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二次调频

二次调频是指并网主体通过自动功率控制技术,包括自动发电控制(AGC)、自动功率控制(APC)等,跟踪电力调度机构下达的指令,按照一定调节速率实时调整发用电功率,以满足电力系统频率、联络线功率控制要求的服务。
一次调频是有差调节,不能维持电网频率不变,只能缓和电网频率的改变程度,所以还需要二次调频。
二次调频应用目前主要搭配火电机组进行,针对负荷变动特性所产生的脉动分量进行调节。大部分AGC指令时长3-6min。单个AGC指令最长时长15min左右。


一、新能源持续增加带来二次调频需求持续增长

电力系统是碳排放第一大来源,要实现碳达峰、碳中和目标必然要求大幅度提高光伏、风电等清洁能源的装机量和并网发电量。由于风电、光伏等可再生能源出力具有波动性和不确定性,当电力系统中风电、光伏装机容量达到一定规模时,功率波动或场站因故整体退出运行,可能会导致系统有功出力与负荷之间的动态不平衡,造成系统频率偏差,严重时会导致系统频率越限,进而危及电网安全运行。有数据分析指出,风电每增加1GW的装机,对应需要增加9%的调频容量。

近几年,为响应双碳目标,建设清洁电力系统,风电、太阳能等新能源发电占比急剧增加,造成火电AGC二次调频需求持续增长,现有电力调频资源已难以满足可再生能源入网需求。


二、传统机组AGC二次调频的技术局限性

火电机组调频局限性主要表现在:存在调节反向、调节偏差、调节延迟等问题,机组功率爬坡速度慢,稳态精度低,调频性能差,且机组参与AGC调节任务导致了燃料消耗增加,造成了发电成本增加、设备磨损等一系列问题,不利于节能和双碳目标的实现。


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火电机组参与调频


三、储能参与AGC二次调频的应用效果

储能系统在额定功率范围内,都可以在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 调频的时间尺度内的功率变换需求,调节效果是火电机组的20倍,大幅超过常规火电厂的调节能力。如果采用储能调频技术, AGC 跟踪曲线几乎可以与AGC指令曲线重合,即调节方向、调节偏差以及调节延迟等问题将不会出现。


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储能系统参与调频



四、锂电+飞轮混合储能二次调频应用优势

目前主要使用锂电辅助火电机组调频,通常按照机组额定出力的3%配置储能。但锂电池由于循环次数有限,需要定期更换电芯,造成全生命周期内成本上升。

飞轮储能系统具有瞬时功率大、充放电次数多、无电量衰减等优点,而AGC信号可通过控制算法对其进行分解,分解成高频、中频、低频分量。采用飞轮+锂电组成混合储能,高频分量调节需求由飞轮储能装置响应,中频分量调节需求由锂电池储能+飞轮储能装置响应,低频分量调节需求由火电机组响应,可减少锂电池频繁充放电次数,延长锂电池使用寿命25%以上,有效拔高机组综合k值,与单独锂电池相比,采用混合储能投资回报率提高13%以上,是性能最好、性价比最高、最安全可靠的二次调频解决方案。


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AGC指令分解示意图


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锂电池+飞轮混合储能五大优势


二次调频对飞轮的容量有更高的要求,从经济上和性能上,都要求研发大容量飞轮,而目前国内用于二次调频的飞轮容量普遍偏小,持续放电时间短,度电成本高。


五、坎德拉新能源二次调频飞轮储能系统方案

坎德拉新能源针对二次调频的特点,研制应用于二次调频应用场景专用飞轮CFF100-20(100kW/20kWh/12min)、CFF250-65(250kW/65kWh/15min)和CFF500-125(500kW/125kWh/15min),12-15min额定功率输出时长,可以覆盖大部分AGC指令,满足AGC单指令最长时长要求。其中, CFF500-125飞轮是目前全球商业化单体容量最大的飞轮,度电成本降至万元以下,满足电力系统大规模应用的先决条件。

坎德拉新能源飞轮储能系统与锂电组成混合储能,可有效延长锂电池寿命,有效拔高机组综合k值, 内部收益率提升13%。


二次调频飞轮储能系统方案拓扑图


风电光伏火电二次调频混合储能系统方案拓扑图.png

飞轮锂电混合储能二次调频电站方案拓扑图


坎德拉新能源CFF100-20(100kW/20kWh/12min)飞轮储能控制系统柜为户外柜安装方式,可将系统控制器、紧急放电电阻、水冷机、就地能量管理系统等设备高度集成在一个机柜中,与飞轮储能单元(由飞轮转子、电机定子、轴承、密封壳体等构成的飞轮储能系统的机电结构组件,采用地坑安装)构成一个飞轮储能系统;可将多套飞轮储能系统组成阵列,满足不同客户的调频容量需求。


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飞轮储能系统现场图(内蒙古霍林河“源网荷储用”创新示范项目)


CFF250-65(250kW/65kWh/15min)和CFF500-125(500kW/125kWh/15min)飞轮储能控制系统柜为户内柜安装方式,飞轮储能单元采用地坑式安装。控制系统柜与紧急放电电阻、水冷机、就地能量管理系统集成在一个集装箱内,与飞轮储能单元(由飞轮转子、电机定子、轴承、密封壳体等构成的飞轮储能系统的机电结构组件)构成一个飞轮储能系统;可将多套飞轮储能系统组成阵列,满足不同客户的调频容量需求。


二次调频控制柜集装箱布局示意图.png


1. 二次调频专属飞轮参数

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2. 控制系统柜

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3.就地能量管理系统EMU

坎德拉新能源就地能量管理系统(EMU)主要管理飞轮储能系统各组成设备,对飞轮储能系统进行调节控制和相关运行参数的采集,由网关、交换机、遥信模块等设备组成。

4.紧急放电电阻

紧急放电电阻是坎德拉新能源飞轮储能系统的重要组成部件,通过控制紧急放电电阻,可实现飞轮储能单元的快速制动。

5.水冷机

水冷机是坎德拉新能源飞轮储能单元的循环冷却系统,用于降低飞轮高速电机工作时的温度,保障系统可靠安全运行。

 

六、二次调频经济性测算

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其中,n 为每月调频市场总的交易周期数,Di 为该发电单元在第 i 个交易周期提供的调频里程,Pi 为第 i 个交易周期的里程结算价格,ki 为发电单元在第 i个交易周期的综合调频性能指标平均值。

假设某1000MW机组配置30MW储能系统参与AGC调频,原机组Kp值为0.6~0.7,调度日下发机组的AGC指令里程为3900MW,原机组机组参与调频年度收益为600万元,电厂标杆上网电价为0.453元/kWh;配置储能后Kp值提升至2.5,调度日下发机组的AGC指令里程增加至4000MW,储能系统年平均运行320天,AGC出清价格为12.71元/MW,则每日AGC收益为2.5*4000*12.71=12.71万元/天,储能系统年AGC补偿收益为12.71*320-600=3467.2万元/年

根据以往同类项目估算,储能系统年耗电量不超过510万度,则年耗电费用为:510*0.453=230.9万元/年

1.混合储能经济测算

30MW的储能系统按锂电20MW/20MWh,飞轮10MW/2.6MWh配置,初始投资7900万元,锂电池5年更换1次,第5年锂电池更换时成本按0.9元/Wh计算,则10年设备总投资为9700万元,10年投资总收益为34672万元,10年期税后净利润为162222万元,静态回收周期为2.28年,10年期内部收益率34%。

2.纯飞轮储能经济测算

30MW/7.8MWh飞轮储能系统,初始投资11700万元,则10年投资总收益为34672万元,10年期税后净利润为13667万元,静态回收周期为3.37年,10年期内部收益率27%。

3.纯锂电储能经济测算

30MW/30MWh锂电储能系统,3年换一次电芯,10年更换3次电芯,初始投资6000万元,电芯成本按0.9元/Wh估算,则10年设备总投资为15300万元,10年投资总收益为34672万元,10年期税后净利润为12271万元,内部收益率21%。

 

通过三种储能方式收益对比,可以看出采用飞轮+锂电混合储能收益较好,内部收益率最高,净利润最高,与只用锂电池相比,投资内部收益率提高13%。



应用优势

有效补充

储能主控单元根据AGC调度处理指令与火电机组出力差值,控制储能系统出力


安全环保

机械储能,寿命长,绿色环保无污染,运行安全可靠





提高响应速度

提高调节速率,提高调节精度,降低响应时间


提高经济性

增加调频收益


解决方案

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