用混合储能辅助核电一次调频控制策略研究

仵华南，李华东，李昌卫，王子奇

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003）

0 引言

核电机组存在燃料能量密度大、零碳排放、技术成熟度高等优点，装机容量占比日益增大，核电机组参与电网一次调频控制，将对电网稳定控制具有重大意义。同时，按照国家能源结构调整和发展规划，电网发展迫切期望核电机组具备较强一次调频能力，来辅助保障区域的电网供电平衡和供电品质。

从核电机组参与电网一次调频应用研究来看，目前核电机组一次调频控制投入存在较多制约问题。具体制约表现：1）核电机组安全控制限制条件多，一旦达到安全限制工况，将闭锁一次调频作用；2）一次调频频繁作用时，反应堆控制棒多频次动作易造成棒驱动机构磨损大；3）核电机组带满负荷为常态工况，核电机组满负荷时不具备一次调频上调负荷能力。

随着储能技术日益成熟，储能技术在电力调频、削峰填谷等方面上得到飞速发展和应用。储能技术在快速调节响应方面具有巨大优势，在电网调频发展应用上拥有广阔前景［1−3］。

根据对核电机组和储能技术一次调频特性研究及多年现场经验实践总结，提出一种用飞轮加锂电池的混合储能技术辅助提高核电机组一次调频功能控制策略，针对性解决完善核电机组一次调频控制投入制约问题，提高核电厂一次调频响应速度和调节幅度的能力。

1 储能技术调频特点及优势

1.1 飞轮储能调频特点

飞轮储能属于高物理储能方式，有充放电次数达百万数量级、应用环境适应性强、零污染排放等诸多显著优点。飞轮储能在电网一次调频控制应用中，拥有毫秒级快速精确响应，能量转换效率达到85%以上，具备大于常规机组20 倍的一次调频效益等巨大性能优势。

同时，飞轮储能受到造价成本较高（1 773～2 000 欧元/kW）制约，建设容量规模较小，导致储能单元辅助调频幅度能力有限。研究表明，充分利用飞轮储能容量规模和性能特点，将飞轮储能应用到电网频率小扰动辅助调频有很好的控制效果和前景。

1.2 锂电池储能调频特点

锂电池储能属于电化学储能方式，为目前储能技术中应用最广的成熟技术路线，有价格成本低、自然条件受限少、自放电小、无记忆效应等诸多显著优点。锂电池储能造价成本低（150～250 欧元/kW），具有实现大容量建设经济优势，在电网一次调频控制应用中，拥有调频幅度能力强，秒级快速精确响应，能量转换效率达到90%以上等性能特点。

同时，锂电池储能参与一次调频控制中，存在频繁充放电易造成电池寿命折损不利因素。研究表明，将其他储能方式与锂电池储能有效混合利用，减少锂电池储能参与一次调频控制充放电频次，可大大减少对锂电池寿命损耗。

1.3 混合应用调频优势

飞轮加锂电池的混合储能调频技术，通过飞轮和锂电池储能装置之间进行有效调频配合，可充分发挥出飞轮储能瞬时功率大、毫秒级响应、充放电次数多和锂电池储能容量大、调频幅度高的优点，同时可避免锂电池频繁充放电损耗。

利用飞轮加锂电池的储能有效调频配合，区域电网频率为小范围波动时，飞轮储能利用自身一次调频优势，可以迅速参与维护区域电网供需平衡控制，此工况无须锂电池储能参与一次调频控制，从而有效避免锂电池的频繁充放电；电网频率为大幅度波动时，飞轮储能毫秒级调频响应，迅速参与电网频率控制，锂电池储能秒级响应，协助飞轮储能参与一次调频控制，利用容量大调频优势，稳定频率周波［4−10］。锂电池储能联合飞轮储能一次调频控制时，由于飞轮储能第一时间响应，电网频率收敛和防恶化控制得到加强，降低后序锂电池储能需协助付出调频承载量，从而有效减少锂电池能量消耗，提高了锂电池储能参与电网一次调频控制时效性。

2 辅助核电调频控制策略

2.1 基本控制方案

利用飞轮加锂电池混合储能技术辅助核电机组一次调频控制。由飞轮、锂电池和核电机组有效调频配合组成一次调频控制系统，充分利用各单元一次调频控优势，进行最优一次调频控制。

用飞轮储能对网频小扰动段进行一次调频调节控制；用飞轮和锂电池储能对网频大扰动段、超大负向扰动段进行联合承载一次调频调节控制；用飞轮、锂电池和核电机组对网频超大增向扰动段进行联合承载一次调频调节控制。

2.2 调频控制系统结构

由飞轮、锂电池和核电机组组成一次调频控制系统（图1），设立调频三级执行器，飞轮储能作为第一级执行器，锂电池储能作为第二级执行器，核电机组作为第三级执行器；在核电机组分散控制系统（Distributed Control System，DCS）中设立调频分配控制器，调频分配控制器采集区域网频信号，经过一次调频逻辑分配运算，输出调频分级指令。调频一级指令送至第一级执行器（飞轮储能），调频二级指令送至第二级执行器（锂电池储能），调频三级指令送至第三级执行器（核电机组）。飞轮储能功率控制器依据调频一级指令信号进行功率调节控制；锂电池储能能量控制器依据调频二级指令信号进行能量调节控制；核电机组负荷控制器依据调频三级指令信号进行负荷调节控制。飞轮、锂电池和核电机组对一次调频控制响应叠加和为核电机组对区域电网一次调频指令输出。

图1 一次调频控制系统结构

2.3 调频参数设置定义

飞轮加锂电池混合储能技术辅助核电机组一次调频控制，按一次调频调差率5%、网频死区±0.033 Hz进行参数定义设置，满足标准DL/T 1870《电力系统网源协调技术规范》中调差率4%～5%、死区≤0.08 Hz的要求。

定义设置网频扰动死区段、小扰动段、大扰动段、超大负向扰动段、超大增向扰动段的区间值。一次调频网频死区段定义为49.967～50.033 Hz；网频小扰动段区间定义为49.933～49.967 Hz 和50.033～50.067 Hz；网频大扰动段区间定义为49.767～49.933 Hz 和50.067～50.233 Hz；网频超大负向扰动定义为网频小于49.767 Hz；网频超大增向扰动定义为网频大于50.233 Hz。

定义设置第一、二、三级执行器一次调频最大调频幅度值。第一级执行器一次调频最大调频幅度为核电机组额定功率的1.36%（正负双向）；第二级执行器一次调频最大调频幅度为核电机组额定功率的6.64%（正负双向）；第三级执行器一次调频最大调频幅度为核电机组额定功率的2.68%（负向为−2.68%，正向为0%）。一次调频调节负荷范围为核电机组额定功率−10.68%～+8%，满足标准DL/T 1870《电力系统网源协调技术规范》负荷调节幅度≥5%的要求。

2.4 调频分级承载

网频值在小扰动定义区间，飞轮储能作为第一级执行器承载一次调频控制，锂电池储能作为第二级执行器、核电机组作为第三级执行器不参与一次调频控制。

网频值在大扰动定义区间，飞轮储能作为第一级执行器和锂电池储能作为第二级执行器联合承载一次调频控制，其中飞轮储能一次调频动作量为定义第一级执行器调频最大幅值（±1.36%Pe），核电机组作为第三级执行器不参与一次调频控制。

网频值在超大负向扰动定义区间，飞轮储能作为第一级执行器、锂电池储能作为第二级执行器联合承载一次调频控制，其中飞轮储能一次调频动作量为定义第一级执行器调频最大正向幅值（+1.36%Pe）、锂电池储能一次调频动作量为定义第二级执行器调频最大正向幅值（+6.64%Pe），核电机组作为第三级执行器不参与一次调频控制。

网频值在超大增向扰动定义区间，飞轮储能作为第一级执行器、锂电池储能作为第二级执行器、核电机组作为第三级执行器联合承载一次调频控制，其中飞轮储能一次调频动作量为定义第一级执行器调频最大负向幅值（−1.36%Pe）、锂电池储能一次调频动作量为定义第二级执行器调频最大负向幅值（−6.64%Pe）。

2.5 构建实施要点

利用本辅助调频控制策略构建一次调频控制系统，应将以下作为实施要点：1）按调频分级指令为一次调频负荷变动指令值的定义，对各级一次调频执行器一次调频控制逻辑进行对应性修改；2）选定调频分配控制器的扫描运算周期满足一次调频快速响应的要求；3）调频分配控制器采集的网频信号精度满足一次调频控制要求；4）调频一至三级指令信号实施多重冗余可靠设计；5）调频分配控制器一次调频控制逻辑组态正确。

3 实施应用

3.1 要点实施分析

以核电330 MW 压水堆核电机组为实施例，对飞轮加锂电池储能辅助核电机组调频控制策略应用实施进行分析。

1）调频执行器逻辑修改。各级执行器（飞轮储能、锂电池储能、核电机组）原控制逻辑中一次调频负荷变动指令，通过网频信号f减去设定值50 Hz 得出频差值，经“频差—负荷”对应函数p（x）生成。现调频分配控制器传送给各执行器调频分级指令，为已计算后的负荷变动指令，原一次调频负荷变动指令不符合辅助调频控制策略要求［11−13］。

依据执行器一次调频逻辑修改方案（图2），对执行器一次调频负荷变动指令逻辑进行修改，通过对切换器T设置逻辑True作用方式，屏蔽切换器的“N”支路的原调频指令，使一次调频指令恒选为切换器的“Y”支路的调频分级指令Demand。

图2 执行器一次调频逻辑修改方案

2）调频分配控制器选定设置。在核电机组DCS中选定62 号控制器作为调频分配控制器，为满足一次调频快速响应及运算要求，调频分配控制器扫描运算周期设置为50 ms。

3）网频信号选取设置。网频信号从电气二次侧变送器屏柜采集，以4～20 mA 标准模拟量信号方式送至调频分配控制器3块模拟量输入（Analog Input，AI）卡件上，AI 卡件通道采集周期设置为50 ms；3 路网频信号在调频分配控制器中经信号判断、逻辑选择等系列运算处理，得出调频控制网频信号f。

4）调频分级指令信号设计。调频一至三级指令从调频分配控制器以4～20 mA 标准模拟量信号，通过硬接线方式输送3 路冗余信号到各一次调频执行器的控制器。

5）调频分配控制器控制逻辑组态。按图3 组态一次调频分配控制逻辑，其中用网频信号f减去设定值50 Hz 得出频差值；频差值经函数（fx）计算出调频一级指令分配系数，式（1）为（fx）表达式；经函数g（x）计算出调频二级指令分配系数，式（2）为g（x）表达式；经函数h（x）计算出调频三级指令分配系数，式（3）为h（x）表达式；各分配系数与核电机组额定功率值（330 MW）相乘，生成一次调频一级、二级和三级指令，并输出至对应执行器；调频一至三级指令相加产生调频总指令，输出至DCS数据显示系统。

图3 一次调频分配控制逻辑方案

3.2 调频动作分析

在核电330 MW 机组应用飞轮加锂电池储能辅助核电机组调频控制策略，在不同网频扰动下，相应一次调频总指令、飞轮调频指令、锂电池调频指令和核电机组调频指令按表1所示。结合表1对控制策略一次调频动作进行分析。

表1 核电330 MW机组一次调频动作指令值

1）网频死区内扰动。当电网频率在49.967～50.033 Hz 之间时，处于一次调频动作死区，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令值为零，飞轮储能、锂电池储能、核电机组接收到一次调频指令值为零，飞轮储能、锂电池储能、核电机组一次调频控制输出为零，DCS显示一次调频输出为零。

扰动例：当电网频率为49.968 Hz 时，处于一次调频动作死区，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令值为零，飞轮储能、锂电池储能、核电机组接收到一次调频指令值为零，飞轮储能、锂电池储能、核电机组一次调频控制输出为零，DCS 显示一次调频输出为零。当电网频率为50.032 Hz 时，处于一次调频动作死区，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令值为零，飞轮储能、锂电池储能、核电机组接收到一次调频指令值为零，飞轮储能、锂电池储能、核电机组一次调频控制输出为零，DCS 显示一次调频输出为零。

2）网频小扰动。当电网网频在49.933～49.967 Hz和50.033～50.067 Hz 区间内，核电一次调频量由第一级执行器（飞轮储能）通过控制充放电量来完成。

扰动例：当电网频率为49.934 Hz 时，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令，飞轮储能功率控制器接收到一级调频指令值为4.356 MW，飞轮储能进入放电状态，对电网供电4.356 MW；锂电池储能能量管理控制器接收到二级调频指令值为零；核电机组负荷控制器接收到三级调频指令值为零；DCS显示一次调频输出为4.356 MW。当电网频率为50.066 Hz 时，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令，飞轮储能功率控制器接收到一级调频指令值为−4.356 MW，飞轮储能进入充电状态，从电网吸收4.356 MW；锂电池储能能量管理控制器接收到二级调频指令值为零；核电机组负荷控制器接收到三级调频指令值为零；DCS 显示一次调频输出为−4.356 MW。

3）网频大扰动。当电网网频在49.767～49.933 Hz和50.067～50.233 Hz 区间内，核电一次调频量由第一级执行器（飞轮储能）和第二级执行器（锂电池储能）控制通过充放电量来完成；其中第一级执行器（飞轮储能）调频动作量达到最大幅度4.488 MW。

扰动例：当电网频率为49.9 Hz 时，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令，飞轮储能功率控制器接收到一级调频指令值为4.488 MW，飞轮储能进入放电状态，对电网供电4.488 MW；锂电池储能能量管理控制器接收到二级调频指令值为4.356 MW，锂电池储能进入放电状态，对电网供电4.356 MW；核电机组负荷控制器接收到三级调频指令值为零；DCS显示一次调频输出为8.844 MW。当电网频率为50.1Hz 时，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令，飞轮储能功率控制器接收到一级调频指令值为−4.488 MW，飞轮储能进入充电状态，从电网侧吸收4.488 MW；锂电池储能能量管理控制器接收到二级调频指令值为−4.356 MW，锂电池储能进入充电状态，从电网侧吸收4.356 MW；核电机组负荷控制器接收到三级调频指令值为零；DCS显示一次调频输出为−8.844 MW。

4）网频超大负向扰动。当电网网频小于49.767 Hz，核电一次调频量由第一级执行器（飞轮储能）和第二级执行器（锂电池储能）通过控制放电量来完成，第三级执行器（核电机组）一次调频动作量为零；其中第一级执行器（飞轮储能）调频动作量达到最大升幅4.488 MW，第二级执行器（锂电池储能）调频动作量达到最大升幅21.912 MW，一次调频总输出达到最大正向幅度26.4 MW。

扰动例：当电网频率为49.717 Hz 时，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令，飞轮储能功率控制器接收到一级调频指令值为4.488 MW，飞轮储能进入放电状态，对电网供电4.488 MW；锂电池储能能量管理控制器接收到二级调频指令值为21.912 MW，锂电池储能进入放电状态，对电网供电21.912 MW；核电机组负荷控制器接收到三级调频指令值为零；DCS显示一次调频输出为26.4 MW。

5）网频超大增向扰动。当电网网频大于50.233 Hz，核电一次调频量由第一级执行器（飞轮储能）、第二级执行器（锂电池储能）和第三级执行器（核电机组）来联合完成；其中，第一级执行器（飞轮储能）调频动作量达到最大降幅4.488 MW，第二级执行器（锂电池储能）调频动作量达到最大降幅21.912 MW。网频大于或等于50.3 Hz，第三级执行器（核电机组）调频动作量达到最大降幅8.844 MW，一次调频总输出达到最大负向幅度35.244 MW。

扰动例：当电网频率为50.283 Hz 时，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令，飞轮储能功率控制器接收到一级调频指令值为−4.488 MW，飞轮储能进入充电状态，从电网侧吸收4.488 MW；锂电池储能能量管理控制器接收到二级调频指令值为−21.912 MW，锂电池储能进入充电状态，从电网侧吸收21.912 MW；核电机组负荷控制器接收到三级调频指令值为−6.6 MW，核电机组降负荷6.6 MW，DCS 显示一次调频输出为−33 MW。当电网频率为50.3 Hz 时，一次调频分配控制器输出一次调频一至三级指令，飞轮储能功率控制器接收到一级调频指令值为−4.488 MW，飞轮储能进入充电状态，从电网侧吸收4.488 MW；锂电池储能能量管理控制器接收到二级调频指令值为−21.912 MW，锂电池储能进入充电状态，从电网侧吸收21.912 MW；核电机组负荷控制器接收到三级调频指令值为−8.844 MW，核电机组降负荷8.844 MW；DCS 显示一次调频输出为−35.244 MW。

4 实施效果

将飞轮、锂电池和核电机组特性优势组合利用，投资少，实施操作简便，安全性高，使用寿命长。

飞轮加锂电池储能可以安全的辅助完成一次调频控制，并不受核电机组一次调频安全闭锁限制影响，很好满足电网一次调频要求［14−17］。

在网频易扰动工况（高频次小扰动）时，飞轮储能很好承载一次调频控制，反应堆控制棒无须调频动作响应，有效解决核电一次调频时反应堆控制棒多频次动作磨损大问题。

满负荷工况下网频负向扰动，飞轮加锂电池储能进行放电承担完成一次调频控制。针对性解决核电机组满负荷工况下网频低时无法进行一次调频的限制问题。

5 结语

用飞轮加锂电池储能辅助核电一次调频控制策略，电网频率扰动时，飞轮储能和锂电池储能通过充放电控制很好承担完成机组一次调频任务；发生电网频率超大增向扰动特殊工况时，需要发电机组降负荷时，飞轮储能和锂电池储能将迅速进行一次调频控制，吸收电网负荷，同时核电机组将通过降负荷参与一次调频控制，来最大程度维持电网稳定。针对性解决核电机组现有一次调频多重制约问题，提高了核电机组一次调频品质，提高了核电机组一次调频的安全性和经济效益，很好满足电网一次调频的控制要求，有非常好的应用推广价值。