儲能聯合火電機組參與調頻輔助服務市場的工程應用

毛慶漢

儲能聯合火電機組參與調頻輔助服務市場的工程應用

毛慶漢

（廣州發展電力集團有限公司，廣州 510623）

本文首先分析南方調頻輔助服務市場最新規則中調頻性能指標的構成，提高機組調頻性能可以顯著提升調頻收益。為提高機組調頻性能，提出一種燃煤機組儲能系統接入方案和控制策略，該方案在廣州中電荔新電力公司兩臺330MW機組實施，性能測試和運行結果表明，該方案顯著提升了機組的調頻性能，有效降低了中壓抽汽亞臨界機組對聯合調頻的影響，具有良好的經濟效益。雖然在現有政策下可以預見未來調頻儲能的收益將逐年下降，但隨著新能源大量接入，儲能調頻的需求將進一步增大。在廣東調頻輔助服務市場的激勵下，儲能調頻依然具備回收成本乃至盈利的前景。

儲能系統；機組儲能聯合調頻；輔助服務市場；綜合調頻性能指標

0 引言

近年來，廣東電網的規模、負荷結構日趨復雜，部分時段負荷波動速率較大，此外，風能、太陽能等可再生能源電源比例日益增加[1-3]，電網的安全穩定運行面臨嚴重挑戰，對優質調頻的需求日益提升。

煤電自動發電控制（automatic generation control, AGC）機組成本較高、性能較差，而儲能系統采用電力電子裝置，控制環節較為簡單且具有快速的響應能力，是優質的調頻資源[4-5]。國內外已有大量儲能調頻工程案例[6-8]，儲能系統快速精確的響應特性給機組調頻性能帶來的提升效果非常明顯[9-10]。

本文提出儲能聯合火電機組參與調頻輔助服務市場的接入方案、控制策略及工程應用。與現有同類工程相比，主要創新在于：該技術有效降低了中壓抽汽亞臨界機組對聯合調頻的影響，該智能型儲能AGC控制器首次在儲能聯合火電機組調頻場景中成功應用。

1 火電機組儲能聯合系統的調頻性能指標分析

1.1 綜合調頻性能指標

2020年9月1日《廣東調頻輔助服務市場交易規則》已經正式印發[11]，廣東調頻輔助服務市場正式啟動運行，這是我國首次真正意義上的輔助服務市場的實際運營案例。根據《交易規則》，綜合調頻性能指標定義為

1.2 火電機組關鍵指標分析

廣東調頻輔助服務市場的相關費用分為補償、繳納、考核三種。補償費用分為調頻里程補償和AGC容量補償。只有在廣東調頻市場中標發電單元才可獲得相應調頻里程補償費用。現貨電能量市場啟動后，調頻市場中標發電單元按照現貨規則計算發電單元留出AGC調頻容量產生的機會成本，作為其調頻容量補償。

中標發電單元在廣東調頻市場中提供調頻服務可以獲得相應的調頻里程補償。

廣東調頻市場以發電單元的調頻里程為交易標的。以歸一化后的發電單元綜合調頻性能指標將各發電單元的調頻里程報價進行調整，作為調頻里程排序價格。

式中：P為第個發電單元歸一化之后的綜合調頻性能指標；k為第個發電單元的綜合調頻性能指標；max為該臺發電機所屬調頻資源分布區內所有發電單元的綜合調頻性能指標中的最大值。

調頻里程排序價格的計算公式為

綜上所述，提升綜合調頻性能指標，可以使機組調頻里程排序價格更靠前，中標的可能性更大。綜合調頻性能指標越大，機組的調頻性能越好，中標時段的調頻里程越大。綜合調頻性能指標越大，調頻里程補償也越大。

2 儲能系統接入系統方案

儲能調頻系統主要由儲能電池、電氣一二次設備、儲能變流器、儲能控制系統，儲能能量管理系統（energy management system, EMS）、升壓變壓器和動力電纜、消防設施等構成。儲能調頻系統如圖1所示。

調度AGC指令下發到發電機組，該AGC指令同時被儲能系統讀取，由于火電機組響應速度較慢（分鐘級），儲能系統可以利用自身響應速度快（秒級）的特性先短時間內彌補機組出力與AGC指令間的偏差。待機組響應逐漸跟上指令后，儲能系統可以降低出力，確保儲能系統和機組聯合出力與AGC指令一致，并做好響應下一次AGC指令的準備。儲能調頻AGC出力示意圖如圖2所示。

控制方面，機組原有控制方式不變，接收AGC指令和機組出力反饋信號，控制火電機組出力跟隨AGC指令。無論是否接入儲能系統，機組均獨立控制出力跟蹤AGC指令，不控制和管理儲能系統的出力。圖3為接入儲能系統后的控制示意圖。

3 儲能系統控制策略

中電荔新2×330MW中壓抽汽亞臨界機組，因主要熱用戶獨特的供熱需求采用全國獨一無二的中壓抽汽汽包結構。

圖1 儲能調頻系統

圖2 儲能調頻AGC出力示意圖

圖3 接入儲能系統后的控制示意圖

機組的上述特性對聯合調頻帶來的影響主要體現在兩個方面：①供熱量的變化直接影響電負荷。增加中壓供熱，機組必須減少電負荷，反之亦然。當供汽量引起的電負荷變化方向與AGC調頻方向相反時，機組反方向調節，對機組儲能聯合調頻性能影響極大；②兩臺機組供汽量無法單獨控制，機組的汽壓和溫度波動較大，引起機組電負荷閉鎖。在這種情況下，火電機組儲能聯合調頻系統僅有儲能系統出力，AGC指令較小，儲能出力可以滿足AGC調頻要求，AGC指令較大，超出儲能調節范圍時，對綜合調頻性能影響較大。

針對機組的上述特點，采用“機組優化+儲能控制邏輯優化”技術方案，通過外掛先進控制系統優化機組的控制參數，提升機組的響應性能；通過優化儲能AGC控制器的控制邏輯，減少機組對聯合調頻的負面影響。

儲能系統調頻策略的主要特點如下：①基于調頻輔助服務綜合性能評價方法，設計儲能系統AGC控制指令的架構，形成“三段式”儲能AGC調頻的總體響應策略；②針對區域調頻特點及機組實時響應情況，優化機組和儲能的實時指令分配策略，有效提升聯合調頻系統在單方向合并指令和大指令情況下的影響性能；③考慮電池系統延壽和穩定儲能電池荷電狀態（state of charge, SOC），進一步優化儲能指令，減少儲能系統的吞吐電量，在保證調頻響應效果的情況下降低儲能系統的循環次數，延長電池循環壽命；并在AGC調頻控制過程中引入智能補電策略，有效減少儲能系統SOC過高或過低的發生概率，提高儲能系統的調頻可用率。

4 燃煤電廠機組儲能聯合系統的應用

該項目在中電荔新發電機組側安裝建設一套可切換電化學儲能調頻系統，容量為9MW/5MW?h，通過切換接入1、2號機組6kV廠用電母線工作段，并實現儲能系統響應電網AGC運行模式，滿足互鎖和切換功能。儲能系統電氣一次系統如圖4所示。儲能系統視1、2號機組實際并網運行情況，選擇其中一臺機組并與之聯合響應電網AGC帶基點正常調節子模式（base load regulated, BLR）。

圖4 儲能系統電氣一次系統

儲能系統電氣一次回路用四路電力電纜分4.2MW/2.45MW?h和4.8MW/2.8MW?h以一拖二的方式分別接入電廠1、2號機組廠用6kV母線Ⅰa段、Ⅰb段、Ⅱa段、Ⅱb段，如圖4所示，即第1組4.2MW/2.45MW?h儲能設備分別通過斷路器同時接入6kV Ⅰa、Ⅱa段，兩個斷路器之間配有機械閉鎖，不能同時合閘；第2組4.8MW/2.8MW?h儲能設備分別通過斷路器同時接入6kV Ⅰb、Ⅱb段，兩個斷路器之間配有機械閉鎖，不能同時合閘；當電廠AGC接收到電網AGC指令后，轉發給機組分散控制系統（distributed control system, DCS）和儲能EMS，儲能EMS根據AGC指令和實時的機組出力，控制儲能設備的充放電。儲能站只對單個機組進行輔助調頻，在儲能側6kV出線中，當Ⅰa、Ⅰb段儲能并網開關閉合時，Ⅱa、Ⅱb段儲能并網開關由于機械閉鎖，無法閉合。

5 性能測試

為驗證儲能電站的各相并網性能是否滿足GB/T 36547《電化學儲能系統接入電網技術規定》要求，對儲能調頻系統進行并網性能測試。

5.1 80%功率平臺下機組與儲能聯合AGC試驗

2020年11月20日11:15:14，2號機組AGC指令由264MW變為272MW，2min后變為289MW，再過5min后，目標值恢復至264MW。在此期間，每次AGC目標變化，儲能均能正確響應AGC指令；當聯合出力到達AGC目標值后，隨著機組功率向AGC目標靠近，儲能出力逐漸減小，并實時保證機組與儲能聯合出力維持在AGC目標附近。整個小指令響應過程中，聯合調頻的響應速度明顯優于機組單獨出力。小指令變化期間，儲能最大放電出力達到9.012MW，最大充電功率到達-9.657MW。整個變負荷過程中，機組的主汽壓力最大偏差1.034MPa。相關性能指標估算見表1～表3，試驗曲線如圖5所示。變負荷過程中，幅度較小的變負荷指令，由于儲能的快速出力，很快到達目標值，其綜合調頻性能會有較大的提高。

圖5 80%功率平臺儲能與2號機組聯合AGC變負荷的試驗曲線

表1 2號機組264→272MW變負荷AGC響應性能指標

表2 2號機組272→289MW變負荷AGC響應性能指標

表3 2號機組289→264MW變負荷AGC響應性能指標

5.2 機組負荷反向延時時間測定

機組變負荷試驗期間，開展反向延時測試。2020年11月20日14:38:13開始進行AGC實際負荷反向延時測試，實際負荷反向延時平均值為3.33s，滿足不大于120s的要求，小于機組單獨運行的反向延時時間91s。

6 項目運行收益情況

廣東調頻市場交易組織采用日前報價、日內集中統一出清的模式。參與調頻輔助服務的機組在日前進行發電單元里程報價。實際運行日以小時為周期集中統一出清。從2021年1月投入運行數據來看（見表4），中電荔新在調頻輔助服務市場中產生的總調節里程約202.9GW，正式出清的結算均價在16元/MW左右，值實際運行在0.79～1.44之間。項目最終獲得的收益由儲能廠家和電廠采取合同能源管理的模式進行分成。

表4 2021年1月調頻日性能k值與調頻里程

在現有政策下，考慮系統維護和中標概率，儲能年運行天數按270天計算；同時，隨著火電機組儲能項目的增加，近幾年預計結算價格將逐年降低，調頻繳納費用也會逐年降低。現有政策下儲能系統逐年收益評估見表5。項目總投資約3 400萬元，預計第2年可回收成本。由此可見，機組儲能聯合系統具備回收成本乃至盈利的前景。此外，機組儲能聯合系統也為電網提供了大量優質的調頻電源資源，對電力系統的頻率穩定、安全運行具有重要作用。

表5 現有政策下儲能系統逐年收益評估

7 結論

本文分析了新政下的儲能調頻指標，提出了一種機組儲能聯合系統接入設計方案和控制策略，通過在中電荔新電廠的應用表明，該方案能夠大幅改善火電機組的綜合調頻性能指標，有效降低了中壓抽汽亞臨界機組對聯合調頻的影響，明顯地增強了其在調頻輔助服務市場中的競爭力，并取得了較好的經濟效益，該智能型儲能AGC控制器是首次在儲能聯合火電機組調頻場景中成功應用，該項技術將繼續在其他集團所屬電廠推廣使用。

目前，在廣東調頻輔助服務市場的有效激勵作用下，儲能調頻具備良好的收回成本乃至創造利潤的前景，雖然在現有政策下值會逐年下降，影響調頻收益，但未來隨著新能源的大量接入，儲能調頻的需求仍會進一步增加，利潤前景良好。

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Engineering application of battery energy storage system coordinated with thermal power unit in regulating ancillary service market

MAO Qinghan

(Guangzhou Development Power Group Co., Ltd, Guangzhou 510623)

Fristly, the composition of the frequency modulation (FM) performance index in the latest rules of the frequency regulation auxiliary service market in southern China is analyzed in this paper. Improving the FM performance of the unit can significantly improve the FM revenue. In order to improving the FM performance of the unit, the access scheme and control strategy of the combination system are proposed. The battery energy storage system (BESS) project in Guangzhou Zhongdian Lixin Thermoelectric Company has verified the practicability of the proposed control strategy. After performance test and actual running, the project has good economic benefits. The influence of medium pressure extraction subcritical unit on combined frequency regulation is effectively reduced. Although it can be predicted that the revenue of FM energy storage will decrease year by year under the current policy, the demand for FM energy storage will further increase with the large number of new energy access. Finally, it is proposed that the BESS has the prospect of stable cost recovery and even profitability under the effective incentive of Guangdong regulating ancillary service market.

battery energy storage system (BESS); BESS coordinated with thermal power unit; ancillary service market; comprehensive frequency modulation (FM) performance index

2021-03-12

2021-04-13

毛慶漢（1974—），男，江西鷹潭人，本科，工程師，主要從事企業電氣技術管理、電力企業管理工作。