PG9171E型燃气-蒸汽联合循环机组实现储能黑启动及辅助调频技术探讨

温文忠

(深圳南山热电股份有限公司, 广东 深圳 518052)

近十几年来,世界各地发生多起电网大停电事故,如美加大停电、纽约大停电、海南大停电、珠海澳门大面积停电等,这些重大事故都造成了灾难性的社会影响和经济损失。电网的大面积停电事故使电网对电厂的黑启动能力日益重视。

黑启动是指在电力系统因故障停运后,系统全部停电,处于全“黑”状态,不依赖其他帮助,通过系统中具有自启动能力的发电机组启动,带动无自启动能力的发电机组,逐步扩大系统的供电范围,最终实现整个系统恢复供电的过程。

储能作为一个新兴产业,近年来在国内发展迅速,目前已在各地区电力系统中有一定规模的投入。储能系统具有充放电转换灵活、功率因数可调、响应速度快等优点[1],而燃气轮机能够快速启动、宽幅加载和灵敏响应[2],这与黑启动在某些方面的需求相契合。因此“燃气轮机发电+电池储能系统”的混合发电解决方案, 在现有燃气轮机电站设计上稍加改进就可以成为一个合格黑启动电站。

1 电厂概述

某电厂现有3套9E燃气轮机联合循环机组,采用“一拖一”方式运行,即1台120 MW燃气轮机带1台60 MW汽轮机独立运行。3台燃气轮机均为PG9171E型燃气轮机,3台汽轮机均为联合循环双压凝汽式。每台发电机额定电压均为10.5 kV,经升压至110 kV,厂出线电压等级采用110 kV。升压站采用室内设计,采用双母线运行方式,共计6台主升压变,3台110 kV高压厂用变及6回110 kV出线。全厂设置3台高压厂用变压器从110 kV系统引接电源,#01、#03高厂变作为主供厂用6.6 kV电源,#02高厂变为厂用电6.6 kV联锁备用电源。

3套联合循环机组自编号分别为#1/#2机组、#3/#4机组及#10/#11机组。其中,#1、#3、#10 为 9E 燃气轮机,#2、#4、#11为汽轮机。图1为某电厂改造前电气一次接线图。

图1 某电厂改造前电气一次接线图

2 黑启动方案

2.1 基本原则

根据与南方电网签订的黑启动技术协议,电厂接到调度指令后,在有限时间将本厂运行方式调整至初始可控状态,确保厂用公用系统供电,做好向周边电厂、变电站送电准备工作。

根据本电厂原有电气一次接线图,拟先利用储能系统作为外部电源,启动#1、#3、#10燃气轮机至空载满速,通过死母线合闸功能,电源送至110 kV 母线5 M/6 M/7 M,通过投入#01或#03高压厂用变压器,切换厂用电方式,实现燃气轮机带厂用电运行,并退出储能系统,将本厂运行方式按照电网要求实现初始可控状态。

2.2 联合循环机组黑启动所需容量统计

2.2.1 单套9E联合循环机组黑启动容量需求分析

由于电厂单套联合循环机组未设计旁路烟囱,燃气轮机不具备单循环启动条件,因此要实现PG9171E型燃气轮机黑启动需要考虑单台燃气轮机启动至空载满速的必要负荷及余热锅炉和汽轮机辅助系统黑启动负荷。考虑到电网故障失电不确定性,机组黑启动负荷以联合循环机组设备处热态状态下启动时所需最大负荷来计算。#1、#3、#10燃气轮机均是由GE公司生产,但#1、#10机由法国阿尔斯通公司配套燃气轮机发电机,其拖动电机功率为1 000 kW;#3机由印度BHEL公司配套燃气轮机发电机,其拖动电机功率为1 305 kW。因此,以本厂启动#3机的联合循环设备所需负荷来计算,详见表1。

2.2.2 热态情况下,其他机组盘车所需负荷

在电网失电后,为了保证其他机组能够按照调度要求随时启动,必须把其他机组的盘车及冷却系统正常投入运行。表2为其他机组盘车所需负荷。

表2 其他机组盘车所需负荷

2.2.3 热态情况下,燃气轮机启动至空载满速

为了优化负载,根据设备实时状态情况按照以下原则进行相关设备启动(启动#3机为例):(1) 全厂失电后,利用储能系统通过开关接入#02高厂变低压侧母排恢复各套机组照明、冷却水系统,投入各机组滑油、盘车系统;(2)恢复#3/#4机启动时所需负载厂用电源;(3)根据#3机启动过程中烟气温度变化情况,逐一投入余热锅炉高压/低压循环水泵、给水系统、蒸汽系统、汽机真空系统、汽机侧高压/低压蒸汽旁路系统、凝结水系统等;(4)#3机运行空载满速后,通过死母线合闸功能,投入#01、#03高压厂用变压器,采用同期并联切换方式,厂用电供电方式由储能系统供电切换至#01或#03高厂变供电,最终实现#3机带自身厂用电运行。

根据2.2.3启动负载顺序,该厂#3燃气轮机启机至空载满速过程中所需厂用电负荷变化曲线如图2所示。

图2 #3燃气轮机启机至空载所需厂用电负荷变化曲线

3 辅助调频方案

3.1 储能辅助调频优势

为了保障电网的稳定,南方电网要求发电机组须拥有调频义务,调频能力强的机组可以通过电力辅助服务赚取利润。代表电厂调频能力的好坏由三个考核指标来决定,分别为调节速率、响应速度、调节精度,又称K1、K2、K3,三者的综合指标为K。K值是影响调频收益的最重要指标之一,K值越大,在调频辅助服务竞争中就更有优势,调频收益也就越高。对发电企业来说,提升K值就是提升利润。

储能系统参与辅助调频具有以下优势:(1)响应速度快,1～2 s;(2)调节速率快,可以在1 s以99%以上的精度完成指定功率输出;(3)调节精度高,储能电网自动发电控制(AGC)跟踪曲线几乎与AGC指令曲线重合。

3.2 基本思路

考虑到该电厂发电机组主变的额定容量,拟把储能系统调频回路通过调频变压器接入汽轮机发电机主变即#2主变、#4主变、#11主变的低压侧。

4 储能系统配置及接入方案

4.1 储能系统配置选择

从图2中可见,启动最大功率约7 250 kW,燃气轮机启动至空载满速所需时间约26 min,需要能量为0.681 kW·h。按照单台燃气轮机黑启动允许启动时间120 min作为每次启动时间来计算,启动所需能量约2.045 MW·h。考虑黑启动失败的可能性,设计容量按照两次黑启动所需容量,容量应不小 4.1 MW·h。储能系统参与辅助调频,放电深度维持在60%左右,容量应不小于6.83 MW·h,再考虑储能放电效率90%,储能容量衰减到80%,容量应9.5 MW·h。综合考虑功率及容量,配置9 MW/9 MW·h储能系统,储能电池充电和放电倍率均为1 C(C是电池充放电倍率的单位),即一小时可充满或放光9 MW·h电量。

储能电池系统由3套3 MW/3 MW·h磷酸铁锂电池储能系统组成,每套包括蓄电池组、电池管理系统BMS、储能变流器PCS(双向工作)、能量管理系统EMS。其中蓄电池组采用模块化设计,由若干电池串并联组成,从而获得更大的功率容量。蓄电池组经PCS、隔离变压器与系统相连,并通过BMS和EMS对电池和能量进行控制管理。每个电池组均装有BMS对电池的充放电进行在线管理,BMS与PCS通过以太网与后台监控相连,执行充放电控制策略。

储能系统带有一路充电回路、储能黑启动回路及储能辅助调频回路。每套蓄电池组经过PCS、隔离变压器后输出6.6 kV至储能系统母线。

为了保证储能系统在全厂失电后能正常工作,设计了储能站用电源系统,为储能系统的照明、暖通和控制系统等辅助设备提供电源。它是由两路380 VAC冗余电源通过自动切换装置后获得,一路接入电厂380 V厂用电,另外一路接入站用变压器6.6 kV/380 V低压侧,从而保障在辅助供电中断情况下储能系统设备运行安全。

4.2 储能黑启动回路接入方案

储能6.6 kV系统设计6.6 kV 6M、7M、8M储能母线段,每一段母线容量均为3 MW/3 MW·h。6.6 kV储能母线段设置了联合开关和联络刀闸,3套3 MW储能电源可以并联使用,保证黑启动过程中微网容量足够支撑辅机功率突变与波动。

如图3 所示,6.6 kV 6M段母线通过黑启动供电开关662H接入#02高厂变低压侧母排,作为黑启动时厂用电供电电源。6.6 kV 2M段母线引一回线路通过充电开关6072接入6.6 kV 7M段,作为储能电池的充电回路。

图3 储能系统示意图

4.3 储能辅助调频回路接入方案

选择#2、#4、#11汽轮机发电机出口作为各机组联合辅助调频接入口。汽轮机发电机出口电压为 10.5 kV,因此从每段储能母线上通过开关接入一台6.6/10.5 kV升压变(#1调频变、#2调频变、#3调频变),从每台升压变高压侧通过隔离开关分别接入#2 、#4 、#11 汽轮机发电机出口,以实现 AGC 辅助调频功能。每套储能系统可单独对一台机组实施辅助调频功能,也可以通过储能母线母联开关实现多套储能系统对一台机组实施辅助调频功能。图4为储能系统接入电厂示意图。

图4 储能系统接入电厂示意图

5 储能系统黑启动实现方法

5.1 厂用电运行方式

该电厂厂用电电压等级为6.6 kV和400 V。6.6 kV 1M、6.6 kV 2M、6.6 kV 3M段母线正常运行,由#01高厂变供电、#02高厂变供电开关联锁备用;6.6 kV 4M、6.6 kV 5M段母线正常运行,由#03高厂变供电、#02高厂变供电开关联锁备用。

3套联合循环机组正常运行,分别由6.6 kV 3M/4M/5M三段厂用母线各自供电,因此每段6.6 kV厂用母线需具备黑启动能力。为了保证燃气轮机启动所需功率及负载容量,储能6.6 kV 6M/6.6 kV 7M、6.6 kV 7M/6.6 kV 8M段母线之间设置母联开关,燃气轮机黑启动时,3套3 MW储能采用并联使用运行方式。储能6.6 kV 6M、6.6 kV 7M、6.6 kV 8M段母线并联后经开关接入厂用6.6 kV各段母线。

5.2 储能系统启动方案

储能系统选择黑启动方式,储能母线段建压完成。运行人员根据选择启动燃气轮机通过#02高厂变低压侧母排来恢复相应6.6 kV段电源,恢复机组启动所需厂用电源。

黑启动基本方法:储能黑启动方式→储能6.6 kV 6M/7M/8M母线段建压→恢复机组厂用电→燃气轮机启动→死母线合闸→110 kV 母线带电→投入#01、#03高厂变→同期切换机组厂用电(退出储能系统供电)→根据电网要求继续恢复其他燃气轮机或外送电源。

6 储能辅助调频功能实现方法

6.1 基本原理

在燃气-蒸汽联合循环机组中,增加储能设备,以燃气轮机机组作为响应AGC 调频指令的基础单元,以储能系统作为补充的快速响应单元。利用储能系统快速调节输出功率的能力,达到改善机组AGC 响应速度和精度、缓解机组设备磨损并降低运行风险的目的[3]。

6.2 控制策略

储能系统接入后,对原发电机组响应电网AGC指令进行修改,修改基本方法如下:电网通过远动装置RTU下发AGC负荷调节指令,机组DCS系统和储能控制系统EMS同时接收AGC指令,控制机组出力跟踪电网调度指令。机组DCS系统和储能控制系统同时响应,机组响应较慢,储能控制系统会快速响应。随着机组的响应,储能控制系统会根据负荷指令和机组响应出力情况来调整其输出或储存功率。当机组实际出力低于AGC指令要求时,储能系统放电馈送电能;反之,当机组实际出力高于AGC指令要求时,储能系统充电吸收电能,从而主动弥补机组实际出力与AGC指令间的偏差,如图5 所示。

图5 储能辅助调频系统控制策略示意图

7 结语

与传统黑启动电源相比,储能系统具有占地规模小、布点灵活、调节幅度更大、动态响应更快等特点。如果在燃气轮机机组中配储能系统,可在黑启动初始阶段提供可靠的电源。而且不论是从配备发电机的类型,还是从稳定性、启动成功率、环保性、经济性上来说,储能系统相较于小型柴油机,都更具优势。储能系统参与发电机机组黑启动时,启动速度更快,更加经济可靠,有效解决局部电网黑启动电源不足的问题,减少大停电损失,对电力系统崩溃后的恢复具有重要意义。

另外,随着电网现货市场政策的推行以及新能源渗透比例的不断提升,电网对调频里程的需求将会显著提升,调频机组参与AGC响应的需求也会随之提升。储能辅助调频系统能够精确地响应电力调频,解决了传统机组调节速率慢、折返延迟和误差大的缺点,又能够使发电机组在保持平稳运行的同时大幅度提高调频性能,提高了机组运行调整的安全性,为机组带来经济效益。