在雙碳目標(biāo)指引下新能源發(fā)展迅速，電力系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，負(fù)荷隨機(jī)性波動(dòng)頻繁，加劇了電網(wǎng)頻率波動(dòng)。電網(wǎng)頻率環(huán)境的惡化使其運(yùn)行安全性和可靠性面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。風(fēng)光等可再生能源受自然環(huán)境因素的影響較大，存在穩(wěn)定性和可靠性差的缺點(diǎn)。因此，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，調(diào)頻任務(wù)主要由火電、水電等機(jī)組承擔(dān)。在電力輔助服務(wù)市場(chǎng)，調(diào)頻能力強(qiáng)的機(jī)組可以通過輔助服務(wù)賺取電網(wǎng)補(bǔ)償。因此，提供調(diào)頻服務(wù)目前已成為一種可以有效改善火電廠經(jīng)營(yíng)狀況的手段之一。

將儲(chǔ)能與火電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）相結(jié)合，可以大大提高機(jī)組的調(diào)頻性能，并在一定程度上延長(zhǎng)火電機(jī)組的壽命。隨著各地火電企業(yè)參與兩個(gè)細(xì)則考核補(bǔ)償辦法的制定，儲(chǔ)能參與機(jī)組調(diào)頻服務(wù)在國(guó)內(nèi)得到了快速的推廣應(yīng)用，其中最常見的就是鋰電池儲(chǔ)能。但是鋰電池安全性差、循環(huán)壽命短的缺點(diǎn)制約了其在電力調(diào)頻領(lǐng)域的應(yīng)用。

有學(xué)者提出一種超級(jí)電容（super capacitor, SC）輔助火電機(jī)組優(yōu)化一次調(diào)頻技術(shù)，研究結(jié)果表明，合理的電容選擇與連接控制，可以有效降低機(jī)組煤耗，提高機(jī)組調(diào)頻靈活性。有學(xué)者介紹火儲(chǔ)聯(lián)合AGC調(diào)頻技術(shù)的基本原理、典型方案、控制過程及實(shí)際工程效果，并探討儲(chǔ)能系統(tǒng)接入對(duì)火電機(jī)組電氣系統(tǒng)的影響和儲(chǔ)能電池的選型問題。有學(xué)者分析鋰電池儲(chǔ)能輔助AGC調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)機(jī)組短路電流、廠用電安全、電能質(zhì)量等的影響，并對(duì)系統(tǒng)安全性進(jìn)行了評(píng)估。

在國(guó)內(nèi)，儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)頻仍以鋰電池為主，超級(jí)電容儲(chǔ)能處于可研階段，且關(guān)于儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)的電氣問題的研究較少。

鑒于此，本文首先對(duì)比分析超級(jí)電容與鋰電池的工作特性；然后給出超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)的方案，并對(duì)其電氣影響進(jìn)行分析；最后結(jié)合某600MW機(jī)組儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目對(duì)本文的理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。

1 超級(jí)電容儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)頻技術(shù)

1.1 儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)頻的原理

目前，我國(guó)電力系統(tǒng)中的調(diào)頻任務(wù)主要由火電、水電等機(jī)組承擔(dān)。以火電機(jī)組為例，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大、且需要經(jīng)過能源的二次轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)速度慢、控制精度低。火電機(jī)組響應(yīng)AGC指令過程如圖1所示。隨著電網(wǎng)頻率環(huán)境的惡化，火電機(jī)組的調(diào)頻負(fù)擔(dān)增重，嚴(yán)重影響機(jī)組的運(yùn)行壽命，因此亟需對(duì)現(xiàn)有調(diào)頻方式進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 火電機(jī)組響應(yīng)AGC指令過程

隨著對(duì)調(diào)頻技術(shù)的探索，一種火儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)在用于AGC調(diào)頻時(shí)展現(xiàn)出了優(yōu)異的效果。儲(chǔ)能輔助機(jī)組AGC調(diào)頻的控制原理示意圖如圖2所示，即可將AGC調(diào)頻指令的功率差額交給儲(chǔ)能部分響應(yīng)，這樣可以大大提高火電廠的調(diào)節(jié)性能。

圖2 AGC調(diào)頻的控制原理示意圖

式（1）

儲(chǔ)能對(duì)機(jī)組AGC調(diào)頻性能的改善表現(xiàn)如下：

1）調(diào)節(jié)速度。儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電時(shí)間為秒級(jí)甚至更短，計(jì)及控制系統(tǒng)的延時(shí)（實(shí)測(cè)為2～5s），也可大幅提高機(jī)組調(diào)節(jié)速度。

2）調(diào)節(jié)精度。儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)偏差一般為3%PN（PN為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率），遠(yuǎn)小于火電機(jī)組；并且由于儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快，還可以對(duì)火電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)誤差進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高機(jī)組調(diào)節(jié)精度。

3）調(diào)節(jié)時(shí)間。相比火電機(jī)組，儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，即使考慮采樣、控制及通信等環(huán)節(jié)的延時(shí)，也很容易使機(jī)組總體響應(yīng)時(shí)間小于20s。

此外，當(dāng)配置適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能容量后，還可以降低機(jī)組由于深度或頻繁調(diào)節(jié)帶來的疲勞損害。

式（2）

1.2 適合火電的儲(chǔ)能方式

幾種常見的儲(chǔ)能方式見表1。其中，鋰電池應(yīng)用最廣泛，技術(shù)也最成熟，但其安全性差、壽命短。

表1 幾種常見的儲(chǔ)能方式

圖3為一種用于電力系統(tǒng)的4V/10 000F型超級(jí)電容充放電特性，可以看出超級(jí)電容具有很高的充放電速率。圖4為典型的超級(jí)電容和鋰電池自持放電特性，可以看出超級(jí)電容的電壓保持率相對(duì)更高（開路72h，≥98%）。

圖3 超級(jí)電容充放電特性

圖4 超級(jí)電容和鋰電池自持放電特性

此外，超級(jí)電容具有更高的安全特性及更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，因此更適用于短時(shí)間高功率輸出，以及需要快速響應(yīng)、使用壽命長(zhǎng)的火電機(jī)組調(diào)頻領(lǐng)域。

1.3 儲(chǔ)能輔助火電調(diào)頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5為超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。超級(jí)電容儲(chǔ)能單元為直流電系統(tǒng)，首先通過變流器（power conversion system, PCS）將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，然后經(jīng)過箱式變壓器將電壓提高到一定等級(jí)，最后經(jīng)過并網(wǎng)開關(guān)從高廠變低壓側(cè)接入廠用電系統(tǒng)。

圖5 超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)目前的火儲(chǔ)調(diào)頻立項(xiàng)情況可知，儲(chǔ)能輔助調(diào)頻的出發(fā)點(diǎn)是改善機(jī)組調(diào)節(jié)環(huán)境，提升機(jī)組響應(yīng)AGC指令的性能，因此均在已投運(yùn)機(jī)組上進(jìn)行改造。而在機(jī)組初始設(shè)計(jì)中，并未考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入。目前儲(chǔ)能輔助火電調(diào)頻工程都是大容量?jī)?chǔ)能接入機(jī)組廠用電系統(tǒng)，因此需要對(duì)大容量?jī)?chǔ)能接入廠用電帶來的相關(guān)問題進(jìn)行研究。

2 超級(jí)電容儲(chǔ)能接入廠用電存在的問題

2.1 高廠變?nèi)萘肯拗?/strong>