机组-储能联合系统参与调频辅助服务市场的关键技术研究与实践

高海翔，董超，孟子杰，董锴，梁彦杰，李世明，李莹莹

(1.广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600；2.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074；3.中国南方电网电力调度控制中心，广东 广州 510623)

二次调频是电力系统维持电力实时平衡、平抑秒级至分钟级负荷波动的关键手段之一，对保证电网的可靠稳定运行起着重要作用[1-2]。随着广东电网的快速发展，系统负荷快速增长，大批量海上风电接入，西电东送占比逐年增大，考虑“N-1”或“N-2”安全校核引入的主网安全断面约束逐渐增多，使得广东电网对优质储能资源的需求逐步攀升，而以煤电机组为主的能源结构难以满足系统调频的需要。煤电机组长期承担调频功能时，其出力频繁变动不仅致使煤耗增加，还可能造成机组及辅机设备疲劳和磨损，进而产生更大的非计划停运概率和更高的检修成本，以及使得设备寿命缩减[3]。为了以市场手段促进调频产业发展，增加优质调频机组的收益，南方(以广东起步)调频辅助服务市场于2018年进入正式结算运行。在超过1年的正式运行中，调频辅助服务市场充分发挥了以市场化手段优化配置广东电网调频资源的作用，实现了调频资源的市场化调用和补偿机制[4]。

另一方面，储能技术的快速发展使其在电力系统中得到了日益广泛的应用。储能作为可以灵活配置的新型电源，具备有功功率双向调节、响应速度快、调节精度高的特性，在现有研究和工程实践中已被应用于减小可再生能源出力波动、削峰填谷、提高负荷侧电能质量、参与优化调度等多种场景[5-7]。随着储能电池的大规模研发和生产，其配置成本逐渐降低，特别是功率型储能的成本已达到可以规模化商业应用的条件[8]。功率型储能尽管容量较小，且无法较长时间保持满功率充放，但是其调节速度快，充放电特性与电网调频的需求十分契合；因此，国内外电力系统均逐步将储能用于电网调频[9-10]。据统计，目前全球除抽水蓄能外，应用于电网调频的兆瓦级储能工程超过160项[11]。

目前国外电储能技术参与辅助服务市场方面的应用已经比较成熟。美国联邦能源监管委员会(Federal Energy Regulatory Commission，FERC)在2011年颁布了755号令，要求区域输电组织和独立系统运行机构对能够提供调频服务的电力供应商在基本电价的基础上进行进一步补偿；2013年颁布的784号法令更是为电储能设备进入辅助服务市场创造了良机[12-13]。储能既可作为独立装置参与电力市场和一次调频、二次调频等辅助服务市场，也可以与新能源和火电机组联合参与市场[14]。据统计，仅PJM市场就有超过280 MW的储能装置进入调频市场，占据了41%的调频容量[12]。储能在调频辅助服务市场中的应用也是学术研究的热点问题之一。文献[15]提出了储能系统参与能量市场与调频市场的联合出清模型，通过考虑电网自动发电控制(automatic generation control，AGC)指令的不确定性，使得储能在参与市场的过程中，不会因响应AGC指令超过其荷电状态(state of charge，SoC)的限值要求。文献[16]研究了电池-电容混合储能系统参与调频市场时的容量规划，使得联合系统参与到PJM调频市场时可以获得最高的收益。针对PJM市场中储能大多报低价作为价格接受者的现状，文献[17]提出了储能的联合控制模型和报价模型，通过考虑储能成本折算，最大化储能在调频市场中的利润。文献[18]考虑调频收益与储能损耗的均衡，提出了储能投入调频市场的最优控制策略。文献[19]介绍了储能参与一次调频市场时的容量优化与策略。

国内也已经建设了不少储能装置的试点工程[16,20-22]。山西省京玉电厂和北京石景山热电厂分别装设了9 MW和2 MW的锂离子电池储能系统参与电网调频，在获得“两个细则”补偿收益后，由储能供应商与电厂共同分享AGC补偿增量收益。深圳的宝清储能电站是世界首个10 kV无变压器直挂配电网的钛酸锂电池储能系统，其调控中心可以直接通过监控系统调节储能出力以满足系统调峰需求。国家电网有限公司的张北风光储输示范基地和辽宁和风北镇风电场也将储能作为平抑新能源出力波动、参与电网调频的重要手段。但是，国内目前尚无储能与机组联合参与调频辅助服务市场的先例和实践。

本文提出由火电机组和储能元件构成联合系统，共同参与南方(以广东起步)调频辅助服务市场的关键技术。与现有国内外同类工程相比，主要创新在于：①分析了南方(以广东起步)调频辅助服务市场调频性能指标的构成并针对性地提出接入方案和控制策略，与类似研究相比，本文所提方案更加具有市场针对性；同时，本文所提方案也开创了储能厂商与电厂合作并共同分享调频市场收益的新型合作模式。②建造了南方首例参与调频辅助服务市场的机组-储能联合系统试点工程，这也是国内首批机组-储能联合系统参与调频辅助服务市场的试点实践工程之一。

1 机组-储能联合系统对调频性能指标的提升

1.1 调频性能指标

根据《广东调频辅助服务市场交易实施细则》，AGC单元的调频性能采用调频性能指标来评估。调频性能指标的定义为

K=0.25×(2K1+K2+K3)，

(1)

式中K1、K2、K3分别为机组的调节速率指标、响应延迟时间指标和调节精度指标，分别定义如下：

(2)

(3)

(4)

式中：n为1个调频市场交易周期(目前取为1 h)内，AGC单元响应控制指令的总次数；K1,i、K2,i、K3,i分别为第i次调节过程中机组的调节速率指标、响应延迟时间指标和调节精度指标。

K1,i=vi/vN.

(5)

式中：vi为AGC单元第i次调节过程中的调节速率(标幺值/min)；vN为调频资源分布区内AGC单元的平均标准调节速率(标幺值/min)。

K2,i=1-ti/tN.

(6)

式中：ti为AGC单元第i次调节过程中的响应延迟时间(min)；tN为允许响应延迟时间，目前取为5 min。

K3,i=1-ΔPi/ΔP.

(7)

式中：ΔPi为AGC单元第i次调节过程的调节偏差量(MW)；ΔP为允许调节偏差量，目前取值AGC单元额定出力的1.5%。

1.2 提升调频性能指标的优点

在调频辅助服务市场中，根据机组在中标时段内的调频表现，计算式(1)所示的调频性能指标。提升机组的调频性能指标，具有以下优点：

a)增加中标可行性。在调频市场正式出清时，首先将每台机组按照报价与调频性能指标的比值由低到高排列，之后依次出清直到总中标容量满足系统总调频需求为止。由此可见，机组的调频性能指标越大，也即机组的报价与调频性能指标的比值越低，其在出清序列中的排序越靠前，中标的可能性也就越大。

b)增加调频里程。机组的调频性能越好，其在中标时段响应AGC指令的速度越快，所跑过的调频里程越多。

c)增加调频收益。在调频辅助服务市场结算时，将机组在中标时段的调频里程、统一出清价格和机组调频性能指标的乘积作为总的调频里程收益，由此可见，机组调频性能指标越高，其调频里程收益也越高；此外，在调频中标时段，若机组的调频性能指标小于规定值(目前设为0.5)，则认定为提供的调频辅助服务质量不合格，不会计算当前时段的调频里程收益。因此，机组调频性能指标越高，也会相应地提高调频里程的合格率，保证调频收益。

1.3 储能对机组调频性能指标的提升

根据第1.1节中对调频性能指标3个分量的定义，机组加装储能后，储能对机组调频性能指标的提升也体现在3个方面：

a)提升调节速率。机组的二次调频由于受限于转子惯性，响应AGC指令调节时往往呈先慢速、后快速的模式；而在加装储能系统后，由于储能系统的响应速率较快，可以在初段较快响应AGC的调节指令，通过增大vi提高K1,i。

b)缩短响应延迟时间。由于二次调频需要原动机和燃烧系统的配合，火电机组的响应延迟时间一般远远大于燃机和水电机组；而在加装储能系统后，储能系统可以较快地响应调节指令，从而缩短联合系统的响应延迟时间ti，进而提高K2,i。

c)提高调节精度。火电机组由于惯性较大，在其出力达到目标指令附近时，往往难以迅速控制出力等于目标指令，而会在其附近出现小幅振荡，造成过调节现象；在加装储能后，储能系统可以在达到目标指令后对过调部分进行反向调节，从而增加振荡阻尼，减小调节偏差量ΔPi，进而提高K3,i。

2 机组-储能联合系统接入方案

机组-储能联合系统中，储能系统主要由储能单元、功率变换装置(power converter system，PCS)、温控消防装置、通信与控制单元构成。储能单元通过PCS接入6 kV厂用母线，厂用母线通过厂用高压变压器与机组相连，联合系统最终通过升压变压器接入系统主网，架构如图1所示。PCS作为储能系统与电网连接的功率接口设备，承担控制电网与储能单元间能量双向流动的功能，满足功率控制精度和充放电快速转换的响应速度要求。

图1 机组-储能联合系统接入方案Fig.1 Integration scheme of generator-storage combination system

二次控制方面，主站端AGC指令仍按照现有AGC通道下达，并直接送入机组分散控制系统(distributed control system，DCS)，再由DCS将控制指令分别送至机组和储能系统控制单元；储能控制系统与DCS采用硬连接方式，不接入机组控制回路或改变机组的控制逻辑，从而避免干扰机组的正常运行。远动信息上送方面，储能系统出力也是先送至机组DCS，在DCS中将机组有功功率与储能有功功率合并后送至机组AGC测控装置作为调度考核依据，同时也将储能的实时充放电功率、荷电状态等信息上送主站端能量管理系统(energy management system，EMS)。

3 机组-储能联合系统控制策略

DCS是机组-储能联合控制系统的控制中枢。DCS在接收到主站AGC控制指令后，通过协调控制系统(coordinated control system，CCS)调节燃料、给水等炉机工质，控制机组出力跟随AGC控制指令；另一方面，DCS将AGC控制指令和机组实际出力送至储能控制系统，由储能控制系统对储能电池的充放电功率进行控制，使得联合系统的总出力达到快速跟踪主站AGC指令的目的。机组-储能联合系统的控制流程如图2所示。图中AGC0和AGC1分别表示机组和储能功率，后者又根据接入母线分为A段(AGC1a)和B段(AGC1b)。AGC汇总以上信号后，将其送入功率远程终端单元(remote terminal unit，RTU)，再送回调度主站。

为了避免对一次调频的干扰，需要在DCS中增加一次调频的闭锁调节功能。当机组的一次调频启动时，储能维持当前出力不变直至一次调频动作结束，以防止储能出力变化导致一次调频出现反调的情况。由于机组-储能联合系统目前尚处于探索阶段，为了避免对机组正常运行的干扰，已有工程并未采用机组与储能系统进行更深层次的协同控制。

4 机组-储能联合系统的工程实践

4.1 机组-储能联合系统试点工程

依托于粤西某拥有2台容量为300 MW火电机组的电厂，建造南方(以广东起步)调频辅助服务市场的首个机组-储能联合系统试点工程。该电厂安装了1套9 MW/4.5 MWh的锂电池储能系统，并通过切换开关分别接入2台机组的6 kV厂用母线。在实际使用中，可通过调整储能进线开关的状态，使储能分别与2台机组构成联合系统，从而在1台机组停备或检修的情况下可充分利用储能单元。图3为联合系统拓扑结构，图中“主变”表示主变压器，“厂变”表示厂用变压器。

图2 机组-储能联合系统控制流程Fig.2 Control scheme of generator-storage combination system

4.2 性能测试

为了测试机组-储能联合系统在AGC指令变化时的性能，对联合系统进行多次AGC变负荷试验，图4所示为AGC指令从300 MW降低至255 MW时的测试曲线。由图4可见：AGC控制指令大幅度降低时，储能能够从零出力变为负功率，迅速降低出力，将联合系统的出力降低至目标值，并在到达目标值附近后通过功率的双向快速变化来抑制机组过调节。在此过程中，由于储能主要处于充电过程，其荷电状态上升。

机组在储能接入前后的性能指标对比见表1。由表1可见，机组-储能联合系统的性能指标均大幅优于机组原有指标。在试验过程中，机组的主汽压力、主汽温度、硫化床温度、汽包水位、烟气氧量、炉膛压力等运行参数的控制偏差均与机组原有运行参数相同，证明储能接入并未影响机组的正常运行。

4.3 参与调频辅助服务市场成效

储能接入前后，该电厂机组在调频辅助服务市场中的调频性能指标对比见表2。

图3 机组-储能联合系统试点工程拓扑Fig.3 Topology of generator-storage combination system pilot project

图4 机组-储能联合系统试点工程性能测试曲线Fig.4 Testing curve of control system of generator-storage combination system pilot project

表1 储能接入前后的机组性能指标对比
Tab.1 Comparison of performance indices of generators before and after storage integration

运行状态响应延时平均值/s最大动态出力偏差平均值/MW最大稳态出力偏差平均值/MW实际出力变化速率平均值/(MW·min-1)储能接入前519.94.73.9储能接入后456.93.54.9

表2 储能接入前后的机组调频性能指标对比Tab.2 Comparison of frequency regulation performance indices of generators before and after storage integration

由表2可见：在接入储能设备前，机组的归一化综合调频性能指标在0.55左右，仅略高于调频辅助服务市场的准入门槛值0.5，在市场中，机组即使报最低价也基本无法中标，市场竞争力较弱。而在接入储能后，机组-储能联合系统的K1、K2、K3值分别大幅度提升至3.05、0.95、0.85。由此可见，储能接入后可大幅提升机组的调节速率、缩短响应延迟时间并提高调节精度，特别对调节速率和响应延迟时间的提升十分显著。接入储能后，机组-储能联合系统归一化后的综合调频性能指标达到实际层面的最大值1.0，使得联合系统在市场中具有足够的竞争力，由此也在市场中具备一定的报价调整空间。

目前，南方(以广东起步)调频辅助服务市场中每月产生的总调节里程约1.4 TW，正式出清的结算价格在15元/MW左右，试点工程配置的9 MW/4.5 MWh储能投资约5 000万元。当前该机组-储能联合系统每日在调频辅助服务市场中的实际调频里程超过3 000 MW，考虑后续其他储能接入后会占用部分调频里程资源，按照保守估计每日2 000 MW调频里程测算，试点工程的成本回收周期约为4.5 a。在储能约10 a的使用寿命范围内，试点工程可获得净盈利超过6 000万元。由此可见，在调频辅助服务市场的有效激励作用下，机组-储能联合系统具备稳定回收成本乃至盈利的前景。这部分收益可由储能厂商与电厂分享，从而创新性地建立一种由储能厂商出资在电厂建设储能设备，与电厂共同参与调频辅助服务市场分享调频收益的新型合作模式。

从电网层面来看，机组-储能联合系统的接入也为广东电网提供了优质的调频资源，从而为保障广东电力系统安全、频率稳定作出重要贡献。

5 结束语

本文提出火电机组和储能元件构成机组-储能联合系统参与调频辅助服务市场的关键技术，包括接入方案设计和控制策略制订。粤西某电厂的试点工程实践证明该技术能够大幅提升机组的调频性能指标，极大地增强其在调频辅助服务市场中的竞争力，并取得良好的经济收益。

目前在广东调频辅助服务市场的有效激励作用下，调频储能具备稳定回收成本乃至盈利的前景。有分析认为，未来5 a国内储能调频装机量将保持8%的年平均增长率，年调频需求为1.5～2 GW。试点工程为调频储能的商业化应用提供了良好的范例，为广东电网开拓了全新的优质调频资源，促进了储能新兴的产业发展，也因此引起了业界的广泛关注。