浅谈储能电池在火电厂应用

浅谈储能电池在火电厂应用

李万果

（内蒙古京宁热电有限责任公司内蒙古乌兰察布市012000）

摘要：本文针对在火电厂中，储能电池的应用，可以进行调频，同时可以替代柴油发电机组进行分析研究，阐述了火电储能调频的原理、调节意义、项目经济性，结合实际运行经验对储能系统的特点进行了总结。

关键词：电池储能；火电机组；联合调频；后备电源

一、储能电池简介

储能系统在国内一般采用磷酸铁锂电池储能技术，由单体电池通过串并联形式集成封装。储能系统主要由锂电池（含BMS)核心设备组成，主要包括:①锂电池集装箱。②双向功率变换装置集装箱。③储能锂电池柜（含BMS)。④直流配电柜（BMS供电系统）。⑤双向功率变换装置。⑥SCADA数据采集与监视控制系统。⑦系统的防雷及接地装置。⑧集装箱房土建基础及辅助设施储能系统等在储能场地范围内集中布置。

储能设备中的磷酸铁锂电池、PCS（储能变流器）、10kV（或者6kV）段、干式变等设备均采用集装箱式。电池集装箱将锂电池、电池控制柜、通讯监控等设备有机的集成到1个标准的单元中，该标准单元拥有自己独立的供电系统、温度控制系统、隔热系统、阻燃系统、火灾报警系统、电气联锁系统、机械联锁系统、安全逃生系统、应急系统、消防系统等自动控制和安全保障系统。PCS集装箱将配电柜、储能充放电双向变流器、通讯柜、升压变压器等设备集成到1个标准的集装箱中，集装箱拥有独立的自供电系统、温度控制系统、隔热系统、阻燃系统、火灾报警系统、门控照明、安全逃生系统、应急系统等自动控制和安全保障系统。

1、储能电池的优缺点

储能电池具有维护简单、可无人值守自动操作、供电电压稳定、效率高、保护功能完善等优点，缺点是价格高，过充导致发热、燃烧等安全性问题，需要进行充电保护。若实际负荷与设计负荷接近，则供电时间基本能负荷设计时长。

二、储能电池在火电厂的应用

1、储能电池应用于机组调频

1.1火电厂储能调频技术

自动发电控制（AGC)通过实时调节电网中机组的有功出力，实现对电网频率及联络线功率进行控制，解决分钟或秒级短时间尺度内，区域电网具有随机特性的有功不平衡问题。目前作为主力的火电机组的AGC调频性能与电网的调节期望差距较大，具体表现为调节的延迟、偏差（超调和欠调）等现象。而适用于电网AGC调频的储能系统，在额定功率范围内，可以在1s内、以99%以上的精度完成指定功率的输出，其综合响应能力完全满足在AGC调频时间尺度内的功率变换需求，即调节反向、调节偏差以及调节延迟等问题将不会出现。、

1.2火电厂储能调频经济效益分析

火电机组联合储能系统响应AGC指令以后，机组效益的增加主要来自①储能系统可以提高机组AGC的调节性能指标，从而提高系统AGC补偿收益；②由于机组整体调节性能的提高，机组将从电网调度获得更多的AGC指令，实现AGC调节深度的增加。其次可以减少机组设备磨损，延长设备寿命减少机组调频备用，增加发电量，减少机组频繁变处理，降低煤耗；提升机组整体的AGC调频能力，改善机组和整个电力系统运行的可靠性和安全性。

2、储能电池代替交流应急电源（柴油发电机组）

2.1发电厂中的交流应急电源

发电厂常用的应急电源包括：独立于正常电源的发电机组、供电网络中有效独立于正常电源的电池组。在发生全厂停电或单元机组失去厂用电时，为了保证机组的安全停运，或者为了防止危及人身安全等原因，应在停电时继续由交流保安电源供电。根据《大中型火力发电厂设计规范》GB50660-2011的规定，交流保安负荷电源应采用快速起动的柴油发电机组。故当前大部分发电厂的交流应急电源均采用柴油发电机组方案，而储能电池作为近几年快速发展的新型技术，在电厂的应用范围大多为储能调频领域，同时可以代替柴油发电机组。

2.2柴油发电机组

柴油发电机组优点：柴油发电机组的容量比较大，可并机运行且持续供电时间长；也能独立于电网运行，不受电网故障的影响，可靠性较高。特别是若能在运行中连续添注燃油，则理论上可以一直持续运行下去。柴油发电机组缺点：首选是配套设施复杂，除发电机组外，还需考虑控制、配电、油箱、通风、排烟等附属设备的要求，对平面和空间要求较高，储油间本身也是一个火灾隐患，所以还需对其进行防火处理。其次，柴油发电机的启动时间一般在15s左右，不能满足某些不允许断电负荷的应急需求。因此，，用储能电池看代替应急电源，储能电测启动速度快，满负荷输出仅需要2～3s，保障控制电源、润滑油泵等重要负荷的瞬时投入。

三、储能电池容量的选择

储能电池的容量选择，涉及到价格、体积、维护等多种因素，因此不是备用时间越长越好，根据《大中型火力发电厂设计规范》GB50660-2011中规定：“与电力系统连接的火力发电厂选择蓄电池容量时，厂用交流电源事故停电时间应该按1h计算”。考虑一定时间裕度，储能电池容量时长按事故停机1.5小时计算。

3.1储能电池额定容量的计算：

根据AGC调节深度，一般在60万的火电机组，能够满足3%的调节容量，可以配置18MW/9MWh的储能系统。按照60万机组保安负荷统计经验，负荷容量约为1200kW，按此容量并考虑供电时间及适当裕度后，选择单台机组应急用储能电池容量约为2.1MW。储能双向变流器PCS一般为两倍蓄电池容量，故变流器容量约为4.2MW。固综合考虑电池容量约为9MWh。

3.2储能电池额定容量的校验：

当事故停机初次投入负荷时，单台机组成组电动机启动状态为最大工况(启动电流约为6600A)，此时储能双向变流器PCS容量应大于3.9MW。故上述变流器计算容量4.2MW满足峰值工况。由此，储能电池选择2.1MW满足单台机组应急用容量要求。两台机组配置储能电池容量为4.2MW可以满足两台机组同时安全停机的负荷供电需求。2台660MW机组的调频储能电池容量约为9MWh，调频时一般工作在50%蓄电池容量上下浮动，即储能电池电量长期在4.5MW左右，此容量完全满足两台机组应急保安电源的需求。

四、储能系统的技术经济大约投资

经济性能主要体现在项目总投资和每年收益水平上。其中年收益水平包括AGC补偿费用增加，耗电成本增高两个方面，其中关键是AGC补偿费用增加。如果按照9MWh锂电池投入，每kWh大约为3000元，总价位2700万元。在机组正常运行的情况下，系统AGC调频的收入能够维持在平均每小时2000元的水平，即每天约5万元调频收益。根据电厂相关数据核算，以一年为单位计算，预计AGC补偿费用提高约1600万元，耗电成本增高100万元。年收益可达到1500万元。项目总投资含施工和附件材料费总投资2800万元，预计不到二年即可收回投资成本，经济收益显著。

五、结论

新能源大规模并网导致传统调频电源面临日益严重的调频问题，利用“火电联合储能调频”技术，可以有效地改善机组的AGC调节性能。用9MW电池储能接在火电机组端部，通过协调响应AGC指令，达到改善机组AGC调节性能的目的；但也存在一定的缺陷，主要表现在如果在AGC指令连续升或者降的过程中，储能同样会出现反调现象。因此，在使用储能调频技术前，必须对机组的基本调节性能进行试验，或者优化优化机组AGC调节性能后，并及时解决储能的反调问题，可以更加有效地提高AGC调节性能。储能电池作为应急电源，比柴油发电机组响应速度快、启动时间短、效率高、但寿命短、造价高且供电时长受电池容量的限制，完全替代电厂柴油机的经济性相对较差。但需注意，当储能电池调频深度放电时存在不能满足应急电源容量的风险，此种极端工况可以通过加大电池容量或限制放电深度等措施来解决，需根据电厂调频具体情况来制定相应的解决方案。

参考文献

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