基于储能系统的9F级燃气轮机调频的研究与应用

林庆 于金江

摘要：该文分析了电网调频服务市场形势及前景，介绍了某电厂的储能辅助调频系统的配置情况，结合电池储能机组联合调频的工程实践，阐述了“燃机电厂联合储能调频”的原理、控制策略，结合实际运行经验，研究了储能辅助调频系统的调频效果，对燃机电厂的储能系统联合调频进行了总结。

关键词：燃机电厂;电池储能;联合调频

引言

近年来我国清洁能源发展迅猛，电源结构、网架结构发生重大变化，系统规模持续扩大，系统运行管理的复杂性随之大大增加，对系统安全稳定运行提出了更高要求。当前，我国电力供应能力总体富余，煤电机组利用小时数呈逐步下降趋势，局部地区弃风、弃光、弃水、限核和系统调峰等问题突出电网峰谷差有不断增大的趋势。目前电网AGC 机组中大部分是火电机组，火电机组特别是燃煤机组并非优质调频电源，调频效果不佳，由于储能系统的调频效果远好于任何常规发电技术，引入相对少量的储能系统，就能够迅速有效地提高区域电网的调频效果。因此，如何应用储能来改善火力发电厂的调频性能得到广泛关注。

1 电网的调频需求

根据广东中调《南方（以广东起步）调频辅助服务市场模拟运行情况》，广东负荷水平1 亿kW，峰谷差大，约3500 万kW，部分时段变化速率较大，达80万kW/min，每个时刻的瞬时调频容量在500MW-800MW 之间波动，负荷波动大，调频需求量大。目前广东电网AGC 机组共計166 台，总调节容量33452MW，其中火电机组占比91.94%，而火电机组特别是燃煤机组并非优质调频电源，优质调频电源稀缺，不能满足电网调节要求，特别是在夜间出现调频供不应求的状况。广东电网电源结构以大型火电机组为主，火电机组长期担任繁重的调频任务，在设备磨损、煤耗增加、运行安全等方面面临负面影响，不利于机组和电网运行的经济性、安全性和可靠性，故电网对优质调频电源有迫切需求。

2储能系统配置情况

该储能系统配置容量为22MW/20.49MWh，由26套预装式集装箱组成。

11个40尺电池集装箱，包括7个2MW/2.47MWh的磷酸铁锂电池集装箱，4个2MW/0.8MWh的钛酸锂电池集装箱，电池集装箱由多组锂电芯组合的电池簇和电池模块、BMS及消防系统、通风制冷系统、直流汇流柜组成。

11个20尺中压变流箱，每个中压变流箱包括4台500kW双向变流器，一台2MVA中压变压器，中压变流箱由双向变流器、升压变压器组成，为交直流电能转换的关键环节。

2个40尺中压汇流箱，每个中压汇流箱包括2路电源进线间隔、6个箱变开关接入间隔，中压汇流箱由6kV开关柜及低压辅助屏柜组成，向上向下连接中压变流箱、机组厂用电6kV母线。

1个40尺集控箱和1个20尺柴油发电机集装箱。前者为项目就地集中控制室，集控箱是整个储能系统的核心，由EMS能力管理系统组成，检测电池储能设备的状态及电量信息，控制储能系统充放电功率。本储能系统还配置一套600kW柴油发电机集装箱。

3储能联合调频系统原理与控制

3.1系统原理

联合调频基本原理是：在传统火电机组中，增加储能设备，以火电机组作为响应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、入功率的能力，达到改善机组AGC调节速率和响应时间，缓解机组设备磨损并降低运行风险的目的。

下图为储能系统控制示意图，如图1 所示。

调节信号的接入及调频控制过程如下：电网调度中心发送AGC指令到电厂远动装置RTU，RTU转发AGC指令至储能EMS系统主控单元和电厂DCS，调频机组跟踪调度指令控制机组出力，储能EMS系统根据AGC调度出力指令和调频机组出力差值，控制储能系统出力，机组出力与储能系统出力合并后的出力信号上传电网，作为AGC考核依据，当合并出力达到调度指令值时，既调频程序完成。

3.2控制过程

1）计算储能系统出力

当机组与储能系统均运行在正常状态时，根据电网AGC指令、机组实际出力，确定储能系统出力需求。当机组实际出力低于AGC指令要求时，储能系统快速放电补充出力;当机组实际出力高于AGC指令要求时，储能系统快速充电降低出力。

2）储能系统负荷分配

储能控制系统根据储能系统出力需求，以及储能单元状态，确定储能系统出力需求在储能单元间的分配，并通过功率变换装置（PCS）实际控制储能单元的充放电功率。

通过储能调频与机组原协调控制策略的有效协同工作，可进一步避免AGC小负荷调频模式下的机组常规协调控制系统的调节扰动。

4 运行性能结果

4.1储能设备运行情况

储能系统运行期间，储能系统设备及相关技术性能参数运行情况如下：

1）机组的运行方式为夜间进相调压、日间调峰时，储能系统并未连续运行，SOC范围为25%-80%，保护策略及调频策略均动作正确，未出现因电池电压达到限值限功率现象。

2）机组运行方式为连续运行时，机组连续中标参与调频，SOC最高达到95%，系统可充电功率被限制，EMS修改主动均衡策略，加大SOC均衡力度，由原设置的0.4MW提升至1.2MW，能解决SOC过高问题。

3）运行期间钛酸锂电芯最高温度35℃，磷酸铁锂电芯最高温度26℃，未发生过温保护动作现象，未发生储能功率振荡或跳闸事件，储能系统最大充电功率20MW，最大放电功率5MW。

从运行结果看，机组在任何的运行方式下，储能系统能满足机组任意的调频需求，同时保证自身设备的安全稳定运行。

4.2调频性能改善情况

1）典型AGC指令跟踪响应情况，储能辅助机组AGC调频曲线，详见图2。

如图2 所示，储能装置发挥了调节速率快，响应快速的特点，进一步提升了机组调整速度，很好地改善了AGC的跟踪效果。AGC闭环运行结果表明，2号机组与储能装置联合调频响应电网AGC调度指令，系统性能指标大幅度提升，达到了预期设计目标。

2）储能系统投入前后#2机组的调频性能指标K值变化情况对比，见表1。

从表1可以看出，投入储能系统参与机组调频后，#2机组调节速率K1由2.62提升至3.9，响应时间K2由0.89提升至0.94，调节精度K3由0.94下降至0.92，综合调频指标Kp由1.77提升至2.41。储能系统投入后，虽然调节精度K3略有下降，但调节速率K1、响应时间K2值均大幅提高，最终储能系统对机组综合调频指标KP值得到大幅度提高，有效的提高了火电机组联合储能调频调节性能。

5 结束语

今后多年，我国将继续大力发展清洁能源，电网电源结构、网架结构将变的更加复杂，高比例清洁能源大规模并网，将给电网调频带来巨大的挑战。实践表明，储能系统参与燃机机组联合调频可以改善火电机组AGC 调节性能，且各项技术指标达到预期、效果显著。储能系统参与燃机机组AGC辅助调频，在提高燃机机组辅助服务水平、增强电网调频能力、提高电厂的调频收益具有较高的价值和重要意义，可以为燃机电厂以及电网的调频控制策略提供参考。

参考文献：

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