儲能電池輔助火電機組二次調頻的設計與應用

趙 磊 王明明 崔進波 咸秀超

（1中國電建集團核電工程有限公司 2.國網山東省電力公司經濟技術研究院 3.山東電力工程咨詢院有限公司 4.山東電力工程咨詢院有限公司）

0 引言

隨著近些年風電和光伏等新能源接入電網容量的迅速增加，其間歇式發電的特性導致電網對調節容量的需求增加，而新能源發電自身又不具備參與頻率調節的功能，原有傳統機組則需要承擔這些新能源發電帶來的調頻任務。

以山東電網為例，目前電網二次調頻主要依靠火電機組。火電機組具有響應時滯長、機組爬坡速率慢的特性。如果頻繁進行大范圍的調節，一方面會對機組設備造成影響，不利于機組的穩定和經濟運行；另一方面，機組進行的超低排放改造也在一定程度上限制了火電機組的調節速率，降低了調節性能。

電化學儲能電池系統輔助火電機組進行二次調頻，具有響應時間短（<100ms）、調節速度快（空載至滿載的調節時間<20ms）、調節精度高的特點。儲能輔助火電機組二次調頻既可以提高火電機組調節性能，也能顯著減少電網所需調頻備用容量。而且由于電池儲能系統響應速度快、運行靈活，可以在滿足系統調頻需求的同時產生動態效益。

本文針對電池儲能輔助火電機組二次調頻的特性，基于山東省某火力發電廠儲能調頻項目，研究儲能輔助火電機組二次調頻的配置、控制及工程建設方案，并對其經濟性進行分析。

1 儲能輔助火電機組二次調頻

1.1 儲能輔助火電機組二次調頻過程

二次調頻也稱為自動發電控制（Automаtion Gеnеrаtor Control，AGC），是在生產高質量電能的前提下，滿足電力供需實時平衡，應對幾分鐘至十幾分鐘內負荷變化。二次調頻的任務包括維持電網頻率在允許誤差范圍內、控制互聯電網凈交換功率按計劃值運行、控制互聯電網交換電能量在計劃限值之內，參與三次調頻等。

火儲聯合系統采用電池儲能系統接入廠用電高壓側母線的方式，利用電廠原有廠用變壓器的富裕容量，經二次升壓后接入發電機出口。火電聯合儲能二次調頻的基本過程如圖1所示，其過程如下：

（1）電網調度中心根據實時的電網負荷情況、機組工作狀態及電網頻率情況，對機組進行遠程負荷調度，產生AGC指令；AGC指令通過遠程傳輸通道傳送至電廠RTU。

（2）電廠RTU將AGC指令傳輸至火電機組DCS，DCS一方面依據機組負荷限幅、負荷變化率設定值等調節機組的出力，跟蹤AGC指令；另一方面將AGC指令和機組出力等運行數據傳輸至儲能EMS。

（3）儲能EMS從電廠獲取AGC指令、機組當前出力值、儲能當前出力值等信號，結合儲能電池狀態，計算出儲能系統出力指令，并下發至儲能系統本地控制器；儲能系統本地控制器將指令分配給各儲能單元，控制儲能電池充放電。

（4）機組DCS通過內部邏輯計算儲能系出力，并與機組出力進線疊加，作為AGC的反饋信號傳送至RTU；RTU將反饋信號傳回電網調度中心。

綜上所述，實現了電廠與電網調度中心的電力生產過程閉環控制系統。

1.2 儲能輔助火電機組二次調頻原理

頻率的二次調節就是移動發電機組的頻率特性曲線，改變機組有功功率來平衡負荷的變化，從而使系統的頻率恢復至正常范圍。

火電機組AGC調節存在以下幾個問題：

（1）受到能量轉換過程的限制，響應時間長，一般在數10s的量級。

（2）調節速度慢，火電機組標準的調節速率（MW/min）一般不超過額定功率的3%。

（3）調節精度差，火電機組允許偏差為額定功率的1%。

電池儲能系統通過高頻電力電子裝置接入電網，沒有能量轉換過程所需的延遲和慣性，可以快速調節功率的大小和方向。儲能輔助火電機組二次調頻可以為響應較慢的同步發電機啟動調頻提供足夠的時間。

儲能輔助火電機組二次調頻，儲能與火電機組在并網端并聯運行，共同出力跟蹤AGC調度指令，使之整體調節性能大幅改善。其AGC原理如圖2所示。電池儲能系統在接收到AGC指令后，利用其快速、精確的控制特點迅速彌補火電機組實時出力和AGC指令差值導致的功率需求缺口；隨著火電機組出力逐步趨近AGC指令，儲能系統出力響應退出，直至最終全部由火電機組承擔，儲能系統適時進入充電模式，為下次響應過程儲備能量。

圖2 儲能輔助火電機組AGC原理示意圖

2 儲能系統建設及火電機組改造

電池儲能具有響應速度快、調節精度高等優點，但是又存在能量存儲少，使用壽命有限等不足。根據二次調的特點，結合火電機組的容量，以山東省某火力發電廠儲能調頻項目的實際情況來進行設計。

2.1 儲能系統配置

儲能系統設計方案應確保儲能系統與發電機組長期互聯運行的可靠性、經濟性和安全性，儲能電池在電力系統中應用首先要選擇合適的功率和容量配置。

通過分析山東省內電廠的AGC調頻的特性，97%的調頻指令在3%倍的機組容量以內，對比已投入儲能輔助調頻后實際達到的效果，本項目儲能調頻系統電池方案選用3%倍的機組全容量（1C）配置方案，對于山東某電廠的兩臺350MW機組配置10MW/10MWh儲能系統輔助調頻。

山東區域電網AGC-R模式對機組的響應要求高，為響應負荷的快速波動，機組通常犧牲一定安全冗余，鍋爐燃燒穩定性得不到保證，對機組各運行參數影響很大。本項目選用目前市場上應用成熟的磷酸鐵鋰電池，其倍率指標、使用壽命、安全性能等可以滿足輔助火電機組二次調頻的要求。

本項目選擇低壓PCS并聯組網方案。采用低壓（400V）PCS，直流側接入磷酸鐵鋰電池，交流側多臺PCS并聯后，接入變壓器升壓至6kV，然后接入6kV廠用電母線。

2.2 RTU和DCS的改造

儲能系統接入后，儲能和火電機組共同響應電網AGC指令，電廠RTU需將發電機出力和儲能出力信號合并后上傳電網，作為調頻考核依據。為此，需要對RTU和DCS進行改造。

對RTU改造主要包括：

（1）對機組出力和儲能出力信號疊加前、后的數據作為出力反饋信號回傳電網，即上傳機組出力、儲能出力和機組儲能疊加出力三個信號；

（2）根據調度要求，增加儲能系統的控制系統與RTU的通信，以約定的通訊協議進行通訊傳輸數據，獲取儲能系統實時運行數據；

（3）增加儲能廠用6kV段開關狀態信號；

（4）增加高壓廠用變高壓側有功，無功和電流信號。

對DCS的改造主要有：

（1）在機組DCS增加對儲能系統接入點的監測，包括電流信號、電壓信號；

（2）DCS通過內部邏輯計算出儲能出力，并與機組出力進行疊加，疊加前后的數據作為AGC反饋信號發送至RTU；

（3）增加DCS與儲能系統總控制單元的通訊，進行信號、狀態的交換。

儲能系統可根據電廠運行需求上傳儲能系統運行狀態信息，包括：儲能系統并網連接狀態反饋、儲能系統并網功率、儲能系統輔助調峰投入反饋、儲能系統充放電狀態等。儲能系統只從DCS系統接收指令或狀態，不向DCS系統發送指令，保證儲能系統增加后不影響電廠工控系統安全。

3 儲能輔助火電機組二次調頻的控制策略

3.1 儲能系統控制指令

決定儲能輔助火電機組二次調頻成效的關鍵在于儲能系統的控制策略。電池儲能系統需要依據AGC指令及機組的實時出力，結合儲能系統電池SOC等自身狀態參數，構造儲能系統的出力指令，實現快速功率控制與調節，如圖3所示。

圖3 儲能輔助AGC控制框圖

3.2 控制策略

本項目選用基于區域控制偏差（Arеа Control Error，ACE）信號的控制方式。相對于傳統的滯后控制，基于ACE信號的控制方式可以充分利用儲能電池出力速度快的特點，控制儲能出力及時響應AGC指令。

基于ACE的控制方式是指：當系統出現負荷擾動產生調頻需求時，對系統區域控制偏差信號，做為調頻指令分配給常規機組和儲能電池的控制方式。基于ACE控制方式的系統頻率響應模型如圖4所示。

圖4 基AEC控制方式的系統頻率響應模型

其中α為儲能出力在AEC信號中所占的比例系數，1-α為火電機組二次調頻出力在AEC信號之后所占的比例系數；?f（s）是系統頻率偏差；?PG（s）為常規機組出力，?PG（s）=?Ps（s）+?Pf（s）；?Pb（s）為儲能系統出力。通過計算可得：

從上式可以看出，儲能電源出力隨頻率偏差變化而增減，但是避免了PⅠ控制器的延時影響。在接收到AGC命令時，儲能系統瞬時響應，出力大小與AEC信號成正比關系；AGC過程結束時，最終由火電機組二次調頻補充全部負荷增量，儲能電源出力減少至0。這種控制方式不僅可以保證系統的快速動作，還能實現儲能電源自適應的減少SOC變化。

4 經濟性分析

4.1 考核指標

AGC是電廠向電網提供的有償服務，各區域電網都出臺有并網發電廠輔助服務管理實施細則和并網運行管理實施細則。以本工程所在華北區域為例，《華北區域電力并網運行管理實施細則（2022 年意見征求稿）》附件2規定了發電機組AGC服務的考核指標Kp：

式中，K1，調節速率，2-機組實際調節速率/機組標準調節速率；

K2，調節精度，2-調節偏差量/調節允許偏差量；K3，響應時間，2-機組出力響應時間/機組標準響應時間。

AGC服務日貢獻補償費用計算如下：

式中，D為機組AGC日調節深度（MW）；CAGC，為AGC服務貢獻率；

Kpd，調節性能日指標，

YAGC，AGC補償標準（元/MW）。

調節速率、調節精度、響應時間決定了機組的調節性能指標，而調節性能指標又決定了補償費用的計算。火電聯合儲能二次調頻能夠優化調節性能指標，顯著提升火電廠AGC收益。

4.2 AGC服務補償收益

根據山東濱州某電廠#1、#2機組實際AGC調節性能指標，具體統計如表1。

表1

其中，YAGC為AGC補償標準，山東將調頻輔助服務市場交易價格限值上限定為12元/MW（含稅），暫按上限計算；CAGC為AGC服務貢獻率，目前政策暫定直調公用火電機組AGC貢獻率為1.0，儲能設施AGC貢獻率為0.1，儲能電站聯合火電機組調頻取1。

加裝儲能后，原來#1、#2機組一年250天參與調頻的調頻里程由7500增加為9500，收益計算如下：

理論上項目新增年收益含稅為1631.86萬元。

5 結束語

本文基于山東省某火力發電廠儲能調頻項目，通過對儲能系統輔助火電機組二次調頻的過程和原理進行分析，提出本項目的儲能系統配置方案及對火電機組控制系統的改造方案，指導完成了工程建設；并進一步對儲能輔助火電機組的控制策略進行了分析，選擇使用響應速度快、應用成熟的基于ACE的控制方式；最后依據華北區域電網“兩個細則”及山東省政策對本項目的經濟性進行了初步分析。最后將研究成果成功應用于生產實踐，顯著提高了該電廠2臺機組參與電網二次調頻的能力。