PG9171E型燃氣-蒸汽聯合循環機組實現儲能黑啟動及輔助調頻技術探討

溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司, 廣東 深圳 518052)

近十幾年來,世界各地發生多起電網大停電事故,如美加大停電、紐約大停電、海南大停電、珠海澳門大面積停電等,這些重大事故都造成了災難性的社會影響和經濟損失。電網的大面積停電事故使電網對電廠的黑啟動能力日益重視。

黑啟動是指在電力系統因故障停運后,系統全部停電,處于全“黑”狀態,不依賴其他幫助,通過系統中具有自啟動能力的發電機組啟動,帶動無自啟動能力的發電機組,逐步擴大系統的供電范圍,最終實現整個系統恢復供電的過程。

儲能作為一個新興產業,近年來在國內發展迅速,目前已在各地區電力系統中有一定規模的投入。儲能系統具有充放電轉換靈活、功率因數可調、響應速度快等優點[1],而燃氣輪機能夠快速啟動、寬幅加載和靈敏響應[2],這與黑啟動在某些方面的需求相契合。因此“燃氣輪機發電+電池儲能系統”的混合發電解決方案, 在現有燃氣輪機電站設計上稍加改進就可以成為一個合格黑啟動電站。

1 電廠概述

某電廠現有3套9E燃氣輪機聯合循環機組,采用“一拖一”方式運行,即1臺120 MW燃氣輪機帶1臺60 MW汽輪機獨立運行。3臺燃氣輪機均為PG9171E型燃氣輪機,3臺汽輪機均為聯合循環雙壓凝汽式。每臺發電機額定電壓均為10.5 kV,經升壓至110 kV,廠出線電壓等級采用110 kV。升壓站采用室內設計,采用雙母線運行方式,共計6臺主升壓變,3臺110 kV高壓廠用變及6回110 kV出線。全廠設置3臺高壓廠用變壓器從110 kV系統引接電源,#01、#03高廠變作為主供廠用6.6 kV電源,#02高廠變為廠用電6.6 kV聯鎖備用電源。

3套聯合循環機組自編號分別為#1/#2機組、#3/#4機組及#10/#11機組。其中,#1、#3、#10 為 9E 燃氣輪機,#2、#4、#11為汽輪機。圖1為某電廠改造前電氣一次接線圖。

圖1 某電廠改造前電氣一次接線圖

2 黑啟動方案

2.1 基本原則

根據與南方電網簽訂的黑啟動技術協議,電廠接到調度指令后,在有限時間將本廠運行方式調整至初始可控狀態,確保廠用公用系統供電,做好向周邊電廠、變電站送電準備工作。

根據本電廠原有電氣一次接線圖,擬先利用儲能系統作為外部電源,啟動#1、#3、#10燃氣輪機至空載滿速,通過死母線合閘功能,電源送至110 kV 母線5 M/6 M/7 M,通過投入#01或#03高壓廠用變壓器,切換廠用電方式,實現燃氣輪機帶廠用電運行,并退出儲能系統,將本廠運行方式按照電網要求實現初始可控狀態。

2.2 聯合循環機組黑啟動所需容量統計

2.2.1 單套9E聯合循環機組黑啟動容量需求分析

由于電廠單套聯合循環機組未設計旁路煙囪,燃氣輪機不具備單循環啟動條件,因此要實現PG9171E型燃氣輪機黑啟動需要考慮單臺燃氣輪機啟動至空載滿速的必要負荷及余熱鍋爐和汽輪機輔助系統黑啟動負荷。考慮到電網故障失電不確定性,機組黑啟動負荷以聯合循環機組設備處熱態狀態下啟動時所需最大負荷來計算。#1、#3、#10燃氣輪機均是由GE公司生產,但#1、#10機由法國阿爾斯通公司配套燃氣輪機發電機,其拖動電機功率為1 000 kW;#3機由印度BHEL公司配套燃氣輪機發電機,其拖動電機功率為1 305 kW。因此,以本廠啟動#3機的聯合循環設備所需負荷來計算,詳見表1。

2.2.2 熱態情況下,其他機組盤車所需負荷

在電網失電后,為了保證其他機組能夠按照調度要求隨時啟動,必須把其他機組的盤車及冷卻系統正常投入運行。表2為其他機組盤車所需負荷。

表2 其他機組盤車所需負荷

2.2.3 熱態情況下,燃氣輪機啟動至空載滿速

為了優化負載,根據設備實時狀態情況按照以下原則進行相關設備啟動(啟動#3機為例):(1) 全廠失電后,利用儲能系統通過開關接入#02高廠變低壓側母排恢復各套機組照明、冷卻水系統,投入各機組滑油、盤車系統;(2)恢復#3/#4機啟動時所需負載廠用電源;(3)根據#3機啟動過程中煙氣溫度變化情況,逐一投入余熱鍋爐高壓/低壓循環水泵、給水系統、蒸汽系統、汽機真空系統、汽機側高壓/低壓蒸汽旁路系統、凝結水系統等;(4)#3機運行空載滿速后,通過死母線合閘功能,投入#01、#03高壓廠用變壓器,采用同期并聯切換方式,廠用電供電方式由儲能系統供電切換至#01或#03高廠變供電,最終實現#3機帶自身廠用電運行。

根據2.2.3啟動負載順序,該廠#3燃氣輪機啟機至空載滿速過程中所需廠用電負荷變化曲線如圖2所示。

圖2 #3燃氣輪機啟機至空載所需廠用電負荷變化曲線

3 輔助調頻方案

3.1 儲能輔助調頻優勢

為了保障電網的穩定,南方電網要求發電機組須擁有調頻義務,調頻能力強的機組可以通過電力輔助服務賺取利潤。代表電廠調頻能力的好壞由三個考核指標來決定,分別為調節速率、響應速度、調節精度,又稱K1、K2、K3,三者的綜合指標為K。K值是影響調頻收益的最重要指標之一,K值越大,在調頻輔助服務競爭中就更有優勢,調頻收益也就越高。對發電企業來說,提升K值就是提升利潤。

儲能系統參與輔助調頻具有以下優勢:(1)響應速度快,1～2 s;(2)調節速率快,可以在1 s以99%以上的精度完成指定功率輸出;(3)調節精度高,儲能電網自動發電控制(AGC)跟蹤曲線幾乎與AGC指令曲線重合。

3.2 基本思路

考慮到該電廠發電機組主變的額定容量,擬把儲能系統調頻回路通過調頻變壓器接入汽輪機發電機主變即#2主變、#4主變、#11主變的低壓側。

4 儲能系統配置及接入方案

4.1 儲能系統配置選擇

從圖2中可見,啟動最大功率約7 250 kW,燃氣輪機啟動至空載滿速所需時間約26 min,需要能量為0.681 kW·h。按照單臺燃氣輪機黑啟動允許啟動時間120 min作為每次啟動時間來計算,啟動所需能量約2.045 MW·h。考慮黑啟動失敗的可能性,設計容量按照兩次黑啟動所需容量,容量應不小 4.1 MW·h。儲能系統參與輔助調頻,放電深度維持在60%左右,容量應不小于6.83 MW·h,再考慮儲能放電效率90%,儲能容量衰減到80%,容量應9.5 MW·h。綜合考慮功率及容量,配置9 MW/9 MW·h儲能系統,儲能電池充電和放電倍率均為1 C(C是電池充放電倍率的單位),即一小時可充滿或放光9 MW·h電量。

儲能電池系統由3套3 MW/3 MW·h磷酸鐵鋰電池儲能系統組成,每套包括蓄電池組、電池管理系統BMS、儲能變流器PCS(雙向工作)、能量管理系統EMS。其中蓄電池組采用模塊化設計,由若干電池串并聯組成,從而獲得更大的功率容量。蓄電池組經PCS、隔離變壓器與系統相連,并通過BMS和EMS對電池和能量進行控制管理。每個電池組均裝有BMS對電池的充放電進行在線管理,BMS與PCS通過以太網與后臺監控相連,執行充放電控制策略。

儲能系統帶有一路充電回路、儲能黑啟動回路及儲能輔助調頻回路。每套蓄電池組經過PCS、隔離變壓器后輸出6.6 kV至儲能系統母線。

為了保證儲能系統在全廠失電后能正常工作,設計了儲能站用電源系統,為儲能系統的照明、暖通和控制系統等輔助設備提供電源。它是由兩路380 VAC冗余電源通過自動切換裝置后獲得,一路接入電廠380 V廠用電,另外一路接入站用變壓器6.6 kV/380 V低壓側,從而保障在輔助供電中斷情況下儲能系統設備運行安全。

4.2 儲能黑啟動回路接入方案

儲能6.6 kV系統設計6.6 kV 6M、7M、8M儲能母線段,每一段母線容量均為3 MW/3 MW·h。6.6 kV儲能母線段設置了聯合開關和聯絡刀閘,3套3 MW儲能電源可以并聯使用,保證黑啟動過程中微網容量足夠支撐輔機功率突變與波動。

如圖3 所示,6.6 kV 6M段母線通過黑啟動供電開關662H接入#02高廠變低壓側母排,作為黑啟動時廠用電供電電源。6.6 kV 2M段母線引一回線路通過充電開關6072接入6.6 kV 7M段,作為儲能電池的充電回路。

圖3 儲能系統示意圖

4.3 儲能輔助調頻回路接入方案

選擇#2、#4、#11汽輪機發電機出口作為各機組聯合輔助調頻接入口。汽輪機發電機出口電壓為 10.5 kV,因此從每段儲能母線上通過開關接入一臺6.6/10.5 kV升壓變(#1調頻變、#2調頻變、#3調頻變),從每臺升壓變高壓側通過隔離開關分別接入#2 、#4 、#11 汽輪機發電機出口,以實現 AGC 輔助調頻功能。每套儲能系統可單獨對一臺機組實施輔助調頻功能,也可以通過儲能母線母聯開關實現多套儲能系統對一臺機組實施輔助調頻功能。圖4為儲能系統接入電廠示意圖。

圖4 儲能系統接入電廠示意圖

5 儲能系統黑啟動實現方法

5.1 廠用電運行方式

該電廠廠用電電壓等級為6.6 kV和400 V。6.6 kV 1M、6.6 kV 2M、6.6 kV 3M段母線正常運行,由#01高廠變供電、#02高廠變供電開關聯鎖備用;6.6 kV 4M、6.6 kV 5M段母線正常運行,由#03高廠變供電、#02高廠變供電開關聯鎖備用。

3套聯合循環機組正常運行,分別由6.6 kV 3M/4M/5M三段廠用母線各自供電,因此每段6.6 kV廠用母線需具備黑啟動能力。為了保證燃氣輪機啟動所需功率及負載容量,儲能6.6 kV 6M/6.6 kV 7M、6.6 kV 7M/6.6 kV 8M段母線之間設置母聯開關,燃氣輪機黑啟動時,3套3 MW儲能采用并聯使用運行方式。儲能6.6 kV 6M、6.6 kV 7M、6.6 kV 8M段母線并聯后經開關接入廠用6.6 kV各段母線。

5.2 儲能系統啟動方案

儲能系統選擇黑啟動方式,儲能母線段建壓完成。運行人員根據選擇啟動燃氣輪機通過#02高廠變低壓側母排來恢復相應6.6 kV段電源,恢復機組啟動所需廠用電源。

黑啟動基本方法:儲能黑啟動方式→儲能6.6 kV 6M/7M/8M母線段建壓→恢復機組廠用電→燃氣輪機啟動→死母線合閘→110 kV 母線帶電→投入#01、#03高廠變→同期切換機組廠用電(退出儲能系統供電)→根據電網要求繼續恢復其他燃氣輪機或外送電源。

6 儲能輔助調頻功能實現方法

6.1 基本原理

在燃氣-蒸汽聯合循環機組中,增加儲能設備,以燃氣輪機機組作為響應AGC 調頻指令的基礎單元,以儲能系統作為補充的快速響應單元。利用儲能系統快速調節輸出功率的能力,達到改善機組AGC 響應速度和精度、緩解機組設備磨損并降低運行風險的目的[3]。

6.2 控制策略

儲能系統接入后,對原發電機組響應電網AGC指令進行修改,修改基本方法如下:電網通過遠動裝置RTU下發AGC負荷調節指令,機組DCS系統和儲能控制系統EMS同時接收AGC指令,控制機組出力跟蹤電網調度指令。機組DCS系統和儲能控制系統同時響應,機組響應較慢,儲能控制系統會快速響應。隨著機組的響應,儲能控制系統會根據負荷指令和機組響應出力情況來調整其輸出或儲存功率。當機組實際出力低于AGC指令要求時,儲能系統放電饋送電能;反之,當機組實際出力高于AGC指令要求時,儲能系統充電吸收電能,從而主動彌補機組實際出力與AGC指令間的偏差,如圖5 所示。

圖5 儲能輔助調頻系統控制策略示意圖

7 結語

與傳統黑啟動電源相比,儲能系統具有占地規模小、布點靈活、調節幅度更大、動態響應更快等特點。如果在燃氣輪機機組中配儲能系統,可在黑啟動初始階段提供可靠的電源。而且不論是從配備發電機的類型,還是從穩定性、啟動成功率、環保性、經濟性上來說,儲能系統相較于小型柴油機,都更具優勢。儲能系統參與發電機機組黑啟動時,啟動速度更快,更加經濟可靠,有效解決局部電網黑啟動電源不足的問題,減少大停電損失,對電力系統崩潰后的恢復具有重要意義。

另外,隨著電網現貨市場政策的推行以及新能源滲透比例的不斷提升,電網對調頻里程的需求將會顯著提升,調頻機組參與AGC響應的需求也會隨之提升。儲能輔助調頻系統能夠精確地響應電力調頻,解決了傳統機組調節速率慢、折返延遲和誤差大的缺點,又能夠使發電機組在保持平穩運行的同時大幅度提高調頻性能,提高了機組運行調整的安全性,為機組帶來經濟效益。