电储能与燃煤发电机组联合调频响应

巴黎明，冯 沛，赵璐璐，LEMMON John

(北京低碳清洁能源研究所，北京 昌平 102211)

电储能与燃煤发电机组联合调频响应

巴黎明，冯 沛，赵璐璐，LEMMON John

(北京低碳清洁能源研究所，北京 昌平 102211)

随着新能源并网规模和特高压线路数量的增多，电网频率管理也愈发严格。由于蒸汽动力系统具有流程长、热惰性大等问题，燃煤发电机组面临的调频工作压力也越来越大。为了解决以上问题，对储能系统辅助调频应用开展了深入研究。介绍了电储能系统与燃煤发电机组联合响应自动发电控制(auto generation control,AGC)调频调度指令的系统结构，在Matlab/Simulink环境下建立了储能调频系统的仿真模型，并根据实际电厂数据进行了计算分析。仿真结果表明，增加一定规模的储能调频系统可以将合并输出调频性能提高2～3倍，避免被考核。还从多个方面对储能调频系统不同接入方式的安全性进行了分析，认为储能调频应用不会对机组安全运行带来隐患。储能调频系统可以从发电辅助服务市场获得补偿，减少机组过度调节，延长设备寿命，对电力系统安全高效运行具有重要意义。

电储能；调频；燃煤发电机组；自动发电控制(AGC)仿真

0 引言

随着新能源技术的发展，风电、光伏等新能源接入规模日益增加。2015年新增风电装机容量32.97 GW，光伏装机容量15.28 GW，新能源装机规模已经占总装机规模的32.7%。由于风电、光伏出力受自然条件影响较大，出力反复波动，使电网频率管理压力日益凸显。我国资源分布不均匀，新能源和煤炭等资源分布均呈现西北多、东南少的形势，需要通过特高压通道进行远距离输电，也会造成受端附近联络线频率偏差较大。新能源并网和特高压远距离输电的压力造成华北、华东等装机裕量紧张的地区联络线功率-频率管理困难，影响用电安全。为了提高电网运行安全性，各区域电网监管机构相继出台了《并网发电厂运行管理实施细则》和《并网发电厂辅助服务管理实施细则》(简称“两个细则”)来规范发电机组的调频响应性能。其核心就是通过自动发电控制系统(auto generation control,AGC)保证电网一次调频和二次调频能力[1-3]。“两个细则”的实施切实保证了电网频率安全性，但也给发电企业带来了额外的压力。华北、华东等区域缺乏水电等高响应速度机组，调频任务多由火电机组承担。部分火电企业由于机组老化、控制系统落后等原因迟迟无法达标，每年考核费用超千万；还有企业通过汽门频繁调整等措施来满足考核指标[4-5]，虽然获取了一定的补偿收入，但在检修中也屡有设备裂纹等现象发生。燃煤发电机组在AGC响应中存在的主要问题是响应慢造成的调节延迟、控制误差过大造成的调节偏差和部分反向调节、停滞等问题，一部分原因是蒸汽动力系统的固有问题，难以大幅改善。“两个细则”也拓展了发电辅助服务市场的范围，给高响应速度电源提供了一定的补偿机制[6-8]。如何解决燃煤发电机组响应速度慢，如何提高发电辅助服务市场收益成为新形势下需要加以深入研究的问题。

针对以上问题，一个可行的解决方案就是引入高响应速度调频电源替代一部分燃煤机组调频工作[9-14]。美国、德国、韩国等国家都在这方面出台了相关市场政策并推广实施了电网储能调频应用[15-17]。电储能系统(energy storage system, ESS)从0到最大出力的响应时间仅为数百毫秒，可以提供燃煤机组25倍以上的响应能力[18]。使用电储能系统与燃煤机组联合响应电网调度指令，电储能系统承担大部分波动性和折返性的调节指令，可以降低对燃煤机组调节性能的要求，使机组工作状态更加平稳，减小汽门反复调节损失。类似功能技术的研究表明可以降低煤耗1.3 g/(kW·h)左右[19]。

本文介绍储能调频系统方案，建立储能调频系统的仿真模型，并根据实际机组运行数据对储能系统出力、调频响应效果和效益进行计算。

1 储能调频系统方案

储能调频系统包括主控制器、储能变流器(power control system, PCS)和锂电池组等组成，分类装入数个集装箱中，集装箱的内、外结构如图1所示。采用集装箱方式可以布置在厂区露天空地，方便进出线和安装调试，并且可以根据工作情况调整系统规模，提高了系统灵活性。

储能调频系统与燃煤机组之间的连接方式也比较灵活，可以接入发电机出口侧，如图2所示，也可以接入厂用电侧，如图3所示。接入发电机出口侧需要对封闭母线进行一定的改造。接入厂用电侧可以灵活布置，安全性相对较高。

图1 储能调频系统集装箱内部结构Fig.1 Internal structure of ESS frequency regulation container

图2 储能调频系统接入发电机出口侧Fig.2 ESS frequency regulation system connected to generator’s output

图3 储能调频系统接入厂用电侧Fig.3 ESS frequency regulation system connected to self-supplied power system

图4 储能调频系统结构图Fig.4 Structure of ESS frequency regulation system

储能调频系统结构如图4所示。电网传递来的AGC指令由燃煤机组分布式控制系统(distributed control system,DCS)系统转发给储能调频系统。作为单独控制的分立系统，储能调频系统不影响机组对AGC的响应控制流程，而是根据机组出力和AGC指令要求之间的差距自动计算储能系统出力并执行。在电网侧的总出力是燃煤机组出力和储能调频系统出力的加和。

储能调频系统的控制模块根据AGC指令要求和机组出力情况计算自身出力设定值，其控制算法流程如图5所示。储能调频控制系统还包括收益检测、PCS和电池组工作状况监测等模块。

图5 储能调频系统控制算法流程图Fig.5 Algorithm flow chart of ESS frequency regulation system

2 储能调频系统仿真结果

本文根据上述储能调频系统的结构和功能在Matlab/Simulink中搭建了实时仿真模型，并引入电厂实际生产数据进行了仿真计算。

某电厂超临界机组服役时间长，设计蓄热较小，仅相当于普通汽包锅炉的20%左右，使AGC指令响应速度慢，Kp值一直保持在1左右，如表1所示。

表1 某电厂机组AGC性能指标Table 1 AGC performance index of a coal-fired power generator

图6表示在没有引入储能调频系统时，在大约总计50 MW的连续升负荷过程中，燃煤机组出力对AGC指令的响应跟随情况。由于机组蓄热较小，响应速度慢，最初的10 MW升负荷AGC指令的K3考核就没有达标，随后又在170～250 s出现了较长的出力平台，没有及时响应后续的8 MW升负荷指令，随后的过程中也出现了多次延迟响应或出力平台的现象，造成整个过程K1值低于1，机组被考核。

图6 燃煤机组出力对AGC指令的响应跟随情况Fig.6 Output of coal-fired power unit responding to AGC command

在增加储能调频系统以后，当燃煤机组出力对AGC指令响应迟缓时，储能调频系统自动跟踪并调整出力，使机组和储能系统合并出力可以达到满足AGC指令要求下的高Kp值曲线，如图7所示。

图7 加入储能以后的AGC指令响应改善情况Fig.7 Output of coal-fired power unit with EES responding to AGC command

在连续生产过程中，燃煤机组会经历多次的升降负荷过程，使储能调频系统也处于输出或吸收能量的循环工况下。储能调频系统在3天时间内的出力情况如图8所示。10 MW储能系统可以辅助600 MW燃煤机组达到合并Kp值大于3.5，实现3倍于燃煤机组的AGC响应能力提高。如果燃煤机组自身性能较好，可以实现Kp值达到2左右，加入储能调频系统以后可以将合并Kp值提高到5左右，如表2所示。高Kp值不仅可以避免对机组的考核，而且可以承担更多的带基点正常调节子模式运行任务，获得更大的调节深度和补偿，在发电辅助服务市场获得显著的收益。

图8 3天内储能调频系统出力情况Fig.8 3 days’ output of ESS frequency regulation system

表2 某机组增加储能调频前后AGC性能指标变化Table 2 Variation of AGC performance index before and after installation of ESS frequency regulation system

3 储能调频系统安全性

储能调频系统承担了大部分的AGC指令响应工作，避免为了达到较高的考核指标而对机组进行过度频繁的调节，对汽门等关键调节设备起到保护延寿作用，也可以提高机组运行中的安全性和经济性。

储能调频系统接入发电机出口侧的潮流分布如图9所示。储能调频系统出力仅相当于燃煤机组装机容量的1%～2%，其功率变化对发电机出口母线电压的影响很小，基本可以忽略不计。储能调频系统接入厂用电侧的潮流分布如图10所示。储能调频系统出力占厂用变容量的1/3左右，从最大输出到最大输入下的厂用电侧电压变化率不超过2%。

图9 储能调频系统接入发电机出口侧潮流分布Fig.9 Power flow distribution of ESS frequency regulation system connected to generator’s output

图10 储能调频系统接入厂用电侧潮流分布Fig.10 Power flow distribution of ESS frequency regulation system connected to station service power

在谐波控制方面，储能调频系统中的PCS可以采取脉宽调制(pulse width modulation, PWM)逆变器多重化或多电平技术等多种技术手段抑制谐波量，将输出谐波水平控制在3%以下，一般不需要另外安装滤波器。储能调频系统容量相对燃煤机组容量比例较小，对合并输出的发电质量基本不产生影响。PWM逆变器的谐波分量为奇次谐波，不会与轴系自然扭振频率发生共振关系，不存在引发次同步震荡的风险。

储能系统配置有完善的保护功能，在外部电网故障或扰动下，PCS能由正常工作状态进入异常状态，通过PCS控制电流电压在额定范围以内，保证装置的安全运行。如果储能装置自身故障或外部短路故障，PCS可以快速闭锁逆变器，或跳开交流侧断路器，把储能系统与交流电网隔离开来。

4 结论

本文介绍了电储能系统与燃煤发电机组联合响应AGC调频调度指令的系统结构，在Matlab/Simulink环境下建立了储能调频系统的仿真模型，并根据实际电厂数据进行了计算分析。储能系统辅助燃煤机组联合调频响应具有以下优点：

(1) 储能调频系统具有百毫秒级的响应速度，使其具有燃煤发电机组25倍以上的调频能力。

(2) 将储能调频系统与燃煤发电机组相结合，可以使合并出力的AGC考核指标Kp值提高2～3倍，不仅可以避免机组考核，还可以从辅助服务市场获得收益。

(3) 储能调频系统承担了大部分的AGC调节响应任务，可以避免燃煤发电机组设备的频繁调节，可以延长设备寿命，保证安全生产。

(4) 储能调频系统在谐波控制和次同步震荡抑制等方面具有良好的安全性能，在机端或储能端故障情况下可以可靠隔离，不会对机组正常运行带来安全隐患。

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巴黎明

LEMMON John(1964—)，男，美国，博士，主要从事分布式能源研发工作，johnlemmon@nicenergy.com。

(编辑 蒋毅恒)

Combined Frequency Regulationof ESS and Coal-fired Power Unit

BA Liming, FENG Pei, ZHAO Lulu, LEMMON John

(National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Changping District, Beijing 102211, China)

With the surge of new energy integration and ultra-high voltage (UHV) lines, it calls for even more strict management in frequency regulation of power grid. Considering the long process flow, large thermal inertness of steam power system, the coal-fired power units are facing even higher pressure in frequency regulation. For this, an energy storage system (ESS)-aided frequency regulation was discussed in this paper. The system structure of dispatching command for combined ESS and coal-fired power units, was proposed; the simulation model was built on the platform of Matlab/Simulink to study the frequency regulation of energy storage; an instance study was made with practical operation data. The results show that the combination system can serve 2 to 3 times response than conventional system; the introduction of such ESS system with energy storage would not affect the safe operation of power units; It makes great reference for the development of auxiliary service market for power generation in reduced over-regulation, prolonged life span, safer and higher-efficiency operation of power system.

ESS; frequency regulation; coal-fired power units; AGC simulation

TK02

A

2096-2185(2016)02-0044-06

2016-08-21

巴黎明(1982—)，男，工程师，硕士，通讯作者，主要从事储能系统应用技术开发工作，baliming@nicenergy.com；

冯 沛(1983—)，男，工程师，硕士，主要从事储能系统应用技术开发工作，fengpei@nicenergy.com；

赵璐璐(1985—)，女，工程师，硕士，主要从事电力电子设备技术开发工作，zhaolulu@nicenergy.com；