某混合储能辅助调频系统介绍及储能调频市场未来发展趋势分析-广东省电力设计研究院储能技术中心楚攀博士

某混合 储能辅助调频系统 介绍及 储能调频 市场 未来 发展 趋势分析 2019年 11月 广东省电力设计研究院 储能技术中心 楚攀博士 项目概况1 项目建设方案论证2 项目建设主要内容3 项目实施方式及经济分析4 1Part 项目概况 ⚫项目方 xxx热电厂 （以下简称电厂） ⚫项目地点 位于 xxx，为 某区域 电网 的 末端 电厂 。 ⚫机组现状 两台 330MW燃煤热电联产机组， 受制于设备状况和煤种， 机组在调频辅助服务市场竞争中竞争力很弱 ⚫合作方式 项目方已经与 xxx签署项目能源管理合同书 拟采用合同能源 管理模式，承担项目设计、施工建设、设备提供、安装调试、运维、 竞价策略等工作。 项目背景 2869, 23% 946, 8% 242, 2% 8227, 67% 装机容量（万千瓦） 风电 太阳能发电 水电 火电 632, 13% 129, 2% 45, 1% 4198, 84% 发电量（亿千瓦时） 风电 太阳能发电 水电 火电 项目建设必要性 ⚫ 政策 扶持 ➢2017 年 9 月 5 日， xx地区作为 电力现货市场第一批建设试点 ➢《 xx电力市场调频辅助服务交易实施细则（征求意见稿）》正在征 求意见 ⚫ 电网现状 xx电网 新能源消纳压力巨大， 优质调频电源稀缺 ⚫经济收益 混合储能系统辅助发电机组参与 AGC 调频，机组的调节性能指标 将提高 2~4 倍，调频收益大幅提高 上图机组在 9分钟时间内响应了 19个 AGC指令，机组出力过调或者欠 调偏差形态共出现 14次（占 74%），偏差值不超过 2MW  xxx电厂 1#机组 2019年 3月 17日运行数据 项目运行数据分析 项目运行数据分析 11M W 合计 1-15s 324 16-30s 1499 31-45s 1335 46-60s 1554 60-90s 1830 90-120s 1527 120-900s 1058 合计 1287 1801 1220 847 632 483 442 580 547 561 754 9154 占比 14.1% 19.7% 13.3% 9.3% 6.9% 5.3% 4.8% 6.3% 6.0% 6.1% 8.2% 黄色 区域 为飞轮储能独立响应的指令，占 总指令数量的 26% 橙 色 区域 为飞轮储能与机组联合响应的指令，占 总数的 19.6% 粉色区域 为混合储能与机组联合响应的指令，占总数的 54.4%  xx电厂 1#机组 2018/2019年共 24天的 AGC调频指令分布统计 ◼ 小于 9MW 的指令占比约为 79%， 9MW以上指令占比约为 21% 项目运行数据分析 项目数据分析总结 ⚫ 机组现有调节能力调节精度低 ⚫ 从 AGC 指令深度分布来看，小于 9MW 的占比约为 79% ⚫ 小于 4MW的 指令数量合计 占总指令数的 45.6% ⚫ 9MW-11MW的指令占比为 12%，由于调频里程长，因此对补 偿收益的贡献率要超过 40%。 2Part 项目建设方案论证 储能与火电机组联合调频基本概念 ◼ 自动发电控制（ AGC） ⚫ 主要通过实时调节电网中调频电源的有功出力，实现对电网频率和联络线 功率的控制 ◼ 解决：解决区域电网内短时随机功率不平衡问题 ◼ 要求：响应速度快、调节速率快、调节精度高 ⚫ 火电机组：分钟级 ⚫ 储能系统：秒级 储能与火电机组联合调频基本概念  AGC调频技术指标要求 ◼ 调节速率 K1： 响应设定指令的速率 ◼ 调节精度 K2： 实际出力和设点出力的偏差 ◼ 响应时间 K3： 实际响应时间的快慢 ◼ 调频性能综合指标 k Kp = K1×K2×K3 ◼ K1、 K2、 K3三个指标同等重要 储能与火电机组联合调频基本概念  政策背景 ◼ 《国家能源局关于促进电储能参与 “ 三 北 ” 地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工 作的通知》 ◼ 蒙西、浙江、山西、山东、福建、四川、甘 肃成为第一批试点地区 ◼ 电力现货市场的启动将带动储能商业化进程 原建设方案的不足 项目原建设方案采用传统 9MW/4.478MWh磷酸铁锂电化学储能系 统 ，与发电机组联合调频，系统调频时最大可按 9MW/2C 输出。 该 方案存在问题： ⚫ 未充分考虑该项目指令数量对锂电池系统寿命的影响 根据项目数据，电厂平均每天需响应调频指令数量超过 900次，一般磷酸铁锂电池深度循 环充放电寿命约 7000次，即使考虑到调频指令的大小分布，该项目储能电池寿命也很难达到 2年。 ⚫ 未考虑项目指令的分布特性 该项目指令分布有两个显著特点： （ 1） 4MW以下指令占比大；（ 2） 9-11MW指令对 收益贡献度高。 9MW/4.478MWh的配置仅为行业惯例，并未根据项目特点进行深入分析。 ⚫ 未解决化学储能系统潜在的安全隐患 2018年以来国内外化学储能系统已发生火灾等安全事故近 30起。高倍率充放电 应用场景存在的安全风险尤其明显。 AGC调频混合储能建设方案的提出 基于该项目特点，我院提出了飞轮 +锂电池混合储能建设方案， 充分发 挥飞轮储能系统快速充放电响应、高倍率充放电、长寿命等优势，和锂 离子电池储能系统进行协调配合，共同辅助火电机组完成 AGC调频 ➢ 飞轮储能和锂离子电池储能按一定比例搭配，组成混合储能系统 ➢ 由储能总控系统对飞轮储能和锂电储能进行监测和控制，根据控制策略 来调用飞轮储能和锂电储能的充放电，联合调度，协同控制 ➢ 发挥锂电池系统储能量大的优势，承担调频基础出力。 ➢ 发挥飞轮系统高倍率、长寿命优势，提高调频精度，减少锂电池充放电 倍率和充放电次数 AGC调频混合储能系统设计原理  混合储能系统连接架构示意图  混合储能系统的协同出力  飞轮储能的主要价值 ◼ 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 AGC要求出力时： 通过 配置飞轮储能，可以降低锂电的尖峰 出力倍率，延长电池寿命 ⚫ 当锂电功率 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，提高储能系统响应 AGC指令 的覆盖率，增加调频里程 ◼ 提高调节精度指标： 利用飞轮寿命 长 的 优势， 频繁充放电 提高调频的调节精度， 进而提高 综合 调频指标 K值 AGC调频混合储能系统设计原理 混合储能系统工作机制与控制策略 飞轮放电 飞轮放电 电池放电 飞轮充电 AGC调频混合储能系统容量配置 ⚫ 锂 电池储能 配置 9MW/4.5MWh 根据仿真分析配置，采用磷酸铁锂电池， 按 2C放电倍率配置 ⚫ 飞轮储能 配置 4MW/120MWs 根据仿真分析配置，采用磁悬浮飞轮组成 储能阵列 ⚫ 混合储能系统最大 输出功率 13MW 混合储能控制系统协调控制两种储能工作 飞 轮 储 能 电 池 储 能 本系统 规划 配置 9MW/4.5MWh锂电池系统及 4MW/120MWs飞轮系 统的混合储能系统 ： 混合储能系统的优势 ⚫ 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 45.6%， 锂电池储能无需投入，可延长锂电池使用寿命。 ⚫ 从 AGC 指令深度分布来看，小于 9MW 的占比约为 79%， 9MW以上的指令 占比 约 为 21%。虽然这部分指令数量比例较小，但由于指令调节深度大，对 补偿收益的贡献率要超过 40%。 ⚫ 根据 xx电网 现行“两个细则”中的计算方法，配置飞轮储能可使机组的实际 调节偏差量平均值 ΔP缩小 3倍左右， 调频的调节精度提高 0.3， 补偿收益提 高 15%以上。 3Part 项目建设主要内容 项目建设主要内容 本项目将在电池发电侧安装建设 9MW/4.5MWh + 4MW/120MWs 混合式电网级储能系统设施，与发电机组联合调频，调频时系统最大可 按 13MW功率输出。 ➢ 储能单元通过双向功率变换装置 PCS、升压变压器接入 6kV 厂用电高 压回路，升压并联到 1#或 2#机组的 20kV母线，再通过电厂主变送出。 ➢ 系统储能单元分装在 7个 40尺标准集装箱内，每个集装箱配置电池或飞 轮储能单元，以及温控、消防、监控、保护等系统。 ➢ 双向功率变换及升压装置，安装于 5个 30尺（集装箱配置 4台 500kW双 向变流器， 1台 2200kVA双分裂 6kV 变压器，其中一个中压变流箱为一 半配置）， 1个 40尺中压变流集装箱内（集装箱配置 8台 500kW双向变 流器， 2台 2200kVA双分裂 6kV 变压器）。 飞轮储能集装箱布局示意图 1MWh 储能电池集装箱布局示意图 项目规模和主要内容 2MW储能 功率变换 一次系统图 项目规模和主要内容 2MW 功率变换集装箱布局示意图 项目规模和主要内容 储能系统电气接入方案 项目规模和主要内容 系统一次主接线 系统二次接线 电厂侧相关系统改造 DCS系统改造 RTU 改造 电气控制保护改造 4Part 项目实施方式及经济分析 设备材料明细表 项目投资估算 编号 分项名称 单位 数量 单价（万） 总价（万） 1 60MWs飞轮储能集装箱系统 套 2 1000 2000 2 1MWh锂电池集装箱系统 套 4 175 700 3 0.5MWh锂电池集装箱系统 套 1 100 100 4 2MVA-PCS集装箱系统 套 6 95 570 5 1MVA-PCS集装箱系统 套 1 70 70 6 群控装置集装箱 套 1 50 50 7 13MW高压环网电气集装箱系统 套 1 50 50 8 储能能源平衡系统 套 1 50 50 9 AGC调频控制系统 套 1 60 60 10 集控集装箱系统 套 1 50 50 11 工程设计施工费 项 1 200 200 12 电厂设备更换及改造 项 1 50 50 13 服务（调试 + 培训） 项 1 20 20 14 运输吊装费 项 1 30 30 总 计 4000 XX电网“两个细则” AGC服务贡献日补偿费用计算如下： 日补偿电量 =D×Kpd×YAGC D 为日调节深度 Kpd 为日调频性能指标， Kpd=K1×K2×K3 YAGC 为 AGC调节性能补偿系数，火电机组值取 0.02小时 补偿电量按上网标杆电价结算，价格为 0.2829元 /KWh 项目经济分析 项目经济分析 仿真分析机组收益预测 指标设定 日均 Kp值 日均调节里程（ MW） 日均收益（ 万元） 年收益（万元） 理想预期 5 3500 9.1 2730 一般预期 4.8 3200 8.0 2400 较差预期 4.5 3000 7.0 2100 ⚫ 储能年运行天数按 300天计算