配置容量大部分為機組額定容量的3%。蓄電池類型主要為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩大類。

2018年南方能源監管局發布了《廣東調頻輔助服務市場交易規則（試行）》并于2018年9月1日正式實施。該規則的印發標志著南方區域電力市場化改革又取得新的突破，進一步激發了市場主體提供更優質調頻輔助服務的積極性。

目前廣東地區調頻輔助服務市場鼓勵發電企業提供更高性能、更優質的調頻輔助服務。根據該規則，調頻性能越好的機組中標可能性越高，調頻服務時長越長，調頻里程越大，最終獲得的調頻里程補償和AGC容量補償更多。電化學儲能系統具有反應時間短、調節速率高、調節精度高的優勢，使得其比傳統調頻手段更為高效。近年來，隨著電池成本的下降，儲能火電聯合調頻項目逐漸增多，經濟性也逐漸呈現。

2 ?儲能火電聯合調頻原理分析

2.1 ?工作原理

作為一種新型的調頻技術，電化學儲能系統具有反應時間短、調節速率高、調節精度高等特點。根據美國太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的2008年研究報告顯示，平均來看，儲能系統的調頻效果是水電機組的1.4倍，是天然氣機組的2.3倍，是燃煤機組的20倍以上。儲能的AGC執行曲線幾乎與AGC指令曲線重合，基本不會出現反向調節、延遲調節及調節偏差等問題。因此，儲能系統適合與電網AGC調頻且儲能的綜合AGC調節性能要遠好于火電機組。[3]

在功能實現方面，儲能系統接入電廠高廠變低壓側，通過控制自身充放電來調節廠用電負荷，進而調節機組送出的有功值，以達到響應AGC信號、平衡電力系統有功、穩定系統頻率的目的。儲能系統與火電機組聯合調頻的接入原理如圖1所示。

2.2 ?系統組成

儲能火電聯合調頻系統組成包括AGC主控單元、高倍率功率型儲能長壽命電池、儲能雙向變流器、變壓器、開關柜等，系統一般采用集裝箱式單元化設計，可根據現場需要進行靈活組合，便于運輸、安裝、調試和維護。集裝箱內部集成電池、BMS、PCS、溫控、視頻監控、消防和照明等子系統，具有較高的安全性。

3 ?應用案例分析

以廣東地區某300MW機組為例進行容量配置及收益預測分析。

3.1 ?容量配置

在儲能火電聯合調頻系統中，在確定儲能系統功率配置時應考慮以下要求，一是儲能功率配置應大于機組調節死區，二是儲能功率應覆蓋大部分AGC目標出力與機組實際出力偏差值，三是應兼顧儲能設備的經濟性。

以廣東地區某300MW燃煤機組為例，整理其2018年的歷史運行數據，通過軟件分析后，統計如表1所示。

由表1的運行偏差分布可知，正常運行情況下，機組的AGC指令值與響應值偏差主要分布在6MW范圍內，但有少部分時段偏差分布在大于10MW范圍內。綜合考慮投資收益率、設備利用率等因素，配置9MW儲能系統可調節97%左右的指令值與響應值的偏差。

在儲能系統電量配置方面，由于儲能系統只用于補償AGC指令與機組出力的差額，在機組出力跟上后，儲能設備的出力應逐漸退出，因此電量配置應兼顧性能與經濟性。目前行業內在選擇儲能系統電量配置時，按滿功率充放持續0.5小時的配置。以上述機組為例，儲能系統配置容量為9MW/4.5MWh。

3.2 ?算例驗證

根據《廣東調頻輔助服務市場交易規則（試行）》，通過建立模型，對歷史數據進行仿真得出機組的調頻性能K值。選取2018年某日的歷史數據進行模擬仿真，未配置儲能系統時，其K值約為0.5。配置9MW/4.5MWh儲能系統之后的機組的K值約為1.3，較配置儲能前性能值提升了2.6倍。增加儲能系統后的機組運行曲線如圖2所示，儲能系統電量變化曲線如圖3所示。

4 ?效益分析

4.1 ?效益組成

儲能火電聯合調頻的收益主要來源于調頻輔助服務補償。以廣東地區為例，調頻市場補償費用分為調頻里程補償和AGC容量補償，在調頻市場中中標的發電單元可獲得相應調頻里程補償費用，所有提供合格AGC服務的發電單元均可獲得相應AGC容量補償費用。月度調頻里程補償計算公式如下：

4.2 ?效益分析

從上述收益計算公式中可以看出，廣東地區的AGC調頻市場按調頻效果補償，性能相對好的調頻系統獲得的補償較高。據不完全數據統計顯示，廣東地區在調頻市場運行初期，平均出清價格為18.6元;燃氣機組單機的K值最大為1.64，最小為1.01，平均為1.37;燃氣機組單機中標時長每天最大為23.99小時，最小為1小時，平均每天為10.86小時;390MW的燃氣機組平均K值為1.37，平均每小時調頻里程為158MW，其中K值大于1.3的機組平均每小時調頻里程為166MW，K值小于等于1.3的機組平均每小時調頻里程為147MW。

據此推算，如300MW燃煤機組配置9MW/4.5MWh儲能系統后K值達1.3，其每日調頻里程預計可達約1000MW。按每年運行300天計算，年收益約790萬元。

實際影響儲能設備調頻效益的因素有許多，包括政策、調頻需求、其他主體的市場行為、調頻性能計算規則等，故而準確測算項目效益與回報存在一定難度。而依據當前已投入運行使用的項目來看，均取得了較好的收益。但隨著配置儲能系統的機組數量的增加，其獲取的收益會被逐漸攤薄。

5 ?結 ?論

儲能系統由于反應時間短、調節速率高、調節精度高，并且可雙向調節，是一種優質的調頻資源，具有很高的應用價值。當電網發送AGC指令要求機組增加出力時，儲能系統放電，相當于增加機組對外輸出功率;當AGC指令要求機組降低出力時，儲能系統充電，相當于減少機組的對外輸出功率[4]。系統采用高倍率功率型儲能系統，具有秒級的功率響應速度，火電機組配置電化學儲能系統，不僅可以顯著提高機組的AGC性能指標，獲取可觀的經濟收益，而且可以減少機組的設備磨損，降低煤耗，提高電力系統的安全穩定性，具有很好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1] 封紅麗.2016年全球儲能技術發展現狀與展望 [J].電器工業，2016（10）：23-29.

[2] 《儲能產業研究白皮書2018》發布 [J].高科技與產業化，2018（4）：38-41.

[3] 賈璟瑤.基于火電廠AGC調頻的電池儲能系統SOC狀態評估 [D].北京：華北電力大學（北京），2017.

[4] 本刊編輯部.曙光初現——儲能在電力調頻領域的商業探索 [J].中國電力企業管理，2015（5）：21-23.

作者簡介：王琦（1988.12-），男，漢族，陜西西安人，項目管理工程師，工程師，本科，研究方向：儲能技術與應用。