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高峰:储能系统与发电机组联合调频技术研究与前景分析

作者:中国储能网新闻中心  来源:中国储能网  发布时间:2018-6-6 11:41:19

中国储能网讯:5月19日至21日,“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开, 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

清华大学能源互联网创新研究院大数据平台研究室主任高峰在“能源互联网与多能互补专场”,发表了题为“储能系统与发电机组联合调频技术研究与前景分析”的精彩演讲。

演讲内容如下:

高峰:大家下午好!

我今天报告的题目是“储能系统与发电机组联合调频技术研究与前景展望”。

去年我在苏州的储能会议上做了类似的报告,当时我提了一点,一个成熟有效率的电力现货市场是最大化储能价值的助推器。这张PPT显示的是典型现货电力市场的架构,是以美国德克萨斯州电力市场为例,这里面有代表厂商的QSE、有代表用户的REP、有市场的运行上ERCOT,还有独立的市场监测者。在现货电力市场条件下,对比传统的发电机组,储能的优势:1、储能的响应速度快,可以达到秒级甚至毫秒级的响应速度,比发电机组快。2、储能精确控制出力,运行过程中,不会直接产生污染物。3、运行成本相对比较低,因为机组会涉及到启动,启停成本之类的。4、可用率,时间比较高。

在现货市场条件下储能潜在的商业模式,其他老师也有提到。1、提供调峰服务,包括负荷跟踪与备用服务。2、提供用户侧的峰谷差套利。3、提供调频服务。这好像是它运作类似于自动发电控制、AGC装置,解决快速负荷波动和难以预测的较小程度发电变化问题。调频服务是解决系统调频需求和调频设备实施匹配能力,这也是一个优化的问题。把它多类型的潜力转化成价值。

国外的案例,储能调频在PJM电力市场的应用,PJM是世界上最复杂也是最成熟的电力市场之一。PJM启动了很多储能项目,截止到2016年8月,PJM区域投运的电网级储能项目占全美比例达46%。电池储能AES部署了32MW储能系统,并与一个98MW风电场联合运行,促进风电友好入网。为了高效利用有限的快速储能资源,它把调频分为快响应和慢响应两种,快响应调频响应的机制中,在某个统计时间段,需要调频资源累计吸收电量等于释放电量,这种设计有利于提高有限的储能资源能力。

加州能源监管委员会CPUC意识到发展储能技术对于实现低碳智能电网的重要性,设立了1.325GW的长期电池储能发展目标。它有以下几个例子(见PPT)。欧洲,欧洲有很多储能调频项目,2018年5月16日,大概4天前,GTM research报道过,比利时一座旧煤矿处,英国一家公司启动容量为32MW虚拟电厂项目,关键组件利用了特斯拉的Powerpack电池储能系统。左边的图是它的照片,利用的是特斯拉的储能电池。它向比利时的电网提供调频服务,利用140Power packs储能电池,响应时间比火电厂快100倍。右边的图是特斯拉那边下载的,它的家用电池储能频率响应的规律,Powerwall。

国内,从两点介绍储能调频的必要性:从可靠性的角度来说,为了维持系统的可靠性,我们需要实时平衡电力的供给和需求。电网运营商必须依赖调频资源调节微小电力供需错配,以平抑短期波动。经济性,有动机去做这种调频的事情,因为达不到要求会处罚。在我国仍然存在大量的小容量机组,他们的蓄热能力比较差,锅炉燃烧延迟大,机组响应慢,调解精度比较低,所以它需要有先进的辅助调频技术。储能系统能够精确控制充放电功率,随着技术进步和成本下降,各种先进的储能系统已经成规模在电力系统调频业务中得到应用。

储能调频的优势,储能设备响应速度快,能够从空间和时间上有效隔离电能的生产和使用,有利于提高机组设备的使用效率,减少损耗。传统的调频手段,一般用自动发电控制,AGC的手段。跟踪区域控制偏差的指标,实时调节电网中的调频电源,促进它有功不断变化,从而平衡发电机负荷,消除实际特征功率不平衡的问题。而储能系统快速完成储能系统的输出,综合响应能力满足电力系统调频的需求,并且性能会优于火电机组。但是这里并不是说储能调频将替代AGC调频,他们实际上是一种相辅相成的关系,互相补充。对于这种波动率比较快、幅度小、持续时间短的调频需求,最好用电池储能太承担,相反波动率慢、幅度大、持续时间长的服务,还是需要传统的发电机承担。

储能技术的总结,适合电网调频的特征,系统现在可以做到比较大的级别,MW、几十MW,将来可以做到更大。响应速度快,精确控制,使用寿命长,循环寿命达到百万次以上。我们再回顾传统的火电厂目前的AGC调频的现状,传统电网调频是依赖于燃气机组、水电机组、燃煤机组,气轮机和水轮机都有一定的旋转惯性,将机械能转化为电能过程中要经历很多复杂的环节,导致它的调节经常有延迟和滞后,精度比较低。尤其火电厂采取的是气轮机数字电液控制、协调控制系统共同完成一次调频。DEH是一个执行侧,所以为了保证调节的快速性将频率差别或者转仓转化为一种综合阀位的增量来调节。DEH是对一次调频性能起决定性作用。调门都有10%左右的预启量,如果阀位指令在不同的调门切换处,调频增量,首先增量要用于开启和预启,调频效果达不到理想要求,误差比较大。这就是AGC的问题。

左边的图显示了AGC调频的过程,AGC指令目标值为P2,开始涨负荷,T1时间机组越过调解死区。T2时间运行人员开始磨煤机,T3时间磨煤机完全开启,继续涨负荷。T4时间机组达到调节死区范围,升负荷过程完,在P2附近小幅波动,平稳运行。右边的图是AGC总体的架构,那我们从短期的机组组合、模块和中期发电计划模块和长期交易模块得到信息,通过一个计算跟踪模块转化成机组的设定值,基点,同时从电网中实时采取它的信号,通过区域调节控制模块转化成它的设定的增量,两者结合起来作为最终的发电基点,然后传给调频器和启动机。

这是AGC考核补偿指标,这其实是非常重要的,谈调频,谈一个好的政策,其实我们要了解它到底考核什么,这是非常重要的。从两方面考核,一是可用率,指的是AGC功能是否处于可用状态,具体的方法是计算AGC实际可投入时间除以月度有效时间。二是调节性能,调节性能主要与三个因素有关,一是调节速率,二是调节精度,三是响应时间。调节速率分为上升和下降速率,指机组响应目标变化速率,有具体规定,水电机组的调节速率是比较快,有10%的额定容量,燃气机组达到4%,火电机组是比较低,1%、2%。调节精度是指系统达到稳定状态时候,AGC设定值与实际功率值的差别。响应时间指的是机组接受到指令后,跃过调节时区的时间。前面左边的图也谈到响应时间的问题。这是具体的考核指标。

怎么计算考核指标?根据电网的能量管理系统,EMS实际的采集数据来分别计算机组月度的K1、K2、K3的指标值。补偿办法也是非常重要的点,根据目标的规定,AGC补偿主要是根据机组调节性能和调节深度来计算,按照天来统计。火电机组补偿办法,对于BLR模式的机组,带基点正常调节的子模式,这是AGC运行的通常的模式。这种情况下补偿费用等于它的性能KP与调节深度的层级再乘以所谓的调节性能的标准,这是日调节的补偿费用,我们可以月调节的补偿费用是日调节补偿费用的总和。这是非常具体的,我觉得需要了解的比较细。

再看国内的例子,石景山热电厂3号机组做储能的改造。这台机组是220MW的燃煤机组,90年投产,2000年进行机组控制系统改造,实现DCS系统控制,之后具备了投入AGC的条件,采用日立公司的控制系统。但是投入AGC之后存在一些问题,它虽然可以做到常规的炉和机的协调控制,可以满足华北电网自动发电控制的相关要求,但是锅炉燃烧延迟比较大,机组响应速度慢,它的负荷的调解速率和调节精度弱于大容量机组,考核中处于劣势。第二个问题是它投入AGC之后,导致现场的设备频繁动作,设备故障率增高。这样又降低了锅炉燃烧的经济性。因此迫切需要用先进的调频技术满足AGC调度的方式。

我们用什么原则做改造?当利用储能系统对电厂进行生产优化,原则是对电厂的生产系统的调控不进行干预,把电厂的储能系统的位置在生产系统的定位成附加的外挂系统,仍然要以电厂的安全生产为最高原则,这是可以理解的。这个电厂的储能系统由控制系统和功率装置两部分组成,它的原则是这个储能系统与机组协调动作的时候,采用储能系统主动跟踪和补偿机组的出力与AGC偏差的方式,而且不改变机组现有的运行模式,也不改变机组的DCS控制逻辑。这样可以最大化的发挥锂电池储能系统和火电机组两者的各自优势,同时它又尽量小影响原来机组的控制方式,改造周期短。调频改造工作方式与原理。这个储能系统是由储能控制系统和储能装置主控单元共同完成,储能控制系统处于中心位置。储能控制系统的控制器与功率装置主控单元也是通过通信光缆与ModBus-TCP协议连接,储能控制系统获取3号机组的生产数据,经过计算处理后生成控制指令,下发给储能功率装置主控单元执行。这个算法是在EMS上新的应用。总投资2260万,其中的电池成本大概是1200万,逆变器成本600万,软件是自己开发,实际上就开发了一个新的模块在EMS平台上。

效果,投入前的AGC性能的结果,当时KP平均值是2.98左右,投入前和投入后KP的变化,大家可以看到投入后的平均值是黄色这块明显提高,投入前波动很大,平均值显然低。通入前大概KP值平均2.9左右,投入之后可以达到3.56,进一步优化可以达到5,日补偿可以达到4.3万元左右。效果还是很明显的,这是国内的例子。

总结,这个讲座是以北美输电运营商PJM&CAISO、欧洲和我国的案例,从技术的角度介绍储能调频方案和考核规则。储能系统具快速响应信号和精确出力的能力,优于火电机组,是调频服务的理想载体。技术进步和成本下降,电池储能技术的未来更加广阔。政策和规则制定非常重要,储能调频服务取决于辅助服务市场的规则,只有合理的考核和补偿机制才能发挥储能调频和辅助服务价值,我们现在在进行的广东、山东、山西的辅助服务市场改革,有利于储能参与调频服务,并获取合理汇报。可再生能源比例更高,储能会参与调频会发挥更大的作用。储能发展应该是会成为未来提高电力系统效率,消纳更多可再生能源的关键技术之一。通过有效的产权模式和协议,储能可以同时参与电网和用户电网服务,实现其多重价值的有效转化。不仅是从某方面,实际上可以实现多重价值。多元化模式的创新才是未来储能行业发展的主要动力。

我的演讲到此结束,谢谢大家!

(本文根据现场录音整理,未经本人审核)

关键字:能源互联网 第八届中国国际储能大会

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