面向一次调频的镍氢电池系统开发

近年来开发利用新能源技术已成为世界各国保障能源安全、应对气候变化、走可持续发展道路的重要举措

。由于新能源具有明显的波动性和间歇性，大规模接入电网会降低电力系统的转动惯量水平和抗扰动能力，导致电网一次调频能力下降，引起频率的不稳定

。目前，我国主要是应用传统机组进行一次调频，但是随着其装机比例逐渐萎缩，电网中将会出现调频资源不足的问题。另外，若长期依靠火电机组承担频率调节任务，也会造成发电设备磨损、煤耗增高、备用容量导致的发电损失等一系列负面影响

。快速发展的储能技术具有响应时间短、调节速率快、调节精度高等优势

，可作为优质的调节资源参与到电网的一次调频，从而有效地缓解传统机组的调频压力。

随着水资源商品化思想的不断推广，许多法律和政策文件已接受水是商品的观念，最著名的当属都柏林水与可持续发展声明，它的指导原则之一便是水具有经济价值，应该承认它是经济产品。过去没有承认水的经济价值导致出现水资源浪费，将水视为经济商品是实现它高效、公平使用的重要途径，有助于鼓励人们保护水资源。依据水资源商品化的逻辑，水是可以进行市场定价的商品，定价后的水资源可以避免浪费。既然水是一种商品，那么创设水权市场来分配水资源无疑是最佳选择。

一次调频具有短时功率大、持续时间短、充放电频次高等特性，宜选用功率型储能技术。目前，国内外学者对功率型的储能系统参与一次调频已进行了较多的研究和应用。例如，Swierczynski等

测试表明1.6 MW/400 kWh的锂离子电池储能系统成功地为丹麦电力市场提供一次调频服务，并具备较高经济收益。文献[10-11]中仿真分析结果表明，飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频可以减小火电机组的调频负担。Huang等

针对峰期和非峰期两个典型工况对超级电容器参与一次调频进行了仿真分析，结果表明12 MW-10 s的小容量系统可以实现最佳的调频效果。然而，上述研究主要都集中在锂离子电池、飞轮储能和超级电容器三种储能方式，关于大容量、高功率镍氢电池储能系统参与一次调频的研究则较少。

(4)包装可以进行复制。可复制是说包装要通过某些形式或通过一定的技术可以将包装进行批量复制。如果某个包装不可以进行批量复制，个性化过强，就不利于发挥产品的自身价值，其自身价值不能得到体现，企业花费的人力物力不能为其创造出应有的利益。复制手段多种多样，可以进行批量生产，达到人类视觉感知的效果。

镍氢电池和目前主流的锂离子电池储能技术相比(表1)，具有功率性能好、系统单位功率带电量低以及电池的利用率高等优点。同时，镍氢电池采用的是水系电解液，可以避免大电流频繁充放条件下电池热失控带来的安全性问题。与现有的超级电容器和飞轮储能技术相比，镍氢电池在能量密度和系统一次投入成本上也具有一定的优势。从上述几种典型的功率型储能器件对比来看，镍氢电池的综合性能较好，是一次调频技术中最有发展潜力的储能方式。

锡是我国优势金属资源，锡石多金属硫化矿是我国特色锡矿资源。由于锡石性脆，在选矿生产中存在锡石过磨和硫化矿欠磨的突出矛盾，影响锡的金属回收率和硫化矿精矿质量。考虑到该类矿石的矿物组成复杂，涉及硫化矿、氧化矿和脉石等众多矿物成分，且不同矿物成分存在较大的吸波特性差异，因此，本文从利用微波选择性加热潜力出发，研究传统加热与微波加热预处理对锡石多金属硫化矿助磨的差异，旨在探索锡石多金属硫化矿的微波加热辅助磨矿新途径。

图4是火电机组和储能系统参与一次调频的协调控制逻辑。如图所示，当火电机组单独响应一次调频时，发电机组的调速器系统会根据一次调频死区之外的频率偏差值，按照下垂控制(

=Δ

/Δ

)的方法，通过调节汽轮机阀门的动作来增减机组的输出功率。由于一次调频的频繁动作会造成设备有较大的磨损，因此如果将小频差的调节任务主要分配给储能系统承担，则可改善阀门运行条件，并提升安全可靠性。

1 镍氢电池工作原理

（1）在镍氢电池组单体最高温度＞45 ℃，Δ

和SOC参数为任意值，此时Δ

=0，储能系统执行禁止充电和放电，保证系统温度维持在合理的范围内。

镍氢电池的正极通常通过镍化合物粘贴到泡沫镍基体中制成，负极采用储氢合金涂层的带孔镍箔或泡沫镍。其正负极片均具有大表面积的多孔结构以及高的电子导电性，因此镍氢电池具备低内阻和高倍率特性。此外，镍氢电池还具有环境友好，回收价值高，寿命长以及维护成本低的优点

。目前，国内生产的镍氢电池以小容量、低倍率、偏能量型为主，在小型数码类产品、电动工具、混合动力以及港口机械等领域均有一定的应用

。

第二个维度是基于对“专业化的实施主体”的理解。Wilensky[7](1964)认为专业化过程有两个最重要的步骤，第一步是建立培训学校，提供专业培训；第二步是成立专业组织，建立规章制度、道德准则等各种结构性制度，划定清晰的职业道德法则。Abbott[8](1988)则提出了专家与顾客之间“专业知识的非对称性”关系，这一关系使得社会必须信任专业工作者，认可其专业地位。因此，专业化的实施主体有四个：政府、专业组织、大学与社会。政府颁布相关的法律法规规范专业发展，专业组织维护与巩固其专业地位，大学和培训机构提供专业的教育培训。此外，专业化还需要社会整体环境对其专业地位的认可[9]。

2 储能系统容量配置和控制策略

2.1 储能系统功率/容量配置设计

基于《并网发电厂辅助服务管理实施细则(试行)》和《发电厂并网运行管理实施细则(试行)》两个细则的管理办法的要求，一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自动反应，调整有功出力减少频率偏差所提供的服务，是传统机组的必备功能。通常情况下，储能系统辅助火电机组参与一次调频时，其死区设置大小和火电机组一致，为49.967～50.033 Hz(±2 r/min)。图2是储能系统功率输出跟随频率变化的响应过程。在死区范围内，储能系统可以不参与电网一次调频，当电网频率越过死区处于低频时(＜49.967 Hz 或2998 r/min)储能系统通过放电为传统发电机组增加输出功率，当电网频率处于高频时(＞50.033 Hz 或3002 r/min)可以作为机组的厂用负荷吸收功率，来达到一次调频的效果。

（2）在镍氢电池组单体最高温度≤45 ℃，电池SOC参数在40%～60%时，当Δ

≥0，Δ

=min(Δ

，

)；Δ

＜0，Δ

=max(Δ

，-

)。

为了得到储能系统的功率设计，统计了西北地区某火电机组典型工况下的频率偏差值以及概率密度曲线，如图3(a)、(b)所示。通过对频率差信号进行分析，按照火电机组的调速器模型，得到了典型周内机组对一次调频负荷的需求分布[图3(c)]。从图中可以看出，死区之外的频率差信号大多数在2997～2998 r/min 及3002～3003 r/min 范 围 内，且死区之外的频率波动以及负荷需求近似符合正态分布。基于95%置信区间的计算结果，系统功率配置超过5 MW之后，再增加功率对满足一次调频需求所带来的收益较小。此外，大部分的功率需求持续时间都在1 min 以内，正向/反向调节的功率、频次也基本相近。因此，储能系统配置的电池需同时具备大功率充电和放电的能力，容量大小能够在满功率的情况下支持2 min 以上。根据上述功率需求和镍氢电池的特性，下文研制了最大使用倍率为10 C、最大功率输出持续时间可达6 min以及能够满足机组多个周期内的一次调频需求的高功率镍氢电池。因此，通过上述分析，储能系统的功率/容量配置在5 MW/0.5 MWh，能有效且经济地辅助火电机组响应一次调频。

2.2 控制策略

因此，为了探索镍氢电池储能技术在一次调频中的应用潜力，本文首先基于火电机组的一次调频实际工况，研究了镍氢电池储能系统参与一次调频的容量配置和控制策略。其次，针对目标容量为5 MW/0.5 MWh的储能系统，研制了高功率镍氢电池单体、模块以及系统，并对其进行了性能测试的研究，最后对镍氢电池储能系统进行了简单的成本核算。

由于镍氢电池储能系统满功率最大持续时间为6 min，长时间单方向向上或向下的小频差调节会导致电池过充/过放以及温升过高的问题，影响镍氢电池的使用寿命。因此，为了使储能系统在全生命周期内高效地满足一次调频的需求，本文综合考虑了镍氢电池的充放电特性、电网频率偏差、电池SOC和温度等因素，在文献[17]的基础上建立了镍氢电池储能系统参与一次调频的综合优化控制逻辑，如图5 所示。在图5 所示的控制逻辑中，原来由火电机组响应的调频动作量Δ

的信号可以传递给协同控制器，协调控制器实时收集电池温度和SOC 状态等信息进行综合判断，最终给储能系统装置分配调频动作量Δ

。其中Δ

为调速器系统根据频率偏差计算的输出功率；SOC 为镍氢电池系统的荷电状态；Δ

为储能系统实时功率输出；

为储能系统的额定功率。

储能系统功率输出Δ

综合判断逻辑如下。

镍氢电池由金属氢化物(MH)负极、Ni(OH)

正极和KOH 水系电解液以及隔膜构成，图1 为镍氢电池的工作原理，其化学反应

如下：

3) 根据管道的设计温度和运行温度，得到最低温度为60 ℃，作为冲击试验温度，管道未经过焊后热处理(PWHT)，脆性断裂次因子见表6所列，通过查表6，利用插值法计算，得到低温

鲁迅对国民性的改造是以暴露农民身上的弱点为切入口的，从而推及其他群体直至全体国民。鲁迅笔下的阿Q这一农民身上几乎具有所有国民性的弱点，他愚昧无知，麻木不仁，封建落后，自欺欺人。其中以“精神胜利法”最为典型。作者对阿Q这一形象的批判是十分尖锐，不留情面的。试想：如不敢揭示疮疤，像阿Q那样习惯忌光忌亮，“用瞒和骗，造出奇妙的逃路来，而自以为正路，在这路上，就证明着国民性的怯懦、懒惰、而又滑。一天一天的满足着，即一天一天的堕落着，但又觉得日见其光荣。”那么中国人民就要继续做帝国主义、封建统治者的奴隶，而且心安理得地活下去。

（4）在镍氢电池组单体最高温度≤45 ℃，电池SOC＞90%时，当Δ

＞0，Δ

=0，储能系统执行禁止充电；Δ

＜0，Δ

=max(Δ

，-

)；当Δ

=0，Δ

=-

，储能系统在死区调节范围内将电池SOC向下拉至平衡。

针对5 MW/0.5 MWh最终目标的一次调频储能系统，本文首先研制了1.2 V/50 Ah 的单体电池，该单体电池容量的大小既保证了储能系统集成对大容量电池的要求，又能同时满足单体电池制造工艺和内部散热的要求。之后依次将单体电池串联组成24 V/50 Ah 的电池模块和720 V/50 Ah 的电池系统并进行测试分析。

上述控制逻辑中，储能系统功率Δ

的输出通过电池温度、动态SOC以及火电机组下垂功率Δ

来综合确定，既兼顾了系统寿命和SOC 恢复的需求，又能保证储能的出力深度。

3 电池系统研制与测试

（6）在镍氢电池组单体最高温度≤45 ℃，电池SOC＜10%时，当Δ

＞0，Δ

=max(Δ

，-

)；Δ

＜0，Δ

=0，储能系统执行禁止放电；当Δ

=0，Δ

=

，储能系统在死区调节范围内将电池SOC向上拉至平衡。

教学各环节的处理缺少有效的方法,尤其是难点的处理缺少层次,缺少让学生必要的思考、探究、感悟,老师讲得多,学生主体参与不够,影响了学生知识的构建和能力的提高。老师考虑的是教学任务的完成,并没有关注学生是否理解、掌握了,尤其是对那些不爱发言的同学更少关注,不提问,不了解他们的想法,原本生动的课堂只是少数学生与老师的对话,显得冷清。

3.1 1.2 V/50 Ah的镍氢电池单体

正负极采用端面焊接的大圆柱结构，并通过正负极N/P比例、泡沫镍面密度、电解液配方、极片厚度以及生产工艺等优化设计，制备了1.2 V/50 Ah高功率镍氢电池单体，如图6(a)所示。该镍氢电池单体的功率性能好，分别在0.5 C、1 C、2 C、3 C、5 C、10 C倍率条件下,充/放电容量可达额定容量50 Ah 的90%以上[图6(b)、(c)]。相比于传统的能量型镍氢电池和锂离子电池，具有明显的功率优势。同时电池在50% SOC 平衡电量的状态下，分别在5 C和10 C条件下最大可持续充/放电6 min和3 min，且15 s 浅充/放周期(相当于4% DOD 放电深度)的运行寿命超过了48万次[图6(d)]。上述测试结果表明，高功率镍氢电池在秒级的大电流工况条件下具有高的寿命可靠性。

3.2 24 V/50 Ah的镍氢电池模块

将上述20个高功率镍氢电池单体串联成24 V/50 Ah 的电池模块，各电池单体按照4×5 的排列放置在绝缘隔板上，配上电池管理系统中的主动均衡模块单元，并在每两个单体电池之间采集电池的温度和电压信息，实时对电池运行状态进行监控，其结构设计如图7所示。为防止电池在大电流条件下的温度升高过快，在电池模块的结构中设有强制风冷系统，实现单体电池运行温度的一致性，提高电池的能量效率并延长寿命。图8是在室温条件下对该电池模块以500 A(10 C)充电至截止电压32 V，搁置0.5 h，再以500 A 放电至截止电压22 V 的制度进行高倍率充放电试验，以测试单体电池之间电压和温度分布的一致性。从图8中可以看出，电池单体之间最大压差仅为92 mV，最大温差为6 ℃，证实了单体之间电压和温度的均一性。

图9 是电池模块按照火电机组8 h 内一次调频工况和2.1 节中的控制策略开展测试后所得到电池模块出力深度、电压以及荷电状态(SOC)的图。由测试结果可知，电池的输出功率能快速响应频率的波动信号，同时电池SOC 状态基本维持在30%～60%区间，工作状态良好。8 h 长周期工况测试，验证了镍氢电池模块参与一次调频的出力效果以及可行性。

3.3 720 V/50 Ah的镍氢电池系统

将30个上述标准化的电池模块串联组成720 V/50 Ah 的电池系统后，可实现对外输出360 kW 的功率。由于测试设备功率限制，本文以最大允许的电流250 A(5 C)对该电池系统进行充放电功率实验，结果如图10 所示。从图中可以看出，该电池系统5 C 倍率条件下的充放电曲线和1.2 V 单体电池相似，充放电持续时间可达20 min，库仑效率为90%，能量效率为75%。由此可以看出，串联设计的电池系统可以和镍氢电池单体、模块一样具备优异的功率性能。

3.4 镍氢电池系统成本核算

储能成本是决定储能技术应用和产业发展规模的重要参数

。在功率型储能应用场景中，一般采用功率成本指标(万元/MW)来评价储能技术的系统成本。镍氢电池储能系统的初始投入成本可以简单分为直流侧设备成本、交流侧设备成本以及系统集成成本。本文开发的高功率镍氢电池系统的直流侧设备总成本大概在600 万～700 万元/MWh，其中镍氢电池单体的容量成本占90%，电池管理系统成本和成组成本大概各占5%。考虑到已投运的火储联合调频项目中，功率型磷酸铁锂电池系统容量按2 C 方案配置的项目较为常见。因此，本文将镍氢电池系统(10 C 方案)与功率型磷酸铁锂电池系统(2 C方案)的成本进行了简单的对比，见表2。从表中可以看出，镍氢电池系统初始投入成本比锂离子电池系统低75万～125万元，同时功率成本也略占优势(低15 万～25 万元/MW)。但需要指出的是，高功率镍氢电池的能量成本高于功率型磷酸铁锂电池，且6 min 时长的镍氢电池储能系统暂不适合应用于电网的二次调频。

4 结 论

（1）通过一次调频的工况真实数据分析，并结合镍氢电池最大充放电倍率特性，提出了储能系统辅助火电机组参与一次调频的最优功率/容量配置。并基于机组负荷需求、电池荷电状态(SOC)以及电池温度等因素综合考虑，建立了镍氢电池储能系统参与一次调频的协调控制策略。

（2）以5 MW/0.5 MWh为最终目标的一次调频储能系统，研制了高功率的镍氢电池单体、电池模块以及电池系统。1.2 V/50 Ah 镍氢电池单体具有10 C 的倍率特性以及浅放电深度下48 万次的长寿命，24 V/50 Ah 电池模块以及720 V/50 Ah 电池系统可以在大功率测试条件下稳定工作。

（3）本文的研究给火电机组一次调频技术提供了一种新的储能方式，测试结果对下一步研究镍氢电池储能技术在一次调频工程应用具有重要的参考意义。

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