磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)在調(diào)峰電廠中的應(yīng)用

段志鵬，韓 冰

（山西京能呂臨發(fā)電有限公司，山西 呂梁 033000）

1 儲能系統(tǒng)簡介

儲能系統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)AGC調(diào)頻的技術(shù)優(yōu)勢已經(jīng)獲得論證。從2003年開始，美國各電網(wǎng)運營商、研究咨詢機(jī)構(gòu)、儲能設(shè)備供應(yīng)商等通過大量的火電廠調(diào)試數(shù)據(jù)與未安裝儲能裝置前后分析、對比均表明儲能技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)AGC調(diào)頻的效果遠(yuǎn)好于火電機(jī)組，對系統(tǒng)整體AGC控制有很好的改善作用。其中，2008年美國西北太平洋國家實驗室的分析報告指出，同等容量機(jī)組對比下，安裝儲能裝置系統(tǒng)后進(jìn)行電網(wǎng)AGC調(diào)頻的效果是水力發(fā)電廠機(jī)組的1.7 倍，是燃?xì)廨啓C(jī)的2.7 倍，是火力發(fā)電機(jī)組和聯(lián)合循環(huán)機(jī)組調(diào)頻效果的20倍。此后2010年3月紐約州電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)顯示，占其電網(wǎng)275MW總體調(diào)頻容量3.3 %的9MW的飛輪儲能調(diào)頻系統(tǒng)，完成了全網(wǎng)23.8 %的總調(diào)頻任務(wù)。此外，美國最大的電力市場PJM對儲能AGC調(diào)頻效果進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果顯示，在實現(xiàn)同樣的CPS頻率控制效果的前提下，應(yīng)用儲能調(diào)頻能夠降低超過50%的傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)頻容量，將大量傳統(tǒng)機(jī)組容量從繁重的AGC調(diào)頻功能中解放出來。

自從2007年，國家先后推出了一些與儲能相關(guān)法律法規(guī)，包括890法案、755法案以及784法案等，對儲能系統(tǒng)提供電網(wǎng)AGC調(diào)頻服務(wù)提供了有力的政策保障：（1）在市場資格準(zhǔn)入方面，允許儲能系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻市場；（2）在經(jīng)濟(jì)補償方面，要求電力市場需按照調(diào)頻效果付費的原則對儲能進(jìn)行合理的AGC補償；（3）在市場范圍方面，除了已有的電力市場（ISO/RTO），允許儲能為傳統(tǒng)的電力公共事業(yè)公司提供第三方輔助服務(wù)。可以預(yù)見，美國儲能技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)頻中的商業(yè)應(yīng)用市場將會迅速增長。

LiFePO4電池的工作原理是：電池充電時，正極材料中的鋰離子脫出來，經(jīng)過電解液，穿過隔膜進(jìn)入到負(fù)極材料中；電池放電時，鋰離子又從負(fù)極中脫出來，經(jīng)過電解液，穿過隔膜回到正極材料中。（注：鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的，所以鋰離子電池又稱“搖椅電池”。）磷酸鐵鋰電池與傳統(tǒng)鉛酸電池參數(shù)的比較（見表1）。

某電廠采用磷酸鐵鋰電池儲能技術(shù)在調(diào)峰過程中曲線比較（如圖1），從曲線中可以看到，跟蹤電網(wǎng)AGC指令過程中，儲能調(diào)整過的合并出力曲線要明顯好于機(jī)組單獨的出力曲線，儲能系統(tǒng)能夠快速有效地補償和修正機(jī)組出力與AGC指令間的偏差。AGC指令更新時，儲能系統(tǒng)能夠在1s內(nèi)完成出力方向的調(diào)整和出力功率的控制。在AGC指令的反向調(diào)節(jié)過程中，該特性和修正效果表現(xiàn)得尤為明顯。

圖1 磷酸鐵鋰電池儲能技術(shù)在調(diào)峰過程中曲線

2 儲能系統(tǒng)接線方式

3套儲能單元分別經(jīng)高壓室儲能出線20BCB32，20B CB33和20BCB34接入儲能就地6.3 kV母線段，儲能就地母線段通過進(jìn)線柜20BCB31和2號機(jī)6.3 kV母線段出線柜20BBB26接入廠內(nèi)6.3 kV母線（如圖2）。

圖2 儲能接線圖

3套儲能單元的輔助設(shè)備用電及配電房內(nèi)照明用電通過廠內(nèi)公用PC02段新增380V出線柜JOBHB12GS001引出，儲能配電房低壓室內(nèi)設(shè)分支開關(guān)分別供電給各儲能附屬配件。

3 儲能系統(tǒng)集成

3.1 儲能模塊（蓄電池儲能單元、輸出功率變換裝置）

儲能系統(tǒng)包括三個儲能單元（如圖3），1個儲能單元=1個蓄電池單元+1個雙向功率變換裝置（PCS）。一個儲能單元的額定功率是3MW，額定容量是1.477 MWh。每個單元中包含有16×26塊鋰電池。儲能系統(tǒng)共有3個儲能單元，總功率為9MW。可做充電（作為負(fù)荷，并網(wǎng)功率為負(fù)值）和放電運行（作為電源，并網(wǎng)功率為正值）。

圖3 控制原理圖

3.1.1 蓄電池單元

蓄電池單元選用美國A123Systems公司的磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)。在按照規(guī)程規(guī)定嚴(yán)格操作運行下，蓄電池的充放電次數(shù)可達(dá)到數(shù)百萬次，可使蓄能系統(tǒng)使用10年以上，減少蓄電池頻繁更換的投資費用。而且蓄電池在運行過程中不會排放危害環(huán)境的“三廢”，各種保護(hù)控制模塊齊全，高度集成，只需要檢修人員定期進(jìn)行檢查維修，不需要安排專人值班監(jiān)護(hù)。

3.1.2 雙向功率變換裝置（PCS）

雙向功率變換裝置作為儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的功率接口設(shè)備，承擔(dān)控制電網(wǎng)與儲能單元間能量雙向流動的功能，滿足功率控制精度和充放電快速轉(zhuǎn)換的響應(yīng)速度要求。該廠選用ABB公司PCS100逆變設(shè)備。其大容量功率變換裝置采用單級PWM全橋拓?fù)洌饕獦?gòu)成部分包括基于高頻功率半導(dǎo)體器件的雙向PWM逆變回路、網(wǎng)側(cè)濾波器、直流側(cè)和交流側(cè)保護(hù)裝置，以及外圍的數(shù)字控制回路、并網(wǎng)變壓器等。功率變換裝置內(nèi)置的數(shù)字控制單元檢測網(wǎng)側(cè)和直流側(cè)電壓/電流，控制高頻功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制逆變器交流輸出端的電壓幅值和相位，從而控制能量在電網(wǎng)與儲能系統(tǒng)間的流動。同時，功率變換裝置能夠滿足并網(wǎng)電能質(zhì)量要求，包括并網(wǎng)電流諧波、相間不平衡和直流分量的要求；滿足對電網(wǎng)適應(yīng)性要求，包括電壓和頻率波動范圍，故障穿越能力要求；具備完善的故障監(jiān)測和保護(hù)功能，包括直流側(cè)和交流側(cè)過電壓/電流保護(hù)、短路和接地故障保護(hù)、系統(tǒng)過載/過熱保護(hù)功能（如圖4）。

圖4 BESS電池儲能系統(tǒng)主回路單線圖

3.2 儲能系統(tǒng)控制系統(tǒng)

儲能控制系統(tǒng)由一組儲能系統(tǒng)總控制單元與3組儲能系統(tǒng)子控制單元構(gòu)成。其中，儲能系統(tǒng)總控制單元由睿能公司開發(fā)，儲能系統(tǒng)子控制單元采用PLC控制器，機(jī)組DCS為新華XDPS400e控制系統(tǒng)。

火電機(jī)組與儲能系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)頻的工作原理是在原機(jī)組的基礎(chǔ)上，在6kV母線上接入儲能系統(tǒng)，在AGC調(diào)節(jié)指令發(fā)出后，火電機(jī)組升降負(fù)荷未作出反應(yīng)之前，通過儲能系統(tǒng)快速進(jìn)行充放電，從而補充功率的變化，這樣提高了火電機(jī)組在AGC調(diào)節(jié)過程中的相應(yīng)速度和精確度，使曲線跟蹤更加緊密。在運行過程中，儲能裝置通過協(xié)調(diào)裝置指令接收此時機(jī)組發(fā)電容量和調(diào)度指令，對火電機(jī)組風(fēng)煤比、煤水比等干擾指令不會產(chǎn)生影響，對火電機(jī)組原先DCS控制指令，不會產(chǎn)生影響，屬于獨立的一套系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)控制子單元位于儲能系統(tǒng)集裝箱內(nèi)，接收儲能系統(tǒng)總控單元指令，并實際控制儲能系統(tǒng)運行和出力。

3.3 儲能系統(tǒng)DCS監(jiān)視及控制系統(tǒng)的主要功能

（1）監(jiān)控AGC指令、機(jī)組出力、機(jī)組和儲能合并出力、AGC指令和機(jī)組一次調(diào)頻動作。

（2）監(jiān)控機(jī)組AGC投入或退出狀態(tài)，儲能系統(tǒng)AGC投入或退出狀態(tài)。

（3）監(jiān)控儲能設(shè)備運行狀態(tài)，即儲能單元的運行，停機(jī)，維護(hù)等狀態(tài)。

（4）監(jiān)控操作員站與儲能系統(tǒng)通訊狀態(tài)。

（5）操作儲能系統(tǒng)，如儲能系統(tǒng)啟/停機(jī)，系統(tǒng)復(fù)位和儲能單元操作等。

3.4 儲能系統(tǒng)保護(hù)配置情況

儲能系統(tǒng)接入保護(hù)設(shè)計由冀北電力設(shè)計院進(jìn)行整體設(shè)計，并由華北電科院進(jìn)行保護(hù)值整定計算。儲能系統(tǒng)具備自主保護(hù)功能，正常運行故障情況下，儲能系統(tǒng)和6.3 kV開關(guān)能夠主動動作，斷開故障節(jié)點。同時，6.3 kV儲能出線開關(guān)與相應(yīng)功率變換系統(tǒng)（PCS）的480V側(cè)斷路器聯(lián)動。儲能出線開關(guān)故障動作會同時斷開PCS480V側(cè)斷路器。PCS480V側(cè)斷路器在下列故障動作情況下，會同時斷開儲能6.3 kV出線開關(guān)。

（1）儲能系統(tǒng)PCS集裝箱門打開。

（2）觸發(fā)儲能系統(tǒng)急停按鈕。

（3）儲能系統(tǒng)集裝箱探測到火警。

（4）儲能系統(tǒng)PCS集裝箱變壓器側(cè)門打開。

（5）儲能系統(tǒng)PCS6.3 kV升壓變壓器過溫超過200℃。

3.5 其他輔助系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)包含有5組冷卻裝置，不需要專門設(shè)置冷卻回路，儲能輔助系統(tǒng)需要380V，200A容量，由廠內(nèi)公用PC02段提供。儲能系統(tǒng)內(nèi)部具有UPS設(shè)計，在斷電情況下為控制系統(tǒng)和PCS提供電源，保證斷電情況下系統(tǒng)的運行安全。

儲能系統(tǒng)電池儲能單元采用集裝箱封裝，集裝箱內(nèi)集成了火災(zāi)探測報警系統(tǒng)和二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)，火災(zāi)探測報警系統(tǒng)能夠探測到集裝箱內(nèi)的異常情況并自動或手動啟動氣體滅火系統(tǒng)。報警信息可接入全廠火災(zāi)探測報警系統(tǒng)。

儲能系統(tǒng)具備自主保護(hù)功能，正常運行故障情況下，儲能系統(tǒng)和6.3 kV開關(guān)能夠主動動作，斷開故障節(jié)點。同時，6.3 kV儲能出線開關(guān)與相應(yīng)功率變換系統(tǒng)（PCS）的480V側(cè)斷路器聯(lián)動。儲能出線開關(guān)故障動作會同時斷開PCS480V側(cè)斷路器。PCS480V側(cè)斷路器在下列故障動作情況下，會同時斷開儲能6.3 kV出線開關(guān)。

（1）儲能系統(tǒng)PCS集裝箱門打開。

（2）觸發(fā)儲能系統(tǒng)急停按鈕。

（3）儲能系統(tǒng)集裝箱探測到火警。

（4）儲能系統(tǒng)PCS集裝箱變壓器側(cè)門打開。

（5）儲能系統(tǒng)PCS6.3 kV升壓變壓器過溫超過200℃。

4 儲能系統(tǒng)運行操作界面

4.1 儲能信息界面

2號機(jī)組儲能系統(tǒng)接入后，在集控室DCS增加儲能畫面，并新增2號機(jī)組儲能控制系統(tǒng)操作員站。運行人員可通過集控室DCS儲能界面（如圖5），以及2號機(jī)組儲能控制系統(tǒng)操作員站畫面對儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和操作。通過DCS儲能畫面可對廠內(nèi)6.3 kV母線段20BBB26出線開關(guān)，儲能就地6.3 kV母線段的20BCB31進(jìn)線開關(guān)，各儲能單元的出線開關(guān)（20BCB32，20BCB33，20BCB34）及備用開關(guān)20BCB35進(jìn)行操作，并監(jiān)控儲能系統(tǒng)接入點繼保裝置狀態(tài)、電流等測量信號。通過2號機(jī)組儲能控制系統(tǒng)操作員站畫面可對儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)、AGC調(diào)度指令、2號機(jī)組出力、儲能系統(tǒng)出力，儲能系統(tǒng)充放電狀態(tài)以及儲能系統(tǒng)啟停控制等進(jìn)行操作和監(jiān)控。

圖5 儲能界面

信息說明：

調(diào)度指令-電網(wǎng)AGC指令，由DCS或RTU下發(fā)至儲能系統(tǒng)。

機(jī)組出力-DCS采集機(jī)組出力并下發(fā)至儲能系統(tǒng)。

儲能出力-DCS采集儲能出力并下發(fā)至儲能系統(tǒng)。

合并出力-儲能系統(tǒng)合并機(jī)組出力和儲能出力。

一次標(biāo)志-DCS下發(fā)機(jī)組一次調(diào)頻動作至儲能系統(tǒng)：一次調(diào)頻動作或一次調(diào)頻不動作。

AGC標(biāo)志-機(jī)組AGC投入標(biāo)志，DCS下發(fā)至儲能系統(tǒng)：AGC投入或AGC退出。

儲能模式-儲能系統(tǒng)當(dāng)前工作模式：AGC投入或AGC退出。

4.2 儲能系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)界面

所有指示燈紅色為“正常狀態(tài)”，綠色為“故障狀態(tài)”（如圖6）。儲能-集控通訊狀態(tài)指的是儲能系統(tǒng)與儲能操作員站計算機(jī)直接的通訊狀態(tài)，在儲能系統(tǒng)與集控中心的操作員站通訊正常（即狀態(tài)指示為紅色）的情況下，儲能操作員站信息有效。

圖6 設(shè)備狀態(tài)界面

儲能設(shè)備總體狀態(tài)兩種：

正常：至少有一個儲能單元處于正常運行狀態(tài)。

停機(jī)或維護(hù)：所有儲能單元都不在正常運行狀態(tài)。

儲能單元分為1號，2號，3號，其運行狀態(tài)分為以下四種：

維護(hù)模式狀態(tài)：儲能系統(tǒng)正處于維護(hù)模式。

正常運行狀態(tài)：儲能系統(tǒng)正處于正常運行狀態(tài)。

故障停機(jī)狀態(tài)：儲能單元因故障單元進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

正常停機(jī)狀態(tài)：儲能系統(tǒng)正常流程進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

進(jìn)一步分析浮標(biāo)站在陣風(fēng)方面與周邊站點的關(guān)系,統(tǒng)計2016年各月5級及以上風(fēng)的頻次(表3),可以看出城區(qū)國家氣象站出現(xiàn)關(guān)注狀態(tài)(短臨業(yè)務(wù)陣風(fēng)達(dá)到5級進(jìn)入關(guān)注狀態(tài))的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它3個站點。存在這一現(xiàn)象的原因主要有兩點,國家站位于城區(qū)鑊子山山頂,本身根據(jù)近地面風(fēng)速規(guī)律,風(fēng)速值要高于拔海高度較低的站點,加之國家站周邊探測環(huán)境優(yōu)于區(qū)域自動站,對風(fēng)向風(fēng)速的干擾比較少,因此對較大陣風(fēng)的靈敏度相對要高一些。

4.3 儲能系統(tǒng)的投退操作

4.3.1 控制命令總覽

系統(tǒng)控制命令（如圖7）設(shè)計有權(quán)限保護(hù)，需要輸入相應(yīng)的賬號和密碼，賬號級別不一樣，權(quán)限不一樣。

圖7 系統(tǒng)控制命令界面

4.3.2 儲能系統(tǒng)啟停機(jī)操作

（1）正常啟動：在系統(tǒng)控制命令區(qū)，按“儲能系統(tǒng)啟機(jī)”按鈕，等待儲能單元進(jìn)入正常運行狀態(tài)。

（2）正常停機(jī)：在系統(tǒng)控制命令區(qū)，按“儲能系統(tǒng)停機(jī)”按鈕，等待儲能單元進(jìn)入正常停機(jī)狀態(tài)。

（3）AGC投入：在系統(tǒng)控制命令區(qū)，按“儲能AGC投入”按鈕，等待儲能模式為“AGC投入”工作模式（在機(jī)組-儲能信息中查看）。

（4）AGC退出：在系統(tǒng)控制命令區(qū)，按“儲能AGC退出”按鈕，等待儲能模式為“AGC退出”工作模式（在機(jī)組-儲能信息中查看）。

4.3.3 正常停機(jī)流程

4.3.4 需緊急停機(jī)情況

儲能系統(tǒng)運行過程中，如出現(xiàn)極端異常情況，運行人員可按照緊急停機(jī)流程，通過依次斷開3套儲能單元的出線開關(guān)（開關(guān)編號：20BCB32，20BCB33和20BCB34），直接切除儲能系統(tǒng)。遇到以下極端異常情況時，應(yīng)按照緊急停機(jī)流程進(jìn)行停機(jī)操作。

（1）運行人員觀察到儲能系統(tǒng)設(shè)備有煙霧、火光、儲能設(shè)備火災(zāi)報警器鳴響/閃爍情況，而保護(hù)裝置未正常動作。

（2）運行人員觀察到儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點電流、電壓、頻率異常，而保護(hù)裝置未正常動作。

（3）運行人員觀察到6.3 kV段內(nèi)異常，需要直接切除儲能系統(tǒng)。

（4）運行人員觀察到6.3 kV段內(nèi)異常，且原因不明，為了迅速排除可能故障源，需要切除儲能系統(tǒng)。

（5）2號機(jī)組運行過程中出現(xiàn)機(jī)組振蕩等惡劣情況下，需要切除儲能系統(tǒng)。

4.3.5 緊急停機(jī)流程

（1）進(jìn)入DCS儲能操作畫面。

（2）斷開儲能6.3 kV出線開關(guān)20BCB32，直接切除1號儲能單元。

（3）斷開儲能6.3 kV出線開關(guān)20BCB33，直接切除2號儲能單元。

（4）斷開儲能6.3 kV出線開關(guān)20BCB34，直接切除3號儲能單元。

（5）斷開儲能6.3 kV進(jìn)線開關(guān)20BCB31。

（6）斷開廠內(nèi)6.3 kV出線開關(guān)20BBB26。

5 儲能系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益

山西國家電網(wǎng)《兩個細(xì)則》對AGC機(jī)組的考核分為AGC可用率考核和AGC性能考核兩大版塊。因為磷酸鐵鋰電池蓄能裝置在AGC的調(diào)節(jié)和火電廠機(jī)組在AGC調(diào)節(jié)方面是相互不干擾的兩個系統(tǒng)，所以儲能技術(shù)應(yīng)用將直接提高電網(wǎng)對AGC機(jī)組調(diào)節(jié)性能的考核。調(diào)節(jié)性能的考核Kp值是對調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2、響應(yīng)時間K3的綜合性考核。公式為Kp=K1×K2×K3。

通過儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻，ΔP、ΔT值均有明顯降低，Kp值可由未投儲能前的小于1.0 提升至5.0 以上。根據(jù)機(jī)組調(diào)節(jié)深度D和綜合性能指標(biāo)Kp進(jìn)行AGC調(diào)節(jié)性能補償，Kp值的提高也意味著補償收益的增多。此外，Kp值的提高可以將火電機(jī)組從繁重的AGC調(diào)頻任務(wù)中解放出來，調(diào)頻的快速響應(yīng)能力帶來了相對穩(wěn)定的出力及高負(fù)荷率，這將減少燃煤機(jī)組由于頻繁過度調(diào)節(jié)造成對機(jī)組的損傷，將提高火電機(jī)組運行效率。

項目投運后，將為山西電網(wǎng)提供最優(yōu)質(zhì)的AGC調(diào)頻電源，預(yù)計每年將新增產(chǎn)值（AGC補償收益）總計約2000萬元。

實際情況，2018年11～12月投入儲能后兩月大致補償133.81 萬元，2019年全年投入儲能后全年大致補償979.79 萬元。

6 結(jié)論

通過安裝磷酸鐵鋰電池蓄能裝置后機(jī)組在電網(wǎng)AGC運行下，調(diào)節(jié)深度和調(diào)節(jié)性能進(jìn)行對比，得出磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果是燃煤機(jī)組的3.3 倍左右，同時也具有一定的靜態(tài)、動態(tài)及環(huán)境效益。當(dāng)前隨著新能源的快速發(fā)展，中國火力發(fā)電已經(jīng)從過去的單純論發(fā)電量轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的多重角色轉(zhuǎn)變。隨著煤炭成本的提高，現(xiàn)貨交易的推廣，火力發(fā)電盈利空間越來越小，安全穩(wěn)定可靠儲能系統(tǒng)低投入、高回報的優(yōu)勢必將在火力發(fā)電的應(yīng)用市場中迎來更多的青睞。