鋰電池和超級電容混合儲能系統在燃煤電廠的應用與研究

摘要：燃煤機組通過采用鋰電池和超級電容混合儲能系統，可以迅速響應輔助調頻市場需求，有效延長鋰電池壽命，增加調頻收益。從南方某電廠實際投產的混合儲能系統的系統結構、運行方式、控制策略、經濟效益等多角度出發，介紹了鋰電池和超級電容混合儲能系統在燃煤機組中的結構特點和實際商業運行情況，為火電廠混合儲能系統發展提供了有價值的參考。

關鍵詞：混合儲能鋰電池超級電容輔助調頻

ApplicationandResearchofLithiumBatteryandSupercapacitorHybridEnergyStorageSysteminCoal-FiredPowerPlants

WEIShengmengLIUHongliang

GuangdongZhuhaiJinwanPowerGenerationCo.，Ltd.，Zhuhai，GuangdongProvince，519050China

Abstract：Byadoptinglithiumbatteryandsupercapacitorhybridenergystoragesystem，coal-firedpowerunitscanrapidlyrespondtothedemandsoftheauxiliaryfrequencyregulationmarket，effectivelyextendsthelifespanoflithiumbatteriesandincreasesfrequencyregulationrevenue.Startingfrommultipleperspectivessuchasthesystemstructure，operationmode，controlstrategy，andeconomicbenefitsofthehybridenergystoragesystemactuallyputintooperationinapowerplantinthesouth，thispaperintroducesthestructuralcharacteristicsandactualcommercialoperationofthelithiumbatteryandsupercapacitorhybridenergystoragesystemincoal-firedunits，providingavaluablereferenceforthedevelopmentofhybridenergystoragesystemsinthermalpowerplants.

KeyWords：Hybridenergystorage;Lithiumbattery;Supercapacitor;Frequencymodulation

隨著燃煤成本的大幅提高，燃煤發電機組的原有盈利空間被極度壓縮。當前，國內燃煤電廠的運營狀態大多處于盈虧線附近，且隨著新能源的不斷深入發展，大量太陽能、風能等可再生能源電源被接入電網，使電網部分時段的負荷波動速率較大，對電網的安全和穩定運行帶來了巨大的挑戰。

南方某電廠的鋰電池和超級電容混合儲能系統在2023年10月份被投入運行，經過7個月的連續運行，不僅系統穩定性高，且帶來了可觀的經濟效益。本文從南方某電廠混合儲能系統的系統結構、運行方式、控制策略、經濟效益等多角度出發進行研究，不僅為同類型的混合儲能系統發展提供了一定參考，為當前面臨經營壓力的火力發電機組擺脫困境帶來一定的啟發，也有利于推動鋰電池和超級電容混合儲能系統的發展。

1混合儲能系統結構

混合儲能系統主要由電池組、超級電容組、變壓器、變流器、配電裝置和控制單元等組成。混合儲能系統被接入該廠用電系統后，對該廠變的容量配置、廠用電繼電保護與控制、電氣校核與電能質量等均無影響，不需要改變原有的廠用電運行方式[1]。

火電機組聯合調頻儲能系統的拓撲結構，一般分為低壓匯流并聯升壓結構和高壓級聯結構。南方某電廠為3、4號2×600MW國產超臨界燃煤發電機組，為增加儲能系統聯合機組調頻的靈活性，采用低壓匯流并聯升壓的結構，以“一拖二”接線方式接入#3、4號機組廠用電系統。南方某電廠混合儲能系統由16MW/8MWh鋰電池+4MWh/0.67MWh超級電容構成，將儲能系統分為7.5MW、7.5MW、5MW，分別接入6kV廠用電A/B/C三段母線，如圖1所示。電池組和超級電容接在變流器，通過變壓器升壓后連接于廠高變低壓側6kV母線。

2混合儲能系統運行方式分析

在聯合儲能輔助調頻系統中，是自動發電控制（AutomaticGenerationControl，AGC）令由電網端發送至火電機組英文全稱遠程終端控制系統（RemoteTerminalUnit，RTU），經RTU轉發至電廠分散控制系統（DistributedControlSystem，DCS）系統。接收到電網AGC指令后，DCS正常響應AGC指令，同時將AGC指令轉發至儲能控制系統EMS。由于火電機組的自身響應速度慢，儲能系統利用自身響應速度快的特點，使機組和儲能聯合出力迅速跟蹤AGC指令功率。當機組響應功率跟上AGC指令功率之后，混合儲能系統出力逐漸降低，并準備下一次的AGC指令響應[2]。

儲能系統主控單元根據接收到的AGC指令和機組出力等運行數據，經過算法，算出AGC指令和機組出力功率差，確定儲能系統出力指令，并下發至儲能系統本地控制器。本地控制器根據系統下發的出力指令，通過計算并發送至PCS協調控制裝置。接收儲能控制系統EMS指令后，PCS協調控制裝置根據鋰電池和超級電容的運行狀況，分配鋰電池和超級電容的出力。當AGC指令需要發電機組增加發電功率時，儲能系統向廠高變放電，幫助發電機組完成AGC上調功率指令；反之，當AGC指令需要減小發電功率時，廠高變向儲能系統充電，幫助發電機組完成AGC下調功率指令[3]。

3混合儲能系統的技術優勢分析

火電機組輔助調頻系統參與輔助調頻市場中標后，接收的AGC指令調節速率快，小功率調頻指令較多。南方某電廠在2024年某日全時段中標時，AGC 指令調頻時長統計如圖2。當日，大部分AGC指令以短時間功率值為主，30s內的AGC指令占比為58.2%，AGC指令持續時長在3min以內的占比超過90%。針對AGC調頻指令頻繁，要求火電機組的儲能系統具有較快的響應速率，及較高的調節精度。超級電容器具有功率密度高、循環壽命長、響應速度快、安全性高等特性，非常契合該運行工況[4]。

在目前的技術水平和生產工藝下，超級電容的循環壽命可達5萬次以上，鋰電池的循環壽命約為5000次，鋰電池的循環壽命遠小于超級電容的循環壽命。表1為某日全時段中標時南方某電廠調頻功率范圍及次數統計。當天的調頻功率0～4MW的累計次數為286次，占比為18.3%，其中，4MW～20MW的調頻次數為1141次，占比為73%，由此可見，在廣東電網火電機組參與輔助調頻市場后，機組接收的小指令明顯增加。因此，在電網的小幅度的調頻指令下，采用超級電容儲能系統來輔助火電機組調頻，可避免鋰電池的頻繁動作，從而延長鋰電池的使用壽命[5]。

4混合儲能系統的控制策略

混合儲能系統對于鋰電池和超級電容的出力分配，需要根據機組接收AGC指令大小、鋰電池和超級電容的實際運行狀態進行協調分配。在機組接收小功率調頻時，可以充分利用超級電容循環次數多、壽命長的特點，由超級電容優先響應。針對混合儲能單元之間能量分配不協調、能量利用率低和動態性能差等問題，采用動態功率優化控制，可以使得混合儲能系統處在較好的工作區間。混合儲能系統也可以建立以提升系統經濟性指標為目標的控制策略，依據電池儲能荷電狀態，設置超級電容儲能運行規則，可以有效提升調頻輔助服務的經濟收益。

南方某電廠儲能控制系統EMS基于電網側下發的AGC指令大小、鋰電池與超級電容的剩余電量態、超級電容與鋰電池的平準化度電成本，合理分配鋰電池與超級電容的出力，保證機組的綜合效益最大化。南方某電廠混合儲能系統充分發揮超級電容的壽命優勢，采用的是“電容優先”的策略。在AGC指令與機組實發功率偏差在4MW指令范圍內時，全部由超級電容進行調頻響應，超過4MW的指令再分配給電池，即利用了超級電容的較高性能，同時也最大程度地延長了鋰電池的使用壽命。2023年10月至2024年4月，鋰電池和超級電容的循環次數之比約為6：1。通過調整控制策略，在混合儲能系統實際運行中，充分發揮了超級電容的優勢，減少了鋰電池的循環次數。2023年10月至2024年4月，南方某電廠混合儲能系統超級電容轉換效率為88.05%、磷酸鐵鋰電池轉換效率為88.27%。在混合儲能系統投運半年以來，鋰電池和超級電容的轉換效率基本相同。

5混合儲能的經濟效益

南方某電廠混合儲能系統投入運行后，大幅提升了機組的調頻能力，調頻服務市場中標次數明顯增加，調頻里程和調頻收益大幅提升。通過南方某電廠調頻收益前后數據分析，2023年10月至2024年4月，南方某電廠儲能項目累計收益超過3000萬元，月均收益約438萬元，相比儲能投運前平均K值提升2.76倍，月均收益提升40倍，經濟效益顯著提升。按照目前的調頻收益，南方某電廠的混合儲能項目在一年半左右便可收回成本。

6結論

超級電容相比于鋰電池，具有功率密度高、循環壽命長、響應速度快、安全性高等特點。通過采用超級電容和鋰電池的混合儲能系統，在AGC小功率指令下，優先響應超級電容，可以有效延長超級電容的使用壽命。本文通過介紹分析混合儲能系統在南方某電廠的實際應用，證明采用超級電容和鋰電池的混合儲能系統，可以有效提升火電機組的調頻性能、增加調頻收益，提升機組的市場競爭力。

參考文獻

[1]鄒杰，周占平，邵國棟.用于火儲聯合調頻的多元混合儲能系統應用及經濟性分析[J].山東電力技術，2024，51（6）：20-26.

[2]郝俊偉，樊艷芳.考慮需求響應優先級的配電終端虛擬電廠優化調度研究[J].可再生能源，2024，42（5）：647-654.

[3]上官玉金，謝長君，劉芙蓉，等.鋰電池與超級電容混合儲能系統拓撲結構優化[J].電源技術，2022，46（1）：83-86.

[4]趙磊，王明明，崔進波，等.儲能電池輔助火電機組二次調頻的設計與應用[J].電氣技術與經濟，2024，（4）：64-67.

[5]謝小偉，劉云亮，林宏澤，等.基于退役電廠的風光儲一體化系統及經濟性分析[J].供用電，2024，41（4）：72-78.