火电与电储能联合调频方法的研究

张 平

（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引 言

我国资源布局不均衡，不同区域资源存在较大差异。电力资源主要集中在经济不发达的西部地区，用电负荷主要集中在经济发达而能源短缺的东部地区，能源分布与电力需求市场呈逆向分布。此外，可再生资源集约化发展给电网调峰和电网运行调控带来了一系列问题，威胁电网自身安全运行。

目前，国内建设抽水蓄能电站是解决电网调峰和电网运行调控的主要手段。但是，抽水蓄能电站选址受到地理位置、水头、地形和地质等方面的影响，大多数电网调峰资源极其短缺，基本上依靠火力发电机组进行调峰甚至深度调峰。为适应电网负荷需求的变化，火电机组需要频繁升降负荷。在特殊工况下长时间运行，易造成汽轮机调门频繁摆动。锅炉及其他辅助设备长期承受剧烈的温度变化和交变应力，严重损害设备的使用寿命，导致检修频率增加，维护成本上升，需会导致机组非计划停运次数增多，严重威胁机组、电网和运行人员的人身安全[1]。

火电机组的AGC调频性能与电网的调节期望存在差距，具体表现为调节的延迟、偏差（超调和欠调）等。图1为一台火电机组的实际跟踪电网AGC指令进行功率调节的过程。

根据各区域电网公司现有AGC调节奖惩方法[1]，虽然参加调峰调频机组可以获得一定的经济补助，但非计划停运会导致巨额的考核。两者之前存在矛盾，导致电厂参与调峰调频积极性不高。因此，现代电力系统迫切需要新的调频调峰手段。

图1 某火电机组跟踪电网AGC指令的响应过程

1 电储能调频原理

电储能技术作为一种新型调频调峰手段得到了快速发展。根据国外相关机构研究发现，电储能系统在额定功率范围内，可以做到1s内以99%以上的精度完成指定功率的输出，综合响应能力满足在AGC调频时间尺度内的功率变换需求。如图2所示，10MW的储能系统从+10～-10MW只需要2s。对于一个20 MW的AGC指令，如果采用储能技术，在2s内就可以完成。

图2 电储能系统跟踪电网AGC调频响应过程

由图2可知，电储能的AGC跟踪曲线几乎与AGC指令曲线重合，即调节反向、调节偏差及调节延迟等问题将不会出现。因此，在调频资源紧缺地区可适当建设电储能设备，参与火电机组调频，实现火电与电储能联合调频。

1.1 电储能系统组成

电储能联合调频系统由电池储能系统、储能双向流变器PCS、高压环网装置、通信及控制单元等构成。电池储能系统是一个由多个直流电池组集成的大容量电源系统，由高性能动力锂电池如三元锂电池或磷酸铁锂电池模块组合成不同电池单元构成。每个电池单元包含电池架、1套电池管理系统（Battery Management System，BMS）、空调冷却系统、照明和消防等辅助系统。每个电池单元配置1套配电系统，安装双向逆变器和双绕组分裂变压器[2]。

1.2 电储能系统工作原理

采用电池储能系统、储能双向变流器PCS实现锂电池和厂用电源之间的直流系统和交流系统的能量双向流动[2]。储能PCS根据AGC指令将厂用交流电转换为直流电充入锂电池堆内，储能PCS在接收到充电停止命令或达到锂电池充电截止电压时，充电过程结束。AGC控制系统或后台调度系统向储能系统下达放电指令时，储能系统内的储能双向变流器PCS切换为放电模式，储能PCS将电池堆内直流电转换为三相交流电输出至厂用电。储能PCS在接收到放电停止命令或达到锂电池放电截止电压时，放电过程结束。PCS系统不参与无功电压调节，储能辅助调频系统在机组处于正常运行时投入工作。目前，电储能装置采用接入高压厂用电系统[2]。电储能装置参与火电机组联合调频工作原理，如图3所示。

2 电储能调频实施方案

2.1 电储能容量配置

电储能装置容量一般按照电网AGC调频特性、申请调频机组容量决定。以某火力发电厂二期2×350 MW机组申请参与电网调频为例，统计电网对该厂机组下达AGC调频指令，80%的调频指令约为3%倍的机组全容量。因此，该厂需配备10.5 MW左右电储能装置，同时结合发电机组本身的调节能力和机组调节余量，可以配置9 MW储能系统功率满足调频需要。

图3 电储能系统联合调频原理

2.2 电储能系统接入方式

考虑到单元制机组厂用变容量限制、节省施工改造成本及运行维护便捷性等，9 MW电储能装置可将5个储能单元分成5 MW/2.5 MW·h和4 MW/2MW·h两个模块。储能系统主功率回路通过电缆连接，接入厂内3#（4#）机组高厂变用6 kV母线B段备用间隔，以实现储能系统在任何一台机组停运期间都可以实现全容量参与电网调频，并对储能系统在3#机组与4#机组电气接入回路间做互锁联动控制，使电储能系统只能接入一台机组厂作为用电系统，如图4所示。

2.3 机组RTU系统改造

电储能系统接入后，电厂原有RTU设备在向机组发送调峰指令的同时，需增设调峰指令发送给储能系统总控制单元的信号。同时，储能系统接入后，需要将机组出力与储能系统出力进行合并，并将合并后的出力信号上传至电网，作为调峰考核的依据。

（1）需将机组的出力信号和储能装置的出力信号叠加后作为机组出力反馈信号（回传电网的遥测信号点名不变，不新加遥测回传点）。

（2）储能系统的控制系统与RTU以约定的通信协议进行通信（单向，RTU站发送，储能系统总控制单元接收），以获取实时运行数据。

图4 电储能接入系统原理图

3 结 论

电储能因响应速度快、调节无偏差和能够有效弥补发电机组AGC调频不足，受到了电网重视，各区域电网逐步开展电储能试点工作。但是，电储能装置也存在不足。作为电储能核心部件，它的动力电池充放电效率、安全性都有待进一步提高。同时，电储能系统消防安全也亟待解决。因此，作为一种新型调峰调频手段，必须加强对火电与电储能联合调频的研究和完善，从而更好地服务电力系统。