基于火电机组厂级AGC的储能辅助调频系统

华润智慧能源有限公司 胡 斌 彭驭风 季遇春 湖南华润电力鲤鱼江有限公司 谢学军 兰海涛

伴随锂离子电化学储能系统成本的快速下降，越来越多规模化系统应用于电力系统的各个领域。随着电改的持续深入，电源侧的盈利空间被进一步压缩，为电网提供优质服务而获得补偿也将成为发电企业增加盈利的重要手段之一，电力辅助服务市场的建立，大量储能联合调频项目相继在全国各地陆续投产。电化学储能系统辅助火电机组进行调频辅助服务，可大幅提高AGC调频性能，为发电企业带来良好的调频服务收益。同时对改善电网运行的安全可靠性、改善电网接纳可再生能源的能力、构建坚强型智能电网都具有重要意义。

火电厂厂级AGC系统由于其低成本、高效、节能的优点，越来越得到电网、电厂的认可和推广应用。厂级AGC系统改变了传统点对点直控机组的调度方式，在接受调度中心下达的全厂负荷指令后，系统根据每台机组的煤耗率、锅炉燃烧稳定性、环保排放指标、响应速率、调节范围、辅机运行方式等参数自动进行优化组合和分配，可有效降低发电成本，促进机组安全、环保、经济运行。目前投运的火电储能联合调频项目均采用储能系统辅助单台机组响应AGC指令的运行方式。对于实施厂级AGC控制系统的电厂，储能系统仅辅助单台机组难以实现全厂调频性能、收益的最优。

1 背景

广东电网位于负荷中心，结构复杂，电源结构中西电、水电、煤电、气电、核电、新能源发电等多种电源并存，煤电电源占50%左右，水电、抽蓄等灵活调节电源占比10%左右。负荷峰谷差大、变化快速，AGC调频电源需求量大，火电机组AGC调节能力相对较弱，优质调频电源比较稀缺。2018年8月2日国家能源局南方监管局下发了关于印发《广东调频辅助服务市场交易规则（试行）》的通知，广东调频市场于2018年9月1日启动试运行并正式开始结算。

湖南华润电力鲤鱼江有限公司地处湖南省资兴市鲤鱼江镇，现运营两台330MW燃煤机组，属南网直调电厂，是广东电网最北端的一个重要电源点。2017年11月获得南方电网公司批准成为广东电网首批储能调频试点项目，根据调频市场试运行情况、机组容量及其AGC现状，项目配置12MW/6MWh磷酸铁锂电池储能系统，与常规300MW机组储能容量配置相比优势在于：基于仿真测算确定容量配比，投资回报率较高；运行方式上更灵活，可根据需要选择双机或单机参与市场，在检修或局部故障处理时影响较小；单机运行期间，更大容量的储能容量参与调节，可显著提升调频性能；双机运行时，保证调频性能、满足中标率，可大幅增加调节里程。

项目于2019年9月23日顺利通过30天连续试运行，正式投入商业运营。该项目总投资3750万元，运营期6年，是国内首个由电厂自主投资建设运维的储能调频项目，也是储能系统首次应用于厂级AGC系统。

2 设计方案

鲤鱼江储能项目12MW/6MWh储能系统共配置14个标准集装箱，主要包括6个储能电池集装箱、6个PCS集装箱和2个高压配电集装箱。每个储能系统电池集装箱内置4个电池堆、1台中控柜、1套消防系统。每个电池堆由3个电池簇、1台工业空调、1台DC汇流柜组成。每个PCS集装箱内部配置4台500kW双向变流器（PCS）、1个2200kVA双分裂6kV变压器、1台6kV开关柜以及相关配电控制设备，采用风道散热。2个高压配电集装箱内部共配置4条6kV母线、12面开关柜、1面直流屏、1面交流屏和1面通信屏。

图1 鲤鱼江电厂储能系统接入拓扑

考虑厂级AGC的运行方式，鲤鱼江电厂储能系统分四段接入#1、#2机组高厂变6kV母线，可根据需要手动切换三种运行方式（表1）。储能系统配置分区保护，在保护区发生各种类型的故障保护应能正确启动并可靠动作；当故障点不在保护区内则保护应可靠不动作。相邻保护区间应存在重叠部分，保证所有的电气设备都在保护范围内[1]。

表1 厂级AGC储能系统运行工况开关操作表

3 EMS

EMS是储能辅助调频项目协调控制的核心，是保障项目高效、稳定、安全可靠运行和获取最大经济利益的重要工具。鲤鱼江储能调频项目采用华润智慧能源有限公司自主研发的EMS系统，其主控单元采用PLC方案，主备冗余配置。系统包含通讯卡件、IO卡件、算法软件和监控管理平台，与电厂RTU系统、两台机组DCS系统和储能设备实现数据交互，自动实现储能系统功率控制。EMS主要功能如下。

图2 鲤鱼江电厂储能EMS系统拓扑图

数据采集与处理。实现实时运行信息采集，为系统其他功能模块提供数据支撑，主要包括数据采集、数据处理、数据存储、事件告警处理等功能，可实现60台以上设备、数万数据点的秒级采集和处理；厂级AGC运行模式识别。采用一套控制设备监控全部运行数据，根据机组运行状态和开关状态自动识别厂级AGC系统的运行工况，并自动匹配相应的控制策略。此功能为本项目独有功能[2]。

图3 鲤鱼江电厂储能联合调频功率曲线图

AGC响应与功率分配。根据调度计算细则和储能电池特性定制AGC控制策略，在保证收益的前提下实现电池寿命损耗最小。算法基于厂级AGC指令、机组工况和储能系统状态实时计算储能出力，并根据储能设备SOC自动完成功率分配下达至储能PCS，可实现毫秒级功率输出响应。与机组功率相比，联合出力对AGC指令的响应更为快速且精准，反应出控制策略的精准高效；人机交互。更方便、直观和快速的操作方法，具有多窗口显示、菜单驱动，操作简单、信息准确等特点，画面实时数据更新周期≤3秒，数据综合误差≤±2.0%。

4 收益模式

电化学储能系统辅助发电机组参与调频市场，利用储能的快速充放电特性精准响应电网AGC指令，可大幅提高电厂调频性能指标K。由于调频性能的提升，在提高中标率的同时整体调频里程也相应提高。

广东电网调频辅助服务市场补偿费用包括里程补偿和容量补偿，均采用按小时统计、按月结算的方式。其中容量补偿费用与机组额定功率相关，不计入储能系统收益。调频里程补偿计算公式为：，其中n为每月广东调频市场总的交易小时数；Di为该发电单元在第i个小时提供的调频里程，单位为兆瓦；Qi为第i个小时的里程结算价格，单位为元/兆瓦；Ki为发电单元在第i个小时的综合调频性能指标平均值。

图4 鲤鱼江电厂2019年调频性能指标曲线图

截至2019年10月31日，鲤鱼江储能系统累计调频1509小时，调频里程共计320230MW，里程补偿收益1100万元，电池循环330次。厂级AGC运行模式历经1#机组单机运行、双机运行、2#机组单机运行三种工况。

由性能指标曲线可知：储能系统投运前单机运行K值在1.0左右波动，日调频里程多数低于2000MW。受K值影响调频市场中标率较低，存在多日全天未中标情况；储能系统投运后单机运行K值在2.5左右，日调频里程在2000～6000MW范围波动。双机运行K值在1.8左右，日调频里程在4000～9000MW范围波动；储能系统对调频性能K值的提升效果显著，日调频里程虽有波动，但也有明显提高。鲤鱼江储能调频项目商业模式全面创新，是南方电网首个由电厂自主投资建设运维的储能调频项目。项目获取的全部里程补偿收益均归电厂所有，扣除成本费用后，项目运营期电厂获取的利润远高于第三方投资的商业模式[3]。

综上，随着火电储能联合调频项目的推广开展，储能系统辅助单台机组响应AGC指令的运行方式已不能满足实际项目的需求。对于实施厂级AGC控制系统的电厂，既能兼顾厂级AGC系统高效、节能的优点，又能实现储能系统经济最优运行，对系统设计和控制策略提出了新的要求。