提升調(diào)頻水電站AGC響應(yīng)時間性能的水儲協(xié)同控制策略

三梅英，姚洋陽，邱亞鳴，秦會會

(1.黃河上游水電開發(fā)有限公司，青海 西寧 810000；2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090；3.黃河上游水電開發(fā)有限公司拉西瓦發(fā)電公司，青海 貴德 811700)

0 引言

在 “雙碳”目標(biāo)的大背景下，我國正在加快建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1-2]，新能源裝機及發(fā)電占比不斷提高，電網(wǎng)調(diào)頻壓力越來越大[3]，對傳統(tǒng)電源調(diào)頻能力提出了越來越高的要求[4-5]。西北電網(wǎng)是我國新能源占比最高的區(qū)域電網(wǎng)，其《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細(xì)則》《發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細(xì)則》(以下簡稱“兩個細(xì)則”)要求水電機組自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)響應(yīng)時間須小于10 s，且響應(yīng)時間合格率不足98%會被考核[6]。目前，西北電網(wǎng)調(diào)頻水電站響應(yīng)時間考核面對的形勢較為嚴(yán)峻，其中第一調(diào)頻水電站2022年AGC被考核910萬元，比2021年上漲30%。

目前，對水電AGC控制策略優(yōu)化的研究主要集中在機組效率、響應(yīng)速率及AGC與一次調(diào)頻協(xié)同控制方面[7-8]。李濱等將AGC響應(yīng)速率與響應(yīng)精度引入經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)，建立了基于“兩個細(xì)則”的水電廠AGC最優(yōu)控制策略模型[9]。常輝對AGC穿越振動區(qū)策略進(jìn)行了優(yōu)化，增加小負(fù)荷分配策略，提升了水電機組運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[10]。胡翔等基于變步長求解器，構(gòu)建了水電機組調(diào)速及監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；結(jié)合剛性水輪機模型，提出一次調(diào)頻與AGC協(xié)同策略模型，顯著提升機組調(diào)頻能力[11]。然而對提升AGC響應(yīng)時間方面的研究較少，基本都采用調(diào)節(jié)開度脈沖時長的方法[12-13]，對于調(diào)節(jié)頻繁的第一調(diào)頻水電站，該方法只能在一段時間內(nèi)有效提高AGC響應(yīng)時間性能，隨著機械磨損的加劇，AGC響應(yīng)性能會進(jìn)一步下降，而開度脈沖時間不能無限加長，需要尋求更有效的方法提升AGC性能。

本文以西北電網(wǎng)第一調(diào)頻電廠某水電站為例，分析電站運行特性及電站考核情況，研究水儲協(xié)同配置方案及控制策略，并進(jìn)行水儲協(xié)同經(jīng)濟(jì)性分析，通過水儲協(xié)同方法提高水電站AGC性能，大幅度減少AGC響應(yīng)時間考核，提高水電站經(jīng)濟(jì)效益。

1 某電站考核情況及運行特性分析

1.1 電站“兩個細(xì)則”考核情況

某水電站共6臺機組，總裝機容量4 200 MW，是黃河流域裝機容量最大的水電站，在西北電網(wǎng)承擔(dān)第一調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，機組AGC投單機調(diào)頻模式，當(dāng)系統(tǒng)頻率超出±0.02 Hz時，由調(diào)度側(cè)主站發(fā)出調(diào)節(jié)指令進(jìn)行機組有功調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)頻率在50 Hz±0.02 Hz范圍之內(nèi)。近年來“兩個細(xì)則”考核問題較為嚴(yán)峻，主要原因是AGC響應(yīng)時間合格率欠佳。該水電站2021—2022年AGC考核情況如圖1所示，2022年相較于2021年考核問題更為嚴(yán)峻，最高一個月被考核97.8萬元。

圖1 某水電站2021—2022年AGC考核情況

2022年2月份電站6臺機組AGC各分項考核情況見表1，所有機組可用率、調(diào)節(jié)速率均滿足“兩個細(xì)則”要求，未受到考核。除最新投運的4號機組外，其余機組響應(yīng)時間合格率均未達(dá)到“兩個細(xì)則”要求的98%，受到不同程度考核，其中3號和6號機組考核分?jǐn)?shù)占比最高，分別為192.20分、249.94分。

表1 2022年2月電站AGC各分項考核情況

1.2 電站AGC運行特性

由于西北電網(wǎng)新能源能源占比不斷提高，第一調(diào)頻水電站調(diào)節(jié)任務(wù)日益繁重，AGC日調(diào)節(jié)頻次大幅度增加，導(dǎo)致水輪機導(dǎo)水機構(gòu)各傳動件加速磨損，機械死區(qū)變大，調(diào)節(jié)性能降低，響應(yīng)時間增加。此外，短時間內(nèi)反向功率指令、尾水壓力脈動等原因都造成電站AGC響應(yīng)時間合格率達(dá)不到西北電網(wǎng)“兩個細(xì)則”98%的要求，考核分?jǐn)?shù)居高不下。

電站機組基本一直保持并網(wǎng)運行狀態(tài)，每臺機組同一時刻接收電網(wǎng)的AGC調(diào)度指令，動作方向均一致。對電站2022年1月份典型日AGC響應(yīng)時間進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2臺機組在同時刻AGC響應(yīng)時間被考核的次數(shù)為142次，3臺機組在同時刻AGC響應(yīng)時間被考核的次數(shù)為11次，4臺機組在同時刻AGC響應(yīng)時間被考核的次數(shù)為3次，主要是部分性能差的機組響應(yīng)被考核概率高，3臺及以上機組在同時刻AGC響應(yīng)時間被考核的概率較低。

圖2為電站機組2022年1月AGC響應(yīng)時間分布概率，AGC響應(yīng)時間不合格的工況中，響應(yīng)時間11～14 s的工況占比較大，響應(yīng)時間大于17 s的工況占比很少。

圖2 電站機組2022年1月份AGC響應(yīng)時間 分布

2 水儲協(xié)同配置方案及控制策略

2.1 儲能選型及參數(shù)配置

2.1.1儲能選型

鋰電池是目前技術(shù)比較成熟，且發(fā)展勢頭最為迅猛的電儲能方式[14]。近年來，行業(yè)內(nèi)對于儲能電池的選擇普遍轉(zhuǎn)向磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池在國內(nèi)儲能市場占據(jù)主導(dǎo)地位[15]。綜合考慮安全、性價比等因素，儲能可選用磷酸鐵鋰電池。

鑒于第一調(diào)頻水電站AGC響應(yīng)時間不滿足要求而受到“兩個細(xì)則”考核，在選擇配套儲能時主要考慮儲能對AGC響應(yīng)時間的改善。西北電網(wǎng)“兩個細(xì)則”中對AGC響應(yīng)時間的定義是自AGC指令開始變化時刻起，至機組實際負(fù)荷開始變化，變化幅度超過負(fù)荷穩(wěn)態(tài)偏差允許范圍(水電機組穩(wěn)態(tài)偏差指不超過裝機容量的±1%)，并在趨勢上不再反向的時刻之間的時間差。水電機組的AGC響應(yīng)時間要求小于或等于10 s。AGC響應(yīng)時間按照響應(yīng)時間月度合格率進(jìn)行考核，要求不低于98%。

調(diào)頻電站水儲協(xié)同的主要功能是，在AGC指令下達(dá)接近10 s且機組出力變化幅度還沒有超過穩(wěn)態(tài)偏差時，用電儲能進(jìn)行出力調(diào)節(jié)，將AGC響應(yīng)時間控制在10 s以內(nèi)，以減少AGC響應(yīng)時間考核。

2.1.2相關(guān)參數(shù)選擇

1)充放電功率。電站AGC響應(yīng)時間基本都能控制在17 s以內(nèi)，儲能需要支撐的時間只需要秒級，待水電機組出力變化超過穩(wěn)態(tài)偏差之后就可以逐漸退出。然而對儲能功率要求較高，電站共6臺機組，每臺機組裝機均為700 MW，穩(wěn)態(tài)偏差達(dá)7 MW，儲能最高充放電功率需達(dá)到穩(wěn)態(tài)偏差7 MW。

2)電池倍率。電池倍率越大，發(fā)熱和極化越嚴(yán)重，電池壽命越短；此外，循環(huán)放電的程度越深，電池老化也越快[16-17]。2C系統(tǒng)單位造價比1C儲能系統(tǒng)高，但2C系統(tǒng)總體造價比1C儲能系統(tǒng)低30%左右，目前應(yīng)用于工程領(lǐng)域的磷酸鐵鋰電池普遍不超過2C。綜合考慮成本、生命周期、安全等因素，2C倍率的磷酸鐵鋰電池最合適。

3)電池容量。該電站主要是部分性能差的機組響應(yīng)被考核概率高，3臺及以上機組在同時刻AGC響應(yīng)時間被考核的概率較低，綜合考慮場地和成本，配備2套電儲能系統(tǒng)最適宜，可同時對兩臺機組的AGC響應(yīng)時間進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到運行靈活性，每套儲能裝置安裝3套切換閘刀，這樣每套儲能裝置可以通過切換供不同機組調(diào)用。此外，電池有一致性問題[18]，性能最差的電芯決定系統(tǒng)性能，為不讓電芯倍率超過設(shè)計倍率，電池容量須留有一定裕度。綜上，可配置2套7 MW/3.5 MW·h的儲能裝置。

2.1.3磷酸鐵鋰電池性能試驗數(shù)據(jù)

表2為某品牌磷酸鐵鋰電池性能試驗數(shù)據(jù)，Pn為額定功率。除充電轉(zhuǎn)放電工況外，其余工況的純延時時間均在80 ms以內(nèi)，充電方向轉(zhuǎn)放電方向的純延遲時間稍長(達(dá)150 ms)，但仍為秒級響應(yīng)。調(diào)節(jié)時間最長不超過250 ms，在秒級內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)功率。因此，儲能協(xié)同水電機組進(jìn)行AGC調(diào)節(jié)時，留有1 s的時間裕度，足以完成充放電準(zhǔn)備工作。

表2 某品牌500 kW/1 MW·h磷酸鐵鋰電池 性能試驗數(shù)據(jù)

2.2 水儲協(xié)同控制策略

實際運行過程中，儲能與機組之間的刀閘無法頻繁切換，優(yōu)先對AGC性能相對差的機組進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可根據(jù)實際需要進(jìn)行切換。機組優(yōu)先級可以根據(jù)AGC響應(yīng)性能進(jìn)行排序，日均AGC響應(yīng)時間合格率越低，則優(yōu)先級越高。每臺機組與對應(yīng)的儲能設(shè)備之間均設(shè)置閘刀，方便機組檢修或停機時進(jìn)行儲能鏈路切換?？紤]到線路越長，虧損越大，優(yōu)先匹配距離機組位置近且條件具備的電儲能系統(tǒng)。

水儲協(xié)同控制策略流程如圖3所示，系統(tǒng)實時監(jiān)測投用儲能回路機組的AGC指令變化情況，當(dāng)AGC指令變化后開始計時，當(dāng)計時到第9 s時若機組功率變化未越過穩(wěn)態(tài)偏差，則會發(fā)出該機組的儲能請求調(diào)用指令。

圖3 水儲協(xié)同控制策略流程

若電網(wǎng)頻率降低，要求機組AGC增負(fù)荷，機組在AGC指令下發(fā)第9 s時功率變化幅度未向上越過穩(wěn)態(tài)偏差，儲能在第9 s即開始發(fā)送放電指令，放電功率為機組變化欠穩(wěn)定偏差的部分；此外需要滿足整體功率不下降的條件，待機組自身出力變化越過穩(wěn)態(tài)偏差之后，儲能退出放電模式。若電網(wǎng)頻率升高，要求機組AGC減負(fù)荷，機組在AGC指令下發(fā)第9 s時功率變化幅度未向下越過穩(wěn)態(tài)偏差，儲能在第9 s即開始發(fā)送充電指令，充電功率為機組變化欠穩(wěn)定偏差的部分；此外需要滿足整體功率不升高的條件，待機組自身出力變化越過穩(wěn)態(tài)偏差后，儲能退出充電模式。若儲能響應(yīng)10 s之后機組功率變化幅度還沒越過穩(wěn)態(tài)偏差，則退出電儲能調(diào)用，避免儲能浪費，機組延時時間超過17 s的概率不大，對延時時間超過17 s的工況進(jìn)行調(diào)節(jié)意義不大。充放電過程中為防止電池過功率充放電影響電池壽命，設(shè)置電儲能充放電上限功率7.5 MW。

2.3 水儲協(xié)同建模仿真

按照上述策略用Simulink軟件進(jìn)行建模仿真，模型如圖4所示。其中，PowerCMDWithTime為單機AGC指令，PowerWithTime為單機實測功率反饋。通過Transport Delay1和Add2計算單機AGC指令變化量，通過Triggered Subsystem和Add5計算實際功率變化量。當(dāng)Triggered Subsystem1檢測到AGC指令出現(xiàn)變化時，會對當(dāng)前功率變化量進(jìn)行判斷：如果大于穩(wěn)態(tài)偏差，則輸出0；否則將當(dāng)前功率實際變化量與穩(wěn)態(tài)偏差的差值通過Switch1變量輸出，并通過Integrator對欠穩(wěn)態(tài)偏差Switch1非零的時長進(jìn)行統(tǒng)計。當(dāng)時長在9～17 s時，Matlab Function會將欠穩(wěn)態(tài)偏差Switch1作為電儲能的負(fù)荷設(shè)定值指令下發(fā)，并通過純延遲環(huán)節(jié)Transport Delay和一階慣性環(huán)節(jié)Transfer Fcn2模擬電儲能的響應(yīng)特性。最終機組的總功率反饋由水輪機出力和電儲能出力通過Add 1疊加得到。

基于上述水儲協(xié)同仿真模型對電站的真實運行曲線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后功率曲線如圖5所示。可以看出，經(jīng)過水儲協(xié)同模型優(yōu)化，AGC響應(yīng)時間得到明顯優(yōu)化，控制在10 s以內(nèi)，可以有效緩解電站AGC響應(yīng)時間考核嚴(yán)峻的現(xiàn)狀。

圖4 水儲協(xié)同建模仿真模型

(a)電儲能仿真功率

(b)優(yōu)化前后功率

對2022年2月響應(yīng)時間不合格的各機組進(jìn)行儲能優(yōu)化調(diào)節(jié)仿真，優(yōu)化前后相關(guān)機組AGC響應(yīng)時間合格率見表3?？梢钥闯?，優(yōu)化后機組月度AGC響應(yīng)時間合格率均提高到98%以上，滿足西北電網(wǎng)“兩個細(xì)則”的考核要求。

表3 優(yōu)化調(diào)節(jié)前后AGC響應(yīng)時間合格率 %

3 水儲協(xié)同經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 經(jīng)濟(jì)測算的前提假設(shè)

1)投資成本。鋰電池的初始投資成本因項目區(qū)別有一定差異，假設(shè)初始投資單位成本為2.5元/(W·h)，總投資成本1 750萬元。隨著儲能技術(shù)日益成熟，鋰電池投資成本還有一定的下降空間。

2)年度運維成本。運維成本包括電站運營期間的燃料動力費，以及為維持電站運營所必須的零部件更換、系統(tǒng)維護(hù)、人工費等費用[19-20]，此類成本根據(jù)儲能類型的不同大致占初始投資成本的1%～10%。鑒于鋰離子電池儲能電站普遍采用遠(yuǎn)程監(jiān)控與定期巡檢相結(jié)合的方式，人工費用相比其他電池類型低，假設(shè)運維成本占初始投資成本的4%。

3)系統(tǒng)殘值率。磷酸鐵鋰電池相較其他類型電池回收價值較低，假設(shè)其系統(tǒng)殘值率為5%。

4)系統(tǒng)壽命。鋰電池循環(huán)壽命為3 500～5 000次，以2022年1月電站考核情況作為參考計算，若給AGC響應(yīng)性能較差的3號和6號機組調(diào)用儲能，月均循環(huán)次數(shù)25次，假設(shè)其循環(huán)壽命為4 000次，則系統(tǒng)壽命約10年。

5)系統(tǒng)收益?；?022年2月AGC響應(yīng)性能最差的3號、6號機組的考核情況，若延時17 s以下的工況均通過儲能調(diào)節(jié)降至10 s以內(nèi)，則配置儲能后2臺機組AGC響應(yīng)時間月度合格率均達(dá)98%以上，每月可減少考核分440分，每年可換算成收益528萬元，每年折算成現(xiàn)金流入528萬元。

6)其他。假設(shè)放電深度90%，儲能循環(huán)效率88%，壽命終止容量75%。

3.2 投資及貸款情況

在上述假設(shè)邊界條件的基礎(chǔ)上，對第一調(diào)頻電站水儲協(xié)同項目進(jìn)行簡要投資測算，采用等額本金方式償還貸款，貸款利率4.9%。相關(guān)投資及貸款情況數(shù)見表4。

表4 水儲協(xié)同系統(tǒng)投資及貸款情況

按上述條件計算出的內(nèi)部收益率達(dá)18.7%，投資回收期為4.5年，但仍存在一些不穩(wěn)定因素：一是，每月收入不穩(wěn)定，加裝儲能之后，每年減免考核費用不足470萬，內(nèi)部收益率將小于10%，若每年減免考核費用不足413萬，內(nèi)部收益率將變?yōu)樨?fù)值；二是，電池壽命是一個不穩(wěn)定因素，電站調(diào)頻頻繁，短時間頻繁淺充淺放對電儲能壽命的影響有待考量。

4 結(jié)語

西北電網(wǎng)新能源占比高，近年來第一調(diào)頻水電站被考核問題日益嚴(yán)重，最主要原因是AGC響應(yīng)時間合格率偏低，常規(guī)增加開度脈沖時間的方法不能從根本上解決問題。采用水儲協(xié)同的方法可以有效提升電站AGC響應(yīng)時間性能。本文對調(diào)頻水電站運行特性和考核情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2臺以上機組同時被考核的概率較小，且AGC響應(yīng)延時時間基本在17 s以內(nèi)?；谝陨咸匦?，提出儲能選型及配置方案，研究提升AGC響應(yīng)時間性能的水儲協(xié)同控制策略，配置2套儲能設(shè)備同時對2臺機組進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過電氣閘刀可以進(jìn)行儲能鏈路切換，僅對響應(yīng)時間在17 s以內(nèi)的工況進(jìn)行補償調(diào)節(jié)，并在Simulink平臺進(jìn)行了建模，對電站實際運行曲線進(jìn)行優(yōu)化仿真計算。

以上研究結(jié)果表明，通過水儲協(xié)同優(yōu)化，電站實際AGC運行曲線得到明顯優(yōu)化，儲能可以及時對機組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，將響應(yīng)時間控制在10 s以內(nèi)。此外，基于假設(shè)經(jīng)濟(jì)邊界條件，對水儲協(xié)同方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，以2022年2月AGC性能最差的2臺機組作為參考，若每月少考核440分，則內(nèi)部收益率達(dá)18.7%，可以有效改善電站AGC響應(yīng)時間被考核嚴(yán)峻的現(xiàn)狀，提升電站的經(jīng)濟(jì)效益。