中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布了電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)創(chuàng)新與應(yīng)用典型案例，旨在進(jìn)一步推動(dòng)行業(yè)安全、高質(zhì)量發(fā)展，總結(jié)、交流并推廣成功經(jīng)驗(yàn)與有益做法，發(fā)揮典型引領(lǐng)作用。以下為第十四個(gè)典型案例——“雙電層超級電容的9MW/5MWh混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)研究及應(yīng)用”。
雙電層超級電容的9MW/5MWh混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)研究及應(yīng)用
大唐魯北發(fā)電有限責(zé)任公司
一、典型案例簡介
采用“雙電層超級電容+鋰電池”混合儲(chǔ)能方案，相對純電池方案有反應(yīng)速度更快、爬坡能力更強(qiáng)、調(diào)節(jié)速度更快的優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目采用4MW/30S 超級電容+5MW/5MWh 磷酸鐵鋰電池混合儲(chǔ)能聯(lián)合火電機(jī)組調(diào)頻，混合儲(chǔ)能僅用于其中一臺(tái)機(jī)組機(jī)組調(diào)頻使用，當(dāng)一臺(tái)機(jī)組停運(yùn)時(shí)，通過切換開關(guān)參與另一臺(tái)機(jī)組調(diào)頻。由于雙電層超級電容儲(chǔ)能是本征安全的，目前方案采用的雙電層超級電容在儲(chǔ)能調(diào)頻中相對鋰電池更加安全，熱穩(wěn)定性更好。另外混合儲(chǔ)能算法優(yōu)先使用超級電容儲(chǔ)能，從而減少了惡劣工況對鋰電池的沖擊，減少了鋰電池?zé)崾Э氐母怕?，從而提升了整體系統(tǒng)的安全性和可免維護(hù)性，也提升了整體系統(tǒng)的使用壽命，采用獨(dú)特的火電機(jī)組的智能調(diào)頻優(yōu)化控制系統(tǒng)，解決了相關(guān)技術(shù)中采集后的原始參數(shù)不方便進(jìn)行系統(tǒng)化的優(yōu)化處理，同時(shí)原始數(shù)據(jù)在進(jìn)入仿真模擬時(shí)容易造成數(shù)據(jù)參數(shù)丟失，不方便直觀的看出兩種處理后的差值大小，不便于進(jìn)行細(xì)致化的調(diào)整的技術(shù)問題，優(yōu)化火電機(jī)組的能源消耗，提高能源利用效率，使發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，有助于提高火力電站的發(fā)電效率，降低電站運(yùn)行成本。
二、解決方案
建設(shè)4MW/30S超級電容+5MW/5MWh鋰電池，儲(chǔ)能系統(tǒng)6kV段，分為A、B兩段，每段2MW/30S+2.5MW/2.5MWh。儲(chǔ)能系統(tǒng)6 kV A、B 段分別接入號(hào)1、號(hào)2機(jī)組6kV母線A、B段?？煞謩e輔助號(hào)1、號(hào)2機(jī)組以2MW/30 S+2.5 MW/2.5MWh 同時(shí)參與調(diào)頻，或單獨(dú)任何一臺(tái)機(jī)組單機(jī)以4MW/30S+5MW/5MWh參與調(diào)頻，利用超級電容和電化學(xué)儲(chǔ)能混合儲(chǔ)能方式，尤其是混合儲(chǔ)能響應(yīng)速度快的特點(diǎn)配合火電機(jī)組做 AGC 調(diào)頻，可有效緩解由于頻繁 AGC 調(diào)節(jié)造成的火電機(jī)組設(shè)備疲勞和磨損，能夠穩(wěn)定機(jī)組出力，改善機(jī)組燃煤效率，提升機(jī)組的可用率及使用壽命，同時(shí)可獲得調(diào)頻補(bǔ)償收益以及有效避免兩個(gè)細(xì)則考核。
圖1 一次系統(tǒng)連接圖
圖2 現(xiàn)場布置圖
三、關(guān)鍵點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)
1.采用“雙電層超級電容+鋰電池”混合儲(chǔ)能技術(shù)
采用“雙電層超級電容+鋰電池”混合儲(chǔ)能方案，相對純電池方案有反應(yīng)速度更快、爬坡能力更強(qiáng)、調(diào)節(jié)速度更快的優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目采用4MW/30S 超級電容+5MW/5MWh 磷酸鐵鋰電池混合儲(chǔ)能聯(lián)合火電機(jī)組調(diào)頻，可分別輔助號(hào)1、號(hào)2機(jī)組以2MW/30S+2.5MW/2.5MWh 同時(shí)參與調(diào)頻，或單獨(dú)任何一臺(tái)機(jī)組單機(jī)以4MW/30S+5MW/5MWh 參與調(diào)頻。目前方案采用的雙電層超級電容在儲(chǔ)能調(diào)頻中相對鋰電池更加安全，熱穩(wěn)定性更好。另外混合儲(chǔ)能算法優(yōu)先使用超級電容儲(chǔ)能，從而減少了惡劣工況對鋰電池的沖擊，減少了鋰電池?zé)崾Э氐母怕?，從而提升了整體系統(tǒng)的安全性和可免維護(hù)性，也提升了整體系統(tǒng)的使用壽命。由于大量小容量頻繁調(diào)頻任務(wù)和對鋰電池有害的惡劣工況優(yōu)先由100萬次循環(huán)壽命的超級電容承擔(dān)，更加合理延長了電池壽命，4MW超級電容+5MW 鋰電池方案更是提升整體儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命一倍左右。本項(xiàng)目優(yōu)先使用超級電容來承擔(dān)調(diào)頻指令響應(yīng)，出力不足才用電池或機(jī)組跟上，而且要綜合考慮調(diào)頻性能、收益和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命。能量管理模塊會(huì)根據(jù)歷史 AGC 數(shù)據(jù)并結(jié)合機(jī)組指標(biāo)，電池系統(tǒng)參數(shù)，超容系統(tǒng)參數(shù)等信息，設(shè)定一個(gè)超容系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的最佳能量水平。在實(shí)際調(diào)頻運(yùn)行過程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電、放電活動(dòng)會(huì)讓實(shí)際的能量水平偏離最佳能量水平。能量管理模塊會(huì)協(xié)調(diào)機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)行小功率的充電、放電活動(dòng)，以減小能量偏移，盡量維持儲(chǔ)能系統(tǒng)在最佳的能量水平。
2.火電機(jī)組的智能調(diào)頻優(yōu)化控制系統(tǒng)
采用獨(dú)特的火電機(jī)組的智能調(diào)頻優(yōu)化控制系統(tǒng)，解決了相關(guān)技術(shù)中采集后的原始參數(shù)不方便進(jìn)行系統(tǒng)化的優(yōu)化處理，同時(shí)原始數(shù)據(jù)在進(jìn)入仿真模擬時(shí)容易造成數(shù)據(jù)參數(shù)丟失，不方便直觀的看出兩種處理后的差值大小，不便于進(jìn)行細(xì)致化的調(diào)整的技術(shù)問題。最終實(shí)現(xiàn)處理模組根據(jù)電網(wǎng)頻率幅度差和火電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)負(fù)荷補(bǔ)償量實(shí)現(xiàn)更精確的負(fù)荷分配實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率各項(xiàng)數(shù)據(jù)的優(yōu)化控制，其次還通過增設(shè)有處理備份模組將處理后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)存儲(chǔ)，可有效地防止數(shù)據(jù)丟失，仿真模擬的過程中可以對處理后的數(shù)據(jù)和所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，更加清晰直觀的看出數(shù)據(jù)之間的誤差值。
圖3 智能調(diào)頻優(yōu)化控制模型
3.火電機(jī)組的電站智能化控制系統(tǒng)及方法
采用火電機(jī)組的電站智能化控制系統(tǒng)及方法，將電站的蓄電池接入電網(wǎng),檢測到蓄電池的電量變化時(shí)，根據(jù)變化率評估電網(wǎng)需求,計(jì)算出電站的期望發(fā)電功率,再由期望發(fā)電功率計(jì)算火電機(jī)組鍋爐的蒸汽氣壓;包括：艙室分離模塊、品質(zhì)監(jiān)測模塊、蒸汽輸出模塊和投料控制模塊，電網(wǎng)反饋模塊用于評估電網(wǎng)需求，計(jì)算鍋爐氣壓，艙室分離模塊用于回收尾氣，并分離鍋爐艙室，品質(zhì)監(jiān)測模塊用于計(jì)算蒸汽輸出函數(shù)和驅(qū)動(dòng)蒸汽量，蒸氣輸出模塊用于混合兩個(gè)艙室的蒸汽，投料控制模塊用于調(diào)節(jié)燃料的投料速度和艙室中蒸氣的參數(shù)，能夠優(yōu)化火電機(jī)組的能源消耗，提高能源利用效率，使發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，有助于提高火力電站的發(fā)電效率，降低電站運(yùn)行成本。
4.超級電容 CMS 系統(tǒng)
儲(chǔ)能電容管理系統(tǒng)（CMS）是連接超級電容與儲(chǔ)能控制器（CMS/PCS）的紐帶，CMS 實(shí)時(shí)采集、處理電容組運(yùn)行過程中的重要信息，與儲(chǔ)能控制器進(jìn)行信息交互。系統(tǒng)采用電容總控單元（CAMS）、電容主控單元（CCMS）、電容信息監(jiān)控單元（CMUS）三級架構(gòu)體系管理電容，最優(yōu)化儲(chǔ)能電容效用；實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各單體電容的電壓、溫度信息以及電容組的充/放電電流等參數(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)電壓、電流、溫度等多級報(bào)警與故障診斷、故障隔離、故障恢復(fù)等保護(hù)措施；系統(tǒng)可以提供最合理的充放電策略；同時(shí)通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳電容的所有信息；通過均衡控制提高電容的一致性，有效提高超級電容的使用效率和使用壽命。
CMS 采用三級架構(gòu)，包括電容總控單元（CAMS），電容主控單元（CCMS），電容信息監(jiān)測單元（CMUS），其總系統(tǒng)架構(gòu)簡圖所示。CMUS 板處于控制系統(tǒng)的第三級，屬于電容信息監(jiān)控單元，其主要用于采集電容單體電壓信息、電容溫度信息、PCB 溫度信息和極柱溫度信息、均衡控制等。
四、實(shí)際成效
項(xiàng)目通過建設(shè)規(guī)模為4MW/30S超級電容+5MW/5MWh 鋰電池混合儲(chǔ)能調(diào)頻電站，可分別輔助號(hào)1、號(hào)2機(jī)組以4.5MW/2.5MWh同時(shí)參與調(diào)頻，或單獨(dú)任何一臺(tái)機(jī)組單機(jī)以9MW/5MWh參與調(diào)頻。2024年4月23日儲(chǔ)能系統(tǒng)正式投運(yùn)，截至目前混合儲(chǔ)能調(diào)頻電站運(yùn)行情況平穩(wěn)，受運(yùn)行人員手動(dòng)限負(fù)荷時(shí)長及機(jī)組供汽量影響，調(diào)頻綜合性能指標(biāo)Kp平均值為3.63左右（機(jī)組供汽量300t/h以下調(diào)頻綜合性能指標(biāo)Kp平均值可達(dá)到3.84），Kp 最優(yōu)值為4.081。
雙電層超級電容實(shí)際運(yùn)行中相較于傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)勢顯著。從功率密度來看，超級電容遠(yuǎn)高于電池等傳統(tǒng)儲(chǔ)能裝置，能在短時(shí)間內(nèi)提供或吸收大量電能，以應(yīng)對調(diào)頻指令的快速波動(dòng)。當(dāng)調(diào)頻指令出現(xiàn)變化時(shí)，超級電容可迅速響應(yīng)，瞬間輸出或吸收大功率電能，幫助火電廠快速調(diào)整出力，使電網(wǎng)頻率回歸穩(wěn)定。
超級電容的響應(yīng)速度極快，可在毫秒級時(shí)間內(nèi)完成充放電，而傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)如抽水蓄能、電池儲(chǔ)能等，響應(yīng)時(shí)間往往需要數(shù)秒甚至更長時(shí)間。超級電容的這一特性，使其在火電廠調(diào)頻中能夠更精準(zhǔn)地跟蹤指令變化，提高調(diào) 頻的控制精度。而且超級電容的循環(huán)壽命長，在頻繁的充放電過程中性能衰減緩慢，可長期穩(wěn)定運(yùn)行，大大降低了火電廠的維護(hù)成本與更換頻率。
雙電層超級電容的應(yīng)用，極大地提高了火電廠調(diào)頻的響應(yīng)速度和效率。超級電容的毫秒級響應(yīng)速度，使得火電廠能夠迅速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻指令。當(dāng)調(diào)頻指令出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，超級電容可在極短時(shí)間內(nèi)輸出或吸收電能，幫助火電機(jī)組快速調(diào)整出力。這一速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)火電機(jī)組自身的調(diào)頻響應(yīng)速度，有效解決了火電機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)慢的問題。超級電容的高功率密度特性，使其在調(diào)頻過程中能夠提供更大的功率支持，提高火電機(jī)組的調(diào)節(jié)速率。超級電容的精準(zhǔn)充放電控制，進(jìn)一步提升了調(diào)頻的控制精度，使火電廠的調(diào)頻效果更加理想。超級電容的加入，改善了機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)特性，增強(qiáng)了電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，超級電容能夠快速發(fā)揮作用，減少頻率波動(dòng)的幅度和持續(xù)時(shí)間，提高了電網(wǎng)的整體運(yùn)行質(zhì)量，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。
將大量的火電機(jī)組從長期的AGC 調(diào)頻任務(wù)中解放出來，穩(wěn)定出力并提高負(fù)荷率將很好地改善機(jī)組燃煤效率，緩解由于頻繁 AGC 調(diào)節(jié)造成的火電機(jī)組的設(shè)備疲勞和磨損，提升機(jī)組的可用率及使用壽命，進(jìn)一步促進(jìn)全社會(huì)的節(jié)能減排;提升電廠機(jī)組的 AGC 調(diào)頻能力，提高經(jīng)濟(jì)效益。
五、經(jīng)濟(jì)效益及推廣前景
將大量的火電機(jī)組從長期的AGC 調(diào)頻任務(wù)中解放出來，穩(wěn)定出力并提高負(fù)荷率將很好地改善機(jī)組燃煤效率，緩解由于頻繁 AGC 調(diào)節(jié)造成的火電機(jī)組的設(shè)備疲勞和磨損，提升機(jī)組的可用率及使用壽命，進(jìn)一步促進(jìn)全社會(huì)的節(jié)能減排;提升電廠機(jī)組的 AGC 調(diào)頻能力，提高經(jīng)濟(jì)效益。成果應(yīng)用后機(jī)組的調(diào)節(jié)性能指標(biāo)提高2倍實(shí)現(xiàn)增加AGC補(bǔ)償電量，提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。機(jī)組參與AGC調(diào)頻里程由6782.45MW增加為9100MW,AGC綜合性能指標(biāo)提高1.5倍年中標(biāo)率提升0.18%(66天)，年中標(biāo)價(jià)格提升0.6元/天。綜合年度收益較未建設(shè)調(diào)頻電站前翻一倍。
六、團(tuán)隊(duì)介紹
本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)共5人組成專業(yè)互補(bǔ)、執(zhí)行力強(qiáng)，深耕電力一線領(lǐng)域，成員均擁有多年行業(yè)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，覆蓋技術(shù)研發(fā)、項(xiàng)目執(zhí)行等關(guān)鍵板塊，團(tuán)隊(duì)秉持專業(yè)嚴(yán)謹(jǐn)、協(xié)同共贏的理念，形成了成熟的協(xié)作模式，精準(zhǔn)攻克行業(yè)實(shí)操中的多項(xiàng)關(guān)鍵難題。以扎實(shí)的專業(yè)能力和高效的團(tuán)隊(duì)配合，為項(xiàng)目推進(jìn)、價(jià)值創(chuàng)造提供堅(jiān)實(shí)支撐。
