储能电池辅助火电机组二次调频的设计与应用

赵 磊 王明明 崔进波 咸秀超

（1中国电建集团核电工程有限公司 2.国网山东省电力公司经济技术研究院 3.山东电力工程咨询院有限公司 4.山东电力工程咨询院有限公司）

0 引言

随着近些年风电和光伏等新能源接入电网容量的迅速增加，其间歇式发电的特性导致电网对调节容量的需求增加，而新能源发电自身又不具备参与频率调节的功能，原有传统机组则需要承担这些新能源发电带来的调频任务。

以山东电网为例，目前电网二次调频主要依靠火电机组。火电机组具有响应时滞长、机组爬坡速率慢的特性。如果频繁进行大范围的调节，一方面会对机组设备造成影响，不利于机组的稳定和经济运行；另一方面，机组进行的超低排放改造也在一定程度上限制了火电机组的调节速率，降低了调节性能。

电化学储能电池系统辅助火电机组进行二次调频，具有响应时间短（<100ms）、调节速度快（空载至满载的调节时间<20ms）、调节精度高的特点。储能辅助火电机组二次调频既可以提高火电机组调节性能，也能显著减少电网所需调频备用容量。而且由于电池储能系统响应速度快、运行灵活，可以在满足系统调频需求的同时产生动态效益。

本文针对电池储能辅助火电机组二次调频的特性，基于山东省某火力发电厂储能调频项目，研究储能辅助火电机组二次调频的配置、控制及工程建设方案，并对其经济性进行分析。

1 储能辅助火电机组二次调频

1.1 储能辅助火电机组二次调频过程

二次调频也称为自动发电控制（Automаtion Gеnеrаtor Control，AGC），是在生产高质量电能的前提下，满足电力供需实时平衡，应对几分钟至十几分钟内负荷变化。二次调频的任务包括维持电网频率在允许误差范围内、控制互联电网净交换功率按计划值运行、控制互联电网交换电能量在计划限值之内，参与三次调频等。

火储联合系统采用电池储能系统接入厂用电高压侧母线的方式，利用电厂原有厂用变压器的富裕容量，经二次升压后接入发电机出口。火电联合储能二次调频的基本过程如图1所示，其过程如下：

（1）电网调度中心根据实时的电网负荷情况、机组工作状态及电网频率情况，对机组进行远程负荷调度，产生AGC指令；AGC指令通过远程传输通道传送至电厂RTU。

（2）电厂RTU将AGC指令传输至火电机组DCS，DCS一方面依据机组负荷限幅、负荷变化率设定值等调节机组的出力，跟踪AGC指令；另一方面将AGC指令和机组出力等运行数据传输至储能EMS。

（3）储能EMS从电厂获取AGC指令、机组当前出力值、储能当前出力值等信号，结合储能电池状态，计算出储能系统出力指令，并下发至储能系统本地控制器；储能系统本地控制器将指令分配给各储能单元，控制储能电池充放电。

（4）机组DCS通过内部逻辑计算储能系出力，并与机组出力进线叠加，作为AGC的反馈信号传送至RTU；RTU将反馈信号传回电网调度中心。

综上所述，实现了电厂与电网调度中心的电力生产过程闭环控制系统。

1.2 储能辅助火电机组二次调频原理

频率的二次调节就是移动发电机组的频率特性曲线，改变机组有功功率来平衡负荷的变化，从而使系统的频率恢复至正常范围。

火电机组AGC调节存在以下几个问题：

（1）受到能量转换过程的限制，响应时间长，一般在数10s的量级。

（2）调节速度慢，火电机组标准的调节速率（MW/min）一般不超过额定功率的3%。

（3）调节精度差，火电机组允许偏差为额定功率的1%。

电池储能系统通过高频电力电子装置接入电网，没有能量转换过程所需的延迟和惯性，可以快速调节功率的大小和方向。储能辅助火电机组二次调频可以为响应较慢的同步发电机启动调频提供足够的时间。

储能辅助火电机组二次调频，储能与火电机组在并网端并联运行，共同出力跟踪AGC调度指令，使之整体调节性能大幅改善。其AGC原理如图2所示。电池储能系统在接收到AGC指令后，利用其快速、精确的控制特点迅速弥补火电机组实时出力和AGC指令差值导致的功率需求缺口；随着火电机组出力逐步趋近AGC指令，储能系统出力响应退出，直至最终全部由火电机组承担，储能系统适时进入充电模式，为下次响应过程储备能量。

图2 储能辅助火电机组AGC原理示意图

2 储能系统建设及火电机组改造

电池储能具有响应速度快、调节精度高等优点，但是又存在能量存储少，使用寿命有限等不足。根据二次调的特点，结合火电机组的容量，以山东省某火力发电厂储能调频项目的实际情况来进行设计。

2.1 储能系统配置

储能系统设计方案应确保储能系统与发电机组长期互联运行的可靠性、经济性和安全性，储能电池在电力系统中应用首先要选择合适的功率和容量配置。

通过分析山东省内电厂的AGC调频的特性，97%的调频指令在3%倍的机组容量以内，对比已投入储能辅助调频后实际达到的效果，本项目储能调频系统电池方案选用3%倍的机组全容量（1C）配置方案，对于山东某电厂的两台350MW机组配置10MW/10MWh储能系统辅助调频。

山东区域电网AGC-R模式对机组的响应要求高，为响应负荷的快速波动，机组通常牺牲一定安全冗余，锅炉燃烧稳定性得不到保证，对机组各运行参数影响很大。本项目选用目前市场上应用成熟的磷酸铁锂电池，其倍率指标、使用寿命、安全性能等可以满足辅助火电机组二次调频的要求。

本项目选择低压PCS并联组网方案。采用低压（400V）PCS，直流侧接入磷酸铁锂电池，交流侧多台PCS并联后，接入变压器升压至6kV，然后接入6kV厂用电母线。

2.2 RTU和DCS的改造

储能系统接入后，储能和火电机组共同响应电网AGC指令，电厂RTU需将发电机出力和储能出力信号合并后上传电网，作为调频考核依据。为此，需要对RTU和DCS进行改造。

对RTU改造主要包括：

（1）对机组出力和储能出力信号叠加前、后的数据作为出力反馈信号回传电网，即上传机组出力、储能出力和机组储能叠加出力三个信号；

（2）根据调度要求，增加储能系统的控制系统与RTU的通信，以约定的通讯协议进行通讯传输数据，获取储能系统实时运行数据；

（3）增加储能厂用6kV段开关状态信号；

（4）增加高压厂用变高压侧有功，无功和电流信号。

对DCS的改造主要有：

（1）在机组DCS增加对储能系统接入点的监测，包括电流信号、电压信号；

（2）DCS通过内部逻辑计算出储能出力，并与机组出力进行叠加，叠加前后的数据作为AGC反馈信号发送至RTU；

（3）增加DCS与储能系统总控制单元的通讯，进行信号、状态的交换。

储能系统可根据电厂运行需求上传储能系统运行状态信息，包括：储能系统并网连接状态反馈、储能系统并网功率、储能系统辅助调峰投入反馈、储能系统充放电状态等。储能系统只从DCS系统接收指令或状态，不向DCS系统发送指令，保证储能系统增加后不影响电厂工控系统安全。

3 储能辅助火电机组二次调频的控制策略

3.1 储能系统控制指令

决定储能辅助火电机组二次调频成效的关键在于储能系统的控制策略。电池储能系统需要依据AGC指令及机组的实时出力，结合储能系统电池SOC等自身状态参数，构造储能系统的出力指令，实现快速功率控制与调节，如图3所示。

图3 储能辅助AGC控制框图

3.2 控制策略

本项目选用基于区域控制偏差（Arеа Control Error，ACE）信号的控制方式。相对于传统的滞后控制，基于ACE信号的控制方式可以充分利用储能电池出力速度快的特点，控制储能出力及时响应AGC指令。

基于ACE的控制方式是指：当系统出现负荷扰动产生调频需求时，对系统区域控制偏差信号，做为调频指令分配给常规机组和储能电池的控制方式。基于ACE控制方式的系统频率响应模型如图4所示。

图4 基AEC控制方式的系统频率响应模型

其中α为储能出力在AEC信号中所占的比例系数，1-α为火电机组二次调频出力在AEC信号之后所占的比例系数；∆f（s）是系统频率偏差；∆PG（s）为常规机组出力，∆PG（s）=∆Ps（s）+∆Pf（s）；∆Pb（s）为储能系统出力。通过计算可得：

从上式可以看出，储能电源出力随频率偏差变化而增减，但是避免了PⅠ控制器的延时影响。在接收到AGC命令时，储能系统瞬时响应，出力大小与AEC信号成正比关系；AGC过程结束时，最终由火电机组二次调频补充全部负荷增量，储能电源出力减少至0。这种控制方式不仅可以保证系统的快速动作，还能实现储能电源自适应的减少SOC变化。

4 经济性分析

4.1 考核指标

AGC是电厂向电网提供的有偿服务，各区域电网都出台有并网发电厂辅助服务管理实施细则和并网运行管理实施细则。以本工程所在华北区域为例，《华北区域电力并网运行管理实施细则（2022 年意见征求稿）》附件2规定了发电机组AGC服务的考核指标Kp：

式中，K1，调节速率，2-机组实际调节速率/机组标准调节速率；

K2，调节精度，2-调节偏差量/调节允许偏差量；K3，响应时间，2-机组出力响应时间/机组标准响应时间。

AGC服务日贡献补偿费用计算如下：

式中，D为机组AGC日调节深度（MW）；CAGC，为AGC服务贡献率；

Kpd，调节性能日指标，

YAGC，AGC补偿标准（元/MW）。

调节速率、调节精度、响应时间决定了机组的调节性能指标，而调节性能指标又决定了补偿费用的计算。火电联合储能二次调频能够优化调节性能指标，显著提升火电厂AGC收益。

4.2 AGC服务补偿收益

根据山东滨州某电厂#1、#2机组实际AGC调节性能指标，具体统计如表1。

表1

其中，YAGC为AGC补偿标准，山东将调频辅助服务市场交易价格限值上限定为12元/MW（含税），暂按上限计算；CAGC为AGC服务贡献率，目前政策暂定直调公用火电机组AGC贡献率为1.0，储能设施AGC贡献率为0.1，储能电站联合火电机组调频取1。

加装储能后，原来#1、#2机组一年250天参与调频的调频里程由7500增加为9500，收益计算如下：

理论上项目新增年收益含税为1631.86万元。

5 结束语

本文基于山东省某火力发电厂储能调频项目，通过对储能系统辅助火电机组二次调频的过程和原理进行分析，提出本项目的储能系统配置方案及对火电机组控制系统的改造方案，指导完成了工程建设；并进一步对储能辅助火电机组的控制策略进行了分析，选择使用响应速度快、应用成熟的基于ACE的控制方式；最后依据华北区域电网“两个细则”及山东省政策对本项目的经济性进行了初步分析。最后将研究成果成功应用于生产实践，显著提高了该电厂2台机组参与电网二次调频的能力。