鋰電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)在燃煤電廠的應(yīng)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(tǒng)，可以迅速響應(yīng)輔助調(diào)頻市場需求，有效延長鋰電池壽命，增加調(diào)頻收益。從南方某電廠實際投產(chǎn)的混合儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行方式、控制策略、經(jīng)濟(jì)效益等多角度出發(fā)，介紹了鋰電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)在燃煤機組中的結(jié)構(gòu)特點和實際商業(yè)運行情況，為火電廠混合儲能系統(tǒng)發(fā)展提供了有價值的參考。

關(guān)鍵詞：混合儲能鋰電池超級電容輔助調(diào)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(fā)電機組的原有盈利空間被極度壓縮。當(dāng)前，國內(nèi)燃煤電廠的運營狀態(tài)大多處于盈虧線附近，且隨著新能源的不斷深入發(fā)展，大量太陽能、風(fēng)能等可再生能源電源被接入電網(wǎng)，使電網(wǎng)部分時段的負(fù)荷波動速率較大，對電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

南方某電廠的鋰電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)在2023年10月份被投入運行，經(jīng)過7個月的連續(xù)運行，不僅系統(tǒng)穩(wěn)定性高，且?guī)砹丝捎^的經(jīng)濟(jì)效益。本文從南方某電廠混合儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行方式、控制策略、經(jīng)濟(jì)效益等多角度出發(fā)進(jìn)行研究，不僅為同類型的混合儲能系統(tǒng)發(fā)展提供了一定參考，為當(dāng)前面臨經(jīng)營壓力的火力發(fā)電機組擺脫困境帶來一定的啟發(fā)，也有利于推動鋰電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)的發(fā)展。

1混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合儲能系統(tǒng)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?；旌蟽δ芟到y(tǒng)被接入該廠用電系統(tǒng)后，對該廠變的容量配置、廠用電繼電保護(hù)與控制、電氣校核與電能質(zhì)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(lián)合調(diào)頻儲能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般分為低壓匯流并聯(lián)升壓結(jié)構(gòu)和高壓級聯(lián)結(jié)構(gòu)。南方某電廠為3、4號2×600MW國產(chǎn)超臨界燃煤發(fā)電機組，為增加儲能系統(tǒng)聯(lián)合機組調(diào)頻的靈活性，采用低壓匯流并聯(lián)升壓的結(jié)構(gòu)，以“一拖二”接線方式接入#3、4號機組廠用電系統(tǒng)。南方某電廠混合儲能系統(tǒng)由16MW/8MWh鋰電池+4MWh/0.67MWh超級電容構(gòu)成，將儲能系統(tǒng)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(cè)6kV母線。

2混合儲能系統(tǒng)運行方式分析

在聯(lián)合儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)中，是自動發(fā)電控制（AutomaticGenerationControl，AGC）令由電網(wǎng)端發(fā)送至火電機組英文全稱遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)（RemoteTerminalUnit，RTU），經(jīng)RTU轉(zhuǎn)發(fā)至電廠分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）系統(tǒng)。接收到電網(wǎng)AGC指令后，DCS正常響應(yīng)AGC指令，同時將AGC指令轉(zhuǎn)發(fā)至儲能控制系統(tǒng)EMS。由于火電機組的自身響應(yīng)速度慢，儲能系統(tǒng)利用自身響應(yīng)速度快的特點，使機組和儲能聯(lián)合出力迅速跟蹤AGC指令功率。當(dāng)機組響應(yīng)功率跟上AGC指令功率之后，混合儲能系統(tǒng)出力逐漸降低，并準(zhǔn)備下一次的AGC指令響應(yīng)[2]。

儲能系統(tǒng)主控單元根據(jù)接收到的AGC指令和機組出力等運行數(shù)據(jù)，經(jīng)過算法，算出AGC指令和機組出力功率差，確定儲能系統(tǒng)出力指令，并下發(fā)至儲能系統(tǒng)本地控制器。本地控制器根據(jù)系統(tǒng)下發(fā)的出力指令，通過計算并發(fā)送至PCS協(xié)調(diào)控制裝置。接收儲能控制系統(tǒng)EMS指令后，PCS協(xié)調(diào)控制裝置根據(jù)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(dāng)AGC指令需要發(fā)電機組增加發(fā)電功率時，儲能系統(tǒng)向廠高變放電，幫助發(fā)電機組完成AGC上調(diào)功率指令；反之，當(dāng)AGC指令需要減小發(fā)電功率時，廠高變向儲能系統(tǒng)充電，幫助發(fā)電機組完成AGC下調(diào)功率指令[3]。

3混合儲能系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢分析

火電機組輔助調(diào)頻系統(tǒng)參與輔助調(diào)頻市場中標(biāo)后，接收的AGC指令調(diào)節(jié)速率快，小功率調(diào)頻指令較多。南方某電廠在2024年某日全時段中標(biāo)時，AGC 指令調(diào)頻時長統(tǒng)計如圖2。當(dāng)日，大部分AGC指令以短時間功率值為主，30s內(nèi)的AGC指令占比為58.2%，AGC指令持續(xù)時長在3min以內(nèi)的占比超過90%。針對AGC調(diào)頻指令頻繁，要求火電機組的儲能系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速率，及較高的調(diào)節(jié)精度。超級電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長、響應(yīng)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(shù)水平和生產(chǎn)工藝下，超級電容的循環(huán)壽命可達(dá)5萬次以上，鋰電池的循環(huán)壽命約為5000次，鋰電池的循環(huán)壽命遠(yuǎn)小于超級電容的循環(huán)壽命。表1為某日全時段中標(biāo)時南方某電廠調(diào)頻功率范圍及次數(shù)統(tǒng)計。當(dāng)天的調(diào)頻功率0～4MW的累計次數(shù)為286次，占比為18.3%，其中，4MW～20MW的調(diào)頻次數(shù)為1141次，占比為73%，由此可見，在廣東電網(wǎng)火電機組參與輔助調(diào)頻市場后，機組接收的小指令明顯增加。因此，在電網(wǎng)的小幅度的調(diào)頻指令下，采用超級電容儲能系統(tǒng)來輔助火電機組調(diào)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(tǒng)的控制策略

混合儲能系統(tǒng)對于鋰電池和超級電容的出力分配，需要根據(jù)機組接收AGC指令大小、鋰電池和超級電容的實際運行狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)分配。在機組接收小功率調(diào)頻時，可以充分利用超級電容循環(huán)次數(shù)多、壽命長的特點，由超級電容優(yōu)先響應(yīng)。針對混合儲能單元之間能量分配不協(xié)調(diào)、能量利用率低和動態(tài)性能差等問題，采用動態(tài)功率優(yōu)化控制，可以使得混合儲能系統(tǒng)處在較好的工作區(qū)間?；旌蟽δ芟到y(tǒng)也可以建立以提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為目標(biāo)的控制策略，依據(jù)電池儲能荷電狀態(tài)，設(shè)置超級電容儲能運行規(guī)則，可以有效提升調(diào)頻輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)收益。

南方某電廠儲能控制系統(tǒng)EMS基于電網(wǎng)側(cè)下發(fā)的AGC指令大小、鋰電池與超級電容的剩余電量態(tài)、超級電容與鋰電池的平準(zhǔn)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(tǒng)充分發(fā)揮超級電容的壽命優(yōu)勢，采用的是“電容優(yōu)先”的策略。在AGC指令與機組實發(fā)功率偏差在4MW指令范圍內(nèi)時，全部由超級電容進(jìn)行調(diào)頻響應(yīng)，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(huán)次數(shù)之比約為6：1。通過調(diào)整控制策略，在混合儲能系統(tǒng)實際運行中，充分發(fā)揮了超級電容的優(yōu)勢，減少了鋰電池的循環(huán)次數(shù)。2023年10月至2024年4月，南方某電廠混合儲能系統(tǒng)超級電容轉(zhuǎn)換效率為88.05%、磷酸鐵鋰電池轉(zhuǎn)換效率為88.27%。在混合儲能系統(tǒng)投運半年以來，鋰電池和超級電容的轉(zhuǎn)換效率基本相同。

5混合儲能的經(jīng)濟(jì)效益

南方某電廠混合儲能系統(tǒng)投入運行后，大幅提升了機組的調(diào)頻能力，調(diào)頻服務(wù)市場中標(biāo)次數(shù)明顯增加，調(diào)頻里程和調(diào)頻收益大幅提升。通過南方某電廠調(diào)頻收益前后數(shù)據(jù)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(jīng)濟(jì)效益顯著提升。按照目前的調(diào)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(jié)論

超級電容相比于鋰電池，具有功率密度高、循環(huán)壽命長、響應(yīng)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(tǒng)，在AGC小功率指令下，優(yōu)先響應(yīng)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(tǒng)在南方某電廠的實際應(yīng)用，證明采用超級電容和鋰電池的混合儲能系統(tǒng)，可以有效提升火電機組的調(diào)頻性能、增加調(diào)頻收益，提升機組的市場競爭力。

參考文獻(xiàn)

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