目前我國各大區(qū)域電網(wǎng)重,主要以大型水電和火電機組(燃煤機組/燃氣機組)作為電網(wǎng)調(diào)頻電源。通過調(diào)整調(diào)頻電源出力來響應系統(tǒng)頻率變化。但水電及火電機組在調(diào)頻方面具有一定的局限性。
一、火電機組調(diào)頻的局限性
(1)火電機組的調(diào)頻性能較差(即K值):響應時滯長、機組爬坡速率低,不適合短時調(diào)頻,調(diào)頻精度不高,有時甚至會造成反向調(diào)頻。主要是由于能量轉(zhuǎn)換時間較長(磨煤、燃燒)、機組具有調(diào)速不靈敏區(qū)。
(2)參與一次調(diào)頻機組受到蓄熱制約存在調(diào)頻量明顯不足甚至遠未達到調(diào)頻調(diào)節(jié)量理論值
(3)參與二次調(diào)頻的機組爬坡速率慢,不能精確跟著AGC指令。
(4)參與調(diào)頻,加劇了機組磨損而損害機組壽命,增加了燃料消耗,提升了運營成本,增加了廢物排放和系統(tǒng)的熱備用容量。
火電機組適用于大幅度、連續(xù)、單向的升降負荷,而電力系統(tǒng)的調(diào)頻任務往往是小幅度、頻繁、折返的調(diào)節(jié)。
二、水電機組調(diào)頻的局限性
(1)機組全國分布不均,主要集中在西南及沿海地區(qū)。
(2)水電機組受地理位置及季節(jié)變化限制(豐水期、枯水期不一樣),受季節(jié)及地理環(huán)境影響,甚至有些機組的還有防汛抗旱的要求,所提供的調(diào)頻容量有限。
三、電池儲能系統(tǒng)調(diào)頻的特點
(1)性能好,K值表現(xiàn)優(yōu)秀:具有快速響應、精確跟蹤的特點,比傳統(tǒng)調(diào)頻手段更為高效。
電儲能系統(tǒng)在額定功率范圍內(nèi),都可以在1s 內(nèi)以99%以上的精度完成指定功率的輸出,其綜合響應能力完全滿足在AGC 調(diào)頻的時間尺度內(nèi)的功率變換需求,大幅超過常規(guī)火電廠的調(diào)節(jié)能力。如果采用電儲能調(diào)頻技術, AGC 跟蹤曲線可以幾乎與AGC指令曲線重合,即調(diào)節(jié)方向、調(diào)節(jié)偏差以及調(diào)節(jié)延遲等問題將不會出現(xiàn)。
通常電網(wǎng)AGC 調(diào)頻功能主要由包括以水電、火電機組等常規(guī)電源提供。由于這些電源均為具有旋轉(zhuǎn)慣性的機械器件組成,特別是火電機組的AGC 調(diào)頻性能,與電網(wǎng)的調(diào)節(jié)期望比較尚有差距,具體表現(xiàn)為調(diào)節(jié)的延遲、偏差(超調(diào)和欠調(diào))等現(xiàn)象,如下圖所示:
儲能的AGC 跟蹤曲線幾乎與AGC 指令曲線重合,即反向調(diào)節(jié)、偏差調(diào)節(jié)以及延遲調(diào)節(jié)等問題將不會出現(xiàn)。儲能的綜合AGC 調(diào)節(jié)性能要遠好于火電機組,如下圖所示:
(2)短時功率吞吐能力強,可充可放,雙向調(diào)節(jié),可以“以一敵三”,獨立或與常規(guī)調(diào)頻電源結合,大幅降低傳統(tǒng)調(diào)頻電源容量需求。
針對系統(tǒng)的AGC 調(diào)頻功能,儲能技術的調(diào)節(jié)能力數(shù)倍于傳統(tǒng)機組。假設區(qū)域電網(wǎng)在2min 內(nèi)有20MW 的升功率需求,即對系統(tǒng)整體的爬坡能力要求為10 MW/min。如果火電機組爬坡率為2%/min,則需要一臺容量為500 MW 的火電機組來提供調(diào)節(jié),而采用20MW 的儲能系統(tǒng)就能夠瞬間完成升功率的需求,即在該調(diào)節(jié)速率需求下,1MW 儲能系統(tǒng)提供的AGC 調(diào)頻能力相當于25MW 火電機組的調(diào)節(jié)能力。如果系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)需求為20MW/min,則儲能的調(diào)節(jié)功率替代效果是燃煤機組的25 倍??梢钥闯?,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求越緊迫,儲能技術的優(yōu)勢越明顯。
美國西北太平洋國家實驗室的研究報告通過更復雜的仿真,提出了相似的結論:具有快速調(diào)節(jié)能力的儲能技術能夠更有效地提供調(diào)頻服務;根據(jù)California 電力市場的電源特點,平均來看,儲能調(diào)頻效果是水電機組的1.7 倍,是燃氣機組的2.5 倍,是燃煤機組的20 倍以上。(保守估算也有10倍以上的性能)
四、電池儲能系統(tǒng)調(diào)頻與傳統(tǒng)調(diào)頻電源的經(jīng)濟性對比
儲能技術與傳統(tǒng)調(diào)頻電源的經(jīng)濟性對比分析3 個主要方面進行,即調(diào)頻電源本身的投資成本、壽命期內(nèi)的運行及維護成本、對電力系統(tǒng)總調(diào)頻成本的影響:
(1)儲能系統(tǒng)年平均投資是火電的2倍-3倍(與合作模式有一定的關系)。但是,考慮到在實際AGC 調(diào)頻效果上兩者有近20 倍的差異,并且儲能產(chǎn)品未來還有成本下降的空間,則儲能系統(tǒng)的等效投資仍然有一定優(yōu)勢。從長期的電源投資建設來看,建設相對少量的儲能項目能夠減緩以調(diào)頻為主要目的的火電容量建設投資,可以較大地節(jié)省社會總體投資。
(2)儲能系統(tǒng)提供調(diào)頻的運行成本也具有一定的優(yōu)勢。由于AGC 上下調(diào)節(jié)的過程可以近似看做能量平衡的過程,并且充放電過程都是在為系統(tǒng)提供調(diào)頻服務,因此儲能所實際發(fā)生的成本主要是由運行效率決定的能量消耗,其運行成本較小?;痣姍C組長期承擔AGC 功能,在頻繁變出力的運行工況下,主要會產(chǎn)生以下三方面的成本:煤耗增加,機組磨損增加和備用容量導致的發(fā)電損失。
(3)儲能技術參與調(diào)頻服務的最大優(yōu)勢是其具有快速和精確的響應能力,單位功率的調(diào)節(jié)效率較高。具有快速響應能力的調(diào)頻手段可以在廣域范圍內(nèi)減少調(diào)頻所需容量。電池儲能系統(tǒng)響應速度快短時功率吞吐能力強,有助于提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。尤其是當電網(wǎng)薄弱時,有大量的風電或其他可再生能源并入電網(wǎng),這項技術的應用顯得非常有用。大容量電池儲能系統(tǒng)以其獨特的技術經(jīng)濟特點和較高的環(huán)境效益,通過與自動發(fā)電控制系統(tǒng)的有效結合,成為維持系統(tǒng)頻率處于標準范圍之內(nèi),減少旋轉(zhuǎn)備用容量需求,提供黑啟動等輔助服務的有效途徑。
原標題:電池儲能可彌補現(xiàn)有調(diào)頻電源存在的技術局限性