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4 储能联合调频
近年来,随着储能电池成本的显著下降,储能系统的商业化逐渐成为可能,储能系统在电力系统发输配用各个领域的应用迅速展开,火电AGC调频是储能系统商业化的典范。
储能+火电的联合调频系统可以说是绝配,两者相互补充,发挥各自优势,使得常规燃煤机组调频性能直追燃气机组。对于高频波动的随机负荷分量及部分脉动分量,储能系统具备几乎实时响应的能力,而对于小波动,缓慢出力的脉动分量及持续分量(参考电网负荷分解曲线),火电机组应对的游刃有余。储能在此有2个方面的优势:提高机组性能K值,延长机组运行寿命。
储能系统的投入大幅度抬高了机组K值。我们来逐个分析:对于调节速率K1,若调频出力在储能系统的额定处理范围之内,系统可以在几秒钟之内出力100%,K1直接拿满分5分,当然每天会综合煤电机组的调节速率(0.9左右),联合调频的平均调节速率会在2.5以上;响应时间K2:储能响应时间在2S以内,按公式计算K2=0.993以上,约等于理论最高值1;调节精度K3也会因储能的协作有所提高,在0.9以上,但优化效果并不像K1和K2一样立竿见影。带入上述数据,保守估算综合指标:
K=0.25×(2K1+K2+K3)=0.25×(2×2.5+0.993+0.9)=1.725
该指标大于燃气机组的1.65。根据实际运行数据反馈,储能联合调频系统的K值可高达2.0以上。
储能的参与还可以延长火电机组使用寿命。我们知道一个燃煤机组最小300MW,目前主流在600MW以上,我们以600MW为例,机组调节速率在9MW/min,调度来了个6MW的指令,要动作,90MW甚至200MW的指令,机组同样需要动作。而经过测算,6MW的指令,机组仅运行40s钟,在这40s中内,要进出一次死区,这里的死区并非无人区,而是调速阀门开启和闭合的静态惯性区间。比如50Hz系统发电机转速为3000转,当转述在±2转/分钟(对应频率变化为±0.034Hz)波动时,机组继续平稳运行,不做任何响应,超过这一限度,调速器就要动作。调速阀门动作越多,磨损越重,运维次数响应增多,长期积累下来,机组寿命必然会缩短。
储能设备的加入,可将随机负荷分量以及部分脉动分量承担下来,启动瞬间充放电功能,避免机组的频繁动作。若机组因加装了储能系统而延长了一年的使用寿命,则仅这一项带来的额外收益,足以抵消储能系统的投资。
5调频储能系统
调频储能系统,本质上还是一套储能系统,只是应用场景和接入点不同,电池,BMS,电池簇组成了储能系统的直流侧,PCS,变压器组成了储能系统的交流侧,交流侧接入高厂变的低压端,至此完成储能系统与发电机组的对接。储能容量配置,通常按照机组额定出力的1.5%-3%,比如600MW的机组,配置9MW-18MW之间,电池路线选用磷酸铁锂,电池倍率行业惯用2C-1C之间,比如智中储能中变的广州华润2×300MW热电厂项目,杜宏团队采用的是9.6MW/4.8MWh方案,再比如智光电气五沙2×300MW热电项目,付金建团队采用了9MW/6MWh方案。储能系统多采用集装箱设计,配上消防和空调系统,集装箱内外的布置见下图。
6 储能技术路线
当前调频储能技术路线有3种,一是常规系统;二是分散集中式系统;三是高压级联系统。
6.1 常规系统
常规系统是使用最多,技术最成熟的方案,其特点是通过直流电池端的并联汇流,实现储能单元容量的提升,比如力信标准电池簇容量122kWh,7台电柜出线端并联,汇流后接入500kW储能逆变器(PCS柜),组成800kWh储能单元,PCS之间并联接入变压器,对外供电。
以上方案的不足之处是并联电池柜之间存在环路电流,电池均衡存在木桶效应,不利于电池的精细化管理,交流侧PCS并联升压,整个系统损耗较大,转化效率偏低。
6.2 分散集中系统
关于分散集中的思路是我的好朋友倪同提出。记得16年,他在刚成立新艾电气不久后,到南京找我聊储能的前景,他仗着自己是艾默生的总工程师,和我聊储能变换,我凭着自己做过几年开发,跟他聊储能电池。其中一个重要的话题就是电池柜的精细化管理,拒绝电池簇之间的直流汇流,消除簇间环流,消除容量短板效应,提高电池使用寿命,这也是分散集中式储能系统的核心。现在来看,倪同在这条路上越走越远。它的主要技术手段是将PCS离散化,比如将单台500kW的PCS离散为7台70kW的PCS小机,每台小机的交流侧集中并联,保证外特性的不变,对内分散,即每台小机直流侧接入一簇电池。拓扑如见下图。当储能逐渐商业化以后,这种系统的优势会逐步显现。
6.3 高压级联储能系统
解决了电池簇间环流问题,还有人不满足,那就是智光电气,他们借助在高压侧的多年经验,在分散集中式系统上再做变革升级,将PCS小机的交流侧由并联改为串联,拓扑结构如下图:
该系统与前两种相比,最显著的差别是省去了变压器,无需再升压,系统效率更高,相同出力下,电流更低,电池寿命更长。更多关于级联系统的特点,请找我的好朋友付金建,保证他会滔滔不绝,我只介绍力信电池系统的设计。以智光5MW/3MWh方案为例,分为3相,每相配置为1.7MW/1MWh,设备集成在一个40尺集装箱内。其中的电池簇由18个PACK组成,总电压691.2V,总容量83kWh;每个PACK由36颗40Ah电芯以3P12S方式成组,每簇电压38.4V,结构如下图。
7 结论与展望
随着电网现货市场政策的推行以及新能源渗透比例的不断提升,电网对调频里程的需求将会显著提升,调频机组参与AGC响应的需求也会随之提升,储能与火电机组的联合是调频领域的一次有效尝试,也是储能实现其价值的舞台。
8 参考文献:
1 《自动发电控制(AGC)的原理及应用》,黄文伟,贵州电力调度通信局
2 《南方监能市场[2017]374号】关于组织开展广东调频辅助服务市场模拟运行的通知》
3 《南方(以广东起步)调频辅助服务市场模拟运行情况-20180410(赴能监局汇报)》
4 《大规模储能系统辅助常规机组调频技术分析_李建林》
5 《储能在发电侧调峰调频服务中的应用现状和前景》,中关村储能产业联盟
6 《储能产品在调频中的价值研究》 https://wenku.baidu.com/view/
7《发电厂电化学储能调频辅助服务政策与技术研究》 智中储能,杜宏
8 《级联高压大容量储能技术研究进展》 智光电气,付金建
9 《组串式变流器规格书》 新艾电器,倪同
10 《基于大规模储能的调频技术研究》,四方亿能,刘千杰等
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