黃 策 燕云飛 沈 迎 兀鵬越

超容儲能輔助火電機組調(diào)頻的電氣問題研究

黃 策1燕云飛2沈 迎1兀鵬越2

（1. 國家能源費縣發(fā)電有限公司，山東費縣 276001；2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

國內(nèi)電力系統(tǒng)的調(diào)頻任務(wù)主要由發(fā)電機組承擔(dān)，存在響應(yīng)速度慢、控制精度低的問題。為此，本文介紹一種以超級電容作儲能的火儲聯(lián)合調(diào)頻技術(shù)。首先對比分析超級電容與鋰電池的工作特性，然后給出超級電容接入廠用電系統(tǒng)的方案，并對其電氣影響進(jìn)行分析，最后結(jié)合某600WM機組調(diào)頻項目對本文的理論分析進(jìn)行驗證。研究結(jié)果表明，超級電容在安全性和循環(huán)壽命方面性能更優(yōu)，更適合于輔助火電機組調(diào)頻，儲能系統(tǒng)接入后對高廠變?nèi)萘颗渲?、廠用電繼電保護(hù)與控制、電氣校核及電能質(zhì)量等均沒有影響，本文結(jié)論可為推進(jìn)火儲聯(lián)合調(diào)頻的工程應(yīng)用提供參考。

超級電容；儲能；火電機組調(diào)頻；電氣影響

0 引言

在雙碳目標(biāo)指引下新能源發(fā)展迅速，電力系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，負(fù)荷隨機性波動頻繁，加劇了電網(wǎng)頻率波動。電網(wǎng)頻率環(huán)境的惡化使其運行安全性和可靠性面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。風(fēng)光等可再生能源受自然環(huán)境因素的影響較大，存在穩(wěn)定性和可靠性差的缺點。因此，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，調(diào)頻任務(wù)主要由火電、水電等機組承擔(dān)[1-4]。在電力輔助服務(wù)市場，調(diào)頻能力強的機組可以通過輔助服務(wù)賺取電網(wǎng)補償。因此，提供調(diào)頻服務(wù)目前已成為一種可以有效改善火電廠經(jīng)營狀況的手段之一。

將儲能與火電機組自動發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）相結(jié)合，可以大大提高機組的調(diào)頻性能，并在一定程度上延長火電機組的壽命[5-6]。隨著各地火電企業(yè)參與兩個細(xì)則考核補償辦法的制定，儲能參與機組調(diào)頻服務(wù)在國內(nèi)得到了快速的推廣應(yīng)用，其中最常見的就是鋰電池儲能。但是鋰電池安全性差、循環(huán)壽命短的缺點制約了其在電力調(diào)頻領(lǐng)域的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[7]提出一種超級電容（super capacitor, SC）輔助火電機組優(yōu)化一次調(diào)頻技術(shù)，研究結(jié)果表明，合理的電容選擇與連接控制，可以有效降低機組煤耗，提高機組調(diào)頻靈活性。文獻(xiàn)[8]介紹火儲聯(lián)合AGC調(diào)頻技術(shù)的基本原理、典型方案、控制過程及實際工程效果，并探討儲能系統(tǒng)接入對火電機組電氣系統(tǒng)的影響和儲能電池的選型問題。文獻(xiàn)[9]分析鋰電池儲能輔助AGC調(diào)頻系統(tǒng)對機組短路電流、廠用電安全、電能質(zhì)量等的影響，并對系統(tǒng)安全性進(jìn)行了評估。在國內(nèi)，儲能輔助火電機組調(diào)頻仍以鋰電池為主，超級電容儲能處于可研階段，且關(guān)于儲能接入廠用電系統(tǒng)的電氣問題的研究較少。

鑒于此，本文首先對比分析超級電容與鋰電池的工作特性；然后給出超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)的方案，并對其電氣影響進(jìn)行分析；最后結(jié)合某600MW機組儲能調(diào)頻項目對本文的理論分析進(jìn)行驗證。

1 超級電容儲能輔助火電機組調(diào)頻技術(shù)

1.1 儲能輔助火電機組調(diào)頻的原理

目前，我國電力系統(tǒng)中的調(diào)頻任務(wù)主要由火電、水電等機組承擔(dān)。以火電機組為例，由于其轉(zhuǎn)動慣性大、且需要經(jīng)過能源的二次轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致機組調(diào)頻響應(yīng)速度慢、控制精度低?；痣姍C組響應(yīng)AGC指令過程如圖1所示。隨著電網(wǎng)頻率環(huán)境的惡化，火電機組的調(diào)頻負(fù)擔(dān)增重，嚴(yán)重影響機組的運行壽命，因此亟需對現(xiàn)有調(diào)頻方式進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 火電機組響應(yīng)AGC指令過程

隨著對調(diào)頻技術(shù)的探索，一種火儲聯(lián)合系統(tǒng)在用于AGC調(diào)頻時展現(xiàn)出了優(yōu)異的效果。儲能輔助機組AGC調(diào)頻的控制原理示意圖如圖2所示，即可將AGC調(diào)頻指令的功率差額交給儲能部分響應(yīng)，這樣可以大大提高火電廠的調(diào)節(jié)性能。

圖2 儲能輔助機組AGC調(diào)頻的控制原理示意圖

目前機組的調(diào)頻性能普遍用綜合性能指標(biāo)p來評價，有

式中：1為調(diào)節(jié)速度；2為調(diào)節(jié)精度；3為調(diào)節(jié)時間。

儲能對機組AGC調(diào)頻性能的改善表現(xiàn)如下：

1）調(diào)節(jié)速度。儲能系統(tǒng)充放電時間為秒級甚至更短，計及控制系統(tǒng)的延時（實測為2～5s），也可大幅提高機組調(diào)節(jié)速度。

2）調(diào)節(jié)精度。儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)偏差一般為3%N（N為儲能系統(tǒng)額定功率），遠(yuǎn)小于火電機組；并且由于儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快，還可以對火電機組的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)誤差進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高機組調(diào)節(jié)精度。

3）調(diào)節(jié)時間。相比火電機組，儲能系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，即使考慮采樣、控制及通信等環(huán)節(jié)的延時，也很容易使機組總體響應(yīng)時間小于20s。

此外，當(dāng)配置適當(dāng)?shù)膬δ苋萘亢螅€可以降低機組由于深度或頻繁調(diào)節(jié)帶來的疲勞損害。

1.2 適合火電的儲能方式

幾種常見的儲能方式見表1[12-13]。其中，鋰電池應(yīng)用最廣泛，技術(shù)也最成熟，但其安全性差、壽命短。

表1 幾種常見的儲能方式

圖3為一種用于電力系統(tǒng)的4V/10 000F型超級電容充放電特性，可以看出超級電容具有很高的充放電速率。圖4為典型的超級電容和鋰電池自持放電特性，可以看出超級電容的電壓保持率相對更高（開路72h，≥98%）。

圖3 超級電容充放電特性

圖4 超級電容和鋰電池自持放電特性

此外，超級電容具有更高的安全特性及更長的循環(huán)壽命，因此更適用于短時間高功率輸出，以及需要快速響應(yīng)、使用壽命長的火電機組調(diào)頻領(lǐng)域。

1.3 儲能輔助火電調(diào)頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5為超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。超級電容儲能單元為直流電系統(tǒng)，首先通過變流器（power conversion system, PCS）將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，然后經(jīng)過箱式變壓器將電壓提高到一定等級，最后經(jīng)過并網(wǎng)開關(guān)從高廠變低壓側(cè)接入廠用電 系統(tǒng)。

圖5 超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)目前的火儲調(diào)頻立項情況可知，儲能輔助調(diào)頻的出發(fā)點是改善機組調(diào)節(jié)環(huán)境，提升機組響應(yīng)AGC指令的性能，因此均在已投運機組上進(jìn)行改造。而在機組初始設(shè)計中，并未考慮儲能系統(tǒng)的接入。目前儲能輔助火電調(diào)頻工程都是大容量儲能接入機組廠用電系統(tǒng)，因此需要對大容量儲能接入廠用電帶來的相關(guān)問題進(jìn)行研究。

2 超級電容儲能接入廠用電存在的問題

2.1 高廠變?nèi)萘肯拗?/h3>

儲能系統(tǒng)在一定程度上增加了高廠變的負(fù)荷比重。一般要求在接入廠用電的儲能系統(tǒng)的充放電過程中，高廠變不能過負(fù)荷，也不能出現(xiàn)倒送電。

對于雙繞組變壓器，其容量t選擇依據(jù)為

式中：h為高壓廠用電計算負(fù)荷和；1為低壓廠用電計算負(fù)荷和。

分裂變壓器的高壓繞組容量1ts選擇依據(jù)為

分裂繞組容量2ts選擇依據(jù)為

式中：c為分裂繞組計算負(fù)荷；r為分裂繞組的重復(fù)計算負(fù)荷；hr、1r分別為分裂繞組的高、低壓側(cè)重復(fù)計算負(fù)荷。

根據(jù)圖5可知，超級電容儲能從廠用電低壓側(cè)接入，此時高廠變的總?cè)萘靠梢缘刃閺S用容量與超級電容容量的和。而相較于廠用電系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)的容量及等效阻抗都比較小，基本不會對高廠變的容量造成影響。

2.2 保護(hù)與控制

考慮機組及廠用電系統(tǒng)的可靠性和安全性，有必要分析超級電容儲能接入給廠用電保護(hù)與控制系統(tǒng)帶來的影響。

1）對繼電保護(hù)的影響

（1）對發(fā)電機、勵磁變電氣量保護(hù)的影響

超級電容處于放電工況時，對整個廠用電系統(tǒng)來說可以等效為一個電壓源。當(dāng)系統(tǒng)某處發(fā)生短路故障時，超級電容向短路點提供短路電流，由于其可提供的短路電流值很小，基本可以忽略其影響。

（2）對發(fā)變組電氣量保護(hù)的影響

根據(jù)繼電保護(hù)原理可知，差動保護(hù)動作電流為

式中：d為差動電流；r為制動電流；、分別為被保護(hù)元件兩側(cè)的電流。

結(jié)合圖5可知，超級電容儲能不在發(fā)變組的差動保護(hù)范圍內(nèi)，對差動保護(hù)沒有影響；主變高壓側(cè)零序電流取自高壓側(cè)接地零序CT，保護(hù)定值不受儲能系統(tǒng)的影響；發(fā)電機額定電流、機端電壓等不受儲能系統(tǒng)的影響，因此超級電容儲能對主變高壓側(cè)復(fù)壓過電流保護(hù)也沒有影響。

（3）對高廠變電氣量保護(hù)的影響

高廠變差動保護(hù)和高壓側(cè)復(fù)壓過電流保護(hù)的整定值不受儲能系統(tǒng)接入后的電流增加值影響；低壓側(cè)零序過電流保護(hù)中，電流取自低壓側(cè)中性點零序CT，與儲能系統(tǒng)接入無關(guān)；低壓側(cè)復(fù)壓過電流保護(hù)中，整定值為高廠變分支電壓和額定電流，上述量均與儲能系統(tǒng)的接入無關(guān)，故對保護(hù)沒有影響。

（4）對廠用電低電壓保護(hù)的影響

儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，根據(jù)檢測到的6kV段母線電壓運行狀況，決定是否投退儲能系統(tǒng)。同時考慮到儲能系統(tǒng)的特點，對火儲聯(lián)合系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)可不投低電壓穿越功能，可有效避免儲能系統(tǒng)帶來的影響。

綜上所述，超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)后，不會對機組已配置的繼電保護(hù)造成影響。

2）對控制系統(tǒng)的影響

超級電容儲能輔助機組參與調(diào)頻時，機組和儲能作為一個整體響應(yīng)電網(wǎng)AGC指令，上傳至調(diào)度的反饋信號為兩者的出力和。機組原有的控制模式保持不變，負(fù)責(zé)AGC指令的接收、反饋機組實時出力情況并協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)響應(yīng)AGC調(diào)頻指令。

由此可知，超級電容儲能系統(tǒng)的接入并不會對機組原有的控制系統(tǒng)造成影響。

2.3 短路電流校核

超級電容儲能系統(tǒng)采用基于高頻電力電子器件的雙向功率變換器并網(wǎng)，出于對電力電子器件的保護(hù)，流過功率變換器的最大導(dǎo)通電流為

式中，DM為變換器最大電流有效值。

因此，當(dāng)廠用電母線發(fā)生短路故障時，儲能系統(tǒng)可貢獻(xiàn)的短路電流分量較小，動熱穩(wěn)定短路電流均在允許范圍內(nèi)，不影響現(xiàn)有斷路器的開斷能力。

2.4 電能質(zhì)量

1）對接入點電流諧波的影響

并網(wǎng)逆變器在電能變換過程中，電力電子器件的全控特性會造成一定程度的波形畸變，從而產(chǎn)生諧波[14]，通過傅里葉變換可得

電流波形總畸變率為

火儲聯(lián)合項目中PCS采用的控制算法使并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)的電流波形近似正弦波，電流諧波總畸變率小于5%，各次諧波畸變率小于3%，滿足儲能行標(biāo)NBT 31016—2011的要求。因此超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波含量很少，基本不會影響廠用電系統(tǒng)的安全可靠工作。

2）對接入點電壓的影響

超級電容通過PCS接入廠用電系統(tǒng)，具有很高的控制自由度。隨著一些高效控制算法的應(yīng)用，變換器的效率、功率因數(shù)、輸出電壓穩(wěn)定性等都得到了很大提升。其中，功率因數(shù)甚至可達(dá)0.99，和電網(wǎng)間的無功功率交換很少，因此基本不會對接入母線段的電壓造成較大影響。

3 典型案例分析

對于廠用電系統(tǒng)，超級電容與鋰電池的作用效果基本一致，由于目前超級電容儲能項目還在可研階段，所以本文以鋰電池儲能項目進(jìn)行對比說明。

本文以某600MW火電機組儲能輔助AGC調(diào)頻項目為例進(jìn)行分析。該廠發(fā)變組負(fù)荷段配置情況為：每臺主變低壓側(cè)接一臺雙分裂變壓器（分別接廠用A、B段6kV負(fù)荷）和一臺雙繞組變壓器（接廠用C段6kV負(fù)荷），擬配置超級電容容量為10MW，通過PCS從6kV段母線接入。

3.1 高廠變?nèi)萘肯拗?/h3>

超級電容儲能接入6kV各分段后，通過核算可以得到每臺高廠變的容量限值，具體參數(shù)見表2。

表2 高廠變?nèi)萘颗渲?/p>

由表2可知，1、2號機6kV廠用母線A段、B段、C段分別有566A、566A、1 366A的負(fù)荷空間。當(dāng)超級電容儲能接入時，高廠變并不會發(fā)生過負(fù)荷，容量配置滿足需求。

3.2 保護(hù)與控制

1）超級電容儲能接入對繼電保護(hù)的影響

參考鋰電池儲能實際運行結(jié)果可知，儲能接入后對發(fā)電機、主變、勵磁變、高廠變等的繼電保護(hù)裝置及定值參數(shù)基本沒有影響。

2）超級電容儲能接入對控制系統(tǒng)的影響

儲能的接入并不影響原有控制系統(tǒng)。為提高火儲聯(lián)合控制系統(tǒng)的性能，可對控制系統(tǒng)作以下改動：

（1）增加通信接口，提供儲能系統(tǒng)AGC信息。

（2）增加分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）IO卡件，與儲能系統(tǒng)控制單元進(jìn)行信息、狀態(tài)的交換。

（3）遠(yuǎn)程終端單元（remote terminal unit, RTU）增設(shè)信號單元來收發(fā)AGC指令及控制信號。

3.3 短路電流校核

根據(jù)該項目超級電容儲能的配置情況，核算不同超級電容容量工況下的短路電流見表3。

表3 不同超級電容容量工況下的短路電流

由表3可知，超級電容儲能接入1、2號機6kV母線段后，熱穩(wěn)定短路電流低于6kV各段的開關(guān)關(guān)斷容量40kA，滿足熱穩(wěn)定需求；動穩(wěn)定短路電流低于6kV各段開關(guān)極限短路電流峰值130kA，滿足動穩(wěn)定需求。

3.4 電能質(zhì)量

1）對接入點電壓的影響

運行中的儲能變流器功率因數(shù)最高可達(dá)0.99，而機組的額定運行功率因數(shù)cosN=0.9。因此，儲能系統(tǒng)充放電過程中與電網(wǎng)間的無功功率交換較少，基本不會引起6kV母線電壓的波動。

2）對接入點電流諧波的影響

儲能PCS通過引入多重化控制技術(shù)來抑制諧波；同時采用雙邊空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)，使變流器的并網(wǎng)電能質(zhì)量滿足NB/T 31016要求。圖6為儲能變流器滿載時6kV各段母線的電流諧波含量。

由圖6可以看出，各次諧波含量均小于規(guī)定值（＜5%），超級電容儲能的接入不會引起電流諧波畸變率增加，對電能質(zhì)量基本沒有影響。

圖6 儲能變流器滿載時6kV各段母線電流諧波含量

4 結(jié)論

基于火儲聯(lián)合AGC調(diào)頻系統(tǒng)，本文對超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)帶來的影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）超級電容儲能在響應(yīng)AGC調(diào)頻指令過程中不會發(fā)生過負(fù)荷，不影響高廠變的容量配置。

2）超級電容儲能系統(tǒng)的接入對繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)基本沒有影響。

3）超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)后，6kV母線段動、熱穩(wěn)定短路電流均在允許范圍內(nèi)。

4）超級電容儲能的接入不會降低廠用電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，不影響廠用負(fù)荷的正常運行。

綜合分析可知，超級電容儲能的接入不會對廠用電系統(tǒng)造成影響，對其聯(lián)合火電機組參與AGC調(diào)頻技術(shù)的應(yīng)用具有較好的參考意義。

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Research on electrical problems of frequency modulation of thermal power unit assisted by supercapacitor energy storage

HUANG Ce1YAN Yunfei2SHEN Ying1WU Pengyue2

(1. China Energy Feixian Power Generation Co., Ltd, Feixian, Shandong 276001;2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710054)

The frequency modulation task of the domestic power system is mainly undertaken by the generator unit, but there are problems of slow response speed and low control accuracy. Therefore, this paper introduces a kind of combined frequency modulation technology with supercapacitor as energy storage. First, the working characteristics of supercapacitors and lithium batteries are compared and analyzed. Then, the scheme of supercapacitor access to the power supply system is given, and its electrical impact is analyzed. Finally, the theoretical analysis of this paper is verified with a 600WM frequency modulation project. Research and analysis results show that supercapacitors have better performance in safety and cycle life and are more suitable for auxiliary frequency modulation of thermal power units. After the energy storage system is connected, it has no influence on the configuration of high power transformer capacity, power relay protection and control, electrical check and power quality, etc. The research conclusion has guiding significance for promoting the application of fire storage combined frequency modulation engineering.

supercapacitor; energy storage; frequency modulation of thermal power unit; electrical effects

2022-05-10

2022-06-27

黃 策（1983—），男，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備管理工作。