謝光輝 宋佑平 張利濤

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司）

0 引言

新能源發(fā)電的迅速崛起，改變了電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)能源的占比，光伏、風(fēng)電等新能源電站的發(fā)電波動(dòng)性和隨機(jī)性使得電網(wǎng)短時(shí)間的能源不平衡進(jìn)一步惡化，甚至有些地區(qū)的火力機(jī)組不得不日內(nèi)啟停，電化學(xué)儲(chǔ)能由于調(diào)頻速度快，容量可調(diào)，聯(lián)合火力發(fā)電機(jī)組，成為了很好的調(diào)頻資源，目前國(guó)內(nèi)眾多的火電廠改造，增加儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)來提高機(jī)組調(diào)頻能力。

為了滿足儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)聯(lián)合火力發(fā)電機(jī)組調(diào)頻，靈活分配充放電功率，同時(shí)保障廠用電系統(tǒng)安全運(yùn)行，應(yīng)合理設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入方案，有效地隔離儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)發(fā)生的各類故障，同時(shí)滿足高廠變?nèi)萘考岸搪冯娏鞯纫螅疚慕Y(jié)合已建成的10MW／5.308MWh項(xiàng)目案例，重點(diǎn)研究了火力發(fā)電廠廠用電接線、儲(chǔ)能系統(tǒng)接入方案及對(duì)比分析、儲(chǔ)能接入電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入后對(duì)火力發(fā)電廠現(xiàn)有系統(tǒng)的影響，為火力發(fā)電廠增加儲(chǔ)能調(diào)頻電站的可行性研究分析提供參考依據(jù)。

1 2×330MW機(jī)組火力發(fā)電廠廠用電接線

以某個(gè)火力發(fā)電廠為例，燃煤機(jī)組的發(fā)電機(jī)額定功率為330MW、共2臺(tái)，各發(fā)電機(jī)均以發(fā)電機(jī)—變壓器組單元接線接入廠內(nèi)220kV升壓站母線。

發(fā)電機(jī)引出線至主變、廠用分支采用全鏈?zhǔn)诫x相封閉母線。每臺(tái)機(jī)組設(shè)一臺(tái)雙分裂的高廠變，電源由發(fā)電機(jī)出口引接；每?jī)膳_(tái)機(jī)組設(shè)置一臺(tái)有載調(diào)壓?jiǎn)渥儯瑔渥冸娫从蓮S內(nèi)220kV母線引接。

廠用電系統(tǒng)采用6kV和0.38kV兩級(jí)電壓。每臺(tái)機(jī)組設(shè)兩段6kV工作段母線，6kV工作段工作電源取自高廠變，備用電源取自啟備變。每?jī)膳_(tái)機(jī)組各設(shè)有兩段6kV公用段；6kV03A／B公用段工作電源引自3號(hào)機(jī)6kV工作A／B段；6kV04A／B公用段工作電源引自4號(hào)機(jī)6kV工作A／B段；6kV03／04公用段備用電源分別引自3／4號(hào)啟備變。另設(shè)有單母線分段的6kV輸煤段和6kV配煤段。

按照行業(yè)以往經(jīng)驗(yàn)，調(diào)頻用儲(chǔ)能系統(tǒng)功率一般按機(jī)組額定容量的3%進(jìn)行配置，2×330MW燃煤機(jī)組配套儲(chǔ)能，儲(chǔ)能配置容量約為10MW，采用6kV電壓等級(jí)接入。

2 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入火電廠的接入方案

儲(chǔ)能系統(tǒng)接入火力發(fā)電廠，其原則上是不能影響機(jī)組及電網(wǎng)正常運(yùn)行，不能影響廠用輔助設(shè)備正常運(yùn)行，不能影響廠用電切換靈活性。對(duì)于接入多段母線的儲(chǔ)能系統(tǒng)，嚴(yán)禁通過儲(chǔ)能系統(tǒng)形成高低壓環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。

目前電廠增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入方案主要有兩種，即外掛廠用電母線接入方案和發(fā)電機(jī)端封閉母線接入方案。

2.1 方案一：外掛廠用電母線接入方案

儲(chǔ)能調(diào)頻裝置分成2個(gè)模塊，每個(gè)模塊采用兩路電力電纜分別連接至電廠兩臺(tái)機(jī)組的6kV廠用工作A段和B段，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 外掛廠用電母線接入方案

2.2 方案二：發(fā)電機(jī)端接入方案

儲(chǔ)能系統(tǒng)升壓后直接接入發(fā)電機(jī)機(jī)端，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)端接入方案

2.3 接入系統(tǒng)方案對(duì)比

方案一：儲(chǔ)能系統(tǒng)直接接入發(fā)電機(jī)組廠用母線，需核對(duì)高壓廠用變壓器富裕容量是否滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率要求［1］；需核對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后原有廠用電系統(tǒng)設(shè)備短路耐受能力；需核對(duì)廠用電系統(tǒng)是否有可供儲(chǔ)能系統(tǒng)接入的間隔。

方案二：儲(chǔ)能系統(tǒng)直接接入發(fā)電機(jī)機(jī)端主封母，需要解扣發(fā)電機(jī)機(jī)端封閉母線，機(jī)端增加了隱患故障點(diǎn)，可靠性降低；主封母改造周期長(zhǎng)，可能需要機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，同時(shí)工程造價(jià)昂貴，施工難度大；主廠房還需要考慮儲(chǔ)能升壓變布置位置，一般老機(jī)組無多余空曠場(chǎng)地滿足布置需求。

樂屋酒莊的釀酒師Ion Luca先生向大家重點(diǎn)推薦樂屋Bad Boys2016，該款酒在2018年連續(xù)獲得柏林葡萄酒大賽、亞洲葡萄酒大賽、德國(guó)Mundas Vini葡萄酒大賽三座金獎(jiǎng)，又剛剛獲得IGC最有價(jià)值四星大獎(jiǎng)，是今年摩爾多瓦出品酒款中當(dāng)之無愧的“高光表現(xiàn)獎(jiǎng)”。Carpe Diem是拉丁語(yǔ)“把握當(dāng)下”的意思，釀酒理念是開放簡(jiǎn)約，包容創(chuàng)新，最大限度彰顯本土品種的特色。Bad Boys2016采用本土品種黑姑娘和高加索品種晚紅蜜的混釀，將兩個(gè)古老的葡萄品種完美的融合并煥發(fā)出新的生機(jī)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)接入方案二造價(jià)高、改造時(shí)間長(zhǎng)、施工困難，最嚴(yán)重的是給機(jī)端增加了故障點(diǎn)，若儲(chǔ)能升壓變故障將導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)，可靠性低；而接入方案一不改變?cè)袡C(jī)組接線方式，只需高壓廠用變壓器、高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)備滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)接入要求，可充分利用原有設(shè)備，故可靠性高、造價(jià)較低、施工簡(jiǎn)單，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)推薦采用方案一接入火力發(fā)電廠。

2.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電廠側(cè)方案

以某個(gè)火電發(fā)電廠配套10MW／5.308MWh儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的項(xiàng)目為例，儲(chǔ)能系統(tǒng)將4個(gè)2.5MW／1.372MWh儲(chǔ)能單元分成5MW／2.654MWh兩個(gè)模塊，儲(chǔ)能系統(tǒng)主功率回路通過電纜連接，分別接入火電廠廠內(nèi)＃3（＃4）機(jī)組高廠變用6kV母線A、B段。

儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能側(cè)新增1個(gè)40尺的高壓環(huán)網(wǎng)箱，包括出線柜4面、PT柜2面、進(jìn)線柜4面。

儲(chǔ)能系統(tǒng)在＃3（＃4）號(hào)機(jī)組6kV廠用工作A、B段上分別新增（改造）一臺(tái)6.3kV／1250A儲(chǔ)能接入柜，共4臺(tái)，元器件、新增盤柜的接線原則上與原開關(guān)柜一致，電廠側(cè)電氣接入一次系統(tǒng)如圖3所示，此外本方案還可以進(jìn)一步優(yōu)化，將每2臺(tái)2500kVA干式變壓器高壓側(cè)并聯(lián)再接入1臺(tái)儲(chǔ)能進(jìn)線柜，可節(jié)約2臺(tái)進(jìn)線柜，采用1個(gè)30尺的高壓環(huán)網(wǎng)箱。

本方案當(dāng)其中一個(gè)2.5MW儲(chǔ)能模塊故障時(shí)，可隨時(shí)切除，保障儲(chǔ)能系統(tǒng)最大運(yùn)行工況，同時(shí)避免了1段6kV母線接入10MW的負(fù)荷，避免高廠變?nèi)萘坎粷M足充電、放電的要求，也避免出現(xiàn)功率倒送的情況發(fā)生。

2.5 儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)聯(lián)合機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻運(yùn)行策略

電網(wǎng)調(diào)度AGC指令下發(fā)到機(jī)組，儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)獲取該AGC指令，由于火電機(jī)組響應(yīng)速度較慢（min級(jí)），儲(chǔ)能系統(tǒng)利用自身響應(yīng)速度快（s級(jí)）的特性先彌補(bǔ)短時(shí)間內(nèi)機(jī)組出力與AGC指令間的功率差值。等機(jī)組響應(yīng)跟上之后，儲(chǔ)能系統(tǒng)出力可以逐漸降低，以確保儲(chǔ)能系統(tǒng)和機(jī)組聯(lián)合出力與AGC指令保持一致，并準(zhǔn)備下一次AGC指令響應(yīng)。

對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，在額定功率范圍內(nèi)，可以在1s內(nèi)、以99%以上的精度完成指定功率的輸出［2］，如圖4所示，儲(chǔ)能的AGC跟蹤曲線幾乎與AGC指令曲線重合，調(diào)節(jié)反向、調(diào)節(jié)偏差以及調(diào)節(jié)延遲等問題都不會(huì)出現(xiàn)。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤電網(wǎng)AGC調(diào)頻響應(yīng)過程

以某個(gè)火電發(fā)電廠配套10MW／5.308MWh儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的項(xiàng)目為例，當(dāng)機(jī)組雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)，不考慮將儲(chǔ)能系統(tǒng)分別接入不同機(jī)組的運(yùn)行方式，按照AGC調(diào)頻運(yùn)行規(guī)定，只能設(shè)置其中一臺(tái)機(jī)組作為ACE調(diào)頻機(jī)組，另一臺(tái)機(jī)組投AGC模式運(yùn)行，運(yùn)行人員可根據(jù)需要向調(diào)度申請(qǐng)?jiān)O(shè)置其中任何一臺(tái)機(jī)組作為ACE調(diào)頻機(jī)組，此時(shí)需將10MW儲(chǔ)能系統(tǒng)接入該臺(tái)機(jī)組6kVAB段，實(shí)現(xiàn)提高機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)速度，為了防止出現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)投入兩臺(tái)高廠變6kV的A段（或B段）環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，需在儲(chǔ)能站內(nèi)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能母線的兩個(gè)出線開關(guān)電氣閉鎖，即C413開關(guān)與C424開關(guān)，C423開關(guān)與C414開關(guān)實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)鎖。

當(dāng)機(jī)組單機(jī)運(yùn)行投入AGC模式時(shí)，運(yùn)行人員可將10MW儲(chǔ)能系統(tǒng)接入該臺(tái)機(jī)組6kVAB段，對(duì)應(yīng)的C433開關(guān)與C434開關(guān)，C443開關(guān)與C444開關(guān)實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)鎖。

儲(chǔ)能系統(tǒng)在雙機(jī)／單機(jī)任何模式下都能實(shí)滿功率運(yùn)行，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)投入效率。

3 10MW／5MWh儲(chǔ)能調(diào)頻電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能逆變器及升壓變及6kV成套開關(guān)柜、6kV儲(chǔ)能接入柜、儲(chǔ)能EMS系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。以某個(gè)火電發(fā)電廠配套10MW／5.308MWh儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的項(xiàng)目為例，儲(chǔ)能系統(tǒng)配置如下表所示。

表 10MW／5MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)配置表

（續(xù)）

10MW儲(chǔ)能系統(tǒng)分2個(gè)5MW的模塊，每個(gè)模塊分為2個(gè)2.5MW儲(chǔ)能單元，每個(gè)2.5MW儲(chǔ)能單元再細(xì)分成4個(gè)630kW儲(chǔ)能子單元，每個(gè)儲(chǔ)能子單元先通過電池匯流柜對(duì)電池組進(jìn)行并聯(lián)匯流后，通過直流電纜接到630kW儲(chǔ)能逆變器直流側(cè)，4臺(tái)630kW儲(chǔ)能逆變器通過低壓交流配電柜并聯(lián)接入2500kVA雙繞組干式變壓器進(jìn)行隔離升壓，升到6.3kV，在經(jīng)6kV交流電纜接入6kV開關(guān)柜，儲(chǔ)能側(cè)電氣一次系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 2.5MW／1.327MWh儲(chǔ)能側(cè)電氣一次系統(tǒng)圖

4 高廠變?nèi)萘康男：?/h2>

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)可以運(yùn)行在充電和放電兩種模式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入高廠變6kV段后，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)，相當(dāng)于電源，可有效抵消原有廠用負(fù)荷，大大降低高廠變的負(fù)荷容量，使高廠變?cè)谳^低負(fù)荷容量狀態(tài)下運(yùn)行，但需避免引發(fā)高廠變倒送電；當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)，相當(dāng)于負(fù)荷，提高原有廠用電負(fù)荷，使高廠變處于較高負(fù)荷容量狀態(tài)下運(yùn)行，需避免引發(fā)高廠變過載。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后，需進(jìn)行高廠變?nèi)萘啃：恕?/p>

高廠變?nèi)萘啃：朔椒ㄓ袃煞N：一種為設(shè)計(jì)負(fù)荷校核，另一種為實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)校核。

4.1 設(shè)計(jì)負(fù)荷校核

首先收集儲(chǔ)能系統(tǒng)接入火電廠6kV廠用電側(cè)相關(guān)聯(lián)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，包括發(fā)電機(jī)參數(shù)、高廠變參數(shù)、6kV廠用電母線參數(shù)、高廠變負(fù)荷及統(tǒng)計(jì)表。

其次通過理論計(jì)算，分析6kV各段母線新增儲(chǔ)能系統(tǒng)后的負(fù)荷是否超過高廠變高壓側(cè)容量。如高廠變富裕容量超過儲(chǔ)能系統(tǒng)接入容量，則適合儲(chǔ)能系統(tǒng)接入。但大多數(shù)情況是火電廠高廠變?nèi)萘课纯紤]增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裕度，按原設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算，新增儲(chǔ)能系統(tǒng)基本都超過高廠變?nèi)萘?，需采用?shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。

4.2 實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)校核

由于火電廠很多機(jī)組的凝結(jié)水泵、磨煤機(jī)、工業(yè)水泵、機(jī)組變、電除塵變等設(shè)備有多臺(tái)且互為備用，甚至有公用變壓器、公用電機(jī)都是互為備用，電機(jī)實(shí)際輸出功率低于額定值，廠用電負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行功率曲線與設(shè)計(jì)理論值偏差較大。因此需要收集機(jī)組高廠變1個(gè)月或多個(gè)月實(shí)際負(fù)荷情況，分析高廠變負(fù)荷頻率段分布比例，并以最高的功率做為計(jì)算值，計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)接入是否滿足高廠變接入容量要求及分析高廠變倒送電的概率。

4.3 制定解決措施

儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)具有高廠變過載控制功能，為防止高廠變過載，應(yīng)設(shè)計(jì)兩段式高廠變過載切儲(chǔ)能策略：高廠變高低壓側(cè)負(fù)載率達(dá)到90%時(shí)，限制儲(chǔ)能充電功率；高廠變高低壓側(cè)負(fù)載率達(dá)到95%時(shí)，延時(shí)切除充電狀態(tài)儲(chǔ)能6kV進(jìn)線開關(guān)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)具有高廠變防逆流控制功能，當(dāng)系統(tǒng)收到高廠變負(fù)載過低的告警信號(hào)，則減小儲(chǔ)能電池系統(tǒng)放電功率，當(dāng)信號(hào)消失后系統(tǒng)恢復(fù)正常放電。

高廠變?cè)诔鼍€極端工況下時(shí)，不能完全滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)最大工況的需求?？紤]電泵只在機(jī)組啟動(dòng)或者氣泵故障情況下啟用，儲(chǔ)能6kV接入柜與電水泵實(shí)現(xiàn)閉鎖，電動(dòng)泵投入時(shí)，儲(chǔ)能開關(guān)切出。

若火電廠內(nèi)需要臨時(shí)啟停大型輔機(jī)設(shè)備時(shí)，運(yùn)行人員也可提前將儲(chǔ)能系統(tǒng)切換至待機(jī)模式，即不參與調(diào)頻以及充放電，保證火電廠的設(shè)備安全。

5 高廠變低壓側(cè)短路電流核算

儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后，可以運(yùn)行在充電和放電兩種模式下，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在放電模式下時(shí)，相當(dāng)于在機(jī)組廠用6kV母線下新增一個(gè)電源點(diǎn)［3］。此時(shí)如6kV母線發(fā)生短路故障，儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入會(huì)增大故障短路電流［4］。

與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組不同，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用高頻逆變裝置并網(wǎng)，其并網(wǎng)特性表現(xiàn)為一個(gè)受控電流源，而非電壓源。當(dāng)6kV系統(tǒng)發(fā)生單相或三相短路故障時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器所能提供的最大短路電流受逆變器功率器件所能承受的最大電流約束，不超過并網(wǎng)逆變裝置額定電流的1.5倍。

以某個(gè)火電發(fā)電廠配套10MW／5.308MWh儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)參與電網(wǎng)輔助服務(wù)為例，單個(gè)儲(chǔ)能模塊的功率為5MW，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后提供的短路電流為：I1＝1.5×5／（1.732×6.3）＝0.6873kA。

同時(shí)收集原火電廠的資料，計(jì)算包含電動(dòng)機(jī)反饋電流后，高廠變低壓側(cè)6kV系統(tǒng)的三相短路電流值I2。

新增儲(chǔ)能系統(tǒng)后的短路電流值I總＝I1＋I(xiàn)2，與火電廠原有開關(guān)柜內(nèi)斷路器的極限開合電流比較，如不超過，則不需要更換斷路器。如超過，則接入儲(chǔ)能的火電廠6kV母線上的斷路器均需更換。

兩組儲(chǔ)能不存在同時(shí)接入火電廠一段6kV母線，不需要考慮總接入容量對(duì)母線的短路影響，但當(dāng)儲(chǔ)能側(cè)6kV成套開關(guān)柜母線段短路時(shí)，按10MW儲(chǔ)能容量計(jì)算，短路電流為I3＝1.5×10／（1.732×6.3）＝1.375A。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過本文研究，對(duì)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入火力發(fā)電廠電力接入方案有了深入細(xì)致的了解，為后續(xù)儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供依據(jù)，本文未對(duì)具體案例進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，為后續(xù)儲(chǔ)能電力接入方案的進(jìn)一步研究提供了技術(shù)參考。