鋰離子電容器參與火電機組調頻研究

沈 迎 黃 策 胡錫東 張效源 楊沛豪

鋰離子電容器參與火電機組調頻研究

沈 迎1黃 策1胡錫東1張效源1楊沛豪2

（1. 國家能源費縣發電有限公司，山東 費縣 276001； 2. 西安熱工研究院有限責任公司，西安 710054）

隨著風電和光伏等波動性能源并網發電量增加，電力系統的調頻任務更加繁重。針對目前國內傳統調頻資源存在響應時間長、機組爬坡速率低等多種問題，結合儲能電源技術響應速度快、控制精度高和雙向調節效果好等優點，本文提出一種使用鋰離子電容器儲能參與火電機組自動發電控制調頻的解決方案。根據QC/T 741—2014標準，對鋰離子電容器單體（HAA 4V10000F）進行能量密度和功率密度測試，并分析其循環穩定性及循環壽命。通過上述研究驗證了該鋰離子電容器單體完全適用于火電機組自動發電控制調頻領域。

鋰離子電容器；自動發電控制（AGC）；調頻；循環穩定性；循環壽命；能量密度

0 引言

目前中國的調頻電源主要是火電機組及水電機組，通過調整機組有功出力，跟蹤系統頻率變化。但是火電機組通常存在響應時滯長、機組爬坡速率低等問題，無法準確跟蹤電網調度指令，出現調節時間延遲、調節偏差和調節反向等現象[1]。此外，火電機組頻繁地變換功率運行，加重了機組設備疲勞和磨損，影響機組運行壽命[2]。水電機組相對于火電機組響應較快，可以在幾秒內達到滿功率輸出。但水電機組的建設受地理條件限制，整體可提供的調頻容量有限，亟需更新的調頻技術手段滿足當前電網調頻要求[3-4]。

自動發電控制（automatic generation control, AGC）是電力系統調度自動化的核心內容之一，它對于維持電網頻率穩定、提高供電質量、智能電網建設等具有重要意義[5]。當前，火電廠依舊是我國電力主要供應來源，其固有特性導致調頻能力和效率較差。隨著近年來風電、光伏的并網量增加，對額外調頻服務的要求越來越高，進一步加劇了電廠調頻的供需矛盾[6]。儲能電源技術具有響應速度快、控制精度高、雙向調節效果更好等特點，應用于電廠調頻中具有顯著的優勢[7-8]。

超級電容器（supercapacitor, SC或ultracapacitor, UC）又稱電化學電容器（electrochemical capacitor, EC），是近年來一直受到人們關注的一種新型儲能器件。其中鋰離子電容器（lithium-ion capacitor, LIC）作為一種新興超級電容器，兼具二次電池與靜電電容器的雙重特性[9]。LIC充放電響應速度快，短時功率吞吐能力強，可實現滿功率毫秒級輸出/吸收。相關研究表明，LIC持續充/放電時間15min，功率調節效率是水電機組的1.4倍、燃氣機組的2.2倍、燃煤機組的24倍，特別適合分鐘級別的供電需求[10]。但是LIC也存在能量密度較低等缺點，同等容量配置下，相較于電池儲能設備，單體體積較大，增加了設備成本，限制了其在特定場合下的應用[11]。

本文針對目前國內傳統調頻資源存在響應時滯長、機組爬坡速率低等多種問題，結合儲能電源技術響應速度快、控制精度高和雙向調節效果更好等優點，提出使用儲能參與火電機組AGC調頻的解決方案。闡述LIC的儲能原理及技術發展的現狀，并與鋰離子電池（lithium-ion battery, LIB）做優缺點及應用前景比較。研究并設計應用LIC的火電機組響應AGC調頻方案，根據QC/T 741—2014標準對電容器單體進行包括循環穩定性、使用壽命、能量密度、功率密度等的性能測試。

1 火電機組儲能響應AGC調頻原理

1.1 AGC調頻原理

AGC是有償輔助服務的一種，指發電機組在規定的出力調整范圍內，跟蹤電力調度指令，按照一定調節速率實時調整發電出力，以滿足電力系統聯絡線功率控制與頻率要求的服務。參與并網機組在接收到AGC指令后的具體執行過程，如圖1所示。圖1中，G,max、G,min分別表示該機組并網運行中可調有功功率的最大值和最小值。1～4屬于機組增大有功功率輸出的向上調節過程，4～6屬于機組減小有功功率輸出的向下調節過程。

在1時刻之前，機組的有功功率輸出維持在前一次AGC指令的G,1附近；1時刻區域電網調度中心發出AGC指令，該指令對應的有功功率值為G,2，機組接收到該指令后開始增加出力以響應G,2的指令；2時刻，機組有效跨出大小為G,1的調節死區，并持續增大有功輸出；3時刻，機組進入本次調節的振蕩死區，至此不再大幅波動而是小幅度振蕩于死區范圍內，并最終穩定在AGC指令值G,2附近，至此，整個向上調節過程結束。4～6向下調節過程，與向上調節同理，區別為機組是通過減少有功功率輸出以實現對AGC指令的跟蹤。

圖1 AGC調頻響應過程示意圖

1.2 儲能輔助機組AGC調頻原理

儲能輔助火電調頻的技術原理如圖2所示。

圖2 儲能輔助火電調頻技術原理

參與AGC調頻的機組和輔助調頻的儲能系統同時接收AGC指令，由于火電機組響應速度（分鐘級）較慢，儲能系統利用自身響應速度（秒級）快的特性先平抑單次指令起始階段機組功率與AGC指令間的偏差。等機組響應跟上之后，儲能系統出力可以逐漸降低，以確保二者聯合出力滿足AGC指令要求，并準備下一次AGC指令響應。

2 適用于火電機組調頻的LIC研究

2.1 超級電容優勢

火電機組調頻對于儲能系統的主要要求包括：大容量（兆瓦級）、高效、高安全可靠性、長壽命（5～8年以上）、高功率及快速充電（雙向調節需要）、快速響應能力，以及高性價比等。目前國內外電廠調頻儲能系統均使用LIB，雖然取得了較好的經濟效益，但是普遍存在以下問題：由于高頻次高功率雙向充放電導致系統壽命較短（約0.5～3年）；由于比功率和快充特性較差，系統一般以0.5h備電設計（實際需求2～3min），導致投資規模較大；安全性較差，國內外均出現過嚴重安全事故。相較于LIB，超級電容儲能具有以下優勢：

1）功率密度高。由于超級電容器的能量存儲過程發生在電極材料的表面，不會受到離子擴散速率的制約，因此可以實現能量的快速存儲和釋放。其輸出功率往往為電池的數十倍，可達300～5 000W/kg，甚至更高。

2）充放電速度快。由于超級電容器的充放電過程基本上屬于表面物理過程，不受電化學動力學限制，充放電速率遠高于電池，通常10s～10min即可達到其額定容量的95%以上。

3）循環壽命長。雙電層超級電容器由于不涉及氧化還原反應，具有非常好的充放電可逆性，循環壽命可達十萬次以上。贗電容盡管壽命較雙電層電容低，但也明顯優于一般二次電池。

4）工作電壓范圍大。超級電容器的工作電壓可在其額定電壓范圍內隨意改變。

5）工作溫度范圍廣。超級電容器可以在-40～70℃的環境溫度中正常使用，具有非常優越的低溫特性，可做到低污染和免維護。

6）儲存壽命長。超級電容器具有超強的荷電保持能力，漏電流非常小，而且荷電狀態易于檢測。

2.2 超級電容性能對比

超級電容儲能按照正負極材料可分為：雙電層電容器（electric double layer capacitor, EDLC）、LIC。其中LIC作為一種新體系在同一電解池中實現了EDLC和LIB原理和技術的結合，使其在保持超級電容器高比功率、長壽命、快速充電、高安全可靠性、高轉換效率、快速響應等特性的同時，大幅度提高了比能量，填補了EDLC和LIB之間的性能空白，兼顧了高比功率和高比能量[12]。三種儲能機理對比如圖3所示。性能對比見表1。

根據表1可知：與LIB相比，LIC用于火電機組調頻儲能系統優勢明顯，安全可靠性高，按照實際火電機組AGC調頻指令的2～3min備電設計，有效減小了體積和質量，顯著降低投資（節約1/4～1/3），且使用壽命較長（8～10年），LIC具備的高比功率和快充能力可以獲得更好的調頻效果[13]。使用電廠調頻鋰離子電容器儲能系統，不僅可以獲得更好的調頻效果和經濟效益，而且全面覆蓋了一次和二次調頻，還可顯著降低火電廠煤耗，提高鍋爐的安全性和使用壽命，綜合經濟效益提高2～3倍。

圖3 三種儲能機理對比

表1 三種儲能性能對比

3 LIC單體性能測試

本文選擇型號為HAA 4V10000F的LIC單體作為測試樣本。

3.1 LIC單體能量密度測試

為了檢測型號為HAA 4V10000F的LIC單體實際能量密度是否與理論值一致，進行了LIC單體能量密度測試實驗，所用到的測試設備見表2。

表2 LIC單體能量密度測試設備清單

按式（1）計算第3次循環的儲存能量（單位：W·h），作為電容器單體的儲存能量。隨后稱取電容器的質量（單位：kg），并按照式（2）計算能量密度（單位：W·h/kg）。

單體能量密度測試時LIC單體的充放電曲線如圖4所示。根據圖4可知，LIC單體的充放電電流瞬時變化、電壓線性變化，LIC單體可以實現瞬間大功率充放電，且可以根據實時電壓反映電容的荷電狀態。根據儲存能量公式計算HAA 4V10000F產品的能量密度理論值為13.5W·h/kg。根據QC/T 741—2014標準中提出的能量密度為標稱值的±20%，本實驗將第3次循環的儲存能量作為電容器單體的儲存能量，測試單體序號為A82803Y 23003、A82803Y 23007、A82803Y 23011、A82803Y 23017、A82803Y 23018的LIC單體能量密度測試數據見表3。

圖4 單體能量密度測試時LIC單體充放電曲線

表3 LIC單體能量密度測試數據

根據表3可得，LIC單體能量密度平均值為60.4W·h/kg。

3.2 LIC單體功率密度測試

為了滿足火電AGC調頻對LIC功率密度的需求，進一步優化LIC單體的結構和電性能，需要開展LIC單體功率密度測試實驗。所用到的測試設備見表2。

在室溫（25℃±2℃）下，電容器單體以恒定電流充電到額定電壓R，記錄該時刻為0，隨后電容器單體再以恒定電流放電到最低工作電壓min，記錄0+30ms時的電壓x，并將該測試步驟重復進行3次。按式（3）計算第3次循環的直流內阻，作為電容器單體的直流內阻（單位：W），然后按式（4）計算功率密度（單位：W/kg）。

單體功率密度測試時LIC充放電曲線如圖5所示。

圖5 單體功率密度測試時LIC單體充放電曲線

根據圖5可知，LIC進行單體功率密度測試時，不管是放電還是充電，電壓線性變化。根據儲存能量公式計算型號為HAA 4V10000F的LIC單體的功率密度理論值為9.26kW/kg。根據QC/T 741—2014標準中提出的最大比功率不小于標稱值，本實驗將第3次循環的直流內阻作為電容器單體的直流內阻，測試所得到的各組LIC單體功率密度測試數據見表4。

表4 LIC單體功率密度測試數據

根據表4可得，基于電力儲能系統的超級電容器單體功率密度平均值為13.38kW/kg。

3.3 LIC單體循環壽命測試

火電機組AGC調頻指令頻繁，需要LIC頻繁進行充放電，LIC單體循環壽命是一個重要的性能參數，直接影響調頻性能，需要對電容器循環壽命進行測試分析。所用到的測試設備見表2。

循環壽命測試前，首先檢測電容器靜電容量和直流內阻作為初始值；然后電容器單體以恒定電流充電到額定電壓R，記錄該時刻為0，電容器單體以恒定電流放電到最低工作電壓min，記錄0+ 30ms時的電壓x；接著重復上述步驟3次，記錄電容器從開始放電的電壓1至最低工作電壓min的放電時間；最后按式（3）計算第3次循環的直流內阻，按照式（5）計算LIC單體的靜電容量（單位：F）。

LIC單體循環壽命測試：①用恒定電流對電容器單體充電到額定電壓R，靜置5s；②以恒定電流對電容器單體放電到最低工作電壓min，靜置5s；③重復步驟①和②5 000次，靜置12h，最后按照循環壽命測試前方法，檢測電容器靜電容量和直流內阻，重復上述步驟10次。

對型號為HAA 4V10000F的LIC單體進行了5 000次循環測試，LIC單體循環壽命測試數據見表5。

根據表5可知，型號為HAA 4V10000F的LIC單體循環5 000次后的靜電容量保持率97.8%。根據線性推算可以得到型號為HAA 4V10000F的LIC單體進行50 000次循環測試后靜電容量保持率和直流內阻保持率預測值如圖6所示。

表5 LIC單體的循環壽命測試數據

圖6 LIC單體靜電容量保持率和直流內阻保持率預測值

根據圖6可知，推測HAA4V10000F單體循環50 000次后的靜電容量保持率為80%以上。

4 結論

本文采用LIC作為輔助火電機組參與AGC調頻的儲能設備，根據火電機組AGC調頻對儲能系統的性能要求，選擇型號為HAA 4V10000F的LIC單體，對該鋰離子電容進行能量密度、功率密度和循環穩定性測試，所有測試結果都符合QC/T 741—2014標準，該LIC單體可以滿足火電機組AGC調頻需求，在電力系統調頻領域有很好的應用前景。下一步擬開展實際LIC輔助火電機組AGC調頻工程項目，研究其實際效果。

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Research on frequency regulation of thermal power unit with lithium-ion capacitor

SHEN Ying1HUANG Ce1HU Xidong1ZHANG Xiaoyuan1YANG Peihao2

(1. China Energy Feixian Power Generation Co., Ltd, Feixian, Shandong 276001; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710054)

With the increase of fluctuating grid connected power generation such as wind power and photovoltaic, the task of power system frequency regulation becomes more arduous. In view of the problems of long response time and low climbing rate in traditional domestic frequency regulation resources, this paper proposes a solution using lithium-ion capacitor energy storage to participate in automatic generation control frequency regulation of thermal power units. According to QC/T 74—2014 standard, the energy density and power density of lithium-ion capacitor monomer (HAA4V10000F) are tested, and its cycle stability and cycle life are analyzed. Through the above research, it is verified that the lithium-ion capacitor unit is completely suitable for the frequency regulation field of automatic generation control of thermal power units.

lithium-ion capacitor; automatic generation control (AGC); frequency modulation; cycle stability; cycle life; energy density

2021-05-08

2021-05-19

沈 迎（1973—），男，本科，高級工程師，從事電力系統發電設備管理工作。