基于混合型超級電容技術的火電機組儲能調頻應用研究

摘 要：混合型超級電容儲能調頻技術將能量型儲能技術與功率型儲能技術相結合，具備安全性高、可靠性好、溫度區間寬、壽命長等特點，可應用于電力系統一、二次調頻。現以100萬kW火電機組為例，結合電網輔助服務政策，給出混合型超級電容儲能配置方案，并與儲能領域獲得應用認可的磷酸鐵鋰電池進行比較，分析混合型超級電容在火電機組調頻領域應用的技術、經濟可行性。

關鍵詞：混合型超級電容;火電機組;儲能調頻

中圖分類號：TM621.9" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.021

0" " 引言

如今，電力系統規模日趨龐大，系統組成日趨復雜，負荷曲線波動較大，另一方面，太陽能、風能等可再生能源電源比例不斷增大，日益威脅電網的安全穩定運行，系統亟需優質的調頻資源[1]。近年來，隨著儲能技術研究的深入，多種儲能產品在國內外電力系統中得到應用，其在電網輔助調頻服務領域有明顯優勢。

儲能技術一般是指通過機械、電化學和電磁等方法，將電能量通過其他型式存儲起來，在需要的時候，再通過相同方法反向轉換為電能。儲能技術按照不同的劃類標準有不同種類，根據能量存儲方式，儲能技術可分為以下幾大技術路線，如圖1所示。

磷酸鐵鋰電池已在儲能領域獲得應用認可，目前國內絕大部分儲能調頻項目均采用磷酸鐵鋰電池。然而安全問題正限制磷酸鐵鋰電池的進一步應用，單體電池的熱失控和電池之間的熱擴散會導致電池組熱量聚集，迅速升溫，最終可能引發電池組燃燒乃至爆炸事故[2]。

混合型超級電容器其基礎為新型材料技術的應用，是超級電容器范疇的一種新系列，通過電化學計算和電化學設計，使用混合電極材料在一個電解池中實現鋰離子電池和超級電容器原理和技術的結合。

1" " 火電機組儲能調頻服務

近年來，儲能和輔助服務相關政策接連出臺。2012年，國家《能源科技“十二五”規劃》中明確提出發展“大容量快速儲能裝置”;2014年4月，國家能源局召開了“輔助服務深度試點啟動會”，明確儲能為試點工作內容;2019年12月25日，《江蘇電力輔助服務（調頻）市場交易規則（征求意見稿）》公開征求社會意見，并于2020年6月30日正式發布。在此規則下，江蘇省內發電企業開始以機組為申報單元進入江蘇電網輔助服務市場。

儲能設施利用電力電子技術和元器件，控制過程簡潔，響應快速，是優質的調頻資源。對儲能裝置而言，在額定功率范圍內，可以毫秒級的響應速度、接近100%的精度完成指定功率的輸出，擬合AGC指令曲線，調頻效果是燃煤機組的20倍以上，其綜合響應能力特別適合調頻需求[3]，是優質的調頻資源，可提升電網的安全穩定運行水平。儲能系統參與煤電機組AGC調頻，可以在保障電力系統安全可靠性的同時，通過電力現貨市場為電廠帶來可觀的收益。

2" " 混合型超級電容

2.1" " 工作原理

混合型超級電容以鋰過渡金屬氧化物和大比表面積碳材料混合物為正極，以新型高比容量碳材料為負極，使用含鋰有機電解液，充放電時既有離子轉移，又有電子轉移，同時又具有較高的比能量。混合型電容電池因兼有鋰電池和超級電容器的性能特點而得名，其原理如圖2所示。

2.2" " 應用場景分析

混合型超級電容在電力系統中的應用按照應用主體可以分為系統側、發電側和用戶側。

2.2.1" " 系統側

為區域電網提供快速響應調度調頻指令，迅速精確滿足聯絡線區域控制偏差要求，增加靈活性。

2.2.2" " 發電側

1）火電機組一次調頻/節煤：減少考核費用支出，降低機組節流損失，降低煤耗。

2）火電機組AGC聯合調頻（二次調頻）。

3）輔助新能源場站一次調頻。

2.2.3" " 用戶側

1）和柴油機組/其他儲能形式配合，形成關鍵電力保障。

2）電能質量管理。

3）沖擊負荷平抑，電力動態增容。

4）新能源船舶。

5）電動機車。

6）UPS電源。

7）充電樁。

火力發電機組是電力系統調頻的主要手段之一，本文重點研究混合型超級電容技術在發電側的相關應用，通過電網輔助服務為發電企業帶來可觀收益。

3" " 基于混合型超級電容技術的火電機組儲能調頻應用分析

某發電企業現有兩臺100萬kW超超臨界火力發電機組在役，現考慮建設儲能輔助調頻系統，擬采用成熟可靠的儲能設施聯合煤電機組開展電網AGC調頻輔助服務，系統調頻時最大可按儲能選型功率輸出。項目建設基于混合型超級電容技術的30 MW/5 min儲能輔助調頻系統接至電廠廠用電母線，儲能系統可以聯合火電機組開展AGC調頻業務，顯著提升發電機組響應速率和精度，提供高品質的調頻服務保障區域電網的安全可靠性，并獲取調節補償。儲能系統分成兩個模塊，接入位置應該同時考慮充電負荷與放電消納，結合電廠高廠變實際負載率，單個模塊采用兩條母線或電纜分別連接至電廠兩臺機組廠用工作1A（2A）、1C（2C）段，接入廠用電系統。儲能模塊廠用電母線接入方案原理圖如圖3所示。

根據試行規則規定，調節性能指標Kp計算如下：

Kp ij=max

+

，0

式中：Ve為燃煤、供熱燃氣機組標準調節速率，取1.5%×額定容量/min;Vij為機組i第j次的AGC調節速率;Ae為標準調節精度，取0.5%機組額定容量;Aij為機組i第j次的AGC調節精度。

機組額定功率為1 000 MW，因此標準調節速率為15 MW/min，標準調節精度為5 MW。

按照規則進行理論計算，接入30 MW儲能輔助調頻系統后，參考同類機組的運行數據，儲能接入后對應調節速率指標Vij/Ve平均估計在11左右。在聯合運行過程中，儲能系統可以有效補償火電機組的穩態調節誤差，從而改善系統聯合運行的調節精度。

4" " 基于混合型超級電容技術的火電機組儲能調頻技術經濟分析

4.1" " 建設期技術經濟分析

磷酸鐵鋰電池已在儲能領域獲得應用認可，目前國內絕大部分儲能調頻項目均采用磷酸鐵鋰電池。本文選取混合型超級電容與磷酸鐵鋰電池在儲能調頻領域進行技術和經濟性對比，具體如表1和表2所示。

4.2" " 運營期耗能分析

儲能系統運行期間需考慮其電量損耗，包括儲能設施充放電損耗、雙向功率變換裝置損耗、升壓變壓器損耗、主功率交直流電纜回路損耗等。

混合型超級電容充放電能量效率取95%;雙向功率變換裝置效率大于97%;升壓變壓器損耗按1%計算，交直流電纜回路損耗按1%計算。計算儲能系統全回路充放電能量效率η如下：

η=95%×97%×97%×（1-1%）×（1-1%）≈87.607%

參考國內同類項目實際運行測量數據，儲能系統長期運行負荷率50%，即長期運行平均功率為15 MW，有一半的時間處于調頻中狀態。以儲能系統年運行300天計算，則儲能系統年運行平均充放電損耗為：

15×12×300×（1-87.607%）≈6 692 MW·h

在儲能系統接入廠用電6 kV的開關柜安裝雙向電能計量表，進出電量的差值為項目的充放電損耗電量。

儲能系統輔助用電損耗主要為儲能電池和雙向功率變換裝置冷卻用電，還包括控制用電和照明用電等。根據本項目輔助系統設備配置，儲能系統輔助用電功率約800 kW，按50%平均運行負荷考慮為400 kW，年輔助用電損耗電量：

400×24×300/1 000=2 880 MW·h

由此可得儲能系統接入后發電機組年廠用電量增加：

6 692+2 880=9 572 MW·h

每年消耗電量折算費用：

9 572×0.443×1 000/10 000≈424 萬元

注：電價按江蘇省2022年1月—7月電廠平均上網標桿電價0.443元/（kW·h）計算。

以兩臺機組投入運行，每天15 000 MW，年運行300 d考慮，增加儲能后AGC補償費用達161 840元/d，扣除現有無儲能情況下的補償費用及耗電成本后的增量收益為2 811.14萬元/a。

5" " 結束語

混合型超級電容儲能具備能量與功率相結合的特點，安全可靠性高、溫度區間寬、壽命長，可應用于電力系統一次調頻和二次調頻。相比于磷酸鐵鋰儲能，其應用規模目前仍然偏小，但其經濟性已初步顯現。目前山西電網輔助服務已包含一次調頻，隨著其他省份電網輔助服務政策的跟進，混合型超級電容儲能調頻的市場規模和技術經濟優勢可進一步顯現。

[參考文獻]

[1] 毛慶漢.儲能聯合火電機組參與調頻輔助服務市場的工程應用[J].電氣技術，2021，22（7）：103-108.

[2] 李昌豪，汪書蘋，金翼，等.變電站磷酸鐵鋰電池的消防安全技術研究進展[J].電源技術，2021，45（7）：956-959.

[3] 張澄.鋰電池儲能技術參與循環流化床機組AGC調節的運用研究[D].北京：華北電力大學（北京），2016.

收稿日期：2023-10-13

作者簡介：陳大宣（1989—），男，江蘇鹽城人，高級工程師，研究方向：發電廠電氣設計。