压缩空气储能双向参与电网一次调频研究

文贤馗,张鸿福,杨大慧,钟晶亮,冯庭勇

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002；2.国家电投集团贵州金元股份有限公司，贵州 贵阳 550002；3.贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)被认为是具有发展前景的大规模物理储能技术之一，具有储能容量大、污染小、具备转动惯量、寿命长等优点[1-3]。

电力系统的一次调频是有差调频，是控制系统频率、维护电网稳定的一种重要方式[4]。目前，国内电力系统一次调节的主要电源是火力发电和水力发电机组。新能源发电大规模接入电力系统后，其间歇性和波动性影响了电网的电能质量与频率稳定性，使得电网调频问题突出。现有的调频能力已跟不上调频需求，不能较好地保证电网安全、稳定地运行[5-6]。大容量电力储能系统具有频率响应快、可双向调节等特点，参与电网一次调频可以有效缓解新能源大规模并网后带来的电网调峰调频问题[7]。

目前，国内对储能系统参与一次调频已有较多的研究和应用。文献[8]通过储能系统辅助虚拟同步发电机参与一次调频，研究了储能系统参与一次调频的可行性、经济性与调频能力。文献[9]提出了超级电容和蓄电池组成的混合储能系统辅助风电机组参与电网一次调频的一种控制方法。文献[10]结合仿真模型研究和实际运行试验,基于Cohen-Coon法对抽水蓄能机组参与一次调频的调节参数进行优化。优化后的参数提高了抽水蓄能机组一次调频时的调节性能和系统响应速度。文献[11]针对风电接入电网后的惯性响应和频率响应衰减，提出了一种超导磁储能系统和电池储能系统组成的混合储能系统控制策略。国内关于大容量储能系统参与一次调频的研究，主要在抽水蓄能和电化学储能系统方向，而关于压缩空气储能系统参与电网一次调频的研究较少。大多数的研究集中在储能系统在发电侧如何参与电网一次调频，而关于用电侧的研究较少。

本文研究了压缩空气储能系统在发电侧和用电侧双向参与电网一次调频。在电力系统发电侧一次调频原理的基础上，提出了压缩空气储能系统在压缩储能阶段参与响应电网一次调频的方法，并在发电侧和用电侧分别构建参与电网一次调频的功能模块。同时，参考现有相关规程、要求，结合压缩空气储能系统特点，设置相应参数，设计了整套调节控制过程。

1 压缩空气储能系统

压缩空气储能系统的压缩储能阶段由压缩机和电动机完成，膨胀发电阶段由膨胀机和发电机完成。压缩后的空气储存在储气罐内。

在电网处于电量富裕状态时，启动空气压缩用电储能过程为：空气进入电动机拖动的多级压缩机进行多级压缩，空气压力提升，存入储气罐备用。当电网处于电量紧缺状态时，启动空气膨胀发电释能过程为：压缩空气从储气罐进入多级膨胀机；多级膨胀释能带动同步发电机发电，乏气排入大气。

电动机功率为：

(1)

式中：Wm为电动机功率；Wc为压缩机总耗功功率；ηm为电动机效率；ηc为压缩机效率；n为压缩机级数；Wci为第i级压缩机耗功功率。

发电机功率为：

(2)

式中：Wg为发电机功率；Wt为膨胀机总做功功率；ηg为发电机效率；ηt为膨胀机效率；m为膨胀机级数；Wti为第i级膨胀机做功功率。

压缩空气储能系统如图1所示。

图1 压缩空气储能系统

2 双向一次调频原理

电力系统的基本特性是瞬时完成发电、输电、配电和用电，必须保证发电和用电的实时平衡，否则会造成系统频率的不稳定。

电力系统传统的一次调频是指在发电侧，利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机组的调速系统作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。

发电侧一次调频原理如图2所示。

图2 发电侧一次调频原理图

当电力系统频率发生变化时，发电机组的转速即发生变化。如果转速的变化超出规定的不灵敏区(即死区)，调节系统就会动作，按照调差系数调整发电机的功率。也就是说，当系统频率下降时，调节系统会自动增加发电机的功率；当系统频率上升时，调节系统会自动减少发电机的功率。调整功率在上、下两个方向均有幅值限制。

压缩空气储能系统包含发电释能和用电储能两个阶段。在发电释能阶段，压缩空气储能系统可以参与电网一次调频。在用电储能阶段，压缩空气储能系统可以借鉴发电释能阶段参与电网一次调频的方式，通过调节压缩机和电动机的耗电功率，响应电网一次调频。

当电力系统频率发生变化，超出规定的死区设置后，按照调差系数调整电动机的功率。也就是说，当系统频率下降时，自动减少电动机的功率；当系统频率上升时，自动增加电动机的功率，并设置幅值限制。用电侧一次调频原理如图3所示。

图3 用电侧一次调频原理图

3 发电侧一次调频

3.1 功能模块

根据压缩空气储能系统的特点，构建其一次调频功能模块，包括频差模块、死区模块、调差模块、修正模块和限幅模块。接收膨胀机转速信号，计算后输出信号，控制膨胀机进气调节阀开度以改变膨胀机输出功率。压缩空气储能系统发电侧一次调频系统如图4所示。

图4 压缩空气储能系统发电侧一次调频系统图

3.2 参数设置

一次调频设置参数包括死区Δn、调差系数R和调节限幅L。

设置死区的目的是：当转速波动较小时，可以过滤小扰动信号，使机组不参与调节，保持功率稳定运行。GB/T 31464—2015《电网运行准则》[12]规定：电液型汽轮机调节控制系统的火电机组和燃机死区控制在±0.033 Hz内；机械、液压调节控制系统的火电机组和燃机死区控制在±0.10 Hz内；水电机组死区控制在±0.05 Hz内。根据压缩空气储能系统的特点，建议死区范围设置为±0.10 Hz以内。

调差系数R是电网频率变化与机组功率变化的比值，在机组侧一般用转速不等率δ表示。其关系为：

(3)

带基本负荷机组的转速不等率设置得较大，而调频机组的转速不等率设置得较小。《电网运行准则》对转速不等率δ的规定：火电机组和燃机为4%～5%，水电机组不大于4%。压缩空气储能启动迅速，建议设置为3～4%。

调节限幅L的作用是为了保证机组的安全、稳定运行。在压缩空气储能系统发电释能阶段，储气罐压力逐步降低，膨胀机进气压力逐渐增加，直至达到额定工况，并在之后保持压力稳定。在运行中即使调节至功率为零的最小工况，储气罐压力、膨胀机进气压力都不会有超压的危险。膨胀机运行压力对比如图5所示。

图5 膨胀机运行压力对比图

膨胀发电机能够全行程调节，且调节时不会造成储气罐超压。故调节上限幅值设置为机组最大允许运行发电功率，不设置调节下限幅值。

4 用电侧一次调频

4.1 功能模块

要在用电侧响应电网一次调频，必须选用能够调节用电功率的压缩机类型。目前，电力系统中比较成熟的技术是采用直流变频系统，并构建相应的调频功能模块。压缩空气储能系统用电侧一次调频系统如图6所示。

图6 压缩空气储能系统用电侧一次调频系统图

压缩空气储能系统中压缩机和电动机由直流变频装置控制。直流变频装置包括调频功能模块和变频功能模块。调频功能模块接入电网系统频率信号f，输出压缩机功率调整量ΔPm至压缩机变频功能模块。变频功能模块接入原功率控制指令Pm，输出最终功率P′m至电动机，带动压缩空气储能系统压缩机工作。

4.2 参数设置

功能模块参数中死区Δf、调差系数R与发电侧一次调频的参数设置相同。

调节限幅L中，压缩空气储能系统在压缩环节能够全范围调节，没有安全限制，因此不设置调节下限幅值，调节上限幅值设置为电动机最大允许运行功率Pmmax。

4.3 调频过程

将电网频率信号通过算式(4)转换为频差信号Δfm：

Δfm=f-f0

(4)

式中：f0为系统额定频率；f为实际频率。

经过死区判断后，通过式(5)，根据调差系数R来计算压缩机功率调整量ΔPm。压缩空气储能系统在用电储能阶段参与电网一次调频时，电动机的运行功率在电网频率下降时自动减少，在电网频率上升时自动增加，与发电释能阶段的发电机功率变化相反。因此，电动机功率调整量ΔPm与膨胀发电时发电功率调整量的数值相同，但是正负相反。

(5)

式中：Pm0为电动机额定功率。

与发电侧一次调频相同，对原输入功率指令Pm进行修正，得到修正功率Pm1。通过调整上、下限幅值限制功率，最终输出控制功率P′m至电动机，带动压缩机工作。

5 双向调节对比

对比压缩空气储能系统发电侧和用电侧参与电网一次调频的功能：发电侧和用电侧功能模块参数中死区设置相同，调差系数R的数值相同、调节方向相反。双向一次调频功能对比如表1所示。

由表1可以看出，发电侧和用电侧的一次调频功能模块采集信号、动作对象和动作方向都是不同的。

6 结论

压缩空气储能系统的用电储能和发电释能阶段分开进行，因此可以在发电侧和用电侧参与电网一次调频。

①发电侧采集膨胀机转速信号，经死区判断后由调差系数计算其发电功率，经限幅控制后输出至膨胀机、发电机控制系统，不设置调节下限幅值。

②用电侧采用可调节用电功率的压缩机、电动机采集电网频率信号，经死区判断后由调差系数计算其用电功率，经限幅控制后输出至压缩机、电动机，不设置调节下限幅值。

③发电侧和用电侧调差系数的数值相同，调节方向相反。