储能联合火电机组参与调频辅助服务市场的工程应用

毛庆汉

储能联合火电机组参与调频辅助服务市场的工程应用

毛庆汉

（广州发展电力集团有限公司，广州 510623）

本文首先分析南方调频辅助服务市场最新规则中调频性能指标的构成，提高机组调频性能可以显著提升调频收益。为提高机组调频性能，提出一种燃煤机组储能系统接入方案和控制策略，该方案在广州中电荔新电力公司两台330MW机组实施，性能测试和运行结果表明，该方案显著提升了机组的调频性能，有效降低了中压抽汽亚临界机组对联合调频的影响，具有良好的经济效益。虽然在现有政策下可以预见未来调频储能的收益将逐年下降，但随着新能源大量接入，储能调频的需求将进一步增大。在广东调频辅助服务市场的激励下，储能调频依然具备回收成本乃至盈利的前景。

储能系统；机组储能联合调频；辅助服务市场；综合调频性能指标

0 引言

近年来，广东电网的规模、负荷结构日趋复杂，部分时段负荷波动速率较大，此外，风能、太阳能等可再生能源电源比例日益增加[1-3]，电网的安全稳定运行面临严重挑战，对优质调频的需求日益提升。

煤电自动发电控制（automatic generation control, AGC）机组成本较高、性能较差，而储能系统采用电力电子装置，控制环节较为简单且具有快速的响应能力，是优质的调频资源[4-5]。国内外已有大量储能调频工程案例[6-8]，储能系统快速精确的响应特性给机组调频性能带来的提升效果非常明显[9-10]。

本文提出储能联合火电机组参与调频辅助服务市场的接入方案、控制策略及工程应用。与现有同类工程相比，主要创新在于：该技术有效降低了中压抽汽亚临界机组对联合调频的影响，该智能型储能AGC控制器首次在储能联合火电机组调频场景中成功应用。

1 火电机组储能联合系统的调频性能指标分析

1.1 综合调频性能指标

2020年9月1日《广东调频辅助服务市场交易规则》已经正式印发[11]，广东调频辅助服务市场正式启动运行，这是我国首次真正意义上的辅助服务市场的实际运营案例。根据《交易规则》，综合调频性能指标定义为

1.2 火电机组关键指标分析

广东调频辅助服务市场的相关费用分为补偿、缴纳、考核三种。补偿费用分为调频里程补偿和AGC容量补偿。只有在广东调频市场中标发电单元才可获得相应调频里程补偿费用。现货电能量市场启动后，调频市场中标发电单元按照现货规则计算发电单元留出AGC调频容量产生的机会成本，作为其调频容量补偿。

中标发电单元在广东调频市场中提供调频服务可以获得相应的调频里程补偿。

广东调频市场以发电单元的调频里程为交易标的。以归一化后的发电单元综合调频性能指标将各发电单元的调频里程报价进行调整，作为调频里程排序价格。

式中：P为第个发电单元归一化之后的综合调频性能指标；k为第个发电单元的综合调频性能指标；max为该台发电机所属调频资源分布区内所有发电单元的综合调频性能指标中的最大值。

调频里程排序价格的计算公式为

综上所述，提升综合调频性能指标，可以使机组调频里程排序价格更靠前，中标的可能性更大。综合调频性能指标越大，机组的调频性能越好，中标时段的调频里程越大。综合调频性能指标越大，调频里程补偿也越大。

2 储能系统接入系统方案

储能调频系统主要由储能电池、电气一二次设备、储能变流器、储能控制系统，储能能量管理系统（energy management system, EMS）、升压变压器和动力电缆、消防设施等构成。储能调频系统如图1所示。

调度AGC指令下发到发电机组，该AGC指令同时被储能系统读取，由于火电机组响应速度较慢（分钟级），储能系统可以利用自身响应速度快（秒级）的特性先短时间内弥补机组出力与AGC指令间的偏差。待机组响应逐渐跟上指令后，储能系统可以降低出力，确保储能系统和机组联合出力与AGC指令一致，并做好响应下一次AGC指令的准备。储能调频AGC出力示意图如图2所示。

控制方面，机组原有控制方式不变，接收AGC指令和机组出力反馈信号，控制火电机组出力跟随AGC指令。无论是否接入储能系统，机组均独立控制出力跟踪AGC指令，不控制和管理储能系统的出力。图3为接入储能系统后的控制示意图。

3 储能系统控制策略

中电荔新2×330MW中压抽汽亚临界机组，因主要热用户独特的供热需求采用全国独一无二的中压抽汽汽包结构。

图1 储能调频系统

图2 储能调频AGC出力示意图

图3 接入储能系统后的控制示意图

机组的上述特性对联合调频带来的影响主要体现在两个方面：①供热量的变化直接影响电负荷。增加中压供热，机组必须减少电负荷，反之亦然。当供汽量引起的电负荷变化方向与AGC调频方向相反时，机组反方向调节，对机组储能联合调频性能影响极大；②两台机组供汽量无法单独控制，机组的汽压和温度波动较大，引起机组电负荷闭锁。在这种情况下，火电机组储能联合调频系统仅有储能系统出力，AGC指令较小，储能出力可以满足AGC调频要求，AGC指令较大，超出储能调节范围时，对综合调频性能影响较大。

针对机组的上述特点，采用“机组优化+储能控制逻辑优化”技术方案，通过外挂先进控制系统优化机组的控制参数，提升机组的响应性能；通过优化储能AGC控制器的控制逻辑，减少机组对联合调频的负面影响。

储能系统调频策略的主要特点如下：①基于调频辅助服务综合性能评价方法，设计储能系统AGC控制指令的架构，形成“三段式”储能AGC调频的总体响应策略；②针对区域调频特点及机组实时响应情况，优化机组和储能的实时指令分配策略，有效提升联合调频系统在单方向合并指令和大指令情况下的影响性能；③考虑电池系统延寿和稳定储能电池荷电状态（state of charge, SOC），进一步优化储能指令，减少储能系统的吞吐电量，在保证调频响应效果的情况下降低储能系统的循环次数，延长电池循环寿命；并在AGC调频控制过程中引入智能补电策略，有效减少储能系统SOC过高或过低的发生概率，提高储能系统的调频可用率。

4 燃煤电厂机组储能联合系统的应用

该项目在中电荔新发电机组侧安装建设一套可切换电化学储能调频系统，容量为9MW/5MW∙h，通过切换接入1、2号机组6kV厂用电母线工作段，并实现储能系统响应电网AGC运行模式，满足互锁和切换功能。储能系统电气一次系统如图4所示。储能系统视1、2号机组实际并网运行情况，选择其中一台机组并与之联合响应电网AGC带基点正常调节子模式（base load regulated, BLR）。

图4 储能系统电气一次系统

储能系统电气一次回路用四路电力电缆分4.2MW/2.45MW∙h和4.8MW/2.8MW∙h以一拖二的方式分别接入电厂1、2号机组厂用6kV母线Ⅰa段、Ⅰb段、Ⅱa段、Ⅱb段，如图4所示，即第1组4.2MW/2.45MW∙h储能设备分别通过断路器同时接入6kV Ⅰa、Ⅱa段，两个断路器之间配有机械闭锁，不能同时合闸；第2组4.8MW/2.8MW∙h储能设备分别通过断路器同时接入6kV Ⅰb、Ⅱb段，两个断路器之间配有机械闭锁，不能同时合闸；当电厂AGC接收到电网AGC指令后，转发给机组分散控制系统（distributed control system, DCS）和储能EMS，储能EMS根据AGC指令和实时的机组出力，控制储能设备的充放电。储能站只对单个机组进行辅助调频，在储能侧6kV出线中，当Ⅰa、Ⅰb段储能并网开关闭合时，Ⅱa、Ⅱb段储能并网开关由于机械闭锁，无法闭合。

5 性能测试

为验证储能电站的各相并网性能是否满足GB/T 36547《电化学储能系统接入电网技术规定》要求，对储能调频系统进行并网性能测试。

5.1 80%功率平台下机组与储能联合AGC试验

2020年11月20日11:15:14，2号机组AGC指令由264MW变为272MW，2min后变为289MW，再过5min后，目标值恢复至264MW。在此期间，每次AGC目标变化，储能均能正确响应AGC指令；当联合出力到达AGC目标值后，随着机组功率向AGC目标靠近，储能出力逐渐减小，并实时保证机组与储能联合出力维持在AGC目标附近。整个小指令响应过程中，联合调频的响应速度明显优于机组单独出力。小指令变化期间，储能最大放电出力达到9.012MW，最大充电功率到达-9.657MW。整个变负荷过程中，机组的主汽压力最大偏差1.034MPa。相关性能指标估算见表1～表3，试验曲线如图5所示。变负荷过程中，幅度较小的变负荷指令，由于储能的快速出力，很快到达目标值，其综合调频性能会有较大的提高。

图5 80%功率平台储能与2号机组联合AGC变负荷的试验曲线

表1 2号机组264→272MW变负荷AGC响应性能指标

表2 2号机组272→289MW变负荷AGC响应性能指标

表3 2号机组289→264MW变负荷AGC响应性能指标

5.2 机组负荷反向延时时间测定

机组变负荷试验期间，开展反向延时测试。2020年11月20日14:38:13开始进行AGC实际负荷反向延时测试，实际负荷反向延时平均值为3.33s，满足不大于120s的要求，小于机组单独运行的反向延时时间91s。

6 项目运行收益情况

广东调频市场交易组织采用日前报价、日内集中统一出清的模式。参与调频辅助服务的机组在日前进行发电单元里程报价。实际运行日以小时为周期集中统一出清。从2021年1月投入运行数据来看（见表4），中电荔新在调频辅助服务市场中产生的总调节里程约202.9GW，正式出清的结算均价在16元/MW左右，值实际运行在0.79～1.44之间。项目最终获得的收益由储能厂家和电厂采取合同能源管理的模式进行分成。

表4 2021年1月调频日性能k值与调频里程

在现有政策下，考虑系统维护和中标概率，储能年运行天数按270天计算；同时，随着火电机组储能项目的增加，近几年预计结算价格将逐年降低，调频缴纳费用也会逐年降低。现有政策下储能系统逐年收益评估见表5。项目总投资约3 400万元，预计第2年可回收成本。由此可见，机组储能联合系统具备回收成本乃至盈利的前景。此外，机组储能联合系统也为电网提供了大量优质的调频电源资源，对电力系统的频率稳定、安全运行具有重要作用。

表5 现有政策下储能系统逐年收益评估

7 结论

本文分析了新政下的储能调频指标，提出了一种机组储能联合系统接入设计方案和控制策略，通过在中电荔新电厂的应用表明，该方案能够大幅改善火电机组的综合调频性能指标，有效降低了中压抽汽亚临界机组对联合调频的影响，明显地增强了其在调频辅助服务市场中的竞争力，并取得了较好的经济效益，该智能型储能AGC控制器是首次在储能联合火电机组调频场景中成功应用，该项技术将继续在其他集团所属电厂推广使用。

目前，在广东调频辅助服务市场的有效激励作用下，储能调频具备良好的收回成本乃至创造利润的前景，虽然在现有政策下值会逐年下降，影响调频收益，但未来随着新能源的大量接入，储能调频的需求仍会进一步增加，利润前景良好。

[1] 禤培正, 孙高星, 朱继忠, 等. 风电不确定性对电力现货市场电价的影响[J]. 南方电网技术, 2018, 12(12): 64-70.

[2] 严干贵, 刘莹, 段双明, 等. 电池储能单元群参与电力系统二次调频的功率分配策略[J]. 电力系统自动化, 2020, 44(14): 26-34.

[3] 吉斌, 谭建成, 曾雪彤. 电力市场环境下新能源产业园储能优化控制策略研究[J]. 电气技术, 2018, 19(8): 22-29.

[4] 李林高. 电池储能系统辅助火电机组参与电网调频的控制策略优化[D]. 太原: 山西大学, 2020.

[5] 白桦, 王正用, 李晨, 等. 面向电网侧、新能源侧及用户侧的储能容量配置方法研究[J]. 电气技术, 2021, 22(1): 8-13.

[6] 牟爱政, 彭博伟, 张连垚, 等. 储能系统应用于火电厂调频经济性评价的研究[J]. 上海电力学院学报, 2019, 35(5): 479-485, 492.

[7] 马智慧, 李欣然, 谭庄熙, 等. 考虑储能调频死区的一次调频控制方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(10): 2102-2115.

[8] 汤杰, 李欣然, 黄际元, 等. 以净效益最大为目标的储能电池参与二次调频的容量配置方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(5): 963-972.

[9] XIE Xiaorong, GUO Yonghong, WANG Bin, et al. Improving AGC performance of coal-fueled thermal generators using multi-MW scale BESS: a practical application[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2018,9(3): 1769-1777.

[10] 孙冰莹, 杨水丽, 刘宗歧, 等. 国内外兆瓦级储能调频示范应用现状分析与启示[J]. 电力系统自动化, 2017, 41(11): 8-16, 38.

[11] 关于广东调频辅助服务市场启动正式运行的通知(广电调控〔2020〕203号)[Z]. 广东电网电力调度控制中心, 2020.

Engineering application of battery energy storage system coordinated with thermal power unit in regulating ancillary service market

MAO Qinghan

(Guangzhou Development Power Group Co., Ltd, Guangzhou 510623)

Fristly, the composition of the frequency modulation (FM) performance index in the latest rules of the frequency regulation auxiliary service market in southern China is analyzed in this paper. Improving the FM performance of the unit can significantly improve the FM revenue. In order to improving the FM performance of the unit, the access scheme and control strategy of the combination system are proposed. The battery energy storage system (BESS) project in Guangzhou Zhongdian Lixin Thermoelectric Company has verified the practicability of the proposed control strategy. After performance test and actual running, the project has good economic benefits. The influence of medium pressure extraction subcritical unit on combined frequency regulation is effectively reduced. Although it can be predicted that the revenue of FM energy storage will decrease year by year under the current policy, the demand for FM energy storage will further increase with the large number of new energy access. Finally, it is proposed that the BESS has the prospect of stable cost recovery and even profitability under the effective incentive of Guangdong regulating ancillary service market.

battery energy storage system (BESS); BESS coordinated with thermal power unit; ancillary service market; comprehensive frequency modulation (FM) performance index

2021-03-12

2021-04-13

毛庆汉（1974—），男，江西鹰潭人，本科，工程师，主要从事企业电气技术管理、电力企业管理工作。