儲能系統在發電側參與調頻的策略研究

摘 要：新能源的出力不確定性加重了火電廠的調頻負擔，然而傳統機組利用AGC調頻在調頻精度、響應時間、機組磨損等方面仍存在系列問題。在發電側加裝儲能系統在考核期內參與調頻能有效提高調頻精度，縮短響應時間，同時在反調瞬間對功率偏差量進行補償從而有效減少由反調對一次調頻帶來的影響。現從“兩個細則”出發對一次調頻、AGC調頻考核進行分析，綜合考慮AGC調頻、小擾動一次調頻、大擾動一次調頻不同的運行工況，提出儲能系統在發電側參與調頻的策略。

關鍵詞：儲能系統;發電側;AGC;一次調頻;策略

中圖分類號：TM621" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0012-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.002

0" " 引言

大規模新能源的發展在一定程度上緩解了電力緊張，同時對環保問題也大有裨益。但其出力的不確定性對電網頻率、電壓的穩定性均帶來了挑戰，對承擔調頻重任的火電廠而言，更是加重了其調頻任務的負擔。但傳統機組利用AGC調頻在調頻性能、機組磨損、節能減排等方面仍存在系列問題亟待解決。

傳統DEH機組參與調頻一般由中調發AGC指令，通過RTU送至機組協調系統CCS，由一次調頻回路來調整負荷分量，經汽機的配汽特性曲線、閥門特性曲線計算后作用于高壓調門來改變發電機的轉速，從而調整輸出功率[1]。但此種調節過程存在多種問題：第一，特性曲線是在額定參數下計算的理想值，忽略實際工況，調節精度存在考核點。第二，由于機組是通過轉速反饋作用調節輸出功率，響應時間存在考核點。第三，若機組設備處于故障狀態，則無法完成調頻任務，存在考核點。第四，AGC指令變動，容易出現AGC指令與一次調頻反調現象，導致調頻效果差，存在考核點。第五，AGC指令頻繁變化，對于運行機組而言，蒸汽壓力和爐膛溫度均頻繁波動，增加煤耗，另外各閥門、輔機等設備頻繁動作，還會造成機組的額外損耗[2]。

目前，針對通過在電源側加裝儲能裝置與AGC協調優化運行以提升機組調頻能力，已有頗多理論研究以及實際案例。例如，北京京能電力股份有限公司石景山熱電廠3號機組安裝2 MW儲能系統，并于2013年9月16日正式投入運行，與3號機組共同完成AGC聯合調頻任務。聯合調頻系統運行一年期間，各項性能指標優良，機組與儲能系統配合效果良好，AGC性能指標大幅提高，單日Kp值由原來平均2.8左右提升至平均4.6左右，最高達5.0以上，補償費用得到大幅度提升[3]。同時，國家發展改革委、國家能源局于2021年7月15日印發《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》，該意見中指出大力推進電源側儲能項目建設，探索利用退役火電機組的既有廠址和輸變電設施建設儲能或風光儲設施，為電力系統提供容量支撐及一定的調峰能力[4];同年8月10日印發的《關于鼓勵可再生能源發電企業自建或購買調峰能力增加并網規模的通知》中指出，允許發電企業購買儲能或調峰能力增加并網規模，并且進行了自建、合建調峰和儲能能力的確認與管理，確認了自建或購買調峰與儲能能力的數量標準與動態調整[5]。

在電源側加裝儲能系統能有效減少傳統機組調頻的諸多問題：第一，儲能系統根據AGC指令與當前機組輸出功率的差值，快速調整充、放電功率，以平衡負荷差，有效提高調節精度、縮短響應時間，提高Kp指標。第二，一次調頻時，在全廠控制模式下可通過儲能系統結合廠區機組最優負荷分配原則，有效避開需要啟磨的負荷區間，從而減少啟磨次數。第三，小擾動一次調頻時，針對一次調頻波動十分頻繁的場景，儲能系統積極參與增減負荷調頻，能減少機組工況的變化。第四，大擾動一次調頻時，儲能系統協調機組運行工況，削減部分負荷指令，減小大擾動調頻對機組的沖擊。

儲能系統因其出力平滑、響應速度快、能夠響應多種不同的運行工況，目前在發電側已有較多的研究與應用。近幾年儲能成本下降大，電池技術也有了較大發展，因此對于投運后的儲能，緊密結合廠區實際運行工況，最大化利用是儲能系統在發電側參與調頻策略研究的重點。

1" " “兩個細則”的調頻考核參數

華中監管局于2020年11月所實施的“兩個細則”中，對一次調頻和AGC調頻的技術要求、指標計算、考核度量方法進行了詳細介紹。

一次調頻的性能評價指標主要體現在基本一次調頻、調頻動作方向正確性以及有償一次調頻上。基本一次調頻的考核是針對系統受到小擾動時機組的自身調節，此時的考核點主要在于調節精度，通過60 s的時間裕度內調節后的功率差值來評價一次調頻的貢獻率K（要求不小于0.5）。調頻動作方向正確性的考核，即機組在一次調頻死區外其動作信號未觸發或方向相反，則被考核。有償一次調頻的補償是在系統受到大擾動時，機組通過各種頻率分配方式，完成負荷要求。無論是階躍式還是非階躍式的負荷波動，其考核指標都不僅與調節精度有關，同時也與響應滯后時間（要求小于3 s）、穩定時間（要求小于60 s）有關。

AGC調頻從響應速度和精度兩方面進行評價，但分析其計算式可知，兩個指標參數均與指令負荷和實際負荷的差值成正比關系。

通過以上分析可以明確知道，發電廠側加裝儲能的調頻策略重點在于：第一，盡可能減小負荷差，提高精度。第二，在一次考核周期內（60 s）可靠準確完成調頻動作。第三，針對一次調頻與AGC機組反調工況，儲能優先進行功率補償，減少由于反調造成的考核電量。

2" " 儲能系統參與調頻

2.1" " 儲能系統參與調頻的系統框圖

全釩液流電池（VRB）響應速度快，運行安全性高，允許充放電次數多且可無損傷深度充放電，符合本廠的調頻需求，因此本文選擇全釩液流電池為主要儲能設備。本文采用的儲能系統（BESS）由儲能裝置（全釩液流電池）、電池能量管理系統、功率變換裝置（PCS）、邏輯判斷器等元件組成。儲能系統參與調頻的系統框圖如圖1所示。

儲能系統參與調頻需要考慮到AGC投入、小擾動一次調頻、大擾動一次調頻三種工況。

AGC投入時，中調下達AGC指令，RTU輸出負荷指令PA送至邏輯判斷器，判斷器綜合負荷指令PA、當前機組實際出力PG，得到負荷差ΔP作用于CCS以調整機組運行工況。儲能系統的邏輯判斷器根據負荷差ΔP，結合充放電策略來決定充放電功率大小PE，直接輸出至發電機出口側，即此時送至EMS的功率PG′為PG+PE。

小擾動一次調頻情況下，即AGC退出時，CCS根據此時上網頻率與電網頻率差值Δf進行小范圍調整，同時取一路信號送至儲能系統的邏輯判斷器，結合充放電策略來決定充放電功率大小PE，直接輸出至發電機出口側，即此時送至EMS的功率PG′為PG+PE。

大擾動一次調頻情況下，即AGC退出時，CCS根據此時DCS上輸入的負荷指令PD與機組實際出力PG的負荷差ΔP進行調整，同時取一路信號送至儲能系統的邏輯判斷器，結合充放電策略來決定充放電功率大小PE，直接輸出至發電機出口側，即此時送至EMS的功率PG′為PG+PE。

2.2" " 儲能電池的放電功率

為防止過充過放對設備壽命的影響，充電策略中應考慮到設備的荷電狀態來約束當前儲能設備的最大充、放電功率。同時，考慮到AGC調頻的積累效應可能會導致儲能荷電狀態（SOC）長時間處于較高位置，因此需要對儲能設備的充放電行為進行限制，達到SOC強制歸位的目的。

全釩液流電池荷電狀態范圍為[0.1，0.9]，充放電效率75%。在儲能設備參與調頻過程中，對其當前荷電狀態區域進行監測，當SOC≤0.2時，為減小深度放電的影響，此區域內儲能單向充電;當0.2lt;SOClt;0.8時，該區域為穩定充放電區域，根據充放電策略參與調頻即可;當SOC≥0.8時，為減小深度充電的影響，此區域內儲能單向放電。儲能電池SOC狀態與充放電行為分區如圖2所示。

綜合以上分析，儲能電池的約束條件如下：

荷電狀態約束：

0.1lt;SOC=lt;0.9" " "（1）

式中：E（t）為當前電池的容量;EN為電池額定容量。

單向充電區間：

PE_Dmax=0，

PE_Cmax=PE_C·η" "（2）

式中：PE_Dmax為最大放電功率;PE_Cmax為最大充電功率;PE_C為額定充電功率;η為充電效率。

穩定充放電區間：

PE_Dmax=PE_D·η，

PE_Cmax=PE_C·η" （3）

式中：PE_D為額定放電功率。

單向放電區間：

PE_Cmax=0，

PE_Dmax=PE_D·η" （4）

2.3" " 儲能系統參與調頻的充放電策略

儲能系統參與調頻協調充放電的策略需要考慮到儲能電池的荷電狀態、機組反調，根據不同的荷電狀態選擇相應的最大充放電功率即可。機組反調是指在有效調頻事件內，離開一次調頻死區后一次調頻方向與AGC調頻方向相反，即第t個采樣點與第t-1個采樣點的發電機功率PG與負荷指令PA之間的關系應滿足：

[PG（t）-PG（t-1）]·[PA（t）-PA（t-1）]lt;0" （5）

2.3.1" " AGC投入時

AGC投入時，調頻特征主要在于指令波動頻繁、要求負荷變動率大于5 MW/min、可能出現機組反調情況，同時對響應精度、響應時間均有要求。因此，此種工況下，儲能策略重點在于密切跟隨AGC的負荷指令，對當前機組反調情況進行判斷，從而決定儲能充放電功率。由于儲能系統本身是通過PCS進行功率轉換輸出，因此其輸出時間短、反應快、精度高，能夠及時彌補機組反調問題。所以，AGC工況下，儲能系統的主要任務是準確判斷機組調頻工況，從而決定儲能系統的輸出功率值，即可有效保證調頻效果。

儲能系統中的邏輯判斷器根據負荷指令PA結合當前機組實際出力PG，得到負荷差ΔP=PA-PG。若ΔPgt;0，即為升負荷，此時儲能放電，其放電功率PE_D與當前機組狀態有關。若機組反調，則PE_D=min（PE_Dmax，PG（tn）-PG（t），ΔP（t））;若機組正確動作，則PE_D=

min（PE_Dmax，ΔP（t））。

若ΔPlt;0，即為降負荷，此時儲能充電，其充電功率PE_C與當前機組狀態有關。若機組反調，則PE_C=

min（PE_Cmax，PG（tn）-PG（t），ΔP（t））;若機組正確動作，則PE_C=min（PE_Cmax，ΔP（t））。

2.3.2" " 小擾動時的一次調頻

小擾動情況下的一次調頻是機組CCS結合當前機組并網頻率以及電網頻率進行自動調頻，是一次調頻的主要考核點。此種工況下的一次調頻特征在于對負荷波動小、調節精度要求高，同時考核時間周期在60 s以內。因此，在此種工況下時，儲能充放電行為的主要任務是提高調節精度、縮短響應時間。

儲能系統（BESS）的邏輯判斷器根據當前的負荷差ΔP進行判斷，若ΔPgt;0，即為升負荷，此時儲能放電，PE_D=min（PE_Dmax，ΔP（t））。若ΔPlt;0，即為降負荷，此時儲能充電，PE_C=min（PE_Cmax，ΔP（t））。

2.3.3" " 大擾動時的一次調頻

大擾動情況下的一次調頻是機組CCS根據DCS輸入的負荷指令結合當前的負荷變動率進行調頻。該調頻為有償調頻，提高調頻合格率則能有效保證經濟性。針對大擾動調頻的情況，保證其在15 min內機組出力達到目標負荷指令即為有效調頻。針對大擾動的一次調頻，儲能容量滿功率輸出也很難滿足其單次的調頻任務，因此，制定該種工況下的充放電策略時，儲能主要任務是在考核期間內，結合廠區內機組最優負荷分配，有效避開機組啟磨負荷區間，分攤機組負荷指令，削減大擾動的一次調頻對于機組的沖擊，保證機組經濟可靠地完成調頻任務。

儲能系統的邏輯判斷器根據當前廠區內避開機組啟磨負荷區間進行最優負荷分配后的負荷指令PA，與當前機組的實際出力PG，得到負荷差ΔP。若ΔPgt;0，即為升負荷，此時儲能放電，PE_D=min（PE_Dmax，ΔP（t））。若ΔPlt;0，即為降負荷，此時儲能充電，PE_C=min（PE_Cmax，ΔP（t））。

3" " 發電廠側加裝儲能效益分析

發電廠側加裝儲能系統能夠從品牌效益、節能減排、提高機組運行可靠性、降低廠用電率等多方面獲取效益。

第一，品牌效益。發電側加裝儲能系統，能夠通過制定不同工況下的充放電策略，協助機組優化調頻，從而有效提高調頻深度。考慮到目前新能源的大規模擴建，其出力的強波動性必然對電網的頻率造成嚴重影響，配備有儲能設備的火力發電廠在維持電網頻率穩定性中將發揮重要作用。

第二，節能減排。傳統機組在頻繁調頻時不斷改變鍋爐、汽機、發電機的工況，降低了鍋爐的利用率。同時，傳統機組調頻時，如在需啟磨負荷區間波動，將極大地加重機組運行負擔。而充分發揮儲能在頻繁調頻場景中的優勢，能夠減少機組改變運行工況的次數，有效降低能耗。進行調頻優化后的機組，在碳交易市場中也能夠得到額外補償。

第三，提高機組運行可靠性。儲能系統除能夠在調頻方面發揮作用以外，同時也可以作為緊急備用電源，保障廠區內的部分重要負荷如潤滑油泵、頂軸油泵、定冷水泵等的供電安全，為設備安全性提供另一道防線。

第四，降低廠用電率。對于廠區內低負荷運行的機組，為維持機組的正常穩燃（保證經濟性，不投油的情況下），儲能充電可以保證機組的最小出力。同時，儲能作為電源，向廠區內的公用系統、部分輔機、照明檢修等設備提供電源，可以減少清算時的廠用電，達到降低廠用電率的目的。

4nbsp; " 結論

在發電側加裝儲能系統，結合機組實際運行工況輔助機組調頻，是提高機組調頻精度和深度的有效手段。同時，加裝儲能系統的作用又不僅僅局限于調頻方面的效益，隨著政策扶持與市場鋪陳，發電側儲能的推進勢必迎來發展高峰。但在發電側加裝儲能系統還有較多問題值得研究與分析，如如何細化實際運行工況及細則，充分發揮儲能裝置的效益;還有一次調頻死區問題、一次調頻負荷波動問題、儲能電池的經濟性與充放電策略之間的耦合關系等仍亟待解決。

[參考文獻]

[1] 孫冰瑩.儲能輔助火電機組AGC調頻運行方法及容量配置研究[D].北京：華北電力大學（北京），2018.

[2] 王華衛，張平.350 MW級火電機組與電儲能聯合調頻系統設計研究[J].電工技術，2019（6）：61-63.

[3] 北京能源投資有限公司.石景山熱電：全球首臺MW級儲能技術在火力發電AGC調頻中的運用[Z/OL].（2014-09-03）[2024-01-02].https：//news.bjx.com.cn/html/20140903/543486.shtml.

[4] 關于加快推動新型儲能發展的指導意見：發改能源規〔2021〕1051號[A].

[5] 關于鼓勵可再生能源發電企業自建或購買調峰能力增加并網規模的通知：發改運行〔2021〕1138號[A].

收稿日期：2024-01-05

作者簡介：成斌（1973—），男，湖南湘鄉人，工程師，副總工程師，從事火電以及新能源發電廠站側研究等工作。