中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：國內(nèi)電力系統(tǒng)的調(diào)頻任務(wù)主要由發(fā)電機(jī)組承擔(dān)，存在響應(yīng)速度慢、控制精度低的問題。為此，國家能源費(fèi)縣發(fā)電有限公司、西安熱工研究院有限公司的研究人員黃策、燕云飛、沈迎、兀鵬越，在2022年第8期《電氣技術(shù)》上撰文，介紹一種以超級(jí)電容作儲(chǔ)能的火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻技術(shù)。首先對(duì)比分析超級(jí)電容與鋰電池的工作特性，然后給出超級(jí)電容接入廠用電系統(tǒng)的方案，并對(duì)其電氣影響進(jìn)行分析，最后結(jié)合某600WM機(jī)組調(diào)頻項(xiàng)目對(duì)本文的理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。
他們的研究結(jié)果表明，超級(jí)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(jī)組調(diào)頻，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后對(duì)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(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的工程應(yīng)用提供參考。
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(jī)性波動(dòng)頻繁，加劇了電網(wǎng)頻率波動(dòng)。電網(wǎng)頻率環(huán)境的惡化使其運(yùn)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(diǎn)。因此，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，調(diào)頻任務(wù)主要由火電、水電等機(jī)組承擔(dān)。在電力輔助服務(wù)市場(chǎng)，調(diào)頻能力強(qiáng)的機(jī)組可以通過輔助服務(wù)賺取電網(wǎng)補(bǔ)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(chǔ)能與火電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）相結(jié)合，可以大大提高機(jī)組的調(diào)頻性能，并在一定程度上延長火電機(jī)組的壽命。隨著各地火電企業(yè)參與兩個(gè)細(xì)則考核補(bǔ)償辦法的制定，儲(chǔ)能參與機(jī)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(chǔ)能。但是鋰電池安全性差、循環(huán)壽命短的缺點(diǎn)制約了其在電力調(diào)頻領(lǐng)域的應(yīng)用。
有學(xué)者提出一種超級(jí)電容（super capacitor, SC）輔助火電機(jī)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(jī)組煤耗，提高機(jī)組調(diào)頻靈活性。有學(xué)者介紹火儲(chǔ)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(shí)際工程效果，并探討儲(chǔ)能系統(tǒng)接入對(duì)火電機(jī)組電氣系統(tǒng)的影響和儲(chǔ)能電池的選型問題。有學(xué)者分析鋰電池儲(chǔ)能輔助AGC調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)機(jī)組短路電流、廠用電安全、電能質(zhì)量等的影響，并對(duì)系統(tǒng)安全性進(jìn)行了評(píng)估。在國內(nèi)，儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)頻仍以鋰電池為主，超級(jí)電容儲(chǔ)能處于可研階段，且關(guān)于儲(chǔ)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(duì)比分析超級(jí)電容與鋰電池的工作特性；然后給出超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)的方案，并對(duì)其電氣影響進(jìn)行分析；最后結(jié)合某600MW機(jī)組儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目對(duì)本文的理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。
1 超級(jí)電容儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)頻技術(shù)
1.1 儲(chǔ)能輔助火電機(jī)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(jī)組承擔(dān)。以火電機(jī)組為例，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大、且需要經(jīng)過能源的二次轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)速度慢、控制精度低?；痣姍C(jī)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(jī)組的調(diào)頻負(fù)擔(dān)增重，嚴(yán)重影響機(jī)組的運(yùn)行壽命，因此亟需對(duì)現(xiàn)有調(diào)頻方式進(jìn)行改進(jìn)。
隨著對(duì)調(diào)頻技術(shù)的探索，一種火儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)在用于AGC調(diào)頻時(shí)展現(xiàn)出了優(yōu)異的效果。儲(chǔ)能輔助機(jī)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(chǔ)能部分響應(yīng)，這樣可以大大提高火電廠的調(diào)節(jié)性能。
儲(chǔ)能對(duì)機(jī)組AGC調(diào)頻性能的改善表現(xiàn)如下：
1）調(diào)節(jié)速度。儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電時(shí)間為秒級(jí)甚至更短，計(jì)及控制系統(tǒng)的延時(shí)（實(shí)測(cè)為2～5s），也可大幅提高機(jī)組調(diào)節(jié)速度。
2）調(diào)節(jié)精度。儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)偏差一般為3%PN（PN為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率），遠(yuǎn)小于火電機(jī)組；并且由于儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快，還可以對(duì)火電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)誤差進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高機(jī)組調(diào)節(jié)精度。
3）調(diào)節(jié)時(shí)間。相比火電機(jī)組，儲(chǔ)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(shí)，也很容易使機(jī)組總體響應(yīng)時(shí)間小于20s。
此外，當(dāng)配置適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能容量后，還可以降低機(jī)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(chǔ)能方式
幾種常見的儲(chǔ)能方式見表1。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(chǔ)能方式
圖3為一種用于電力系統(tǒng)的4V/10 000F型超級(jí)電容充放電特性，可以看出超級(jí)電容具有很高的充放電速率。圖4為典型的超級(jí)電容和鋰電池自持放電特性，可以看出超級(jí)電容的電壓保持率相對(duì)更高（開路72h，≥98%）。
此外，超級(jí)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(shí)間高功率輸出，以及需要快速響應(yīng)、使用壽命長的火電機(jī)組調(diào)頻領(lǐng)域。
1.3 儲(chǔ)能輔助火電調(diào)頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖5為超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。超級(jí)電容儲(chǔ)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(jí)，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(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)目前的火儲(chǔ)調(diào)頻立項(xiàng)情況可知，儲(chǔ)能輔助調(diào)頻的出發(fā)點(diǎn)是改善機(jī)組調(diào)節(jié)環(huán)境，提升機(jī)組響應(yīng)AGC指令的性能，因此均在已投運(yùn)機(jī)組上進(jìn)行改造。而在機(jī)組初始設(shè)計(jì)中，并未考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入。目前儲(chǔ)能輔助火電調(diào)頻工程都是大容量?jī)?chǔ)能接入機(jī)組廠用電系統(tǒng)，因此需要對(duì)大容量?jī)?chǔ)能接入廠用電帶來的相關(guān)問題進(jìn)行研究。
2 超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電存在的問題
2.1 高廠變?nèi)萘肯拗?/strong>
儲(chǔ)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(chǔ)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。
根據(jù)圖5可知，超級(jí)電容儲(chǔ)能從廠用電低壓側(cè)接入，此時(shí)高廠變的總?cè)萘靠梢缘刃閺S用容量與超級(jí)電容容量的和。而相較于廠用電系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量及等效阻抗都比較小，基本不會(huì)對(duì)高廠變的容量造成影響。
2.2 保護(hù)與控制
考慮機(jī)組及廠用電系統(tǒng)的可靠性和安全性，有必要分析超級(jí)電容儲(chǔ)能接入給廠用電保護(hù)與控制系統(tǒng)帶來的影響。
1）對(duì)繼電保護(hù)的影響
（1）對(duì)發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁變電氣量保護(hù)的影響
超級(jí)電容處于放電工況時(shí)，對(duì)整個(gè)廠用電系統(tǒng)來說可以等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)系統(tǒng)某處發(fā)生短路故障時(shí)，超級(jí)電容向短路點(diǎn)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(duì)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(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流為：
結(jié)合圖5可知，超級(jí)電容儲(chǔ)能不在發(fā)變組的差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)差動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)的影響；發(fā)電機(jī)額定電流、機(jī)端電壓等不受儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響，因此超級(jí)電容儲(chǔ)能對(duì)主變高壓側(cè)復(fù)壓過電流保護(hù)也沒有影響。
（3）對(duì)高廠變電氣量保護(hù)的影響
高廠變差動(dòng)保護(hù)和高壓側(cè)復(fù)壓過電流保護(hù)的整定值不受儲(chǔ)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(diǎn)零序CT，與儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的接入無關(guān)，故對(duì)保護(hù)沒有影響。
（4）對(duì)廠用電低電壓保護(hù)的影響
儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的6kV段母線電壓運(yùn)行狀況，決定是否投退儲(chǔ)能系統(tǒng)。同時(shí)考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)火儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)可不投低電壓穿越功能，可有效避免儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來的影響。
綜上所述，超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)后，不會(huì)對(duì)機(jī)組已配置的繼電保護(hù)造成影響。
2）對(duì)控制系統(tǒng)的影響
超級(jí)電容儲(chǔ)能輔助機(jī)組參與調(diào)頻時(shí)，機(jī)組和儲(chǔ)能作為一個(gè)整體響應(yīng)電網(wǎng)AGC指令，上傳至調(diào)度的反饋信號(hào)為兩者的出力和。機(jī)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(jī)組實(shí)時(shí)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(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入并不會(huì)對(duì)機(jī)組原有的控制系統(tǒng)造成影響。
2.3 短路電流校核
超級(jí)電容儲(chǔ)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(duì)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(7)中，IDM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(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可貢獻(xiàn)的短路電流分量較小，動(dòng)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(duì)接入點(diǎn)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(huì)造成一定程度的波形畸變，從而產(chǎn)生諧波，通過傅里葉變換可得：
火儲(chǔ)聯(lián)合項(xiàng)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(chǔ)能行標(biāo)NBT 31016—2011的要求。因此超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波含量很少，基本不會(huì)影響廠用電系統(tǒng)的安全可靠工作。
2）對(duì)接入點(diǎn)電壓的影響
超級(jí)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(huì)對(duì)接入母線段的電壓造成較大影響。
3 典型案例分析
對(duì)于廠用電系統(tǒng)，超級(jí)電容與鋰電池的作用效果基本一致，由于目前超級(jí)電容儲(chǔ)能項(xiàng)目還在可研階段，所以本文以鋰電池儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比說明。
本文以某600MW火電機(jī)組儲(chǔ)能輔助AGC調(diào)頻項(xiàng)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(tái)主變低壓側(cè)接一臺(tái)雙分裂變壓器（分別接廠用A、B段6kV負(fù)荷）和一臺(tái)雙繞組變壓器（接廠用C段6kV負(fù)荷），擬配置超級(jí)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?
超級(jí)電容儲(chǔ)能接入6kV各分段后，通過核算可以得到每臺(tái)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?
由表2可知，1、2號(hào)機(jī)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(jí)電容儲(chǔ)能接入時(shí)，高廠變并不會(huì)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(jí)電容儲(chǔ)能接入對(duì)繼電保護(hù)的影響
參考鋰電池儲(chǔ)能實(shí)際運(yùn)行結(jié)果可知，儲(chǔ)能接入后對(duì)發(fā)電機(jī)、主變、勵(lì)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(jí)電容儲(chǔ)能接入對(duì)控制系統(tǒng)的影響
儲(chǔ)能的接入并不影響原有控制系統(tǒng)。為提高火儲(chǔ)聯(lián)合控制系統(tǒng)的性能，可對(duì)控制系統(tǒng)作以下改動(dòng)：
（1）增加通信接口，提供儲(chǔ)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(chǔ)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(hào)單元來收發(fā)AGC指令及控制信號(hào)。
3.3 短路電流校核
根據(jù)該項(xiàng)目超級(jí)電容儲(chǔ)能的配置情況，核算不同超級(jí)電容容量工況下的短路電流見表3。
表3 不同超級(jí)電容容量工況下的短路電流
由表3可知，超級(jí)電容儲(chǔ)能接入1、2號(hào)機(jī)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(dòng)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(dòng)穩(wěn)定需求。
3.4 電能質(zhì)量
1）對(duì)接入點(diǎn)電壓的影響
運(yùn)行中的儲(chǔ)能變流器功率因數(shù)最高可達(dá)0.99，而機(jī)組的額定運(yùn)行功率因數(shù)cosφN=0.9。因此，儲(chǔ)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(huì)引起6kV母線電壓的波動(dòng)。
2）對(duì)接入點(diǎn)電流諧波的影響
儲(chǔ)能PCS通過引入多重化控制技術(shù)來抑制諧波；同時(shí)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(chǔ)能變流器滿載時(shí)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(jí)電容儲(chǔ)能的接入不會(huì)引起電流諧波畸變率增加，對(duì)電能質(zhì)量基本沒有影響。
圖6 儲(chǔ)能變流器滿載時(shí)6kV各段母線電流諧波含量
4 結(jié)論
基于火儲(chǔ)聯(lián)合AGC調(diào)頻系統(tǒng)，本文對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)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(jí)電容儲(chǔ)能在響應(yīng)AGC調(diào)頻指令過程中不會(huì)發(fā)生過負(fù)荷，不影響高廠變的容量配置。
2）超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入對(duì)繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)基本沒有影響。
3）超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)后，6kV母線段動(dòng)、熱穩(wěn)定短路電流均在允許范圍內(nèi)。
4）超級(jí)電容儲(chǔ)能的接入不會(huì)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(yùn)行。
綜合分析可知，超級(jí)電容儲(chǔ)能的接入不會(huì)對(duì)廠用電系統(tǒng)造成影響，對(duì)其聯(lián)合火電機(jī)組參與AGC調(diào)頻技術(shù)的應(yīng)用具有較好的參考意義。
本文編自2022年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“超容儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)頻的電氣問題研究”，作者為黃策、燕云飛 等。
