储能电池技术参与火电厂AGC调频的应用

华润电力控股有限公司 张涛

对于燃煤发电机组，一次能源转换成电能需要经历一系列复杂的过程，同时其轴系具有旋转惯性，因此燃煤机组对有功功率的调节响应速度较慢，通常需要较长时间才能完成调节要求。因此，火电机组在长期承担繁重的自动发电量控制（Automatic Generation Control，简称AGC）调节任务时，特别是当电网中调指令变化幅度较大时，因为其响应速度慢，造成了机组锅炉短期内迅速加煤，这样会导致机组制粉系统负载升高、设备磨损严重、发电煤耗增高等一系列负面影响。为了能够提高火电机组的AGC 调节速率和调节精度，提高火电机组运行的经济性，近年来，国内外电力市场出现了将储能技术引入到电力系统AGC 调频中的技术。

储能技术介绍

在电力系统运行中，AGC 主要通过实时调节电网中的调频电源的有功出力，实现对电网频率及联络线功率进行控制，解决秒或分钟级短时间尺度的区域电网内的具有随机特性的有功不平衡问题，其对AGC 电源性能提出了调节速率快、调节精度高等较高要求。

传统电网AGC 调频功能主要由水电、燃气机组以及火电机组等常规电源提供。由于这些电源均为具有旋转惯性的机械器件组成，将一次能源转换成电能将经历一系列复杂过程，特别是火电机组的AGC 调频性能与电网的调节期望比较尚有差距，具体表现为调节的延迟、偏差（超调和欠调）等现象。下图中显示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。

火电机组跟踪电网AGC 指令的响应过程

对成熟的储能系统而言，在额定功率范围内，都可以在1秒钟内、以99%以上的精度完成指定功率的输出，其综合响应能力完全满足在AGC 调频时间尺度内的功率变换需求。根据美国西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的2008年研究报告显示，平均来看，储能系统的调频效果是水电机组的1.4 倍，是天然气机组的2.3倍，是燃煤机组的20 倍以上。10 兆瓦的储能系统从+10 兆瓦到-10 兆瓦只需要2 秒钟，即对于一个20 兆瓦的AGC 指令，如果采用储能技术，可在2 秒内完成。如下图所示，储能的AGC 跟踪曲线几乎与AGC 指令曲线重合，即调节反向、调节偏差以及调节延迟等问题将不会出现。储能的综合AGC 调节性能要远好于火电机组。

储能系统跟踪电网AGC 调频响应过程

储能联合调频系统

储能联合调频系统的工作原理是，通过将储能设备添加进传统的火电机组中，在对AGC 调频指令的响应方面，用火电机组作为基础的响应单元，储能系统则作为进行快速响应的补充单元。因为储能系统能够对输出功率进行高效的调节，它的应用能够对机组AGC 信号的响应精度与速度进行有效的改善，同时还能够大幅度的降低机组在运行过程中的风险，缓解机组中的设备在运行过程中的磨损情况。在实际应用过程中，储能系统不需要与电厂机组共用相同的生产控制逻辑，为了最大程度上减少因为改造而造成的运行风险，要尽量减少对机组的控制系统的变更。

在火电机组中接入储能系统以实现联合调频之前，相关部门和工作人员首先要对有关的安全问题进行全面深入的考虑，利用数值仿真、理论分析等手段进行安全分析，对接入风险、储能系统的容量选用、火电机组的检修计划、施工成本与周期、安装场地的限制等诸多因素进行全面的考虑，以此确定具体的接入方案。需要注意的是在设计接入方案的时候，要尽可能降低对火电机组的运行安全的影响，同时也要对施工成本和施工周期进行有效的控制。

通信和控制单元、PCS 功率变换装置以及储能单元是储能系统的主要构成部分，储能联合调频系统中包含有兆瓦级储能单元，将双向功率兆伏安级变换功率装置接入其中，将其接入厂用电6.3 千伏的高压回路中，是借助升压变压器实现的。电厂中380 伏的厂用电是储能系统的辅助用电的主要来源。在进行储能系统设计时，3 兆瓦电池标准化储能单元是其主要前提，为了使功率容量有比较显著的提高，将3 兆瓦的变换双向功率装置和储能单元进行并联，然后对其进行升压。将储能系统的辅助用电并入电厂的用电回路之中，能够为控制系统提供用电，并保证储能系统的冷却和照明，与此同时，在储能系统内部有UPS 设置，能够在辅助供电发生中断的情况下，有效保证系统的整体运行安全。

以华润电力唐山丰润有限公司的某一机组为例，将储能系统接入该机组的机端之后，电厂的储能控制系统可以实时借助远动终端的单元系统和该机组的控制系统之间的通讯连接，获取到该机组的生产信息数据，在此基础上，对机组的运行情况进行分析。然后再考虑到电网高效安全运行针对该机组的具体调度要求，利用内置算法的处理，得到相关的优化数据，然后将这些优化数据发送到储能系统的功率装置进行实际执行，最终对该机组实现优化生产干预，大幅度的提高该机组在实际生产过程中的性能指标。

在将储能系统接入火电机组之后，现有的RTU 设备在向机组发送AGC 指令的同时，增设AGC 指令发送给储能系统主控制单元的信号。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电网，作为AGC 考核依据。

系统运行的性能和经济效果

将储能系统接入电厂中原有的火电机组之后，在试运行以及前期正式运行阶段，电厂相关部门对储能联合调频系统的各项性能参数进行测试。测试结果表明，储能联合调频系统在出力控制方面，其实际误差平均低于28 千瓦，只占储能系统的额定容量的1.4%。储能系统在额定功率情况下，其并网线路的实际损耗只有21.4 千瓦，低于额定功率容量的1%。在直流侧，储能联合调频系统的能量效率高达93%，在交流侧，其能量效率能够高达86%。根据技术人员的测试，可以发现，储能联合调频系统在出力控制方面具有高响应速度、高精度的特点，与火电机组相比，储能联合调频系统对于电网的AGC 调频指令的调节速率、响应速度以及响应精度均具有十分明显的优势。

华润电力控股有限公司润达电厂2019年2月份前半月1 号机组和2 号机组同时投运AGC，其中1 号机组和储能联合运行，2 号机组单独运行。AGC 运行运行考核情况如下：

2019年2月润达电厂AGC 考核指标Kp 值

2019年2月润达电厂AGC 运行指标：调节深度兆瓦

运行结果表明，储能联合机组调频性能明显优于机组单独调频，调节深度明显提高。储能和机组联合运行明显提高补偿收益。润达1 号机组AGC 调节性能明显的提升，供热期单日KP 值由原来平均3.3 左右提升至平均4.1 左右；日补偿费用由原来几千元最高可提升至5 万元左右。在非供热期单日KP 值预计达到4.8 以上，日补偿费用可提升至8～10 万元左右。

结语

在电力生产运营层面，华北电网以大型燃煤火电机组作为主要调频资源，而储能系统的AGC 调频效果远好于火电机组，引入相对少量的储能系统，将能够迅速并有效地解决区域电网调频资源不足的问题。本项目对华北电网的AGC 调频运行预计将产生明显影响，改善电网运行的可靠性及安全性，对构建坚强型智能电网并改善电网对可再生能源的接纳能力具有重要意义。同时，当火电机组从长期的AGC 调频任务中解放出来，稳定出力并提高负荷率将很好地改善机组燃煤效率，缓解由于频繁调节造成的火电机组的设备疲劳和磨损，提升机组的可用率及使用寿命，进一步促进全社会的节能减排。