电池储能参与火电机组一次调频设计与应用_党少佳.pdf

2023年第41卷第3期电池储能参与火电机组一次调频设计与应用党少佳，赵松，霍红岩，刘小恺，赵炜（内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特010020）摘要：为充分利用电池储能在辅助火电机组一次调频中的优势，对电池储能参与火电机组一次调频的设计方案进行设计与优化。以内蒙古某电厂为例，首先分析该电厂储能配置概况及一次调频考核现状，在此基础上对电池储能参与该电厂火电机组一次调频方案和控制策略进行设计。设计时主要考虑了机组-储能系统负荷分配控制策略、储能系统一次调频有效动作识别、储能系统负荷调节量设计、储能系统一次调频动作期间AGC闭锁方式、储能系统负荷调度方式以及整体优化改造技术路线等因素。最后将设计方案应用于该电厂，结果表明，该设计方案可以大幅提高一次调频考核合格率、减少平均单次考核电量、提高有效动作比例，验证了所提设计方案可有效改善机组调频性能，且经济性良好。关键词：一次调频；电池储能；火电机组；控制策略；考核电量文献标志码：A文章编号：1008-6218（2023）03-0036-07中图分类号：TM621；TM91doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0037基金项目 内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司青年科技人员支持计划项目“火电机组调峰储能系统参与电网一次调频技术研究”（2020-QK-06）A b s t r a c t：In order to make full use of the advantages of battery energy storage in auxiliary primary frequency modulation ofthermal power units,the design scheme of battery energy storage in primary frequency modulation of thermal power units isdesigned and optimized.Taking a thermal power plant of Inner Mongolia power grid as an example,this paper firstlyanalyzes the general situation of the energy storage configuration and primary frequency modulation assessment of the powerplant,and then designs the primary frequency modulation scheme and control strategy of the thermal power unit of thepower plant involving battery energy storage.The design mainly considers factors such as the load distribution controlstrategy of the unitenergy storage system,energy storage system effective action identification,design of load regulationamount of the energy storage system,AGC locking mode during the primary frequency modulation action of energy storagesystem,load scheduling mode of the energy storage system,and the overall optimization and transformation technology route.Finally,the design scheme is applied to the power plant.The results show that the design scheme can greatly improve thequalificationrateofprimaryfrequencymodulationassessment,reducetheaverageelectricityconsumptionofsingleassessment,and improve the probability of effective action.It is verified that the proposed design scheme can effectivelyimprove the frequency modulation performance of the unit and has good economic efficiency.K e y w o r d s：primary frequency modulation;battery energy storage;thermal power unit;control strategy;assessment ofelectricity consumptionD e s i g na n dA p p l i c a t i o no fBa t t e r yEn e r g ySt o r a g ei nPr i ma r yFr e q u e n c yM o d u l a t i o no fT h e r ma l Po w e rU n i t sDANG Shaojia,ZHAO Song,HUO Hongyan,LIU Xiaokai,ZHAO Wei（Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Inner Mongolia Power Research Institute Branch,Hohhot010020,China）引用格式：党少佳，赵松，霍红岩，等.电池储能参与火电机组一次调频设计与应用J.内蒙古电力技术，2023，41（3）：3642.DANG Shaojia,ZHAO Song,HUO Hongyan,et al.Design and Application of Battery Energy Storage in Primary Frequency Modulation of Thermal Power UnitsJ.Inner Mongolia Electric Power,2023,41(3):3642.内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER360引言随着风电、光伏等新能源大规模并网，常规调频容量比例下降，电网一次调频问题日趋复杂1-3。以内蒙古电网为例，目前电网一次调频主要依靠火电机组，而当前火电机组在一次调频响应中存在响应时间长、爬坡速度慢、调频动作量不足等问题，难以满足电网一次调频考核要求4-5。自一次调频考核以来，一次调频的动作和贡献电量考核合格率不足30%，单台机组月考核电量最大达500 MWh，严重影响电网的安全稳定和电厂自身的经济效益6。近年来，国家能源局不断出台相关政策，鼓励投资建设储能设施，进一步探索储能技术在电力系统调频调峰方面的作用，适时将储能参与辅助服务转化为常态运行7-9。储能电池具有负荷响应快、爬坡速度快、动作精确等特点，可以对火电机组一次调频起到积极作用10-12。当前对储能电池辅助火电机组一次调频的研究有很多。文献13-14分别对飞轮储能辅助火电机组一次调频过程和发电厂实际运行数据进行分析，结果表明，储能辅助火电机组一次调频可以提高火电机组一次调频性能、减轻火电机组调频负担、延长机组寿命。文献15分析了储能系统调频效益及对电网系统稳定的影响，结论是储能系统能够提高机组综合调频性能指标和调频里程，并具有较好经济效益。文献16研究不同的蓄热式电锅炉对机组一次调频能力的影响。研究结果表明，不同配置方案在不同时段对火电机组一次调频能力有着不同程度的提升效果。从以上研究可以看出，储能可以很大程度提高火电机组一次调频能力。本文基于以上研究，着重考虑机组-储能系统负荷分配控制策略、储能系统一次调频有效动作识别、储能系统负荷调节量设计、储能系统一次调频动作期间自动发电量控制（Automatic GenerationControl，AGC）闭锁方式、储能系统负荷调度方式以及整体优化改造等问题，对储能辅助火电机组一次调频进行设计17-18，并在内蒙古某电厂进行了应用，结果表明该设计方案具有很好的工程应用价值。1储能系统概况及一次调频存在的不足1.1系统配置概况内蒙古某电厂采用9 MW/4.5 MWh储能系统容量配置方案，目前已建成运行6 MW/3 MWh储能系统。9 MW/4.5 MWh 储能系统接高压厂用变压器（以下简称高厂变）1A段和2A段，储能系统主要由储能电池、储能变流器（Power Conversion System，PCS）、储能变压器及其就地成套开关柜、6.3 kV储能开关间隔柜等组成，其中PCS具备双向逆变能力，储能电池具备快速充电和放电功能。火电储能联合系统示意图如图1所示（黑色部分为原有系统，红色部分为新接入的电池储能系统），其中储能系统能量管理平台（Energy Management System，EMS）负责对PCS、机组分散控制系统（Distributed Control System，DCS）进行监视、报警和控制，利用机组现有的远动系统（Remote Terminal Unit，RTU）实现同电网调度中心的信号交互。9 MW储能系统分为4个2 MW和1个1 MW储能单元，每个1 MW储能单元由2台500 kW储能子单元组成。储能子单元通过电池柜进行汇流后，接到PCS直流侧逆变；逆变后的2台PCS进行交流直并，并通过储能变压器隔离后升压至6.3 kV。储能单元接至6.3 kV储能就地成套开关柜对应的接入柜，汇流后通过TV柜接至6.3 kV成套开关柜的1号和2号进线柜。1号进线柜通过6.3 kV储能开关柜接入至6.3 kV厂用电1B段，2号进线柜通过6.3 kV储能开关柜接入至6.3 kV厂用电2B段。储能系统选用磷酸铁锂电池，其电芯具有安全性高、寿命长、高倍率充放电性能优等优势。电池系统在储能电池管理系统有效管理下完全充放电循环寿命可达5000次以上，浅深度充放电寿命高达数百万次，调频工况的电池荷电状态（State ofCharge，SOC）在 50%上 下 调 节，平 均 放 电 深 度（Depth of Discharge，DOD）在20%80%19-20。目前，储能系统在并网模式下接受调度有功调图1火电储能联合系统图Fig.1 Thermal power energy storage combined system调度中心电网G发电机组厂用变压器储能变压器Load储能变流器储能电池储能系统EMS厂用负荷段电厂主变压器电厂DCS电厂RTU2023年第41卷第3期党少佳，等：电池储能参与火电机组一次调频设计与应用37节AGC指令，在允许范围内进行AGC辅助调节，不具备一次调频能力。1.2一次调频存在的不足目前两台机组的一次调频主要存在以下问题：（1）火电机组由于受蓄热制约，存在调频响应滞后和调节电量不足等问题，基本达不到电网要求的调节理论值，考核电量较多。（2）火电机组响应一次调频，会造成机组负荷频繁波动，提高机组及各辅机设备疲劳磨损和故障率，整体降低机组寿命、安全性能和热效率。（3）该电厂2台机组均在AGC方式下运行，对机组的调节性能和安全稳定运行提出了更高要求，而机组为了满足调度考核，加大了一次调频的动作幅度，机组不安全因素增加。加之超温、堵磨、断煤、二次调频动作频繁等，亟待新的调频技术辅助机组响应一