壓縮空氣儲能雙向參與電網一次調頻研究

文賢馗,張鴻福,楊大慧,鐘晶亮,馮庭勇

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002；2.國家電投集團貴州金元股份有限公司，貴州 貴陽 550002；3.貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

壓縮空氣儲能(compressed air energy storage,CAES)被認為是具有發展前景的大規模物理儲能技術之一，具有儲能容量大、污染小、具備轉動慣量、壽命長等優點[1-3]。

電力系統的一次調頻是有差調頻，是控制系統頻率、維護電網穩定的一種重要方式[4]。目前，國內電力系統一次調節的主要電源是火力發電和水力發電機組。新能源發電大規模接入電力系統后，其間歇性和波動性影響了電網的電能質量與頻率穩定性，使得電網調頻問題突出。現有的調頻能力已跟不上調頻需求，不能較好地保證電網安全、穩定地運行[5-6]。大容量電力儲能系統具有頻率響應快、可雙向調節等特點，參與電網一次調頻可以有效緩解新能源大規模并網后帶來的電網調峰調頻問題[7]。

目前，國內對儲能系統參與一次調頻已有較多的研究和應用。文獻[8]通過儲能系統輔助虛擬同步發電機參與一次調頻，研究了儲能系統參與一次調頻的可行性、經濟性與調頻能力。文獻[9]提出了超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統輔助風電機組參與電網一次調頻的一種控制方法。文獻[10]結合仿真模型研究和實際運行試驗,基于Cohen-Coon法對抽水蓄能機組參與一次調頻的調節參數進行優化。優化后的參數提高了抽水蓄能機組一次調頻時的調節性能和系統響應速度。文獻[11]針對風電接入電網后的慣性響應和頻率響應衰減，提出了一種超導磁儲能系統和電池儲能系統組成的混合儲能系統控制策略。國內關于大容量儲能系統參與一次調頻的研究，主要在抽水蓄能和電化學儲能系統方向，而關于壓縮空氣儲能系統參與電網一次調頻的研究較少。大多數的研究集中在儲能系統在發電側如何參與電網一次調頻，而關于用電側的研究較少。

本文研究了壓縮空氣儲能系統在發電側和用電側雙向參與電網一次調頻。在電力系統發電側一次調頻原理的基礎上，提出了壓縮空氣儲能系統在壓縮儲能階段參與響應電網一次調頻的方法，并在發電側和用電側分別構建參與電網一次調頻的功能模塊。同時，參考現有相關規程、要求，結合壓縮空氣儲能系統特點，設置相應參數，設計了整套調節控制過程。

1 壓縮空氣儲能系統

壓縮空氣儲能系統的壓縮儲能階段由壓縮機和電動機完成，膨脹發電階段由膨脹機和發電機完成。壓縮后的空氣儲存在儲氣罐內。

在電網處于電量富裕狀態時，啟動空氣壓縮用電儲能過程為：空氣進入電動機拖動的多級壓縮機進行多級壓縮，空氣壓力提升，存入儲氣罐備用。當電網處于電量緊缺狀態時，啟動空氣膨脹發電釋能過程為：壓縮空氣從儲氣罐進入多級膨脹機；多級膨脹釋能帶動同步發電機發電，乏氣排入大氣。

電動機功率為：

(1)

式中：Wm為電動機功率；Wc為壓縮機總耗功功率；ηm為電動機效率；ηc為壓縮機效率；n為壓縮機級數；Wci為第i級壓縮機耗功功率。

發電機功率為：

(2)

式中：Wg為發電機功率；Wt為膨脹機總做功功率；ηg為發電機效率；ηt為膨脹機效率；m為膨脹機級數；Wti為第i級膨脹機做功功率。

壓縮空氣儲能系統如圖1所示。

圖1 壓縮空氣儲能系統

2 雙向一次調頻原理

電力系統的基本特性是瞬時完成發電、輸電、配電和用電，必須保證發電和用電的實時平衡，否則會造成系統頻率的不穩定。

電力系統傳統的一次調頻是指在發電側，利用系統固有的負荷頻率特性，以及發電機組的調速系統作用，來阻止系統頻率偏離標準的調節方式。

發電側一次調頻原理如圖2所示。

圖2 發電側一次調頻原理圖

當電力系統頻率發生變化時，發電機組的轉速即發生變化。如果轉速的變化超出規定的不靈敏區(即死區)，調節系統就會動作，按照調差系數調整發電機的功率。也就是說，當系統頻率下降時，調節系統會自動增加發電機的功率；當系統頻率上升時，調節系統會自動減少發電機的功率。調整功率在上、下兩個方向均有幅值限制。

壓縮空氣儲能系統包含發電釋能和用電儲能兩個階段。在發電釋能階段，壓縮空氣儲能系統可以參與電網一次調頻。在用電儲能階段，壓縮空氣儲能系統可以借鑒發電釋能階段參與電網一次調頻的方式，通過調節壓縮機和電動機的耗電功率，響應電網一次調頻。

當電力系統頻率發生變化，超出規定的死區設置后，按照調差系數調整電動機的功率。也就是說，當系統頻率下降時，自動減少電動機的功率；當系統頻率上升時，自動增加電動機的功率，并設置幅值限制。用電側一次調頻原理如圖3所示。

圖3 用電側一次調頻原理圖

3 發電側一次調頻

3.1 功能模塊

根據壓縮空氣儲能系統的特點，構建其一次調頻功能模塊，包括頻差模塊、死區模塊、調差模塊、修正模塊和限幅模塊。接收膨脹機轉速信號，計算后輸出信號，控制膨脹機進氣調節閥開度以改變膨脹機輸出功率。壓縮空氣儲能系統發電側一次調頻系統如圖4所示。

圖4 壓縮空氣儲能系統發電側一次調頻系統圖

3.2 參數設置

一次調頻設置參數包括死區Δn、調差系數R和調節限幅L。

設置死區的目的是：當轉速波動較小時，可以過濾小擾動信號，使機組不參與調節，保持功率穩定運行。GB/T 31464—2015《電網運行準則》[12]規定：電液型汽輪機調節控制系統的火電機組和燃機死區控制在±0.033 Hz內；機械、液壓調節控制系統的火電機組和燃機死區控制在±0.10 Hz內；水電機組死區控制在±0.05 Hz內。根據壓縮空氣儲能系統的特點，建議死區范圍設置為±0.10 Hz以內。

調差系數R是電網頻率變化與機組功率變化的比值，在機組側一般用轉速不等率δ表示。其關系為：

(3)

帶基本負荷機組的轉速不等率設置得較大，而調頻機組的轉速不等率設置得較小。《電網運行準則》對轉速不等率δ的規定：火電機組和燃機為4%～5%，水電機組不大于4%。壓縮空氣儲能啟動迅速，建議設置為3～4%。

調節限幅L的作用是為了保證機組的安全、穩定運行。在壓縮空氣儲能系統發電釋能階段，儲氣罐壓力逐步降低，膨脹機進氣壓力逐漸增加，直至達到額定工況，并在之后保持壓力穩定。在運行中即使調節至功率為零的最小工況，儲氣罐壓力、膨脹機進氣壓力都不會有超壓的危險。膨脹機運行壓力對比如圖5所示。

圖5 膨脹機運行壓力對比圖

膨脹發電機能夠全行程調節，且調節時不會造成儲氣罐超壓。故調節上限幅值設置為機組最大允許運行發電功率，不設置調節下限幅值。

4 用電側一次調頻

4.1 功能模塊

要在用電側響應電網一次調頻，必須選用能夠調節用電功率的壓縮機類型。目前，電力系統中比較成熟的技術是采用直流變頻系統，并構建相應的調頻功能模塊。壓縮空氣儲能系統用電側一次調頻系統如圖6所示。

圖6 壓縮空氣儲能系統用電側一次調頻系統圖

壓縮空氣儲能系統中壓縮機和電動機由直流變頻裝置控制。直流變頻裝置包括調頻功能模塊和變頻功能模塊。調頻功能模塊接入電網系統頻率信號f，輸出壓縮機功率調整量ΔPm至壓縮機變頻功能模塊。變頻功能模塊接入原功率控制指令Pm，輸出最終功率P′m至電動機，帶動壓縮空氣儲能系統壓縮機工作。

4.2 參數設置

功能模塊參數中死區Δf、調差系數R與發電側一次調頻的參數設置相同。

調節限幅L中，壓縮空氣儲能系統在壓縮環節能夠全范圍調節，沒有安全限制，因此不設置調節下限幅值，調節上限幅值設置為電動機最大允許運行功率Pmmax。

4.3 調頻過程

將電網頻率信號通過算式(4)轉換為頻差信號Δfm：

Δfm=f-f0

(4)

式中：f0為系統額定頻率；f為實際頻率。

經過死區判斷后，通過式(5)，根據調差系數R來計算壓縮機功率調整量ΔPm。壓縮空氣儲能系統在用電儲能階段參與電網一次調頻時，電動機的運行功率在電網頻率下降時自動減少，在電網頻率上升時自動增加，與發電釋能階段的發電機功率變化相反。因此，電動機功率調整量ΔPm與膨脹發電時發電功率調整量的數值相同，但是正負相反。

(5)

式中：Pm0為電動機額定功率。

與發電側一次調頻相同，對原輸入功率指令Pm進行修正，得到修正功率Pm1。通過調整上、下限幅值限制功率，最終輸出控制功率P′m至電動機，帶動壓縮機工作。

5 雙向調節對比

對比壓縮空氣儲能系統發電側和用電側參與電網一次調頻的功能：發電側和用電側功能模塊參數中死區設置相同，調差系數R的數值相同、調節方向相反。雙向一次調頻功能對比如表1所示。

由表1可以看出，發電側和用電側的一次調頻功能模塊采集信號、動作對象和動作方向都是不同的。

6 結論

壓縮空氣儲能系統的用電儲能和發電釋能階段分開進行，因此可以在發電側和用電側參與電網一次調頻。

①發電側采集膨脹機轉速信號，經死區判斷后由調差系數計算其發電功率，經限幅控制后輸出至膨脹機、發電機控制系統，不設置調節下限幅值。

②用電側采用可調節用電功率的壓縮機、電動機采集電網頻率信號，經死區判斷后由調差系數計算其用電功率，經限幅控制后輸出至壓縮機、電動機，不設置調節下限幅值。

③發電側和用電側調差系數的數值相同，調節方向相反。