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共创储能新价值——新型混合储能在调频中的应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:电网科创圈 发布时间:2022-09-11 浏览:

中国储能网讯:近年来,随着风光装机量的快速增长、新能源渗透率的快速提升,电网的安全稳定运行受到了较大的挑战。新能源的高渗透率,减少了同步发电机组在电网中的比例,影响电网安全稳定;新能源通过大量的电力电子装置并入电网(光伏逆变器、储能变变器等),增加了整个系统的非线性,降低系统惯量水平,恶化频率响应特性,增加了电力系统的失稳风险。如2019年8月9日英国出现的大停电,Little Barford 燃气电站停机引发系统频率下降,继而霍恩海的海上风电出力下降,进而引发低频减载动作导致大规模停电事故。然而英国在2019年的风电、光伏装机占比仅33%,而碳中和目标实现时风电、光伏的占比将远超33%,基于中国的实际情况,在碳中和目标实现时新能源的装机占比将高达80%左右。

因此,调频资源逐步成为电力系统的紧缺资源。二次调频,也称为自动发电控制(AGC),是指发电机组提供足够的可调整容量及一定的调节速率,在允许的调节偏差下实时跟踪频率,以满足系统频率稳定的要求。二次调频可以做到频率的无差调节,且能够对联络线功率进行监视和调整。电网AGC调频功能主要由包括火电、水电、燃气机组等常规电源提供,但由于这些电源系统都具有响应惯性,将一次能源转换成电能将经历一系列复杂过程,特别是火电机组的AGC调频性能较差,经常出现调节延迟、超调或欠调等情况。

新型储能系统能够快速充放电并精准输出功率,调频效果远好于常规发电机组,综合来看,储能系统的调频效果约是水电机组的1.4倍,是天然气机组的2.3倍,是燃煤机组的20倍以上。江苏、山东、甘肃、广东等相关地区针对新型储能参与调频已出台相关鼓励政策。

储能辅助发电机组参与AGC调频,利用储能的快速、精准响应特性弥补常规发电机组的的缺点,引入相对少量的新型储能(容量3%左右)就能够有效地提高电网调频能力。

储能技术路线选择

储能技术在发电侧调频方面的应用,对储能设备本体、储能系统的集成及EMS系统提出了很高的要求,主要表现在:

(1)对储能系统可靠性的高要求

新型储能系统并入发电厂后,与发电机组联合运行,储能系统作为发电系统的一部分,在任何情况下储能系统的投\退、运行异常等情况均不能对发电机组的正常运行和安全生产造成不利影响;同时,发电机组在运行异常或故障的情况下,也不应对储能系统和储能设备本体造成冲击和损害,这对储能系统的控制和储能设备的运行保护提出了很高的要求。

(2)对储能系统运行寿命及安全的高要求

我国不同区域电力系统运行情况差别大,AGC调频指令的大小、持续时间、频次差别较大。以内蒙古、山西、广东等地区为例,AGC调频的平均日指令数量达数百次,这就要求储能系统具备快速、频繁地充放电能力,对储能系统的运行寿命提出很高的要求。储能系统的充放电倍率大、运行过程中的发热量大,对储能系统的长期安全运行带来很大的挑战。

(3)对储能系统响应速度的高要求

表征AGC机组调频性能的参数有4个,分别是:调节速率(K1)、响应时间(K2)、调节精度(K3)以及综合性能指标(Kp)。响应时间指的是发电单元响应AGC指令的时间延时,储能系统应用于AGC调频的一大优势在于其快速响应能力,储能系统能够在秒级进行大功率的充放电,能够大幅提升响应时间指标(K2)。

(4)对储能系统充放电倍率的高要求

AGC调频性能的调节速率(K1)指发电单元响应AGC指令的速率,即整个发电单元的爬坡速率,该指标要求参与调频的储能系统在最短的时间内联合发电机组达到目标调节值。因此,一定的容量下,充放电倍率越高的储能系统,调节速率K1就越大。

综上分析可知,AGC调频具有调用频繁高、充放电倍率大、响应时间短、安全性要求高等特性,属于典型的功率型应用场景。目前国内运行的AGC调频储能系统大部分采用了锂离子电池技术,已经在应用过程中暴露出了使用寿命短、安全隐患高等弊端。而飞轮储能系统的充放电次数几乎不受限制,具有很高的功率密度和安全特性,但飞轮储能系统的能量成本较高,在承担大时长的调频指令时经济性差。若采用能量型锂离子电池与功率型飞轮储能组成混合式储能系统,则可充分发挥各自的优势,达到更好的性能指标。

储能调频系统工作原理

根据《电力市场调频辅助服务交易实施细则》中的规定,调频市场以发电单元的调频里程为交易标的,以发电单元响应AGC指令的调节速率(K1)、响应时间(K2)和调节精度(K3)三个技术指标构成的综合调频性能指标(Kp)为基础。

▲火电机组运行中典型的AGC设点控制过程

在AGC调频中,电网调度指令下发到火电机组,储能系统同时获取该AGC指令并参与到调频过程中,由于火电机组响应速度较慢(分钟级),储能系统利用自身响应速度快(秒级)的特性弥补机组出力与AGC指令间的功率差值。随着火电机组的出力逐步增加,储能系统的出力随之降低,以确保储能系统和火电机组的联合出力与AGC调度指令保持一致,实现高调频性能指标。

▲储能系统的AGC调频出力特性

新型混合储能系统控制策略

混合储能调频系统由储能单元、储能变流器(PCS)、变压器、配电设施等组成。储能单元采用飞轮与锂离子电池两种储能技术,飞轮和锂离子电池储能按一定的比例搭配,组成混合储能系统共同辅助发电机组响应AGC调频指令。飞轮储能系统功率密度大,寿命长,适合短时大功率、频繁地充放电场景。锂离子电池储能系统能量密度大,适合较长时间的功率和能量支撑,通过结合两种储能系统的优点,可提升储能系统的调频性能、寿命,进而实现经济收益的最大化。

▲混合储能系统架构示意图

混合储能系统工作机制为:当混合储能系统接受到AGC指令时,飞轮与锂离子电池混合储能立即进行放(充)电响应,在发电机组的出力没有响应之前,混合储能系统以额定功率出力支撑,飞轮储能在这个时段将储电完全释放(或充满)后退出,当机组进入平稳运行阶段(T2至T3时段)时,锂离子电池储能退出,飞轮再次启动并快速充电(放电),修正火电机组出力与AGC调度指令之间偏差,直至本次指令结束。

▲混合储能系统控制策略

(1)对于短时间/小功率指令,由飞轮储能系统单独出力

据统计,AGC调频功率小于机组额定功率1%的指令数量超过总指令数量的40%。且随着新能源渗透率的提升,此类小指令呈上升态势。对于此类指令可由飞轮储能系统单独出力响应。如飞轮储能系统储能量已能满足指令需求,或者飞轮储能系统与机组配合可满足指令需求,则无需锂电储能系统动作,减小锂电池充放电次数。

(2)对于长时间/大功率指令,两种储能系统联合出力

对于长时间/大功率指令,优先由飞轮储能系统承担指令初期尖峰功率需求,当飞轮储能系统单独出力无法满足调频指令需求时,则由锂电储能系统及时介入并联合出力,可以减小锂电储能系统的充放电倍率,避免尖峰出力时段充放电过程对锂离子电池的冲击,提高系统的运行安全,延长锂离子电池的使用寿命。

(3)调节精度指标

AGC调频过程中,火电机组出力到达AGC指令调度设点(T2-T3时段)附近时,发电机组实际出力与AGC指令值之间仍会存在偏差,在目标值附近上下波动。为了减小发电机组出力波动对调节精度指标K3的影响,可以调用飞轮储能系统快速充放电进行弥补,提升机组调频精度指标K3。

新型混合储能系统优势

现有电化学储能AGC辅助调频技术方案在提高调频性能、增加发电厂辅助调频收益的同时,也暴露出电池使用寿命短、系统可靠性低、维护工作难度大等问题。混合储能系统相对于电化学储能系统具备如下优势:

(1)提高日调频收益

混合储能系统的调频性能指标优于电化学储能系统,K值的提升还能带来调节里程的提升,混合储能系统日调频收益预计可增加15-20%。

(2)延长电池的使用寿命

混合储能系统中电池的使用寿命比电化学储能系统中的电池使用寿命延长1.5-2倍。

(3)提高储能系统可靠性及安全性

混合储能系统中对电池系统使用频次及充放电倍率的降低,可大幅提升系统的安全性,增加系统可靠性、降低储能系统运成本。

(4)提高运营期经济性

目前,AGC调频储能系统大多按机组功率的3%左右配置。以广东省某600MW的火电机组为例,储能系统配置容量约为21MW。在混合储能系统的配比中,锂离子电池部分与飞轮部分的功率比例约7:3。以一套21MW/10.5MWh锂离子电池储能系统与“15MW/7.5MWh锂离子电池”加“6MW/180MWs飞轮” 混合储能系统为例进行经济性方面的简单比较,运行期考虑10年。

混合储能系统在初期投资略高于纯锂离子电池储能系统,但考虑到运营期内储能设备的更换费用,则10年总运营期内混合储能系统的总成本比纯锂离子电池储能系统的成本低。

《十四五”新型储能发展实施方案》明确,强化技术攻关,构建新型储能创新体系,推动多元化技术开发,加快多元化技术示范应用,开展复合型储能技术示范应用。随着新型储能技术的发展,不同时间尺度的多类型储能的综合应用将开启储能应用的新模式。

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