中國儲能網(wǎng)訊：國內電力系統(tǒng)的調頻任務主要由發(fā)電機組承擔，存在響應速度慢、控制精度低的問題。為此，國家能源費縣發(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》上撰文，介紹一種以超級電容作儲能的火儲聯(lián)合調頻技術。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，并對其電氣影響進行分析，最后結合某600WM機組調頻項目對本文的理論分析進行驗證。
他們的研究結果表明，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頻，儲能系統(tǒng)接入后對高廠變容量配置、廠用電繼電保護與控制、電氣校核及電能質量等均沒有影響，本文結論可為推進火儲聯(lián)合調頻的工程應用提供參考。
在雙碳目標指引下新能源發(fā)展迅速，電力系統(tǒng)能源結構日趨復雜，負荷隨機性波動頻繁，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，當電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，調頻任務主要由火電、水電等機組承擔。在電力輔助服務市場，調頻能力強的機組可以通過輔助服務賺取電網(wǎng)補償。因此，提供調頻服務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）相結合，可以大大提高機組的調頻性能，并在一定程度上延長火電機組的壽命。隨著各地火電企業(yè)參與兩個細則考核補償辦法的制定，儲能參與機組調頻服務在國內得到了快速的推廣應用，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頻領域的應用。
有學者提出一種超級電容（super capacitor, SC）輔助火電機組優(yōu)化一次調頻技術，研究結果表明，合理的電容選擇與連接控制，可以有效降低機組煤耗，提高機組調頻靈活性。有學者介紹火儲聯(lián)合AGC調頻技術的基本原理、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。有學者分析鋰電池儲能輔助AGC調頻系統(tǒng)對機組短路電流、廠用電安全、電能質量等的影響，并對系統(tǒng)安全性進行了評估。在國內，儲能輔助火電機組調頻仍以鋰電池為主，超級電容儲能處于可研階段，且關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，并對其電氣影響進行分析；最后結合某600MW機組儲能調頻項目對本文的理論分析進行驗證。
1 超級電容儲能輔助火電機組調頻技術
1.1 儲能輔助火電機組調頻的原理
目前，我國電力系統(tǒng)中的調頻任務主要由火電、水電等機組承擔。以火電機組為例，由于其轉動慣性大、且需要經(jīng)過能源的二次轉換，導致機組調頻響應速度慢、控制精度低?；痣姍C組響應AGC指令過程如圖1所示。隨著電網(wǎng)頻率環(huán)境的惡化，火電機組的調頻負擔增重，嚴重影響機組的運行壽命，因此亟需對現(xiàn)有調頻方式進行改進。
隨著對調頻技術的探索，一種火儲聯(lián)合系統(tǒng)在用于AGC調頻時展現(xiàn)出了優(yōu)異的效果。儲能輔助機組AGC調頻的控制原理示意圖如圖2所示，即可將AGC調頻指令的功率差額交給儲能部分響應，這樣可以大大提高火電廠的調節(jié)性能。
儲能對機組AGC調頻性能的改善表現(xiàn)如下：
1）調節(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節(jié)速度。
2）調節(jié)精度。儲能系統(tǒng)的調節(jié)偏差一般為3%PN（PN為儲能系統(tǒng)額定功率），遠小于火電機組；并且由于儲能系統(tǒng)調節(jié)速度快，還可以對火電機組的穩(wěn)態(tài)調節(jié)誤差進行修正，進一步提高機組調節(jié)精度。
3）調節(jié)時間。相比火電機組，儲能系統(tǒng)響應速度更快，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時間小于20s。
此外，當配置適當?shù)膬δ苋萘亢?，還可以降低機組由于深度或頻繁調節(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。其中，鋰電池應用最廣泛，技術也最成熟，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%）。
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、使用壽命長的火電機組調頻領域。
1.3 儲能輔助火電調頻的系統(tǒng)結構
圖5為超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)結構。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)開關從高廠變低壓側接入廠用電系統(tǒng)。
圖5 超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)結構
根據(jù)目前的火儲調頻立項情況可知，儲能輔助調頻的出發(fā)點是改善機組調節(jié)環(huán)境，提升機組響應AGC指令的性能，因此均在已投運機組上進行改造。而在機組初始設計中，并未考慮儲能系統(tǒng)的接入。目前儲能輔助火電調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問題進行研究。
2 超級電容儲能接入廠用電存在的問題
2.1 高廠變容量限制
儲能系統(tǒng)在一定程度上增加了高廠變的負荷比重。一般要求在接入廠用電的儲能系統(tǒng)的充放電過程中，高廠變不能過負荷，也不能出現(xiàn)倒送電。
根據(jù)圖5可知，超級電容儲能從廠用電低壓側接入，此時高廠變的總容量可以等效為廠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與控制系統(tǒng)帶來的影響。
1）對繼電保護的影響
（1）對發(fā)電機、勵磁變電氣量保護的影響
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)變組電氣量保護的影響
根據(jù)繼電保護原理可知，差動保護動作電流為：
結合圖5可知，超級電容儲能不在發(fā)變組的差動保護范圍內，對差動保護沒有影響；主變高壓側零序電流取自高壓側接地零序CT，保護定值不受儲能系統(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復壓過電流保護也沒有影響。
（3）對高廠變電氣量保護的影響
高廠變差動保護和高壓側復壓過電流保護的整定值不受儲能系統(tǒng)接入后的電流增加值影響；低壓側零序過電流保護中，電流取自低壓側中性點零序CT，與儲能系統(tǒng)接入無關；低壓側復壓過電流保護中，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，故對保護沒有影響。
（4）對廠用電低電壓保護的影響
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頻時，機組和儲能作為一個整體響應電網(wǎng)AGC指令，上傳至調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，負責AGC指令的接收、反饋機組實時出力情況并協(xié)調控制系統(tǒng)響應AGC調頻指令。
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，流過功率變換器的最大導通電流為：
式(7)中，IDM為變換器最大電流有效值。因此，當廠用電母線發(fā)生短路故障時，儲能系統(tǒng)可貢獻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，不影響現(xiàn)有斷路器的開斷能力。
2.4 電能質量
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，通過傅里葉變換可得：
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行對比說明。
本文以某600MW火電機組儲能輔助AGC調頻項目為例進行分析。該廠發(fā)變組負荷段配置情況為：每臺主變低壓側接一臺雙分裂變壓器（分別接廠用A、B段6kV負荷）和一臺雙繞組變壓器（接廠用C段6kV負荷），擬配置超級電容容量為10MW，通過PCS從6kV段母線接入。
3.1 高廠變容量限制
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 高廠變容量配置
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的負荷空間。當超級電容儲能接入時，高廠變并不會發(fā)生過負荷，容量配置滿足需求。
3.2 保護與控制
1）超級電容儲能接入對繼電保護的影響
參考鋰電池儲能實際運行結果可知，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)控制單元進行信息、狀態(tài)的交換。
（3）遠程終端單元（remote terminal unit, RTU）增設信號單元來收發(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各段的開關關斷容量40kA，滿足熱穩(wěn)定需求；動穩(wěn)定短路電流低于6kV各段開關極限短路電流峰值130kA，滿足動穩(wěn)定需求。
3.4 電能質量
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0.99，而機組的額定運行功率因數(shù)cosφN=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來抑制諧波；同時采用雙邊空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術，使變流器的并網(wǎng)電能質量滿足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 結論
基于火儲聯(lián)合AGC調頻系統(tǒng)，本文對超級電容儲能接入廠用電系統(tǒng)帶來的影響進行分析，得出以下結論：
1）超級電容儲能在響應AGC調頻指令過程中不會發(fā)生過負荷，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。
4）超級電容儲能的接入不會降低廠用電系統(tǒng)的電能質量，不影響廠用負荷的正常運行。
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調頻技術的應用具有較好的參考意義。
本文編自2022年第8期《電氣技術》，論文標題為“超容儲能輔助火電機組調頻的電氣問題研究”，作者為黃策、燕云飛 等。
