飞轮-电化学联合储能调频系统研究

0引言

我国陆上风电资源主要分布在东北、华北、西北地区,华北地区五省(直辖市、自治区)风能资源技术可开发量位居全国首位,2022年华北地区五省(直辖市、自治区)风电装机9 852万kW,占全国风电装机总量的26.6%^[1]。陆上风电大规模并网将显著提升电网调峰调频以及备用的需求, 目前华北地区电源结构以大型燃煤火电机组为主,二次调频电源几乎全部为燃煤火电机组^[2],会导致煤耗增高、设备磨损等负面影响,并影响电网安全和电能质量。

新型储能技术作为支撑新型电力系统高质量发展的重要技术类型,其关键性和功能性日益凸显^[3]。随着技术进步和应用场景扩大,大规模储能已由示范阶段发展至初步商业应用阶段。现有的新型储能技术种类繁多,包括电化学储能^[4]、压缩空气储能^[5]、氢储能^[6]及热储能^[7]等,以上新型储能技术路径各有特点,适用于不同场景和需求。大规模新型储能技术参与电网调频日益受到关注,国内已经建成多个以电化学储能为主的储能调频示范工程,包括北京石景山热电厂电池储能调频系统、南方电网深圳宝清电池储能电站、湖南华润鲤鱼江磷酸铁锂电池储能调频系统等^[8]。目前,国内外主流的储能调频均采用了包括铅酸电池、镍氢电池、液流电池以及锂离子电池在内的电化学储能路径^[9]。但是,储能电池寿命难以超过2年;电化学储能设备功率一般按照机组全容量3%的经验比例来配置,未根据具体项目特点深入分析其特性;未解决电化学储能系统的潜在安全隐患,尤其重要的是,深度充放电场景存在安全风险。

综上,本文以华北地区某火力发电厂的两台300MW级超临界燃煤热电联产机组为案例,研究了燃煤火电机组与飞轮—电化学联合储能系统耦合的设计方 案和性能提升效果。

1 燃煤电厂运行数据分析

该电厂位于华北某省电网末端,受限于设备老化状况和燃煤品种的问题,项目机组在调频辅助服务市场中竞争力弱。统计该电厂近两年内共30天的 AGC调频指令分布,如表1所示。

由AGC指令深度来看,小于4 MW的指令数量占总指令的48.9%,小于9 MW的指令占比为82.8%,9~11 MW的指令占比为12.1%。从调频指令时长来看,30s以内的指令占比为21.8%,60s以内的指令占比为52.7%,大于60 s的指令占比为47.3%。

考虑到该项 目的运行数据,为了保障储能系统的调节能力,若本系统规划配置9 MW/4.5 MW.h的电化学储能系统和4 MW/120 MW.s的飞轮储能系统,则其中可由飞轮储能独立响应的指令占总指令的27.9%,飞轮储能与机组同时响应的指令占总指令的21.0%,联合储能系统与机组同时响应的占51.1%。

2 飞轮—电化学联合储能调频系统及其工作机制

2.1 联合储能系统构成

本系统采用飞轮储能系统、电池储能系统和储能调频辅助系统来实现储能系统的调频功能,具体拓扑结构如图1所示。

储能单元通过功率变换装置、升压变压器接入6 kv厂用电回路,升压并联到1#或2#机组的20 kv母线,再通过电厂主变送出。储能单元分装在7个标准集装箱内,每个集装箱配置电池或飞轮储能单元以及温控、消防、保护等系统;功率变换及升压装置安装于6个中压变流集装箱内。

当机组调频降低负荷时,联合储能系统处于充电运行状态,由发电厂的6 kv厂用电母线经变压器和整流装置向电池和飞轮充电。当机组调频增加负荷时,联合储能系统放电运行,经过逆变装置转化为工频交流电。由于飞轮储能的参与,联合储能系统的响应时间缩减为几百毫秒,极大地提升了调频电源的质量。

2.2联合储能系统工作机制

根据数据分析,飞轮储能与机组配合可以完全响应的指令数量合计为48.9%,锂电池储能无须投入,可延长锂电池使用寿命。从AGC指令深度分布来看,小于9 MW的占比约为82.8%,9 MW以上的指令占比约为17.2%,虽然这部分指令数量比例较小,但由于指令调节深度大,对调频辅助服务补偿收益的贡献率可以超过40%。

AGC指令的初始阶段,机组响应滞后,此时储能系统出力最大,飞轮储能承担尖峰负荷部分。当锂电功率大于AGC要求出力时,通过配置飞轮储能,可以降低电化学储能系统的尖峰出力倍率,延长电化学储能系统寿命。当电化学储能系统功率小于AGC要求出力时,通过配置飞轮储能,可以增大储能系统的总出力,提高联合储能系统响应AGC指令的覆盖率,增加调频里程。利用飞轮寿命长的优势,频繁快速充放电,提高调频服务的调节精度。

3项目经济分析

3.1AGC调频性能计算指标

依据该地调频和备用辅助服务交易实施的"两条细则”文件,调频性能指标包括调节速率K1、调节精度K2、响应时间K3。调频性能综合指标KP由公式(1)决定:

KP=K1K2K3   (1)

该地区电网AGC服务贡献日补偿电量Q计算如公式(2)所示:

Q=DKpdY   (2)

式中:D为日调节深度;Kpd为日调频综合性能指标;Y为AGC调节性能补偿系数。

3.2AGC调频经济性能分析

飞轮—电化学联合储能调频系统的设备材料费用主要包括飞轮储能集装箱系统、锂电池集装箱系统、PCS集装箱系统、高压环网电气及群控装置集装箱、储能能源平衡系统、AGC调频控制系统、集控集装箱系统、工程设计施工等费用,总计约4120万元,具体明细如表2所示。

表3为该燃煤机组未增加储能时调频原有测算数据。#1机组原有Kp值为1.65,实际考核电量为2150 MW·h,实际考核金额为61万元,实际补偿电量为27 350 MW·h,实际补偿金额为774万元;#2机组原有Kp值为1.62,实际考核电量为1160 MW·h,实际考核金额为33万元,实际补偿电量为39 570 MW·h,实际补偿金额为1120万元。

表4为该燃煤机组增加联合储能调频系统时的测算数据。当年运行天数按300天计算时,#1机组的 Kp值为4.8, 日调节里程为3 200 MW·h, 日补偿收益为8万元,年收益为2 400万元,增量收益为1 626万元;#2机组的Kp值为4.8, 日调节里程为3200MW·h, 日补偿收益为8万元,年收益为2 400万元,增量收益为1 280万元。

由此可见,增加飞轮—电化学联合储能系统后,单台燃煤机组年增量收益在1 200万元~1 700万元。

4结论

大规模飞轮—电化学联合储能调频系统具有毫秒级充放电的功能,应用于电网调频具有极大的优势。飞轮储能既可单独运行 ,又可在调频里程大于飞 轮储能容量时与电化学储能联合运行,延长电池寿命; 此外 ,利用飞轮系统寿命长的优势 ,可以频繁充放电 提高调频精度 ,提升调频性能综合指标Kp值。联合储 能调频系统作为高性能调频电源加入电网 ,可以减少 火电机组承担AGC任务的设备损耗 ,提高发电效率 , 减少排放 ,具有一定的经济效益和社会价值。

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《机电信息》2024年第17期第6篇