摘 要：随着可再生能源的飞速发展和大范围接入电网，电网对电源侧调频的能力要求也越来越高。储能火电联合调频技术是目前用于提升火电机组调频性能的主要措施，在实现电网有功平衡、维护电网频率稳定方面的应用逐渐增多。故本文就储能火电联合调频的优化配置及收益预测展开讨论。
关键词：储能火电;联合调频;储能系统
中图分类号：TM935.26 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0043-03
Abstract：With the rapid development of renewable energy and large-scale access to the power grid，the ability of the power grid to adjust the frequency of the power supply side is also increasing. The energy storage thermal power combined frequency modulation technology is currently the main measure for improving the frequency modulation performance of thermal power units，and the application in realizing the power balance of the power grid and maintaining the stability of the power grid is increasing. Therefore，this paper discusses the optimal configuration and revenue forecast of energy storage thermal power combined frequency modulation.
Keywords：energy storage thermal power;joint frequency modulation;energy storage system
0 引 言
我国能源分布主要集中在中西部地区，东部地区属于资源短缺、高耗能地区。能源与电力需求的逆向分布，是我国电力能源的主要特点。与此同时，随着可再生能源的飞速发展和大范围接入电网，进一步增加了电网系统的运行调控难度，电网对优质调频资源的需求也越来越高。由于区域、地形以及地址环境等要素的限制，水电站在调节电网频率方面具有一定的局限性，因此许多地区依然主要采用火电机组进行电网调频。而火电机组调频性能参差不齐，特别是燃煤机组性能较差。而且频繁的进行出力调节，势必会使火电设备产生巨大压力，不但影响设备使用寿命，增加燃料损耗，同时也有可能造成一定设备运行风险，故有必要对储能火电联合调频技术进行探讨。
1 储能调频应用现状分析
1.1 国际储能调频发展现状
美国：美国从本世纪初就开始加大对储能的研究力度，经过多年的研究试验，发现储能的调频性能是火电机组的20余倍以上。随后，美国2007年通过的“890法案”要求区域电力市场允许储能等非传统发电电源提供AGC调频服务;2011年推出的“755法案”解决了储能系统参与电网AGC调频的合理回报问题;2013年7月，“784法案”进一步解决了储能的身份问题，并增强了辅助服务市场的竞争力和透明度;2013年11月，“792法案”为储能开设了快速并网审批通道，进一步扫清了储能系统的并网障碍。[1]
韩国：韩国电力公司大规模采购储能设备，预计规模达500MW，受此带动，Kokam、三星SDI等韩国主要锂离子电池厂商在韩国市场连续建设多个大型调频储能电站项目。2016年9月，韩国工业贸易和能源署（MOETI）宣传将从2017年起对安装了储能系统的光伏电站也给予额外的可再生能源证书。根据MOETI的预测，由于新能源电站加装储能设备科获取证书奖励，预计截至2020年该政策可带来800MWh的增量储能需求，并创造4400亿韩元（3.92亿美元）产值。
1.2 国内储能调频发展现状
我国储能参与电网调频发展较晚，虽然石景山热电厂储能项目在2013年已投运，但直到2017年华北地区出台调频辅助服务政策后才逐步得到推广应用，根据CNESA研究部预测，储能应用于调频辅助服务领域的比例在2020年有望达到18%，2倍于现有的市场份额。[2]
从总体发展态势上看，行业发展呈大幅上升趋势，储能配置容量大部分为机组额定容量的3%。蓄电池类型主要为磷酸铁锂电池和三元锂电池两大类。
2018年南方能源监管局发布了《广东调频辅助服务市场交易规则（试行）》并于2018年9月1日正式实施。该规则的印发标志着南方区域电力市场化改革又取得新的突破，进一步激发了市场主体提供更优质调频辅助服务的积极性。
目前广东地区调频辅助服务市场鼓励发电企业提供更高性能、更优质的调频辅助服务。根据该规则，调频性能越好的机组中标可能性越高，调频服务时长越长，调频里程越大，最终获得的调频里程补偿和AGC容量补偿更多。电化学储能系统具有反应时间短、调节速率高、调节精度高的优势，使得其比传统调频手段更为高效。近年来，随着电池成本的下降，储能火电联合调频项目逐渐增多，经济性也逐渐呈现。
2 储能火电联合调频原理分析
2.1 工作原理
作为一种新型的调频技术，电化学储能系统具有反应时间短、调节速率高、调节精度高等特点。根据美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的2008年研究报告显示，平均来看，储能系统的调频效果是水电机组的1.4倍，是天然气机组的2.3倍，是燃煤机组的20倍以上。储能的AGC执行曲线几乎与AGC指令曲线重合，基本不会出现反向调节、延迟调节及调节偏差等问题。因此，储能系统适合与电网AGC调频且储能的综合AGC调节性能要远好于火电机组。[3]
在功能实现方面，储能系统接入电厂高厂变低压侧，通过控制自身充放电来调节厂用电负荷，进而调节机组送出的有功值，以达到响应AGC信号、平衡电力系统有功、稳定系统频率的目的。储能系统与火电机组联合调频的接入原理如图1所示。
2.2 系统组成
储能火电联合调频系统组成包括AGC主控单元、高倍率功率型储能长寿命电池、储能双向变流器、变压器、开关柜等，系统一般采用集装箱式单元化设计，可根据现场需要进行灵活组合，便于运输、安装、调试和维护。集装箱内部集成电池、BMS、PCS、温控、视频监控、消防和照明等子系统，具有较高的安全性。
3 应用案例分析
以广东地区某300MW机组为例进行容量配置及收益预测分析。
3.1 容量配置
在储能火电联合调频系统中，在确定储能系统功率配置时应考虑以下要求，一是储能功率配置应大于机组调节死区，二是储能功率应覆盖大部分AGC目标出力与机组实际出力偏差值，三是应兼顾储能设备的经济性。
以广东地区某300MW燃煤机组为例，整理其2018年的历史运行数据，通过软件分析后，统计如表1所示。
由表1的运行偏差分布可知，正常运行情况下，机组的AGC指令值与响应值偏差主要分布在6MW范围内，但有少部分时段偏差分布在大于10MW范围内。综合考虑投资收益率、设备利用率等因素，配置9MW储能系统可调节97%左右的指令值与响应值的偏差。
在储能系统电量配置方面，由于储能系统只用于补偿AGC指令与机组出力的差额，在机组出力跟上后，储能设备的出力应逐渐退出，因此电量配置应兼顾性能与经济性。目前行业内在选择储能系统电量配置时，按满功率充放持续0.5小时的配置。以上述机组为例，储能系统配置容量为9MW/4.5MWh。
3.2 算例验证
根据《广东调频辅助服务市场交易规则（试行）》，通过建立模型，对历史数据进行仿真得出机组的调频性能K值。选取2018年某日的历史数据进行模拟仿真，未配置储能系统时，其K值约为0.5。配置9MW/4.5MWh储能系统之后的机组的K值约为1.3，较配置储能前性能值提升了2.6倍。增加储能系统后的机组运行曲线如图2所示，储能系统电量变化曲线如图3所示。
4 效益分析
4.1 效益组成
储能火电联合调频的收益主要来源于调频辅助服务补偿。以广东地区为例，调频市场补偿费用分为调频里程补偿和AGC容量补偿，在调频市场中中标的发电单元可获得相应调频里程补偿费用，所有提供合格AGC服务的发电单元均可获得相应AGC容量补偿费用。月度调频里程补偿计算公式如下：
4.2 效益分析
从上述收益计算公式中可以看出，广东地区的AGC调频市场按调频效果补偿，性能相对好的调频系统获得的补偿较高。据不完全数据统计显示，广东地区在调频市场运行初期，平均出清价格为18.6元;燃气机组单机的K值最大为1.64，最小为1.01，平均为1.37;燃气机组单机中标时长每天最大为23.99小时，最小为1小时，平均每天为10.86小时;390MW的燃气机组平均K值为1.37，平均每小时调频里程为158MW，其中K值大于1.3的机组平均每小时调频里程为166MW，K值小于等于1.3的机组平均每小时调频里程为147MW。
据此推算，如300MW燃煤机组配置9MW/4.5MWh储能系统后K值达1.3，其每日调频里程预计可达约1000MW。按每年运行300天计算，年收益约790万元。
实际影响储能设备调频效益的因素有许多，包括政策、调频需求、其他主体的市场行为、调频性能计算规则等，故而准确测算项目效益与回报存在一定难度。而依据当前已投入运行使用的项目来看，均取得了较好的收益。但随着配置储能系统的机组数量的增加，其获取的收益会被逐渐摊薄。
5 结 论
储能系统由于反应时间短、调节速率高、调节精度高，并且可双向调节，是一种优质的调频资源，具有很高的应用价值。当电网发送AGC指令要求机组增加出力时，储能系统放电，相当于增加机组对外输出功率;当AGC指令要求机组降低出力时，储能系统充电，相当于减少机组的对外输出功率[4]。系统采用高倍率功率型储能系统，具有秒级的功率响应速度，火电机组配置电化学储能系统，不仅可以显著提高机组的AGC性能指标，获取可观的经济收益，而且可以减少机组的设备磨损，降低煤耗，提高电力系统的安全稳定性，具有很好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1] 封红丽.2016年全球储能技术发展现状与展望 [J].电器工业，2016（10）：23-29.
[2] 《储能产业研究白皮书2018》发布 [J].高科技与产业化，2018（4）：38-41.
[3] 贾璟瑶.基于火电厂AGC调频的电池储能系统SOC状态评估 [D].北京：华北电力大学（北京），2017.
[4] 本刊编辑部.曙光初现——储能在电力调频领域的商业探索 [J].中国电力企业管理，2015（5）：21-23.
作者简介：王琦（1988.12-），男，汉族，陕西西安人，项目管理工程师，工程师，本科，研究方向：储能技术与应用。
