儲能輔助系統(tǒng)在熱電廠的應(yīng)用

馬 驥，張晉陽，郝俊利

(烏蘭察布市宏大實(shí)業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013650)

0 引言

風(fēng)電、光伏等新能源持續(xù)增長具有隨機(jī)性、間歇性和不穩(wěn)定性，新能源大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性造成沖擊，電網(wǎng)調(diào)頻需求大幅增加，對火電機(jī)組滿足電網(wǎng)的AGC調(diào)頻提出了更高要求。蒙西電網(wǎng)屬典型的火電調(diào)峰電網(wǎng)，電網(wǎng)供熱機(jī)組占火電機(jī)組的70 %以上，冬季為保證供熱導(dǎo)致火電機(jī)組的調(diào)峰靈活性受到影響。

在此形勢下，涌現(xiàn)出了在發(fā)電側(cè)建設(shè)的電儲能設(shè)施，可與機(jī)組聯(lián)合參與調(diào)峰調(diào)頻。儲能系統(tǒng)已被視為電網(wǎng)運(yùn)行過程中“采-發(fā)-輸-配-用-儲”六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。電網(wǎng)系統(tǒng)中引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地進(jìn)行需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差，平滑負(fù)荷。其不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用，或作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動的一種手段。所以，電力領(lǐng)域采用儲能技術(shù)具有重大戰(zhàn)略意義。

1 儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該儲能系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)為總功率9 MW，總?cè)萘?.48 MWh，為磷酸鐵鋰電池儲能，系統(tǒng)滿足0.5 h正常運(yùn)行時間。方案采用2 MW/995 kWh為一個儲能系統(tǒng)單元，共需要4.5個儲能系統(tǒng)單元。

單元儲能系統(tǒng)分為儲能電池部分和配電部分。儲能電池部分采用集裝箱式設(shè)計(jì)方案，箱內(nèi)主要由鋰電池模組，電池管理系統(tǒng)(battery management systen，BMS)、中控柜、溫濕度控制系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等組件組成。配電部分的集裝箱內(nèi)安裝雙向儲能變流器PCS和雙分裂變壓器。

1.1 單元儲能系統(tǒng)集成方案

每個單元由1個儲能電池集裝箱和1個配電集裝箱構(gòu)成。儲能電池集裝箱電池配置容量995 kWh，采用1臺30英尺(9.14 m)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，箱內(nèi)部配置安裝12套電池架、1套BMS、空調(diào)、照明、消防等輔助系統(tǒng)。同時需要1臺配電集裝箱，每箱內(nèi)部安裝4臺500 kW雙向逆變器和2臺1 MW雙分裂變壓器。儲能電池通過雙向逆變器進(jìn)行充放電，雙向逆變器再通過雙分裂變壓器接入6 kV母線。

1.2 儲能系統(tǒng)集成方案

儲能系統(tǒng)由5個單元儲能系統(tǒng)組成，總功率9 MW，總電池容量4.48 MWh。其中4個單元為2 MW/995 kWh，1個單元為1 MW/497.5 kWh，組成為能量型儲能產(chǎn)品，采用30英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，箱內(nèi)按用途分為隔離電氣倉和電池倉。

1.3 儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)工作流程

興和熱電廠為2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，發(fā)電機(jī)出線電壓為20 kV，升壓至220 kV系統(tǒng)接入電網(wǎng)。

9 MW儲能調(diào)頻系統(tǒng)分為5 MW和4 MW兩個系統(tǒng)，分別接入兩臺機(jī)組高廠變6 kV母線A段，分別輔助兩臺機(jī)組參與調(diào)頻，同時1號、2號儲能母線之間接入母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，也可合并為9 MW輔助任一機(jī)組參與調(diào)頻。

2 DCS控制系統(tǒng)信號接入與改造

該熱電廠的儲能輔助調(diào)頻總控單元與電廠DCS系統(tǒng)通過硬接線和光纖通信方式連接，接受調(diào)度AGC指令、DCS投切操作指令、反饋儲能出力、監(jiān)視開關(guān)狀態(tài)、記錄追憶信號等實(shí)現(xiàn)機(jī)組調(diào)頻。

2.1 DCS系統(tǒng)具體改造方案

(1) 將機(jī)組儲能系統(tǒng)出力(通過功率變送器)硬接線送至電廠DCS控制柜，電廠DCS系統(tǒng)將原有采集的發(fā)電機(jī)有功功率與儲能出力(3取中)合并后(相加求和)送至機(jī)組AGC采集裝置，再通過遠(yuǎn)動裝置上送調(diào)度。儲能系統(tǒng)出力方向定義與機(jī)組出力相同，即儲能系統(tǒng)放電(向電網(wǎng)輸出有功功率為正)，儲能系統(tǒng)充電為負(fù)(從電網(wǎng)吸收有功功率)。

(2) 調(diào)度下發(fā)的AGC調(diào)節(jié)指令通過4～20 mA的信號送至DCS，DCS向儲能控制器轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)組AGC指令、機(jī)組出力等電網(wǎng)調(diào)度和機(jī)組信息。

(3) 增加1號機(jī)組6 kV A段儲能高壓開關(guān)柜和380 V低壓開關(guān)柜監(jiān)控，包括開關(guān)柜狀態(tài)監(jiān)視和分合閘控制。

(4) 為完成上述改造內(nèi)容，2臺機(jī)組DCS分別增加以下內(nèi)容。

①4路模擬量輸入信號(4路AI)。

②13路數(shù)字量輸入信號(13路DI)。

③4路模擬量輸出信號(4路AO)。

④9路數(shù)字量輸出信號(9路DO)。

⑤1個監(jiān)控畫面：顯示控制儲能高壓開關(guān)和儲能低壓開關(guān)。

2.2 遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)部分信號傳輸

儲能輔助調(diào)頻需要從DCS系統(tǒng)獲取機(jī)組部分信息(包括模擬量輸出信號和數(shù)字量輸出信號)，都是單向、實(shí)時傳輸?shù)絻δ芸偪貑卧?/p>

3 儲能輔助調(diào)頻實(shí)際運(yùn)行情況分析

3.1 儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)的效果

3.1.1 儲能對機(jī)組設(shè)備的有效價值

該熱電廠儲能系統(tǒng)響應(yīng)AGC設(shè)點(diǎn)指令時間在2 s以內(nèi)，10 MW的調(diào)節(jié)深度能在20 s左右的時間內(nèi)完成，而該熱電廠機(jī)組實(shí)際調(diào)節(jié)速率為3 MW/min，低于《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理》中要求的一般的直吹式制粉系統(tǒng)的汽包爐的火電機(jī)組為機(jī)組額定有功功率的1.5 %，即5.25 MW/min的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率(該熱電廠為2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組)，因此降低機(jī)組調(diào)節(jié)速率可減少機(jī)組調(diào)速閥門進(jìn)入開啟和閉合的靜態(tài)慣性區(qū)間(俗稱死區(qū))次數(shù)，減少了機(jī)組頻繁動作、減輕了設(shè)備磨損、延長了運(yùn)維時間。

3.1.2 儲能輔助調(diào)頻性能實(shí)際效果

儲能系統(tǒng)與常規(guī)燃煤機(jī)組的有效結(jié)合使得AGC調(diào)頻性能大幅提升，儲能通過跟蹤AGC指令與機(jī)組出力，自動補(bǔ)償機(jī)組出力偏差，實(shí)現(xiàn)整體快速精確調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)有功功率和儲能合并出力幾乎與AGC指令曲線重合，有效減少了調(diào)節(jié)反向、調(diào)節(jié)偏差以及調(diào)節(jié)延遲等情況的出現(xiàn)。儲能系統(tǒng)啟動瞬間充放電功能，有效滿足了機(jī)組隨機(jī)負(fù)荷分量以及部分脈動分量的高頻波動，而對于小波動，緩慢出力的脈動分量及持續(xù)分量，火電機(jī)組應(yīng)對游刃有余。通過分析調(diào)頻歷史數(shù)據(jù)及趨勢，儲能的綜合響應(yīng)能力能夠滿足AGC調(diào)頻時間尺度內(nèi)的功率變化要求。

3.2 儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)的收益

國家能源局華北監(jiān)管局關(guān)于《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》（2019年修訂版）中，裝設(shè)AGC裝置并且由相關(guān)電力調(diào)度機(jī)構(gòu)AGC主站控制的機(jī)組，以參與系統(tǒng)ACE控制的程度進(jìn)行區(qū)分，按調(diào)節(jié)深度和調(diào)節(jié)性能的乘積進(jìn)行補(bǔ)償。主要介紹下調(diào)節(jié)性能的補(bǔ)償。對比兩臺機(jī)組三年的AGC調(diào)節(jié)性能，準(zhǔn)確反映出機(jī)組調(diào)頻能力，見表1 ( 2020年截至2月份)。

表1 2臺機(jī)組3年綜合調(diào)頻性能指標(biāo)

(1) 華北區(qū)域計(jì)算補(bǔ)償費(fèi)用公式：

日補(bǔ)償費(fèi)用=D×(lnKp+1)×YAGC(D為調(diào)節(jié)深度，Kp為調(diào)頻性能指標(biāo)，YAGC補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn))。

(2) 蒙西電網(wǎng)計(jì)算補(bǔ)償電量公式：

日補(bǔ)償電量=D×Kp×YAGC(D為調(diào)節(jié)深度，Kp為調(diào)頻性能指標(biāo)，YAGC補(bǔ)償系數(shù)）。

該熱電廠通過儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)大幅提高了綜合調(diào)頻性能指標(biāo)Kp值，由于機(jī)組整體調(diào)節(jié)性能的提高，機(jī)組的調(diào)節(jié)深度逐漸增大，進(jìn)而獲得了更多收益。

4 結(jié)論

(1) 通過儲能聯(lián)合調(diào)頻技術(shù)，提升了機(jī)組整體的AGC調(diào)頻能力，增加補(bǔ)償收益。儲能具有快速、精確調(diào)節(jié)特點(diǎn)，調(diào)頻效果是傳統(tǒng)燃煤機(jī)組的20倍以上，對電網(wǎng)頻率控制和安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，提高了新能源消納水平。

(2) 蒙西電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)主要以火電為主，優(yōu)質(zhì)調(diào)頻電源稀缺，供熱機(jī)組比重大，調(diào)峰調(diào)頻難度高，通過儲能聯(lián)合調(diào)頻技術(shù)，可以減少機(jī)組設(shè)備磨損，延長設(shè)備壽命，可以減少機(jī)組頻繁調(diào)節(jié)，降低發(fā)電煤耗。