中國儲能網(wǎng)訊：近日，中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布了電化學儲能行業(yè)創(chuàng)新與應(yīng)用典型案例，旨在進一步推動行業(yè)安全、高質(zhì)量發(fā)展，總結(jié)、交流并推廣成功經(jīng)驗與有益做法，發(fā)揮典型引領(lǐng)作用。以下為第十四個典型案例——“雙電層超級電容的9MW/5MWh混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)研究及應(yīng)用”。
雙電層超級電容的9MW/5MWh混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)研究及應(yīng)用
大唐魯北發(fā)電有限責任公司
一、典型案例簡介
采用“雙電層超級電容+鋰電池”混合儲能方案，相對純電池方案有反應(yīng)速度更快、爬坡能力更強、調(diào)節(jié)速度更快的優(yōu)點。本項目采用4MW/30S 超級電容+5MW/5MWh 磷酸鐵鋰電池混合儲能聯(lián)合火電機組調(diào)頻，混合儲能僅用于其中一臺機組機組調(diào)頻使用，當一臺機組停運時，通過切換開關(guān)參與另一臺機組調(diào)頻。由于雙電層超級電容儲能是本征安全的，目前方案采用的雙電層超級電容在儲能調(diào)頻中相對鋰電池更加安全，熱穩(wěn)定性更好。另外混合儲能算法優(yōu)先使用超級電容儲能，從而減少了惡劣工況對鋰電池的沖擊，減少了鋰電池熱失控的概率，從而提升了整體系統(tǒng)的安全性和可免維護性，也提升了整體系統(tǒng)的使用壽命，采用獨特的火電機組的智能調(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)不方便進行系統(tǒng)化的優(yōu)化處理，同時原始數(shù)據(jù)在進入仿真模擬時容易造成數(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，不便于進行細致化的調(diào)整的技術(shù)問題，優(yōu)化火電機組的能源消耗，提高能源利用效率，使發(fā)電機組實現(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，降低電站運行成本。
二、解決方案
建設(shè)4MW/30S超級電容+5MW/5MWh鋰電池，儲能系統(tǒng)6kV段，分為A、B兩段，每段2MW/30S+2.5MW/2.5MWh。儲能系統(tǒng)6 kV A、B 段分別接入號1、號2機組6kV母線A、B段?？煞謩e輔助號1、號2機組以2MW/30 S+2.5 MW/2.5MWh 同時參與調(diào)頻，或單獨任何一臺機組單機以4MW/30S+5MW/5MWh參與調(diào)頻，利用超級電容和電化學儲能混合儲能方式，尤其是混合儲能響應(yīng)速度快的特點配合火電機組做 AGC 調(diào)頻，可有效緩解由于頻繁 AGC 調(diào)節(jié)造成的火電機組設(shè)備疲勞和磨損，能夠穩(wěn)定機組出力，改善機組燃煤效率，提升機組的可用率及使用壽命，同時可獲得調(diào)頻補償收益以及有效避免兩個細則考核。
圖1 一次系統(tǒng)連接圖
圖2 現(xiàn)場布置圖
三、關(guān)鍵點與創(chuàng)新點
1.采用“雙電層超級電容+鋰電池”混合儲能技術(shù)
采用“雙電層超級電容+鋰電池”混合儲能方案，相對純電池方案有反應(yīng)速度更快、爬坡能力更強、調(diào)節(jié)速度更快的優(yōu)點。本項目采用4MW/30S 超級電容+5MW/5MWh 磷酸鐵鋰電池混合儲能聯(lián)合火電機組調(diào)頻，可分別輔助號1、號2機組以2MW/30S+2.5MW/2.5MWh 同時參與調(diào)頻，或單獨任何一臺機組單機以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。另外混合儲能算法優(yōu)先使用超級電容儲能，從而減少了惡劣工況對鋰電池的沖擊，減少了鋰電池熱失控的概率，從而提升了整體系統(tǒng)的安全性和可免維護性，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，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能系統(tǒng)的壽命一倍左右。本項目優(yōu)先使用超級電容來承擔調(diào)頻指令響應(yīng)，出力不足才用電池或機組跟上，而且要綜合考慮調(diào)頻性能、收益和電池儲能系統(tǒng)壽命。能量管理模塊會根據(jù)歷史 AGC 數(shù)據(jù)并結(jié)合機組指標，電池系統(tǒng)參數(shù)，超容系統(tǒng)參數(shù)等信息，設(shè)定一個超容系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的最佳能量水平。在實際調(diào)頻運行過程中，儲能系統(tǒng)的充電、放電活動會讓實際的能量水平偏離最佳能量水平。能量管理模塊會協(xié)調(diào)機組和儲能系統(tǒng)，進行小功率的充電、放電活動，以減小能量偏移，盡量維持儲能系統(tǒng)在最佳的能量水平。
2.火電機組的智能調(diào)頻優(yōu)化控制系統(tǒng)
采用獨特的火電機組的智能調(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)不方便進行系統(tǒng)化的優(yōu)化處理，同時原始數(shù)據(jù)在進入仿真模擬時容易造成數(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，不便于進行細致化的調(diào)整的技術(shù)問題。最終實現(xiàn)處理模組根據(jù)電網(wǎng)頻率幅度差和火電機組的運行參數(shù)，計算出最優(yōu)負荷補償量實現(xiàn)更精確的負荷分配實現(xiàn)電網(wǎng)頻率各項數(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數(shù)據(jù)進行及時存儲，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.火電機組的電站智能化控制系統(tǒng)及方法
采用火電機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，根據(jù)變化率評估電網(wǎng)需求,計算出電站的期望發(fā)電功率,再由期望發(fā)電功率計算火電機組鍋爐的蒸汽氣壓;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)測模塊用于計算蒸汽輸出函數(shù)和驅(qū)動蒸汽量，蒸氣輸出模塊用于混合兩個艙室的蒸汽，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)化火電機組的能源消耗，提高能源利用效率，使發(fā)電機組實現(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，降低電站運行成本。
4.超級電容 CMS 系統(tǒng)
儲能電容管理系統(tǒng)（CMS）是連接超級電容與儲能控制器（CMS/PCS）的紐帶，CMS 實時采集、處理電容組運行過程中的重要信息，與儲能控制器進行信息交互。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)化儲能電容效用；實時監(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)。可以實現(xiàn)電壓、電流、溫度等多級報警與故障診斷、故障隔離、故障恢復等保護措施；系統(tǒng)可以提供最合理的充放電策略；同時通過以太網(wǎng)實時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、實際成效
項目通過建設(shè)規(guī)模為4MW/30S超級電容+5MW/5MWh 鋰電池混合儲能調(diào)頻電站，可分別輔助號1、號2機組以4.5MW/2.5MWh同時參與調(diào)頻，或單獨任何一臺機組單機以9MW/5MWh參與調(diào)頻。2024年4月23日儲能系統(tǒng)正式投運，截至目前混合儲能調(diào)頻電站運行情況平穩(wěn)，受運行人員手動限負荷時長及機組供汽量影響，調(diào)頻綜合性能指標Kp平均值為3.63左右（機組供汽量300t/h以下調(diào)頻綜合性能指標Kp平均值可達到3.84），Kp 最優(yōu)值為4.081。
雙電層超級電容實際運行中相較于傳統(tǒng)儲能技術(shù)優(yōu)勢顯著。從功率密度來看，超級電容遠高于電池等傳統(tǒng)儲能裝置，能在短時間內(nèi)提供或吸收大量電能，以應(yīng)對調(diào)頻指令的快速波動。當調(diào)頻指令出現(xiàn)變化時，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，可在毫秒級時間內(nèi)完成充放電，而傳統(tǒng)儲能技術(shù)如抽水蓄能、電池儲能等，響應(yīng)時間往往需要數(shù)秒甚至更長時間。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)定運行，大大降低了火電廠的維護成本與更換頻率。
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。當調(diào)頻指令出現(xiàn)波動時，超級電容可在極短時間內(nèi)輸出或吸收電能，幫助火電機組快速調(diào)整出力。這一速度遠高于傳統(tǒng)火電機組自身的調(diào)頻響應(yīng)速度，有效解決了火電機組調(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，提高火電機組的調(diào)節(jié)速率。超級電容的精準充放電控制，進一步提升了調(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，改善了機組調(diào)頻響應(yīng)特性，增強了電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。在電網(wǎng)頻率波動時，超級電容能夠快速發(fā)揮作用，減少頻率波動的幅度和持續(xù)時間，提高了電網(wǎng)的整體運行質(zhì)量，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供了有力保障。
將大量的火電機組從長期的AGC 調(diào)頻任務(wù)中解放出來，穩(wěn)定出力并提高負荷率將很好地改善機組燃煤效率，緩解由于頻繁 AGC 調(diào)節(jié)造成的火電機組的設(shè)備疲勞和磨損，提升機組的可用率及使用壽命，進一步促進全社會的節(jié)能減排;提升電廠機組的 AGC 調(diào)頻能力，提高經(jīng)濟效益。
五、經(jīng)濟效益及推廣前景
將大量的火電機組從長期的AGC 調(diào)頻任務(wù)中解放出來，穩(wěn)定出力并提高負荷率將很好地改善機組燃煤效率，緩解由于頻繁 AGC 調(diào)節(jié)造成的火電機組的設(shè)備疲勞和磨損，提升機組的可用率及使用壽命，進一步促進全社會的節(jié)能減排;提升電廠機組的 AGC 調(diào)頻能力，提高經(jīng)濟效益。成果應(yīng)用后機組的調(diào)節(jié)性能指標提高2倍實現(xiàn)增加AGC補償電量，提高經(jīng)濟效益的目標。機組參與AGC調(diào)頻里程由6782.45MW增加為9100MW,AGC綜合性能指標提高1.5倍年中標率提升0.18%(66天)，年中標價格提升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、團隊介紹
本項目團隊共5人組成專業(yè)互補、執(zhí)行力強，深耕電力一線領(lǐng)域，成員均擁有多年行業(yè)實操經(jīng)驗，覆蓋技術(shù)研發(fā)、項目執(zhí)行等關(guān)鍵板塊，團隊秉持專業(yè)嚴謹、協(xié)同共贏的理念，形成了成熟的協(xié)作模式，精準攻克行業(yè)實操中的多項關(guān)鍵難題。以扎實的專業(yè)能力和高效的團隊配合，為項目推進、價值創(chuàng)造提供堅實支撐。
