锂电池和超级电容混合储能辅助火电调频技术发展现状和趋势

孙培锋, 陆王琳, 白 鹏, 陆启亮, 徐国昌, 蒋 信, 徐 凡

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司,上海 200240)

随着我国“双碳”目标的提出,以新能源为主体的新型电力系统不断深入发展,电网及电源结构发生了显著的变化,电力系统对调频资源的需求愈发迫切。目前,国内调频电源主要为火电机组,其在调频过程中普遍存在响应时滞长、调节精度差、调节反向等问题,很难满足电网调频需求。同时,火电机组在参与调频的过程中频繁升降负荷会加剧设备的疲劳和磨损[1-4]。

锂电池具有响应速快、短时功率吞吐强、调节灵活等优势,可在毫秒至秒内实现满功率输出;利用锂电池储能系统来辅助火电机组参与调频,可有效提升机组调频能力,缓解电网调频考核压力[5-6]。同时,利用锂电池储能系统辅助火电机组调频,可以避免火电机组频繁升降功率,使火电机组在经济工况附近稳定运行,达到节能减排的效果[7-8]。然而,锂电池储能系统在辅助火电机组参与电网调频时,需要不断在充放电状态间频繁切换,从而快速消耗锂电池的使用寿命;另外,锂电池储能系统辅助火电机组调频时需将大量锂电池电芯成组使用,运行过程中电芯的不一致性将导致部分电芯在使用过程中提前老化,从而使得该部分电池产生过充过放问题,进而引发锂电池储能系统容量快速衰减、使用年限缩短和安全隐患增加等问题[9-11]。

超级电容具有功率密度大、循环寿命长、响应快速等优点,也可用于辅助新能源场站和火电机组参与电网调频[12-14]。在电网的小幅度调频指令下,采用超级电容储能系统来辅助火电机组调频,可避免锂电池的频繁动作,从而大幅度延长锂电池的使用年限。但超级电容价格远高于锂电池,因此工程上使用超级电容来辅助火电机组调频的案例相对较少。

锂电池和超级电容的主要技术经济参数见表1[12,15-18]。

表1 锂电池和超级电容技术参数

将锂电池和超级电容按照一定的功率/容量比例组合形成混合储能系统,充分发挥2种不同类型储能各自的优点,用于辅助火电机组调频是一项极具发展潜力的技术[19-21]。但锂电池和超级电容混合储能辅助火电机组调频目前才刚起步,仅有少数示范工程建成或正在建设之中,其中很多原理和技术仍需深入研究。因此深入研究锂电池和超级电容混合储能辅助火电机组调频的关键技术,对于推动混合储能辅助调频的相关技术发展和项目落地具有重要意义。

1 混合储能功率/容量优化配置

目前,辅助火电机组调频用的混合储能系统的功率/容量大多根据工程经验,按火电机组装机规模的1.5%～3%进行配置[22]。但简单按照该比例来配置混合储能系统,容易导致混合储能系统偏大或偏小。若混合储能系统偏大,则系统利用率偏低、项目初投资偏高,降低了混合储能辅助调频的经济性;若混合储能系统偏小,则无法满足电网的调频需求。因此,需要根据具体工程情况来确定混合储能系统的配置。

为了实现混合储能系统功率/容量的优化配置,首先,需要确定优化原则,如混合储能系统功率/容量最小、投资最低、年综合成本最低、调频年净收益最大等单个目标或多目标的综合最优等。其次,需要根据优化配置原则分析混合储能系统功率/容量优化配置的主要影响因素:不同类型储能的技术特点(功率密度、能量密度、循环寿命、响应时间和运行效率等)、初投资、运维成本、充放电深度(DOD)、电网自动发电控制(AGC)调频指令的大小和时长、调频里程单价等。

本文论述的混合储能系统由锂电池和超级电容组成,由于超级电容储能系统的单位造价远高于锂电池储能系统,所以确定超级电容在混合储能系统中的最佳占比,以满足调频需求、实现调频收益最大化,是一个值得深入研究的问题。目前,鲜有辅助火电机组调频的锂电池和超级电容混合储能系统功率/容量优化配置的相关研究,已有混合储能系统功率/容量优化配置的研究主要集中于混合储能辅助新能源场站调峰调频及功率预测等。杨文强等[23]提出了一种计及不同类型储能出力特性、寿命和经济性等多影响因素,考虑储能系统能量及功率平衡、荷电状态(SOC)和出力置信度等多约束条件的风电场一次调频混合储能系统优化配置方法。该方法运用多时间尺度小波分析、储能容量迭代优化算法和雨流计数电池寿命预测等数值分析理论来实现锂电池和超级电容混合储能系统的功率/容量优化配置。以某400 MW风电场为例,计算了该风电场参与一次调频时在满足使用寿命前提下混合储能系统功率/容量的优化配置,结果表明:较纯锂电池和纯超级电容参与一次调频的情景,混合储能系统投资成本分别降低27.48%和22.60%。马兰等[24]以实现混合储能系统日均运行成本最低和最大化平抑风电波动为目标,构建了基于多步模型算法控制的混合储能平抑-定容双层规划模型。上层模型以储能最小出力和储能充放平衡为目标函数,采用多步模型算法求解出混合储能总作用域,然后通过滑动平均滤波将总作用域分解为锂电池作用域和超级电容器作用域,使超级电容器作用于控制序列变化率较大的部分,锂电池作用于控制序列的平滑部分。同时,结合储能运行策略和上层求解结果,建立下层超级电容和锂电池的容量最优配置模型,采用多目标哈里斯鹰算法求解上述模型,实现锂电池和超级电容混合储能系统容量的优化配置。以新疆某50 MW风电场2020年风功率实测数据为例,优化配置的混合储能系统可以将风功率的并网波动率降低16%,且混合储能系统日均运行成本较利用快速非支配排序遗传算法和多目标粒子群算法得到优化配置的混合储能系统日均运行成本分别降低3.35%和1.40%,验证了混合储能容量优化配置的有效性。姜有华等[25]针对风电场提出一种基于小波去噪和经验模态分解的混合储能系统容量优化配置方法。首先,采用小波分析对风电输出功率信号进行小波去噪;其次,采用经验模态分解对去噪后的功率信号进行分解;再次,将储能系统内部功率指令划分与系统容量配置相结合,以储能系统容量配置成本最小为目标,建立混合储能容量优化模型;最后,通过穷举对不同分界点所对应的容量配置成本确定最优储能容量配置。以某40 MW风电场的历史数据为例,通过仿真验证了在实现平抑风电输出功率波动的目标下,混合储能系统相比纯锂电池和纯超级电容储能系统,可有效降低储能系统的容量,相应降低系统成本分别约22.80%和42.12%。孟贤等[26]以混合储能系统成本最低、弃风率最小、用电满意度最高为目标函数,提出了考虑风电消纳需求和用户用电需求响应的混合储能容量优化模型,并利用多目标粒子群算法进行求解。以装机容量为1 000 kW的风机为例,利用Matlab进行仿真,分析验证了结合需求侧响应的混合储能系统优化配置模型,可有效降低锂电池和超级电容混合储能系统的容量配置,降低系统成本26%,弃风率从24.37%降低到0.38%,负荷缺电率从21.76%降低到2.78%。

虽然混合储能系统功率/容量优化配置领域已经取得了一定的研究成果,但是仍需关注以下问题:(1) 不同类型储能系统的效率折损;(2) 电网对混合储能系统和火电机组系统的调频指令下发情况,是否能在电力调频市场中有足够的参与度;(3)未来考虑碳交易相关的收益。

2 混合储能拓扑结构优化

2.1 高压级联

2.1.1 高压级联对效率的提升

调频领域主流的锂电池或超级电容单体电芯额定电压大多不高于4 V,而储能调频系统接入电网的电压等级通常为6～35 kV。因此,需要通过串并联的方式将几百上千的锂电池和超级电容单体电芯连接起来成组应用。

目前主要有2种单体电芯成组方式:(1) 常规储能电站采用汇流升压的储能形式,多级串并联汇流升压后,再通过大容量双向变流器(PCS)转换为交流电后与电网系统连接;(2) 级联型储能系统通过多个小容量、分散式PCS单元(基于模块化H桥链式拓扑,每个PCS对应的储能单元侧并联一个抑制谐波电路)串联升压的方式直接升压到6～35 kV后不经升压变压器直接并网。

常规汇流升压的储能形式需要设置1个变压器与电网进行连接,变压器的充、放电过程和空载损失总计会产生约3%的效率损耗。另外,常规汇流升压型储能系统串并联成组后,会在并联的电池簇之间产生环流,电池簇并联的数量越多,产生的环流损耗越大。汇流升压型储能系统结构如图1所示[28]。

图1 汇流升压型储能系统结构示意图

级联型储能系统没有电池簇的并联,也没有电流环流导致的容量及效率损耗,理论效率较常规汇流升压型储能系统高,适用于中压和高压储能系统。级联型储能系统结构如图2所示。刘畅等[27]研究发现高压级联储能系统中不同H桥功率单元对应的电池簇数量及每相级联功率模块数下,高压级联储能系统的综合效率(电池簇能量利用率与PCS功率转换效率的乘积)在92.66%～92.84%。据浙江绍兴某高压级联储能电站现场实际运行情况,扣除储能电站辅机自用电后,整个高压级联储能电站的交流侧电-电效率约91%。可见,无论是试验研究还是工程实践,高压级联储能系统的效率均显著高于常规汇流升压型储能系统。

图2 级联型储能系统结构示意图

H桥级联分散式PCS结构可使绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关频率大幅降低,有效减小开关损耗。级联型储能系统无需配置变压器,没有变压器导致的效率损耗;同时,因为高压级联型储能系统无需通过集中式PCS即可直接并网,该类型的储能系统动态响应速度更快。另外,级联型储能辅助调频系统单机容量大,系统造价及占地面积均略低于常规汇流升压型储能系统。目前,国内已有多个高压级联储能示范项目建成投运或在建设之中。

鉴于级联型储能系统的优点,很多研究人员开展了级联型储能系统的相关研究。黄思林等[28-29]研究了高压级联结构的储能系统,发现其具有综合效率高、协调控制能力强、响应时间短和可靠性高等优点,可应用于辅助火电机组参与电网调频领域。祁琦等[30]研究发现利用直流/直流(DC/DC)变化器可以抑制高压级联型储能系统中的直流侧二次谐波,避免电流二次谐波对储能电池寿命的影响。陶以彬等[31]采用高压级联型储能系统来平抑新能源场站功率波动和参与电网辅助服务,提出了适用于该系统的主动支撑电网频率和电网故障穿越控制策略并进行了仿真验证,并提出了高压级联型储能系统各个关键参数的设计方法和主动支撑电网频率的控制策略。阎怀东等[32]提出了高压级联型储能系统电网不平衡条件下的控制及保护策略,该策略可在电压出现不平衡或储能系统变流器模块出现故障时,仍能保证整个高压级联型储能系统高效、正常工作。宋晋峰等[33]针对级联型储能系统中双源有桥变换器在宽增益范围下由于回流功率及开关时刻大电流导致效率降低的问题,在三移相调制策略的基础上提出了一种以导通损耗与开关损耗之和最小为优化目标,基于内点法的优化调制策略,构建了双源有桥在不同增益下统一的损耗模型,在保证开关管软开通的基础上,根据不同的电池输出电压,利用内点法得到移相角的最优值,使得储能系统在各SOC工况下均运行于较高效率区间。

2.1.2 高压级联对电芯不一致性的改善

锂电池电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜等组成,其充放电过程涉及一系列物理化学反应,长期运行会使得电芯的活性材料损失和极化损失[34],进而导致电芯的老化衰减。

对于几百甚至几千个锂电池单体电芯组成的储能辅助调频系统,其投运一段时间后,电芯单体的衰减老化程度不一致会使得各电芯的电压、内阻、SOC和自放电率等参数不一致,从而使得部分电芯在锂电池储能系统运行时存在过充和过放现象,最终导致整个锂电池储能系统的效率下降、容量衰减、使用年限缩短和安全隐患增加等问题[10,35-36]。据研究,大规模成组的锂电池电芯比单体锂电池电芯的性能衰减更快,通常只能达到单体寿命的40%～70%[9]。

对电芯进行筛选能在一定程度上改善电芯的不一致性,但运行一段时间后电芯受环境温度、SOC、充放电深度和充放电倍率等因素[37]的影响,各单体电芯之间还是会产生较大的不一致性。传统汇流升压拓扑结构的储能系统中,只能通过电池主动或者被动均衡技术来改善单体电芯不一致性导致的电量不平衡问题,这会导致系统元器件和造价的增加,以及系统效率的下降。

高压级联拓扑结构的储能系统取消了常规汇流升压型储能系统相对较大的集中式PCS,代之以多个相对较小的分散式PCS;单个PCS所管理的锂电池单体电芯的数量也大幅度减少,使得单个PCS可以更好地针对电芯不一致性差异进行调整,大幅减少电芯的过充过放问题对锂电池循环寿命的影响。

研究人员开展的高压级联拓扑结构对锂电池不一致性改善的相关研究也证明了相关结论。户艳琴等[37]在并网型级联储能系统中基于改进下垂控制的电池组SOC均衡控制策略,通过调整分配修正系数,利用分散式PCS对相应的电池单元进行调整,使得各单元电池组的SOC平衡,减少了锂电池单体电芯不一致性的影响。马智远等[38]在海上风电场配套的高压级联型储能系统中,提出了一种基于SOC均衡的模块间功率电压自主分配协调控制策略,通过逆变器进行直流母线电压控制实现了储能系统输出功率与逆变器输入电压控制的解耦,利用储能系统协调控制策略,通过PCS的调节实现了不同电池单元间的SOC均衡控制,减少了锂电池单体电芯不一致性的影响。叶晗等[39]针对级联型储能系统电池SOC不均衡问题,即现有的相内SOC均衡控制策略存在不同负载率适应性不足、极度不均衡时可能过调制等缺点,提出一种自适应的相内SOC均衡策略,在不同运行工况下通过调整均衡系数来达到均衡效果,并通过仿真验证了该策略能有效地改善级联型储能系统在轻载、重载等不同工况下的适应性和均衡效果。周京华等[40]研究利用分散式PCS控制载波三角波来实现级联型储能系统中电池单元间的SOC均衡,保证了电池单元运行期间不过充过放,并通过仿真验证了该方法的有效性。

2.2 模块化多电平(MMC)拓扑结构

目前,混合储能系统中锂电池储能系统和超级电容储能系统接入电网系统的方式主要有2种[41]:(1) 交流母线侧并联,如图3所示。锂电池储能系统和超级电容储能系统作为2个相对独立的系统,通过各自的直流/交流(DC/AC)变流器,接入交流母线。(2) 直流母线侧并联,如图4所示。锂电池储能系统和超级电容储能系统均接入直流母线,在直流母线侧实现深度耦合后,再通过1个DC/AC变流器接入交流母线。

图3 交流母线侧并联的混合储能拓扑结构

图4 直流母线侧并联的混合储能拓扑结构

第一种拓扑结构的混合储能系统运行灵活,但系统元件多、投资高且综合效率低,整个系统的控制参数较多,控制难度较大。

第二种拓扑结构的混合储能系统可利用MMC变流器将能量型的锂电池储能系统和功率型的超级电容储能系统在直流侧耦合,有机组合为1个混合储能,实现对超级电容储能系统和锂电池储能系统的直接控制。MMC变流器能连接直流电系统和交流电系统,实现交直流系统和储能系统间任意方向的能量传递。常规混合储能系统中,超级电容储能系统和锂电池储能系统通过各自的DC/AC变流器并联接入交流母线需要单独进行控制,无法通过1套电池管理系统(BMS)和PCS系统进行控制。MMC拓扑结构的混合储能系统则取消了常规混合储能系统中超级电容储能系统和锂电池储能系统需各自配置的BMS和PCS,大大简化了系统元件,提高了混合储能系统的效率,响应迅速。另外,MMC的电能质量好,模块化集成度高,适用于高压、大容量的输配电领域。目前,该拓扑结构的储能系统已广泛应用于电动机车制动系统和新能源场站的功率波动抑制等领域。

MMC级联型混合储能系统的拓扑结构如图5所示,该结构可充分发挥锂电池储能系统和超级电容储能系统各自的优点,优化储能系统的功率输出[42]。该技术非常适合于对于可靠性要求较高的辅助调频系统,当MMC的直流侧或交流侧系统发生故障时,只要切除故障部分设备,系统其余部分设备依然可以正常运行,整个混合储能系统的可靠性大大增强。

图5 MMC级联型混合储能拓扑结构

目前也有一些关于采用MMC拓扑结构的混合储能系统用于辅助调频的研究成果。蔡婉琪[43]提出了一种基于全桥型MMC的锂电池和超级电容混合储能系统拓扑结构,并针对该拓扑结构设计了输出功率控制和锂电池SOC均衡控制的双层控制策略,其中输出功率控制包含交流侧有功、无功控制和超级电容功率控制,锂电池SOC均衡控制包含相间SOC均衡控制、上下桥臂SOC均衡控制和桥臂内SOC均衡控制。采用该拓扑结构的混合储能系统可以平抑风电场功率波动,提供频率支持。刘子豪[44]研究了MMC拓扑结构的储能系统的受端暂时功率盈余情况下的故障穿越策略。以消纳功率盈余为目标,设计了储能SOC系统控制方案;同时,针对受端暂态工况下因换流阀中电容充放电功率不平衡而产生的电容电压能量分布不均衡问题,建立储能型MMC换流器的功率和能量模型,提出了结合储能SOC系统控制方案的“准比例-谐振”的内环控制和改进功率外环控制的故障穿越策略。该策略可以在抑制直流侧功率振荡的同时实现储能型MMC受端功率盈余下的故障穿越,仿真结果验证了所提策略的合理性。杨志才[45]提出了适用于新能源场站的锂电池和超级电容混合储能的MMC拓扑结构,将超级电容单体和锂电池单体揉合在直流侧的一个子模块中,实现了锂电池和超级电容混合储能的深度耦合,可提高混合储能系统的稳定性和可靠性。孙凯胜[46]研究了混合储能系统的不同拓扑结构后发现,采用MMC拓扑结构的混合储能系统拓扑结构可使锂电池和超级电容储能系统的容量配置更加灵活,从而更好地平抑风电场的并网功率波动。郭龙等[47]研究发现采用MMC拓扑结构的储能系统中,通过载波移相调制的锂电池荷电状态策略可实现对单个储能单元功率的快速控制,但是其存在控制策略较为复杂的缺点。汪晋安等[48]提出了MMC拓扑结构的分布式储能电池SOC均衡优化控制策略,可兼顾电流波动抑制。该控制策略采用双环控制:外环针对相间、桥臂间和子模块间电池SOC差异,建立离散时域预测功率模型,通过负反馈控制生成动态电流参考值;内环设计了模型预测优化控制策略,准确追踪动态电流参考值,实现电池SOC均衡、提高电池能量利用率,并提高系统的动态响应能力以及抑制电池电流纹波,延长电池使用寿命。

虽然储能系统高压级联和MMC拓扑结构已经取得了上述研究成果,但仍需关注以下问题和技术:(1) 在储能系统规模不断扩大的趋势下,如何使级联型储能PCS做到大容量、高效率、稳定运行;(2) 关注基于MMC拓扑结构的储能系统中多类谐波抑制技术,提高交、直流侧的电流质量,研究交流侧(直流侧)谐波经过MMC向直流侧(交流侧)传递机理;(3) MMC拓扑结构的储能系统相间环流及其抑制策略的研究。

3 混合储能控制策略

混合储能系统在辅助火电机组参与电网二次调频时具有快速精确的负荷跟踪能力。为充分发挥锂电池和超级电容各自的优点,需根据外部调频指令,在混合储能系统内部优化充放电功率分配,使得能量型的锂电池储能系统承担调频指令中的稳态分量,而功率型的超级电容承担调频功率中的瞬态分量。因此,选择合适的运行控制策略对于混合储能系统调频性能改善、经济性提高具有重要意义。

很多研究人员开展了混合储能系统内部锂电池和超级电容的控制策略的研究,并取得了一些相关成果。王佳等[49]提出了一种混合储能系统协调控制策略,采用下垂控制和虚拟电压源,实现混合储能功率分配、超级电容荷电状态恢复以及母线电压补偿,并且消除了超级电容SOC恢复对混合储能系统瞬时功率分配产生的影响。刘士奇等[20]提出了混合储能系统分层功率协调分配策略,可充分发挥超级电容的功率特性对系统综合收益的调节能力;相比于传统滤波类功率分配策略,采用该控制策略可提升调频服务利润,缩短投资回收期,提升混合储能系统提供调频辅助服务的技术经济性。张芳等[50-51]提出了一种锂电池和超级电容混合储能系统的动态比例功率分配控制策略,结果表明:动态比例功率分配控制策略不仅能够减小锂电池电量波动及其变化率,而且能够提高系统充放电效率和稳定性。廖力等[52]提出了一种基于多步预测的模型预测控制混合储能系统双闭环优化控制策略,结果表明:优化控制策略减小了系统超调量,提高了混合储能系统的动态响应速度。杨丰萍等[53]提出一种由超级电容与锂电池组成的改进自抗扰控制综合储能控制系统,实现储能控制单元的恒流充放电,从而弥补了传统比例-积分控制系统的缺陷,结果表明:该控制策略在保证电网稳定运行的同时,可达到更好地平抑直流母线电压波动的效果,提高了系统的动态响应。肖家杰等[5]提出了基于模糊分配因子的电池储能参与二次调频策略,结果表明:该策略可以实现储能系统的高效利用。张雨萌[54]提出了一种基于差额分配的改进控制策略,通过预测储能系统的运行状态实现调频过程中对储能系统充放电倍率的控制,仿真和计算结果验证了该策略的优越性。

在混合储能系统控制策略领域,虽然已经取得了上述研究成果,但是仍需关注以下问题和技术:(1) SOC的准确估算;(2) 基于电池SOC均衡的储能系统协调控制、SOC均衡及故障冗余问题;(3) 混合储能系统和火电机组之间的调频需求分配及控制策略。

4 MMC级联型混合储能技术特点分析

4.1 技术优势

4.1.1 延长锂电池使用寿命

目前技术发展水平下,锂电池的循环寿命约6 000次。根据实际案例经验,纯锂电池储能系统在调频场景下频繁地进行充放电,通常在3～5 a内就需要更换电芯。锂电池和超级电容混合储能系统可优先动作循环寿命达到10万次以上的超级电容来响应电网小幅度且频繁的调频需求,显著减少混合储能系统中锂电池的频繁充放电动作,延长锂电池的使用寿命,进而延长整个混合储能系统的使用寿命。锂电池使用年限的延长,可减少项目运行期内锂电池储能系统电芯的更换成本,电芯的更换成本占整个锂电池储能系统初投资的30%～40%,即混合储能可以显著减少储能电站运行后的运维成本。

李政[21]研究发现对所配置的锂电池和超级电容混合储能系统进行优化后,在电网小指令下优先动作超级电容,避免锂电池储能系统的频繁充放电动作,可将锂电池储能系统的使用年限延长约70%,进而将混合储能系统年综合运行成本降低75%～85%。

4.1.2 高安全性和高效率

高压级联拓扑结构的混合储能系统用多个分散式PCS可更好地实现电池单元间的SOC均衡,大幅度减轻电池的过充过放问题,从而提高系统安全性。采用高压级联拓扑结构的混合储能系统没有传统拓扑结构中电池簇的并联回路,没有产生环流及其导致的损耗,故可显著提升储能系统效率,较常规汇流升压拓扑结构的储能效率提高5%～6%[27]。

2023年11月,某35 kV高压级联型储能系统顺利通过并网性能测试。该项目35 kV高压级联型储能系统效率最高达92.43%[55](充/放电能量分别为40.55 MW·h/37.48 MW·h),刷新了锂电池储能系统工程实践上的效率新高度,证明了高压级联型储能系统突出的效率优势。

4.1.3 深度耦合和灵活响应

MMC拓扑结构的混合储能在直流侧实现了锂电池和超级电容两种不同类型储能的深度耦合,可直接对锂电池和超级电容进行控制,充分发挥两种类型储能的优势,兼顾能量密度和功率密度。同时,该拓扑结构的直流侧通常备用一定量的冗余子模块,当某些子模块发生故障时,系统可快速切除故障部分设备,通过备用的冗余子模块保证系统正常运行,使得整个混合储能系统的可靠性大大增强。MMC拓扑结构的混合储能不使用PCS直接并网,控制与应用灵活,大大简化了系统元件,提高了系统效率,使整个系统的响应更加迅速,非常适用于响应速度要求极高的储能辅助调频领域。

4.2 技术不足

MMC级联型混合储能系统也存在一些不足[56-58],主要为:混合储能系统的初投资高于纯锂电池储能系统,且初投资增加的比例会随着超级电容配置比例的增加而增加;高压级联拓扑结构的混合储能系统结构较为复杂、高度模块化的难度较大且运维难度较高;MMC拓扑结构对于锂电池和超级电容的协调控制难度较高,且容易失稳。

5 混合储能辅助调频工程案例

目前,国内用于辅助火电机组调频的混合储能主要为锂电池储能和飞轮储能混合系统。采用锂电池和超级电容的混合储能系统辅助火电机组调频的工程案例相对较少。2023年4月投运的华能集团罗源电厂(2台66万kW的火电机组)配置的15 MW/7.5 MW·h锂电池+5 MW/4 min超级电容组成的混合储能系统,是目前全球最大容量的锂电池和超级电容混合储能调频系统,极大地提高了电厂调频能力。投运后电厂调频时间可提升14倍以上,调节速率可提升4倍以上,调节精度可提升3倍以上,大幅提升了现有储能调频系统的灵活性、综合性能、使用寿命和经济性[59]。2023年11月,珠海金湾发电有限公司首个锂电池和超级电容混合储能的火储联合调频项目并网投产。金湾发电有限公司在2台60万kW火电机组侧建设了1套16 MW/8 MW·h锂电池+4 MW/0.67 MW·h超级电容的混合储能系统以辅助火电机组调频[60]。金湾电厂配置混合储能系统后,其调频能力显著提高,效能在国内同类型燃煤机组中名列前茅,该项目的投运还有效提升燃煤机组灵活性调节能力,节能、低碳、环保多重效益显著。该项目的投运还提升了区域电网的调频能力,有效保障了电网的安全稳定,为电网新能源消纳和安全稳定运行提供强有力技术支撑,为经济社会高质量发展提供更加安全可靠的电力供应保障。

罗源电厂和金湾发电有限公司这2个混合储能辅助调频项目的成功投运和相关研究充分证明了锂电池和超级电容混合储能辅助调频技术的安全性、可靠性、经济性,对构建新型电力系统、助力“双碳”目标实现具有积极作用。

另外,还有一些地方政府规划了锂电池和超级电容混合储能项目,充分利用2种不同类型储能系统各自优点,参与当地电网的调峰调频服务,提升电网的调节能力,如安徽省宿州市灵璧县220 MW/400 MW·h共享混合储能调频电站(项目内含200 MW/400 MW·h磷酸铁锂电池储能系统+20 MW/30 s超级电容储能系统)和山西省襄垣县的“源网荷储”一体化40 MW/80 MW·h锂电池+10 MW/0.5 MW·h超级电容混合储能试点示范项目。

6 结论

锂电池和超级电容混合储能辅助火电调频技术拥有广阔的应用前景,目前也有少量示范工程建成或在建设之中,但仍需研究解决一些关键技术问题,以推动混合储能系统辅助调频技术的商业化发展。

需要进一步关注混合储能系统中锂电池储能系统的安全性问题,尤其是调频场景下,大规模成组应用的锂电池因频繁大功率充放电过程中电池不一致性导致的过充过放引发的安全性问题。

需要进一步优化容量配置方法,针对具体的应用场景和工况,综合考虑锂电池和超级电容混合储能系统的工程初投资、运行效率、运维成本及当地调频政策等因素,确定最优的锂电池和超级电容的功率/容量配置比例,以最小的工程初投资实现调频收益最大化。

目前,混合储能控制策略主要是针对混合储能系统内部不同类型储能的控制,需要进一步研究混合储能和火电机组2个系统间的协调优化控制策略。同时,需要研究基于MMC等新型拓扑结构的锂电池储能系统和超级电容储能系统间的协调控制,尤其是当调频指令变化时,实现混合储能系统内部功率的动态优化分配。

进一步关注储能系统的数字化、智能化技术发展及应用,如锂电池的SOC精确估算、PCS控制算法及优化设计的数字化建模,以提高功率/容量优化配置的精度和可靠性等。

需要关注新型、高效混合储能系统拓扑结构潜在的振荡失稳风险,研究拓扑结构的受扰动特性。同时,需要优化混合储能系统的直流侧拓扑结构,深入研究拓扑结构内部的响应和调整机制,如对于MMC拓扑结构的混合储能,还需要研究上下桥臂的SOC均衡和环流问题,以更好地发挥锂电池和超级电容2种储能系统的作用,尤其是解决因两者电压相等导致的对超级电容功率发挥的限制。

关注不同类型新型储能技术的发展,如飞轮储能系统的技术成熟度和成本下降水平,并时刻关注新型储能在火储联合调频领域中的应用进展。

本文对混合储能系统辅助火电机组调频的关键技术进行了梳理,并提出了需要关注和解决的相关问题,以期为相关业务的发展提供有力的支撑。