飛輪-電化學聯合儲能調頻系統研究

摘要：我國可再生能源電力裝機容量逐年增大，消納壓力持續增加，顯著增加了電網的調頻需求。目前華北地區的電源結構以大型燃煤火電機組為主，調頻電源幾乎全部由火電機組承擔。新型儲能系統調頻效能高于傳統火電機組，將不同技術路線的新型儲能引入傳統火電機組，可以有效提升調頻電源的質量，提高電網運行可靠性。鑒于此，以華北某火電廠為案例，研究燃煤機組與飛輪-電化學聯合儲能調頻系統方案，證明了火力發電廠應用聯合儲能調頻系統具備一定的經濟效益。

關鍵詞：火力發電；調頻；飛輪儲能；電化學儲能

中圖分類號：TM621" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0023-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.006

0" " 引言

我國陸上風電資源主要分布在東北、華北、西北地區，華北地區五省（直轄市、自治區）風能資源技術可開發量位居全國首位，2022年華北地區五省（直轄市、自治區）風電裝機9 852萬kW，占全國風電裝機總量的26.6%[1]。陸上風電大規模并網將顯著提升電網調峰調頻以及備用的需求，目前華北地區電源結構以大型燃煤火電機組為主，二次調頻電源幾乎全部為燃煤火電機組[2]，會導致煤耗增高、設備磨損等負面影響，并影響電網安全和電能質量。

新型儲能技術作為支撐新型電力系統高質量發展的重要技術類型，其關鍵性和功能性日益凸顯[3]。隨著技術進步和應用場景擴大，大規模儲能已由示范階段發展至初步商業應用階段。現有的新型儲能技術種類繁多，包括電化學儲能[4]、壓縮空氣儲能[5]、氫儲能[6]及熱儲能[7]等，以上新型儲能技術路徑各有特點，適用于不同場景和需求。大規模新型儲能技術參與電網調頻日益受到關注，國內已經建成多個以電化學儲能為主的儲能調頻示范工程，包括北京石景山熱電廠電池儲能調頻系統、南方電網深圳寶清電池儲能電站、湖南華潤鯉魚江磷酸鐵鋰電池儲能調頻系統等[8]。目前，國內外主流的儲能調頻均采用了包括鉛酸電池、鎳氫電池、液流電池以及鋰離子電池在內的電化學儲能路徑[9]。但是，儲能電池壽命難以超過2年；電化學儲能設備功率一般按照機組全容量3%的經驗比例來配置，未根據具體項目特點深入分析其特性；未解決電化學儲能系統的潛在安全隱患，尤其重要的是，深度充放電場景存在安全風險。

綜上，本文以華北地區某火力發電廠的兩臺300 MW級超臨界燃煤熱電聯產機組為案例，研究了燃煤火電機組與飛輪-電化學聯合儲能系統耦合的設計方案和性能提升效果。

1" " 燃煤電廠運行數據分析

該電廠位于華北某省電網末端，受限于設備老化狀況和燃煤品種的問題，項目機組在調頻輔助服務市場中競爭力弱。統計該電廠近兩年內共30天的AGC調頻指令分布，如表1所示。

由AGC指令深度來看，小于4 MW的指令數量占總指令的48.9%，小于9 MW的指令占比為82.8%，9～11 MW的指令占比為12.1%。從調頻指令時長來看，30 s以內的指令占比為21.8%，60 s以內的指令占比為52.7%，大于60 s的指令占比為47.3%。

考慮到該項目的運行數據，為了保障儲能系統的調節能力，若本系統規劃配置9 MW/4.5 MW·h的電化學儲能系統和4 MW/120 MW·s的飛輪儲能系統，則其中可由飛輪儲能獨立響應的指令占總指令的27.9%，飛輪儲能與機組同時響應的指令占總指令的21.0%，聯合儲能系統與機組同時響應的占51.1%。

2" " 飛輪-電化學聯合儲能調頻系統及其工作機制

2.1" " 聯合儲能系統構成

本系統采用飛輪儲能系統、電池儲能系統和儲能調頻輔助系統來實現儲能系統的調頻功能，具體拓撲結構如圖1所示。

儲能單元通過功率變換裝置、升壓變壓器接入6 kV廠用電回路，升壓并聯到1#或2#機組的20 kV母線，再通過電廠主變送出。儲能單元分裝在7個標準集裝箱內，每個集裝箱配置電池或飛輪儲能單元以及溫控、消防、保護等系統；功率變換及升壓裝置安裝于6個中壓變流集裝箱內。

當機組調頻降低負荷時，聯合儲能系統處于充電運行狀態，由發電廠的6 kV廠用電母線經變壓器和整流裝置向電池和飛輪充電。當機組調頻增加負荷時，聯合儲能系統放電運行，經過逆變裝置轉化為工頻交流電。由于飛輪儲能的參與，聯合儲能系統的響應時間縮減為幾百毫秒，極大地提升了調頻電源的質量。

2.2" " 聯合儲能系統工作機制

根據數據分析，飛輪儲能與機組配合可以完全響應的指令數量合計為48.9%，鋰電池儲能無須投入，可延長鋰電池使用壽命。從AGC指令深度分布來看，小于9 MW的占比約為82.8%，9 MW以上的指令占比約為17.2%，雖然這部分指令數量比例較小，但由于指令調節深度大，對調頻輔助服務補償收益的貢獻率可以超過40%。

AGC指令的初始階段，機組響應滯后，此時儲能系統出力最大，飛輪儲能承擔尖峰負荷部分。當鋰電功率大于AGC要求出力時，通過配置飛輪儲能，可以降低電化學儲能系統的尖峰出力倍率，延長電化學儲能系統壽命。當電化學儲能系統功率小于AGC要求出力時，通過配置飛輪儲能，可以增大儲能系統的總出力，提高聯合儲能系統響應AGC指令的覆蓋率，增加調頻里程。利用飛輪壽命長的優勢，頻繁快速充放電，提高調頻服務的調節精度。

3" " 項目經濟分析

3.1" " AGC調頻性能計算指標

依據該地調頻和備用輔助服務交易實施的“兩條細則”文件，調頻性能指標包括調節速率K1、調節精度K2、響應時間K3。調頻性能綜合指標Kp由公式（1）決定：

K_p=K₁K₂K₃ （1）

該地區電網AGC服務貢獻日補償電量Q計算如公式（2）所示：

Q=DK_pdY （2）

式中：D為日調節深度；K_pd為日調頻綜合性能指標；Y為AGC調節性能補償系數。

3.2" " AGC調頻經濟性能分析

飛輪-電化學聯合儲能調頻系統的設備材料費用主要包括飛輪儲能集裝箱系統、鋰電池集裝箱系統、PCS集裝箱系統、高壓環網電氣及群控裝置集裝箱、儲能能源平衡系統、AGC調頻控制系統、集控集裝箱系統、工程設計施工等費用，總計約4 120萬元，具體明細如表2所示。

表3為該燃煤機組未增加儲能時調頻原有測算數據。#1機組原有Kp值為1.65，實際考核電量為2 150 MW·h，實際考核金額為61萬元，實際補償電量為27 350 MW·h，實際補償金額為774萬元；#2機組原有K_p值為1.62，實際考核電量為1 160 MW·h，實際考核金額為33萬元，實際補償電量為39 570 MW·h，實際補償金額為1 120萬元。

表4為該燃煤機組增加聯合儲能調頻系統時的測算數據。當年運行天數按300天計算時，#1機組的K_p值為4.8，日調節里程為3 200 MW·h，日補償收益為8萬元，年收益為2 400萬元，增量收益為1 626萬元；#2機組的K_p值為4.8，日調節里程為3 200 MW·h，日補償收益為8萬元，年收益為2 400萬元，增量收益為1 280萬元。

由此可見，增加飛輪-電化學聯合儲能系統后，單臺燃煤機組年增量收益在1 200萬元～1 700萬元。

4" " 結論

大規模飛輪-電化學聯合儲能調頻系統具有毫秒級充放電的功能，應用于電網調頻具有極大的優勢。飛輪儲能既可單獨運行，又可在調頻里程大于飛輪儲能容量時與電化學儲能聯合運行，延長電池壽命；此外，利用飛輪系統壽命長的優勢，可以頻繁充放電提高調頻精度，提升調頻性能綜合指標Kp值。聯合儲能調頻系統作為高性能調頻電源加入電網，可以減少火電機組承擔AGC任務的設備損耗，提高發電效率，減少排放，具有一定的經濟效益和社會價值。

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收稿日期：2024-05-08

作者簡介：樊宇航（1995—），男，陜西西安人，碩士研究生，工程師，研究方向：能源電力規劃、國際能源電力政策、碳達峰碳中和、新能源技術、綜合能源等。