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储能系统应用于火电厂调频经济性评价的研究

发表时间：2020/6/12 来源：《基层建设》2020年第6期作者：高伟

[导读] 摘要：随着人们生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，电池储能系统具有快速、精确的功率响应能力，有利于电厂更好地跟踪自动发电控制指令，更高效地完成电网自动发电控制目标。

        辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司 123000
        摘要：随着人们生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，电池储能系统具有快速、精确的功率响应能力，有利于电厂更好地跟踪自动发电控制指令，更高效地完成电网自动发电控制目标。由于储能系统的建设成本比较昂贵，因此建立有效的储能电池经济性评估方法具有重要意义。首先提出了辅助火电机组参与调频的控制策略和分段调频的控制策略;然后利用灰色模型算法建立了电池容量的衰减模型，得出了对储能系统健康度的预测方法;最后基于两种控制策略，完成了对储能系统参与调频的经济性评价和比较。
        关键词：储能系统;自动发电控制；研究
        引言
        大规模可再生能源发电比例快速提高，使参与电网调频的电厂负荷占比显著下降。利用具有快速充放电特性的储能调频成为电厂的主要研究方向，它可以提高电厂的经济效益。“十二五”以来，中国可再生能源发展迅猛，风电、太阳能等新能源发电占比持续增加，而风电出力具有随机性、间歇性。大规模风电接入导致电网等效负荷峰谷差变大，增加了系统调峰难度。中国电网长期以大型燃煤火电机组作为主要调频资源，这些火电机组承担繁重的AGC调节任务，产生了发电煤耗增高、设备磨损严重等一系列负面影响。现有电力调频资源已不能满足可再生能源的入网需求。而储能系统的应用能够迅速并有效地解决区域电网调频资源不足的问题，对电网的AGC调频运行有明显影响。改善电网运行的可靠性和安全性，对构建坚强型智能电网并改善电网对可再生能源的接纳能力具有重要意义。
        1电厂储能调频的原理
        火电机组一般是通过厂用2万伏特线路，经过一次降压，把储能系统接入到厂用电母线，然后再经过一个升压，跟火电机组的2万伏特线路直接并联，最后给上级电网处理。每次调节时，电网会给火电机组下达一个指令，如果下达功率增加的指令，那么储能系统发电功率和火电机组就会联合出力。在火电机组自己慢慢感到电网指令功率的时候，储能就退出来了。整个过程当中，通过控制系统不断计算火电厂的出力和电网调度指令之间的偏差，然后反馈给储能系统。同时，储能系统的起始状态不能处于满电状态，一般处在60%左右的状态。系统的主要二次控制原理，当AGC调度的指令发出来以后，和DCS系统算出来功率偏差直接给储能系统，控制储能系统出力。
        2储能系统应用于火电厂调频经济性评价
        2.1遥测量的采集及传送
        新增加的储能调频系统按要求需将储能的额定容量、可用PCS数量、发电机储能实际出力、储能电池可充、可放功率、储能电池可充、可放电量、SOC、发电机储能合并有功、无功功率、PCS单元信息等遥测信息传送中调。储能调频系统遥信量的采集传送有三种途径，遥测量中储能电池可充、可放功率、储能电池可充、可放电量、SOC等信息通过厂内的热工DCS传送远动装置，机组储能段母线电压、机组变高厂变有功、无功、电流值接入厂内的NCS系统在接入远动装置，其他PCS单元信息等通过通讯管理机接入远动装置内部，远动装置将信号汇总后在直接上送中调。
        2.2基于雨流计数法的循环次数统计方法
        本文根据试验获取的电池的退化数据，建立了锂离子电池的循环寿命与电池实际容量之间的容量衰减模型，以实现对电池健康度的预测。在储能系统参与调频的过程中，此模型应用于储能系统的健康度预估时，首先必须要确定储能电池循环次数，本文采用雨流计数法来实现对电池循环次数的统计。雨流计数法，又被称作“塔顶法”，常用于工程中设备的疲劳寿命计算。该方法主要根据研究对象变量之间的非线性关系来计数，然后确定出样本的非周期性循环次数。在使用的过程中，储能电池自身电量的SOC值也在来回波动，因此可以采用雨流计数法对电池的循环次数和放电深度进行计算。

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        2.3机端辅助AGC调频应用储能系统构成与功能
        火电机组与储能系统联合调频的基本原理其实就是将储能系统和传统的火电机组进行结合，使得火电机组在响应AGC调频指令的同时，先给储能设备一个指令，使得储能设备充分发挥自身快速响应的优势，对AGC调频指令优先做出快速响应，在火电机组可以完全独自承担AGC调频指令的时候，再将储能设备成功撤出，这一完美的切换不仅可以充分利用储能设备的快速调节能力而且还可以达到大大改善机组AGC响应速度和精度的目的。常用的储能系统一般由储能单元(EnergyStorageUnit)、功率变换装置(PCS,PowerConverterSystem)、通信与控制单元三个部分构成。机端调频储能系统在实际工程中，与火电机组的连接拓扑如下图2-4所示。储能系统与火电机组通过不同接入点并联接入网侧回路，并协调系统总体出力跟随AGC调度指令。储能电池单元:用以提供能量存储能力，包含储能电池单元内部的散热、测量和信号回路。功率变换装置(PCS):响应通信与控制单元指令，控制对储能单元的充放电动作。同时，提供储能系统的并网接口，满足对并网电能质量、电网适应性和故障保护功能的要求。通信与控制单元:提供与RTU或机组DCS系统的通信接口，监控储能单元和PCS状态，根据AGC指令与机组出力信号，调度储能系统充放电功率设定，控制储能系统运行。
        2.4储能系统配比
        梯次利用电池也是可以做储能项目的，对于这种调频项目，一般从配比来看是2C的配比（比如9兆瓦的系统，配4.5兆瓦储能）。不过在实际应用当中，一般我们配3C的系统，为了保证可靠性，为了保证及时出力，都是提高一个档来用这个电池的。同时包括系统功率的匹配性等等。
        2.5远动装置改造
        目前传送中调的遥测信息中，发电机储能合并功率，需在储能投运时，机组功率与储能功率相加后传送，机组未增加储能时，机组的功率值P1源于NCS计算值，P2来自于机组DCS的值。增加储能调频系统后仍然需传送两个值，以准确的判断机组的功率传送是否准确。机组NCS系统内只是负责信号的传送，不具备相叠加的功能。DCS系统可以做逻辑相加为了实现发电机储能合并功率,为了实现发电机储能合并功率的传送，P1值必须在远动装置内实现合并，对远动装置改造，实现信号量求和的功能。
        2.6一体化调频系统的经济性评价
        由于储能系统造价比较昂贵，因此在利用其参与电网调频时，有必要展开对一体化调频系统的经济性评价。首先对一体化调频系统的成本和收益展开分析，然后通过对投资回报率的计算实现对储能系统的经济性分析。锂离子电池的充放电效率较高，可以达95%以上，因此本文在计算电池储能系统成本时可以忽略能量损耗带来的成本。电池储能系统的成本主要由初试投资成本和运行维护成本组成，其中占比最大的是电池的初始投资成本。
        结语
        本文主要对储能系统应用于火电厂调频的健康度及经济性进行了研究，提出了辅助火电机组参与调频的控制策略和分段调频的控制策略。通过试验获取电池的退化数据，建立电池健康度的预测模型，同时利用雨流计数法对电池循环次数进行统计，以实现对电池健康度的预测。在此基础上，基于文中提出的控制策略和电池健康度预测方法对储能系统参与电厂调频的经济性展开评价，计算得出其投资回报率。结果表明，必须选择高性能的电池才能满足一体化调频系统经济性要求，否则电池寿命较短，经济性较差。在采用高性能电池保证储能系统寿命的情况下，第1种控制策略下的投资回报率更高，而且该控制策略有着较高的安全性，因此更适合与火电机组进行联合调频。
        参考文献
        [1]李丹，梁吉孙，荣富，等．并网电厂管理考核系统中AGC调节性能补偿措施［J］．电力系统自动化，2010，34(4):107-111．
        [2]李欣然，黄际元，陈远扬．大规模储能电源参与电网调频研究综述［J］．电力系统保护与控制，2016，44(7):145-153．