基于电网考核指标的飞轮储能辅助一次调频容量配置方法

李军，房方，李杰，丁浩天，史福庆

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206；3.华能山东发电有限公司，山东 济南 250014；4.华能聊城热电有限公司，山东 聊城 252041）

0 引言

我国正在构建以新能源为主体的新型电力系统，但在能源结构及快速可调负荷占比这两方面与西方国家仍有一定差距。随着风电、光伏等新能源装机容量的迅猛增长，提升电网综合调频能力的迫切性进一步提升。风电等新能源所固有的发电随机性和波动性，对传统以火力发电为主的电力系统的安全稳定运行和运行调度提出了严峻的挑战，这导致火电机组将肩负起更多更重的调频任务［1］。

建设“储能+火电”联合调频系统是一种有效的提升调频能力的方式。目前，储能技术已经在国内电力行业的二次调频又称自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）和调峰领域得到实际应用，但采用的基本是化学类储能，如磷酸铁锂电池，运行中普遍受到充放电次数受限等问题的制约。文献［2］对电容器、电池、超导磁3 种类型的储能方式进行了对比分析，并介绍3 种储能设备参与电网调频的运行效果。文献［3］根据系统频率的均方根误差来定量分析储能电池参与电力系统一次调频的作用，研究表明，储能电池能有效改善因系统负载扰动引起的频率偏移。在储能容量配置方面，文献［4］提出一种考虑储能电池经济性来优化储能电池容量配置的一次调频方法，当调频中加入储能时，随着储能电池分配比例的增大，调频效果增强，但调频的净效益将会降低。

在国内已启动的“火电+储能”联合调频建设工程中（如山西京玉发电厂），锂离子电池是最常用的储能方式。但与AGC 调节周期和动作幅值相比，一次调频具有暂态频发特性，所以选择用于AGC 的磷酸铁锂等化学类电池参与一次调频调节，会大幅降低电池的使用寿命，因此，可以考虑选择飞轮这种机械类储能方式开展一次调频的优化调节。孙立本等人对飞轮储能辅助发电控制方式进行了研究，并结合电网频变化开展了飞轮对功率波动进行补偿调节的建模仿真，证实飞轮有助于机组一次调频［5］。

飞轮在能量充足的条件下，其充放电速度可达到毫秒级，远优于火电机组的响应速度，能有效解决火电机组的高延迟和大惯性问题。但由于储能设备的价格与容量成正比，因此考虑根据机组实际的一次调频积分电量贡献指数等指标进行总容量的计算选择，以实现指标和收益的最优。

1 考核标准及实际动作情况

1.1 现行一次调频考核标准

按照GB/T 30370—2013《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》和Q/GDW 669—2011《火力发电机组一次调频试验导则》等相关一次调频标准要求，机组参与一次调频的响应时间应小于3 s；机组一次调频的负荷响应速度应满足：达到75%目标负荷的时间不大于15 s，达到90%目标负荷的时间不大于30 s；机组参与一次调频的稳定时间小于1 min［6-7］。结合上述标准，一次调频的在线监测、性能评估、特性分析等方向均已开展了诸多研究［8］。

结合上述导则要求，山东电网执行《关于修订我省发电厂并网运行管理实施细则的通知》（鲁监能市场［2018］57 号）和《关于调整发电机组一次调频评价办法的通知》（调技［2018］140 号）规定，分别计算15 s、30 s、45 s的一次调频积分电量贡献指数q15、q30、q45，进而得到机组纳入考核的一次调频积分电量贡献指数q。

式中：K15、K30、K45分别为机组15 s、30 s、45 s一次调频积分电量贡献指数的权重，目前权重分别设为0.55、0.3、0.15。

式中：ΔQS15为机组0～15 s 一次调频实际积分电量；ΔQE15为机组0～15 s 一次调频理论积分电量。同理，记ΔQS30为机组0～30 s 一次调频实际积分电量，ΔQS45为机组0～45 s 一次调频实际积分电量，ΔQE30为机组0～30 s 一次调频理论积分电量，ΔQE45为机组0～45 s一次调频理论积分电量，计算求取q30和q45。

ΔQS为一次调频实际积分电量，表示从频率偏差超出死区开始，至计算时段结束，机组实际功率与动作前功率相比，增加（或减少）的部分。高频少发或低频多发电量为正，高频多发或低频少功率为负。一次调频应动作时段内实际贡献电量为正，则为正贡献电量；反之，则为负贡献电量。

式中：A0为一次调频评价起始时刻，为发生一次调频有效扰动时频率偏差越过一次调频死区的时刻；B0为一次调频评价结束时刻（即A0时刻后15 s、30 s 或45 s）；P（0t）为评价起始出力参量，取机组A0时刻前10 s 内实际出力平均值；P（St）为机组一次调频动作时段内，机组在t时刻的实际出力。

ΔQE为一次调频理论积分电量，从频率偏差超出规定的±0.033 Hz 的死区开始，至计算时段结束，机组一次调频理论积分电量。

式中：ΔPE（t）为机组一次调频动作时段内，t时刻机组理论功率对应的变化量；PN为机组额定功率；Δf为一次调频动作时段内，实际频率与调频死区的频率偏差，调频死区取（50±0.033）Hz；fN为机组额定频率（50 Hz）；δ为转速不等率理论整定值。

机组的一次调频积分电量贡献指数q各区域电网略有所不同，比如西北电网要求q不小于60%，山东电网要求q不小于70%。q为当电网频率偏离50 Hz且触发电网考核规定的频率考核值时，各不同时间段内由理论功率曲线构成阴影面积和实际功率曲线构成阴影面积的比值的加权和如图1所示。

图1 一次调频积分电量计算

1.2 机组实际动作情况

由于相关标准一般按机组容量，将机组参与频率补偿的功率变化幅度上限予以保护限制，250 MW之下的机组限制幅度不小于10%PN，250 MW 至350 MW 之间的机组限制幅度不小于8%PN，500 MW之上的机组限制幅度不小于6%PN。结合机组A修后一次调频涉网验收试验及电网调度部门定期开展的一次调频远程扰动测试，分别选取典型的200 MW级、300 MW级以及600 MW级机组进行了数据采集，提取一次调频动作期间0～45 s 时间内机组的实际负荷动作情况，分别如图2、图3和图4所示。

图2 某220 MW机组一次调频动作曲线

图3 某330 MW机组一次调频动作曲线

采集的数据时间为1 月供热季，机组存在不同的抽汽供热情况，对其一次调频能力略有影响。从图2—图4 可以看出，机组普遍存在前期动作缓慢情况，根源在于机组执行机构本身所固有的迟延和惯性。对一次调频，电网最需要在频率发生变化的前期，尤其是前15 s 能够迅速提供功率支撑，之后可以依靠AGC 来将区域控制偏差消除，将频率拉回至50 Hz。这一点从式（1）中各时间段的权重指数也可以明确感知，因此，提升机组一次调频积分电量贡献指数最有效的方法就是提升前15 s的功率补偿量。

图4 某650 MW机组一次调频动作曲线

2 飞轮储能特点及容量选取

2.1 飞轮储能特点

飞轮储能是一种源于航天的先进物理功率型储能技术，其结构如图5 所示，主要由转子、轴承、电机等构成。处于储能状态时，电能通过储能变流器驱动电机实现转子的高速运行，实现电能到机械能的转换；处于能量释放状态时，高速旋转的转子拖动电机进行发电，实现机械能到电能的转换。

图5 飞轮储能装置剖面

飞轮储能的概念起源于20世纪70年代早期，最初的应用场景是电动汽车。经过多年的发展，美国、日本、加拿大等发达国家均已研发出保障飞轮储能能够现场应用的关键技术。美国Beacon Power 公司作为大规模电网级储能应用的先驱者，其开发的飞轮智能能源矩阵（Smart Energy Matrix，SEM）已产出第四代产品，由10个100 kW 的飞轮单元构建成一个飞轮阵列系统，每个SEM 系统的额定功率为1 MW，能够保持额定功率运行15 min，转速运行范围为8 000～16 000 r/min，设计寿命为20 年。美国Active Power 公司出售的飞轮设备，转速约7 700 r/min。德国Piller 公司的飞轮储能装置具备在15 s 内提供1.65 MW电力的能力［9-10］。

不同于化学类电池技术，飞轮储能系统对于功率指令的响应速度快，能够实现毫秒级的大功率充放电；运行寿命长，机械设备不像化学储能设备受重复深放电次数的制约，使用寿命一般超过15 年。这种特性完全适合于解决机组的短时、暂态、频发的一次调频。

2.2 容量选取原则

由于储能系统的投资较大，所以需要合理配置储能容量，以最小的投资来辅助机组实现调频性能的提升。储能的选取需要从能量贡献、持续时间、响应时间、间隔时间等多种维度开展研究，以实现储能与火电的动态互补。解决思路是对机组的一次调频需求进行定量分析，以投资的经济性和整体功率补偿效果为优化目标，寻求现有控制体系下飞轮储能可调容量与火电机组可调容量的最优配置与调控优化［11］。

首先，从电网考核指标数据中筛选不合格的数月（不少于6 个月）一次调频性能指标，包括每月的实际积分电量QiAactual、理论积分电量QiIdeal以及积分电量贡献指数q（ii代表参与计算的第i个月）。为了真实有效地反应机组在不同工况下的一次调频情况，采样数据应覆盖不同月份，须重点关注迎峰度夏、冬季抽汽供热这两个时间段。

其次，根据选取的考核数据，计算达到规定的积分电量贡献指数所需额外增加的各月补偿电量。假设，利用储能补偿后所期望的积分电量贡献指数为q′i。

式中：ηB为标准值，由各区域根据电网实际情况分别制定，一般不低于60%；Ai为第i月需要额外补偿的电量。

根据参与计算的n个月中各月需要额外增加的补偿电量值A（ii=1，2，…，n）计算储能所需提供的额外增加的补偿电量的均值

基于电网对机组一次调频的快速、暂态响应需求，主要利用飞轮储能毫秒级满充满放优势，可忽略其充放电速率和响应时间，即只须考虑其最低的容量配置。各区域电网一次调频考核计算基本上均取频率超出死区后机组动作的前60 s 数据，而现在市场上的飞轮储能装置都能够在100 s 以上的时间段内保持满容量的功率吸收或释放，因此，可根据求取的额外增加的补偿电量均值求取需增加的飞轮储能装置的最低容量QF。

3 案例分析

以某区域电网为例，结合机组的实际指标，给出设计方案的实施示例。该电网规定一次调频积分电量：电网频率偏差值超过±0.033 Hz 时起到恢复至±0.033 Hz 以内，机组实时功率与起始功率之差的积分电量，高频少发或低频多发电量为正值，反之，高频多发或低频少发电量为负值［10］。机组月度一次调频积分电量为该月每一次电网频率超出（50±0.033）Hz 时一次调频电量的累加值，规定一次调频积分电量贡献指数不低于60%。

目前，国内各大电网基本均以300 MW 级汽包炉机组为主，因此，选取电网内一台300 MW 机组进行典型分析。该机组因存在工业抽汽常年存在考核性能指标不达标问题，不能满足电网规定的积分电量贡献指数不低于60%要求，故增加一套飞轮储能补偿装置进行辅助调频，根据电网频差实时补偿机组一部分调频功率缺口。

从电网考核指标数据中筛选2019 年度12 个月的一次调频性能指标，QiAactual、QiIdeal、qi分别记录，如表1所示。

表1 某300 MW机组年度一次调频性能指标统计

根据表1 中的考核数据，计算达到规定的60%积分电量贡献指数所需额外增加的各月补偿电量。

同理，分别计算求得其他月份所需额外增加的补偿电量值，如表1中所示。

根据求得的各月Ai值，为提升飞轮利用效率，计算额外增加的补偿电量值的均值

根据求得飞轮所需补偿电量的平均值求取须增加飞轮储能装置的最低容量值。在机组飞轮储能装置容量的选取上，可按照均值计算求取。

由于储能容量一般为整数配置，因此，确定此机组飞轮配置容量为700 kW。

4 结语

运用选取能够反应机组一次调频性能指标的多月电网考核指标统计数据，通过计算求得能够有效补偿机组调频功率不足所需额外增加的飞轮储能装置的容量。

鉴于国内新建大型机组基本上均为高参数、高效率的超超临界二次再热机组，普遍存在快速做功能力偏弱情况，造成机组一次调频在电网性能测试中存在不达标问题，如华能莱芜、华电莱州等1000 MW 级机组在山东电网每月开展的一次调频远程扰动测试中频繁出现指标低于70%情况，提出的方案对解决该类型问题具有显著意义，有效保障电网调频能力。