儲(chǔ)能輔助電廠AGC 調(diào)頻前景分析

李 波，孟凡凡

（1.國(guó)家能源費(fèi)縣發(fā)電有限公司，山東 臨沂 273400；2.中冶北方（大連）工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

隨著可再生能源并網(wǎng)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，新能源電力固有的發(fā)電出力不確定性增加了新的電網(wǎng)波動(dòng)，使得電網(wǎng)調(diào)頻能力、電網(wǎng)調(diào)頻容量不足和調(diào)頻速率緩慢的問(wèn)題更加凸顯，因此迫切需求采用新的技術(shù)手段提升電網(wǎng)調(diào)頻能力。

2016年12月底頒發(fā)《電力中長(zhǎng)期交易基本規(guī)則(暫行)》[1]。不僅詳細(xì)規(guī)定了電能量中長(zhǎng)期交易規(guī)則，還對(duì)輔助服務(wù)市場(chǎng)化提出了指導(dǎo)性要求，是對(duì)“九號(hào)文”的進(jìn)一步深化。按照規(guī)劃，未來(lái)我國(guó)成熟的電力市場(chǎng)會(huì)有雙邊交易、中長(zhǎng)期交易、日前和實(shí)時(shí)交易等多種交易方式，特別是在風(fēng)、光、儲(chǔ)等新能源迅速發(fā)展、大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的背景下，完善優(yōu)質(zhì)的輔助服務(wù)是能量市場(chǎng)和電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

1 儲(chǔ)能輔助調(diào)頻的優(yōu)勢(shì)

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，解決區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)短時(shí)間、隨機(jī)性有功不平衡問(wèn)題，即電網(wǎng)頻率及聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率控制主要通過(guò)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）實(shí)現(xiàn)。它對(duì)調(diào)頻電源性能提出了能量密度高、功率密度大等要求，同時(shí)需統(tǒng)籌考慮能量轉(zhuǎn)換效率、使用壽命、環(huán)境特點(diǎn)以及成本等因素。

AGC 調(diào)頻輔助市場(chǎng)的傳統(tǒng)參與者為常規(guī)電源，主要包括煤電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組以及水電機(jī)組。這些電源系統(tǒng)將一次能源轉(zhuǎn)換成電能將經(jīng)歷一系列復(fù)雜過(guò)程。由于機(jī)械質(zhì)量的存在，軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中存在不可避免的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。同時(shí)，由于機(jī)械精度和控制精度的原因，調(diào)頻總體表現(xiàn)為調(diào)節(jié)延遲、偏差（超調(diào)和欠調(diào)）等。特別是煤電機(jī)組的AGC 調(diào)頻，與電網(wǎng)期望還有較大差距。雖然火電廠通過(guò)提升運(yùn)行靈活性，提升機(jī)組爬坡速度，縮短機(jī)組啟停時(shí)間，增強(qiáng)燃料靈活性，實(shí)現(xiàn)熱電解耦運(yùn)行，提高參與AGC 輔助服務(wù)的補(bǔ)償效果，但是傳統(tǒng)機(jī)組中電能與一次能源之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程復(fù)雜，且頻繁調(diào)節(jié)控制使得發(fā)電機(jī)組運(yùn)行波動(dòng)，造成機(jī)組機(jī)械部件疲勞和磨損，不利于機(jī)組的使用壽命和可用率。

煤電AGC 機(jī)組成本較高、性能差。煤電機(jī)組正常AGC 運(yùn)行中，由于調(diào)頻指令的頻繁反復(fù)變化（一般15 min 一個(gè)調(diào)頻周期），機(jī)組的各控制量也大幅來(lái)回波動(dòng)，如燃料、給水、送風(fēng)等。此時(shí)，雖然被控參數(shù)中的主汽壓力等較為穩(wěn)定，但為了被控參數(shù)的穩(wěn)定，過(guò)熱器管材和鍋爐水冷壁的熱應(yīng)力需反復(fù)調(diào)節(jié)變化。長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力頻繁變化易導(dǎo)致氧化皮脫落，進(jìn)而增加鍋爐爆管的概率。為了進(jìn)行響應(yīng)調(diào)頻，機(jī)組無(wú)法一直維持最優(yōu)發(fā)電曲線(xiàn)，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性下降。

儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)電力電子裝置，控制環(huán)節(jié)較為簡(jiǎn)單地利用儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助煤電機(jī)組優(yōu)化調(diào)節(jié)性能。最新發(fā)展起來(lái)的儲(chǔ)能技術(shù)采用電力電子技術(shù)進(jìn)行控制，響應(yīng)速度快，控制精度高，功率外特性好[2]，是優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源。尤其在電力市場(chǎng)環(huán)境下，儲(chǔ)能輔助調(diào)頻既能提高市場(chǎng)環(huán)境下電廠調(diào)頻輔助的服務(wù)能力和經(jīng)濟(jì)收益，也能為電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源，提高電網(wǎng)的調(diào)頻安全。

對(duì)于一個(gè)10 MW 的調(diào)頻指令，儲(chǔ)能技術(shù)可在2 s內(nèi)完成。比如，一個(gè)5 MW 的儲(chǔ)能系統(tǒng)，從-5～+5 MW只需要2 s。圖2 是一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)跟隨AGC 指令的結(jié)果儲(chǔ)能輸出曲線(xiàn)與AGC 指令曲線(xiàn)非常靠近，調(diào)頻效果遠(yuǎn)好于常規(guī)電源機(jī)組[3]。

圖1 煤電機(jī)組跟蹤電網(wǎng)AGC 指令的響應(yīng)過(guò)程

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)跟隨AGC 指令響應(yīng)曲線(xiàn)

2 電廠企業(yè)提升調(diào)頻能力的必要性

2.1 挖掘新的盈利點(diǎn)，增加企業(yè)收入

目前，我國(guó)電力建設(shè)總體超前，現(xiàn)有電源總裝機(jī)容量遠(yuǎn)超過(guò)用電負(fù)荷需求，傳統(tǒng)電源不再能夠滿(mǎn)發(fā)盡發(fā)，企業(yè)很難再通過(guò)多發(fā)多賣(mài)的模式增加收益。發(fā)電電源過(guò)剩的同時(shí)，優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰調(diào)頻電源卻相對(duì)緊缺。因此，企業(yè)需要轉(zhuǎn)變經(jīng)營(yíng)思路，通過(guò)提升自身調(diào)頻能力，積極參與電力輔助服務(wù)，從而爭(zhēng)取服務(wù)補(bǔ)償資金，實(shí)現(xiàn)煤電企業(yè)自身以及整個(gè)電力市場(chǎng)運(yùn)行的“雙贏”。

2.2 提升自身調(diào)頻競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，增加企業(yè)收入

電力調(diào)頻服務(wù)對(duì)發(fā)電企業(yè)是雙向的，發(fā)電企業(yè)既要接受電網(wǎng)的頻率考核繳納頻率考核和分?jǐn)傎M(fèi)，又可以依靠自身機(jī)組調(diào)頻能力參與調(diào)頻市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)獲取調(diào)頻費(fèi)用補(bǔ)償。一些技術(shù)水平先進(jìn)的電廠依靠機(jī)組自身調(diào)節(jié)能力基本滿(mǎn)足調(diào)頻市場(chǎng)對(duì)機(jī)組進(jìn)入市場(chǎng)的性能要求，調(diào)頻補(bǔ)償費(fèi)用可抵消頻率考核和分?jǐn)傎M(fèi)用同時(shí)還有盈余。同時(shí)，更多的老舊機(jī)組在調(diào)頻市場(chǎng)中中標(biāo)概率一般甚至難以中標(biāo)，調(diào)頻補(bǔ)償收益相對(duì)較少，難以抵消頻率考核和分?jǐn)傎M(fèi)用。

2.3 提前參與調(diào)頻輔助市場(chǎng)，搶占前期紅利

調(diào)頻輔助市場(chǎng)是個(gè)“先到發(fā)錢(qián)，都到?jīng)]錢(qián)，不到罰款”的趨勢(shì)。前期少量電廠增加儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)后，其調(diào)頻競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯，高頻率中標(biāo)獲得補(bǔ)貼；隨著增加儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)的電廠數(shù)量增多，調(diào)頻資源有限，中標(biāo)概率降低；剩余未裝設(shè)儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)的電廠機(jī)組，調(diào)頻性能低，難以中標(biāo)，無(wú)法獲取調(diào)頻補(bǔ)償費(fèi)用，但頻率考核和分?jǐn)傎M(fèi)用依然需要照常繳納，經(jīng)濟(jì)效益變差。

2.4 輔助調(diào)頻系統(tǒng)有利于電廠運(yùn)行可靠性，增加設(shè)備使用壽命

輔助調(diào)頻系統(tǒng)的投運(yùn)，可減少汽機(jī)DEH 系統(tǒng)閥門(mén)調(diào)節(jié)的頻次，降低其故障發(fā)生幾率，還可以減少鍋爐燃燒系統(tǒng)的擾動(dòng)，平緩主汽壓力溫度的變化，穩(wěn)定燃燒系統(tǒng)，降低脫硝反應(yīng)器入口氮氧化物的突變，減少其調(diào)整頻次和噴氮量，減少頻繁調(diào)節(jié)控制引起的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行波動(dòng)設(shè)備疲勞，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，提高電廠運(yùn)行可靠性和設(shè)備使用壽命。

3 結(jié) 論

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)輔助服務(wù)需求也在不斷增加，多地已有儲(chǔ)能項(xiàng)目提供輔助服務(wù)，盡快提高自身優(yōu)勢(shì)參與輔助服務(wù)市場(chǎng)搶占早期利潤(rùn)。火電廠聯(lián)合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)不僅可提高火電廠安全運(yùn)行水平、降低設(shè)備損耗，而且可以滿(mǎn)足電網(wǎng)AGC 輔助服務(wù)需要。適當(dāng)選用項(xiàng)目管理方式建設(shè)電廠輔助調(diào)頻系統(tǒng)，電廠可不需承擔(dān)輔助調(diào)頻項(xiàng)目投資成本的同時(shí)增加收益，實(shí)現(xiàn)多贏。