鋰電池和超級電容混合儲能輔助火電調頻技術發展現狀和趨勢

孫培鋒, 陸王琳, 白 鵬, 陸啟亮, 徐國昌, 蔣 信, 徐 凡

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司,上海 200240)

隨著我國“雙碳”目標的提出,以新能源為主體的新型電力系統不斷深入發展,電網及電源結構發生了顯著的變化,電力系統對調頻資源的需求愈發迫切。目前,國內調頻電源主要為火電機組,其在調頻過程中普遍存在響應時滯長、調節精度差、調節反向等問題,很難滿足電網調頻需求。同時,火電機組在參與調頻的過程中頻繁升降負荷會加劇設備的疲勞和磨損[1-4]。

鋰電池具有響應速快、短時功率吞吐強、調節靈活等優勢,可在毫秒至秒內實現滿功率輸出;利用鋰電池儲能系統來輔助火電機組參與調頻,可有效提升機組調頻能力,緩解電網調頻考核壓力[5-6]。同時,利用鋰電池儲能系統輔助火電機組調頻,可以避免火電機組頻繁升降功率,使火電機組在經濟工況附近穩定運行,達到節能減排的效果[7-8]。然而,鋰電池儲能系統在輔助火電機組參與電網調頻時,需要不斷在充放電狀態間頻繁切換,從而快速消耗鋰電池的使用壽命;另外,鋰電池儲能系統輔助火電機組調頻時需將大量鋰電池電芯成組使用,運行過程中電芯的不一致性將導致部分電芯在使用過程中提前老化,從而使得該部分電池產生過充過放問題,進而引發鋰電池儲能系統容量快速衰減、使用年限縮短和安全隱患增加等問題[9-11]。

超級電容具有功率密度大、循環壽命長、響應快速等優點,也可用于輔助新能源場站和火電機組參與電網調頻[12-14]。在電網的小幅度調頻指令下,采用超級電容儲能系統來輔助火電機組調頻,可避免鋰電池的頻繁動作,從而大幅度延長鋰電池的使用年限。但超級電容價格遠高于鋰電池,因此工程上使用超級電容來輔助火電機組調頻的案例相對較少。

鋰電池和超級電容的主要技術經濟參數見表1[12,15-18]。

表1 鋰電池和超級電容技術參數

將鋰電池和超級電容按照一定的功率/容量比例組合形成混合儲能系統,充分發揮2種不同類型儲能各自的優點,用于輔助火電機組調頻是一項極具發展潛力的技術[19-21]。但鋰電池和超級電容混合儲能輔助火電機組調頻目前才剛起步,僅有少數示范工程建成或正在建設之中,其中很多原理和技術仍需深入研究。因此深入研究鋰電池和超級電容混合儲能輔助火電機組調頻的關鍵技術,對于推動混合儲能輔助調頻的相關技術發展和項目落地具有重要意義。

1 混合儲能功率/容量優化配置

目前,輔助火電機組調頻用的混合儲能系統的功率/容量大多根據工程經驗,按火電機組裝機規模的1.5%～3%進行配置[22]。但簡單按照該比例來配置混合儲能系統,容易導致混合儲能系統偏大或偏小。若混合儲能系統偏大,則系統利用率偏低、項目初投資偏高,降低了混合儲能輔助調頻的經濟性;若混合儲能系統偏小,則無法滿足電網的調頻需求。因此,需要根據具體工程情況來確定混合儲能系統的配置。

為了實現混合儲能系統功率/容量的優化配置,首先,需要確定優化原則,如混合儲能系統功率/容量最小、投資最低、年綜合成本最低、調頻年凈收益最大等單個目標或多目標的綜合最優等。其次,需要根據優化配置原則分析混合儲能系統功率/容量優化配置的主要影響因素:不同類型儲能的技術特點(功率密度、能量密度、循環壽命、響應時間和運行效率等)、初投資、運維成本、充放電深度(DOD)、電網自動發電控制(AGC)調頻指令的大小和時長、調頻里程單價等。

本文論述的混合儲能系統由鋰電池和超級電容組成,由于超級電容儲能系統的單位造價遠高于鋰電池儲能系統,所以確定超級電容在混合儲能系統中的最佳占比,以滿足調頻需求、實現調頻收益最大化,是一個值得深入研究的問題。目前,鮮有輔助火電機組調頻的鋰電池和超級電容混合儲能系統功率/容量優化配置的相關研究,已有混合儲能系統功率/容量優化配置的研究主要集中于混合儲能輔助新能源場站調峰調頻及功率預測等。楊文強等[23]提出了一種計及不同類型儲能出力特性、壽命和經濟性等多影響因素,考慮儲能系統能量及功率平衡、荷電狀態(SOC)和出力置信度等多約束條件的風電場一次調頻混合儲能系統優化配置方法。該方法運用多時間尺度小波分析、儲能容量迭代優化算法和雨流計數電池壽命預測等數值分析理論來實現鋰電池和超級電容混合儲能系統的功率/容量優化配置。以某400 MW風電場為例,計算了該風電場參與一次調頻時在滿足使用壽命前提下混合儲能系統功率/容量的優化配置,結果表明:較純鋰電池和純超級電容參與一次調頻的情景,混合儲能系統投資成本分別降低27.48%和22.60%。馬蘭等[24]以實現混合儲能系統日均運行成本最低和最大化平抑風電波動為目標,構建了基于多步模型算法控制的混合儲能平抑-定容雙層規劃模型。上層模型以儲能最小出力和儲能充放平衡為目標函數,采用多步模型算法求解出混合儲能總作用域,然后通過滑動平均濾波將總作用域分解為鋰電池作用域和超級電容器作用域,使超級電容器作用于控制序列變化率較大的部分,鋰電池作用于控制序列的平滑部分。同時,結合儲能運行策略和上層求解結果,建立下層超級電容和鋰電池的容量最優配置模型,采用多目標哈里斯鷹算法求解上述模型,實現鋰電池和超級電容混合儲能系統容量的優化配置。以新疆某50 MW風電場2020年風功率實測數據為例,優化配置的混合儲能系統可以將風功率的并網波動率降低16%,且混合儲能系統日均運行成本較利用快速非支配排序遺傳算法和多目標粒子群算法得到優化配置的混合儲能系統日均運行成本分別降低3.35%和1.40%,驗證了混合儲能容量優化配置的有效性。姜有華等[25]針對風電場提出一種基于小波去噪和經驗模態分解的混合儲能系統容量優化配置方法。首先,采用小波分析對風電輸出功率信號進行小波去噪;其次,采用經驗模態分解對去噪后的功率信號進行分解;再次,將儲能系統內部功率指令劃分與系統容量配置相結合,以儲能系統容量配置成本最小為目標,建立混合儲能容量優化模型;最后,通過窮舉對不同分界點所對應的容量配置成本確定最優儲能容量配置。以某40 MW風電場的歷史數據為例,通過仿真驗證了在實現平抑風電輸出功率波動的目標下,混合儲能系統相比純鋰電池和純超級電容儲能系統,可有效降低儲能系統的容量,相應降低系統成本分別約22.80%和42.12%。孟賢等[26]以混合儲能系統成本最低、棄風率最小、用電滿意度最高為目標函數,提出了考慮風電消納需求和用戶用電需求響應的混合儲能容量優化模型,并利用多目標粒子群算法進行求解。以裝機容量為1 000 kW的風機為例,利用Matlab進行仿真,分析驗證了結合需求側響應的混合儲能系統優化配置模型,可有效降低鋰電池和超級電容混合儲能系統的容量配置,降低系統成本26%,棄風率從24.37%降低到0.38%,負荷缺電率從21.76%降低到2.78%。

雖然混合儲能系統功率/容量優化配置領域已經取得了一定的研究成果,但是仍需關注以下問題:(1) 不同類型儲能系統的效率折損;(2) 電網對混合儲能系統和火電機組系統的調頻指令下發情況,是否能在電力調頻市場中有足夠的參與度;(3)未來考慮碳交易相關的收益。

2 混合儲能拓撲結構優化

2.1 高壓級聯

2.1.1 高壓級聯對效率的提升

調頻領域主流的鋰電池或超級電容單體電芯額定電壓大多不高于4 V,而儲能調頻系統接入電網的電壓等級通常為6～35 kV。因此,需要通過串并聯的方式將幾百上千的鋰電池和超級電容單體電芯連接起來成組應用。

目前主要有2種單體電芯成組方式:(1) 常規儲能電站采用匯流升壓的儲能形式,多級串并聯匯流升壓后,再通過大容量雙向變流器(PCS)轉換為交流電后與電網系統連接;(2) 級聯型儲能系統通過多個小容量、分散式PCS單元(基于模塊化H橋鏈式拓撲,每個PCS對應的儲能單元側并聯一個抑制諧波電路)串聯升壓的方式直接升壓到6～35 kV后不經升壓變壓器直接并網。

常規匯流升壓的儲能形式需要設置1個變壓器與電網進行連接,變壓器的充、放電過程和空載損失總計會產生約3%的效率損耗。另外,常規匯流升壓型儲能系統串并聯成組后,會在并聯的電池簇之間產生環流,電池簇并聯的數量越多,產生的環流損耗越大。匯流升壓型儲能系統結構如圖1所示[28]。

圖1 匯流升壓型儲能系統結構示意圖

級聯型儲能系統沒有電池簇的并聯,也沒有電流環流導致的容量及效率損耗,理論效率較常規匯流升壓型儲能系統高,適用于中壓和高壓儲能系統。級聯型儲能系統結構如圖2所示。劉暢等[27]研究發現高壓級聯儲能系統中不同H橋功率單元對應的電池簇數量及每相級聯功率模塊數下,高壓級聯儲能系統的綜合效率(電池簇能量利用率與PCS功率轉換效率的乘積)在92.66%～92.84%。據浙江紹興某高壓級聯儲能電站現場實際運行情況,扣除儲能電站輔機自用電后,整個高壓級聯儲能電站的交流側電-電效率約91%?？梢?無論是試驗研究還是工程實踐,高壓級聯儲能系統的效率均顯著高于常規匯流升壓型儲能系統。

圖2 級聯型儲能系統結構示意圖

H橋級聯分散式PCS結構可使絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的開關頻率大幅降低,有效減小開關損耗。級聯型儲能系統無需配置變壓器,沒有變壓器導致的效率損耗;同時,因為高壓級聯型儲能系統無需通過集中式PCS即可直接并網,該類型的儲能系統動態響應速度更快。另外,級聯型儲能輔助調頻系統單機容量大,系統造價及占地面積均略低于常規匯流升壓型儲能系統。目前,國內已有多個高壓級聯儲能示范項目建成投運或在建設之中。

鑒于級聯型儲能系統的優點,很多研究人員開展了級聯型儲能系統的相關研究。黃思林等[28-29]研究了高壓級聯結構的儲能系統,發現其具有綜合效率高、協調控制能力強、響應時間短和可靠性高等優點,可應用于輔助火電機組參與電網調頻領域。祁琦等[30]研究發現利用直流/直流(DC/DC)變化器可以抑制高壓級聯型儲能系統中的直流側二次諧波,避免電流二次諧波對儲能電池壽命的影響。陶以彬等[31]采用高壓級聯型儲能系統來平抑新能源場站功率波動和參與電網輔助服務,提出了適用于該系統的主動支撐電網頻率和電網故障穿越控制策略并進行了仿真驗證,并提出了高壓級聯型儲能系統各個關鍵參數的設計方法和主動支撐電網頻率的控制策略。閻懷東等[32]提出了高壓級聯型儲能系統電網不平衡條件下的控制及保護策略,該策略可在電壓出現不平衡或儲能系統變流器模塊出現故障時,仍能保證整個高壓級聯型儲能系統高效、正常工作。宋晉峰等[33]針對級聯型儲能系統中雙源有橋變換器在寬增益范圍下由于回流功率及開關時刻大電流導致效率降低的問題,在三移相調制策略的基礎上提出了一種以導通損耗與開關損耗之和最小為優化目標,基于內點法的優化調制策略,構建了雙源有橋在不同增益下統一的損耗模型,在保證開關管軟開通的基礎上,根據不同的電池輸出電壓,利用內點法得到移相角的最優值,使得儲能系統在各SOC工況下均運行于較高效率區間。

2.1.2 高壓級聯對電芯不一致性的改善

鋰電池電芯主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜等組成,其充放電過程涉及一系列物理化學反應,長期運行會使得電芯的活性材料損失和極化損失[34],進而導致電芯的老化衰減。

對于幾百甚至幾千個鋰電池單體電芯組成的儲能輔助調頻系統,其投運一段時間后,電芯單體的衰減老化程度不一致會使得各電芯的電壓、內阻、SOC和自放電率等參數不一致,從而使得部分電芯在鋰電池儲能系統運行時存在過充和過放現象,最終導致整個鋰電池儲能系統的效率下降、容量衰減、使用年限縮短和安全隱患增加等問題[10,35-36]。據研究,大規模成組的鋰電池電芯比單體鋰電池電芯的性能衰減更快,通常只能達到單體壽命的40%～70%[9]。

對電芯進行篩選能在一定程度上改善電芯的不一致性,但運行一段時間后電芯受環境溫度、SOC、充放電深度和充放電倍率等因素[37]的影響,各單體電芯之間還是會產生較大的不一致性。傳統匯流升壓拓撲結構的儲能系統中,只能通過電池主動或者被動均衡技術來改善單體電芯不一致性導致的電量不平衡問題,這會導致系統元器件和造價的增加,以及系統效率的下降。

高壓級聯拓撲結構的儲能系統取消了常規匯流升壓型儲能系統相對較大的集中式PCS,代之以多個相對較小的分散式PCS;單個PCS所管理的鋰電池單體電芯的數量也大幅度減少,使得單個PCS可以更好地針對電芯不一致性差異進行調整,大幅減少電芯的過充過放問題對鋰電池循環壽命的影響。

研究人員開展的高壓級聯拓撲結構對鋰電池不一致性改善的相關研究也證明了相關結論。戶艷琴等[37]在并網型級聯儲能系統中基于改進下垂控制的電池組SOC均衡控制策略,通過調整分配修正系數,利用分散式PCS對相應的電池單元進行調整,使得各單元電池組的SOC平衡,減少了鋰電池單體電芯不一致性的影響。馬智遠等[38]在海上風電場配套的高壓級聯型儲能系統中,提出了一種基于SOC均衡的模塊間功率電壓自主分配協調控制策略,通過逆變器進行直流母線電壓控制實現了儲能系統輸出功率與逆變器輸入電壓控制的解耦,利用儲能系統協調控制策略,通過PCS的調節實現了不同電池單元間的SOC均衡控制,減少了鋰電池單體電芯不一致性的影響。葉晗等[39]針對級聯型儲能系統電池SOC不均衡問題,即現有的相內SOC均衡控制策略存在不同負載率適應性不足、極度不均衡時可能過調制等缺點,提出一種自適應的相內SOC均衡策略,在不同運行工況下通過調整均衡系數來達到均衡效果,并通過仿真驗證了該策略能有效地改善級聯型儲能系統在輕載、重載等不同工況下的適應性和均衡效果。周京華等[40]研究利用分散式PCS控制載波三角波來實現級聯型儲能系統中電池單元間的SOC均衡,保證了電池單元運行期間不過充過放,并通過仿真驗證了該方法的有效性。

2.2 模塊化多電平(MMC)拓撲結構

目前,混合儲能系統中鋰電池儲能系統和超級電容儲能系統接入電網系統的方式主要有2種[41]:(1) 交流母線側并聯,如圖3所示。鋰電池儲能系統和超級電容儲能系統作為2個相對獨立的系統,通過各自的直流/交流(DC/AC)變流器,接入交流母線。(2) 直流母線側并聯,如圖4所示。鋰電池儲能系統和超級電容儲能系統均接入直流母線,在直流母線側實現深度耦合后,再通過1個DC/AC變流器接入交流母線。

圖3 交流母線側并聯的混合儲能拓撲結構

圖4 直流母線側并聯的混合儲能拓撲結構

第一種拓撲結構的混合儲能系統運行靈活,但系統元件多、投資高且綜合效率低,整個系統的控制參數較多,控制難度較大。

第二種拓撲結構的混合儲能系統可利用MMC變流器將能量型的鋰電池儲能系統和功率型的超級電容儲能系統在直流側耦合,有機組合為1個混合儲能,實現對超級電容儲能系統和鋰電池儲能系統的直接控制。MMC變流器能連接直流電系統和交流電系統,實現交直流系統和儲能系統間任意方向的能量傳遞。常規混合儲能系統中,超級電容儲能系統和鋰電池儲能系統通過各自的DC/AC變流器并聯接入交流母線需要單獨進行控制,無法通過1套電池管理系統(BMS)和PCS系統進行控制。MMC拓撲結構的混合儲能系統則取消了常規混合儲能系統中超級電容儲能系統和鋰電池儲能系統需各自配置的BMS和PCS,大大簡化了系統元件,提高了混合儲能系統的效率,響應迅速。另外,MMC的電能質量好,模塊化集成度高,適用于高壓、大容量的輸配電領域。目前,該拓撲結構的儲能系統已廣泛應用于電動機車制動系統和新能源場站的功率波動抑制等領域。

MMC級聯型混合儲能系統的拓撲結構如圖5所示,該結構可充分發揮鋰電池儲能系統和超級電容儲能系統各自的優點,優化儲能系統的功率輸出[42]。該技術非常適合于對于可靠性要求較高的輔助調頻系統,當MMC的直流側或交流側系統發生故障時,只要切除故障部分設備,系統其余部分設備依然可以正常運行,整個混合儲能系統的可靠性大大增強。

圖5 MMC級聯型混合儲能拓撲結構

目前也有一些關于采用MMC拓撲結構的混合儲能系統用于輔助調頻的研究成果。蔡婉琪[43]提出了一種基于全橋型MMC的鋰電池和超級電容混合儲能系統拓撲結構,并針對該拓撲結構設計了輸出功率控制和鋰電池SOC均衡控制的雙層控制策略,其中輸出功率控制包含交流側有功、無功控制和超級電容功率控制,鋰電池SOC均衡控制包含相間SOC均衡控制、上下橋臂SOC均衡控制和橋臂內SOC均衡控制。采用該拓撲結構的混合儲能系統可以平抑風電場功率波動,提供頻率支持。劉子豪[44]研究了MMC拓撲結構的儲能系統的受端暫時功率盈余情況下的故障穿越策略。以消納功率盈余為目標,設計了儲能SOC系統控制方案;同時,針對受端暫態工況下因換流閥中電容充放電功率不平衡而產生的電容電壓能量分布不均衡問題,建立儲能型MMC換流器的功率和能量模型,提出了結合儲能SOC系統控制方案的“準比例-諧振”的內環控制和改進功率外環控制的故障穿越策略。該策略可以在抑制直流側功率振蕩的同時實現儲能型MMC受端功率盈余下的故障穿越,仿真結果驗證了所提策略的合理性。楊志才[45]提出了適用于新能源場站的鋰電池和超級電容混合儲能的MMC拓撲結構,將超級電容單體和鋰電池單體揉合在直流側的一個子模塊中,實現了鋰電池和超級電容混合儲能的深度耦合,可提高混合儲能系統的穩定性和可靠性。孫凱勝[46]研究了混合儲能系統的不同拓撲結構后發現,采用MMC拓撲結構的混合儲能系統拓撲結構可使鋰電池和超級電容儲能系統的容量配置更加靈活,從而更好地平抑風電場的并網功率波動。郭龍等[47]研究發現采用MMC拓撲結構的儲能系統中,通過載波移相調制的鋰電池荷電狀態策略可實現對單個儲能單元功率的快速控制,但是其存在控制策略較為復雜的缺點。汪晉安等[48]提出了MMC拓撲結構的分布式儲能電池SOC均衡優化控制策略,可兼顧電流波動抑制。該控制策略采用雙環控制:外環針對相間、橋臂間和子模塊間電池SOC差異,建立離散時域預測功率模型,通過負反饋控制生成動態電流參考值;內環設計了模型預測優化控制策略,準確追蹤動態電流參考值,實現電池SOC均衡、提高電池能量利用率,并提高系統的動態響應能力以及抑制電池電流紋波,延長電池使用壽命。

雖然儲能系統高壓級聯和MMC拓撲結構已經取得了上述研究成果,但仍需關注以下問題和技術:(1) 在儲能系統規模不斷擴大的趨勢下,如何使級聯型儲能PCS做到大容量、高效率、穩定運行;(2) 關注基于MMC拓撲結構的儲能系統中多類諧波抑制技術,提高交、直流側的電流質量,研究交流側(直流側)諧波經過MMC向直流側(交流側)傳遞機理;(3) MMC拓撲結構的儲能系統相間環流及其抑制策略的研究。

3 混合儲能控制策略

混合儲能系統在輔助火電機組參與電網二次調頻時具有快速精確的負荷跟蹤能力。為充分發揮鋰電池和超級電容各自的優點,需根據外部調頻指令,在混合儲能系統內部優化充放電功率分配,使得能量型的鋰電池儲能系統承擔調頻指令中的穩態分量,而功率型的超級電容承擔調頻功率中的瞬態分量。因此,選擇合適的運行控制策略對于混合儲能系統調頻性能改善、經濟性提高具有重要意義。

很多研究人員開展了混合儲能系統內部鋰電池和超級電容的控制策略的研究,并取得了一些相關成果。王佳等[49]提出了一種混合儲能系統協調控制策略,采用下垂控制和虛擬電壓源,實現混合儲能功率分配、超級電容荷電狀態恢復以及母線電壓補償,并且消除了超級電容SOC恢復對混合儲能系統瞬時功率分配產生的影響。劉士奇等[20]提出了混合儲能系統分層功率協調分配策略,可充分發揮超級電容的功率特性對系統綜合收益的調節能力;相比于傳統濾波類功率分配策略,采用該控制策略可提升調頻服務利潤,縮短投資回收期,提升混合儲能系統提供調頻輔助服務的技術經濟性。張芳等[50-51]提出了一種鋰電池和超級電容混合儲能系統的動態比例功率分配控制策略,結果表明:動態比例功率分配控制策略不僅能夠減小鋰電池電量波動及其變化率,而且能夠提高系統充放電效率和穩定性。廖力等[52]提出了一種基于多步預測的模型預測控制混合儲能系統雙閉環優化控制策略,結果表明:優化控制策略減小了系統超調量,提高了混合儲能系統的動態響應速度。楊豐萍等[53]提出一種由超級電容與鋰電池組成的改進自抗擾控制綜合儲能控制系統,實現儲能控制單元的恒流充放電,從而彌補了傳統比例-積分控制系統的缺陷,結果表明:該控制策略在保證電網穩定運行的同時,可達到更好地平抑直流母線電壓波動的效果,提高了系統的動態響應。肖家杰等[5]提出了基于模糊分配因子的電池儲能參與二次調頻策略,結果表明:該策略可以實現儲能系統的高效利用。張雨萌[54]提出了一種基于差額分配的改進控制策略,通過預測儲能系統的運行狀態實現調頻過程中對儲能系統充放電倍率的控制,仿真和計算結果驗證了該策略的優越性。

在混合儲能系統控制策略領域,雖然已經取得了上述研究成果,但是仍需關注以下問題和技術:(1) SOC的準確估算;(2) 基于電池SOC均衡的儲能系統協調控制、SOC均衡及故障冗余問題;(3) 混合儲能系統和火電機組之間的調頻需求分配及控制策略。

4 MMC級聯型混合儲能技術特點分析

4.1 技術優勢

4.1.1 延長鋰電池使用壽命

目前技術發展水平下,鋰電池的循環壽命約6 000次。根據實際案例經驗,純鋰電池儲能系統在調頻場景下頻繁地進行充放電,通常在3～5 a內就需要更換電芯。鋰電池和超級電容混合儲能系統可優先動作循環壽命達到10萬次以上的超級電容來響應電網小幅度且頻繁的調頻需求,顯著減少混合儲能系統中鋰電池的頻繁充放電動作,延長鋰電池的使用壽命,進而延長整個混合儲能系統的使用壽命。鋰電池使用年限的延長,可減少項目運行期內鋰電池儲能系統電芯的更換成本,電芯的更換成本占整個鋰電池儲能系統初投資的30%～40%,即混合儲能可以顯著減少儲能電站運行后的運維成本。

李政[21]研究發現對所配置的鋰電池和超級電容混合儲能系統進行優化后,在電網小指令下優先動作超級電容,避免鋰電池儲能系統的頻繁充放電動作,可將鋰電池儲能系統的使用年限延長約70%,進而將混合儲能系統年綜合運行成本降低75%～85%。

4.1.2 高安全性和高效率

高壓級聯拓撲結構的混合儲能系統用多個分散式PCS可更好地實現電池單元間的SOC均衡,大幅度減輕電池的過充過放問題,從而提高系統安全性。采用高壓級聯拓撲結構的混合儲能系統沒有傳統拓撲結構中電池簇的并聯回路,沒有產生環流及其導致的損耗,故可顯著提升儲能系統效率,較常規匯流升壓拓撲結構的儲能效率提高5%～6%[27]。

2023年11月,某35 kV高壓級聯型儲能系統順利通過并網性能測試。該項目35 kV高壓級聯型儲能系統效率最高達92.43%[55](充/放電能量分別為40.55 MW·h/37.48 MW·h),刷新了鋰電池儲能系統工程實踐上的效率新高度,證明了高壓級聯型儲能系統突出的效率優勢。

4.1.3 深度耦合和靈活響應

MMC拓撲結構的混合儲能在直流側實現了鋰電池和超級電容兩種不同類型儲能的深度耦合,可直接對鋰電池和超級電容進行控制,充分發揮兩種類型儲能的優勢,兼顧能量密度和功率密度。同時,該拓撲結構的直流側通常備用一定量的冗余子模塊,當某些子模塊發生故障時,系統可快速切除故障部分設備,通過備用的冗余子模塊保證系統正常運行,使得整個混合儲能系統的可靠性大大增強。MMC拓撲結構的混合儲能不使用PCS直接并網,控制與應用靈活,大大簡化了系統元件,提高了系統效率,使整個系統的響應更加迅速,非常適用于響應速度要求極高的儲能輔助調頻領域。

4.2 技術不足

MMC級聯型混合儲能系統也存在一些不足[56-58],主要為:混合儲能系統的初投資高于純鋰電池儲能系統,且初投資增加的比例會隨著超級電容配置比例的增加而增加;高壓級聯拓撲結構的混合儲能系統結構較為復雜、高度模塊化的難度較大且運維難度較高;MMC拓撲結構對于鋰電池和超級電容的協調控制難度較高,且容易失穩。

5 混合儲能輔助調頻工程案例

目前,國內用于輔助火電機組調頻的混合儲能主要為鋰電池儲能和飛輪儲能混合系統。采用鋰電池和超級電容的混合儲能系統輔助火電機組調頻的工程案例相對較少。2023年4月投運的華能集團羅源電廠(2臺66萬kW的火電機組)配置的15 MW/7.5 MW·h鋰電池+5 MW/4 min超級電容組成的混合儲能系統,是目前全球最大容量的鋰電池和超級電容混合儲能調頻系統,極大地提高了電廠調頻能力。投運后電廠調頻時間可提升14倍以上,調節速率可提升4倍以上,調節精度可提升3倍以上,大幅提升了現有儲能調頻系統的靈活性、綜合性能、使用壽命和經濟性[59]。2023年11月,珠海金灣發電有限公司首個鋰電池和超級電容混合儲能的火儲聯合調頻項目并網投產。金灣發電有限公司在2臺60萬kW火電機組側建設了1套16 MW/8 MW·h鋰電池+4 MW/0.67 MW·h超級電容的混合儲能系統以輔助火電機組調頻[60]。金灣電廠配置混合儲能系統后,其調頻能力顯著提高,效能在國內同類型燃煤機組中名列前茅,該項目的投運還有效提升燃煤機組靈活性調節能力,節能、低碳、環保多重效益顯著。該項目的投運還提升了區域電網的調頻能力,有效保障了電網的安全穩定,為電網新能源消納和安全穩定運行提供強有力技術支撐,為經濟社會高質量發展提供更加安全可靠的電力供應保障。

羅源電廠和金灣發電有限公司這2個混合儲能輔助調頻項目的成功投運和相關研究充分證明了鋰電池和超級電容混合儲能輔助調頻技術的安全性、可靠性、經濟性,對構建新型電力系統、助力“雙碳”目標實現具有積極作用。

另外,還有一些地方政府規劃了鋰電池和超級電容混合儲能項目,充分利用2種不同類型儲能系統各自優點,參與當地電網的調峰調頻服務,提升電網的調節能力,如安徽省宿州市靈璧縣220 MW/400 MW·h共享混合儲能調頻電站(項目內含200 MW/400 MW·h磷酸鐵鋰電池儲能系統+20 MW/30 s超級電容儲能系統)和山西省襄垣縣的“源網荷儲”一體化40 MW/80 MW·h鋰電池+10 MW/0.5 MW·h超級電容混合儲能試點示范項目。

6 結論

鋰電池和超級電容混合儲能輔助火電調頻技術擁有廣闊的應用前景,目前也有少量示范工程建成或在建設之中,但仍需研究解決一些關鍵技術問題,以推動混合儲能系統輔助調頻技術的商業化發展。

需要進一步關注混合儲能系統中鋰電池儲能系統的安全性問題,尤其是調頻場景下,大規模成組應用的鋰電池因頻繁大功率充放電過程中電池不一致性導致的過充過放引發的安全性問題。

需要進一步優化容量配置方法,針對具體的應用場景和工況,綜合考慮鋰電池和超級電容混合儲能系統的工程初投資、運行效率、運維成本及當地調頻政策等因素,確定最優的鋰電池和超級電容的功率/容量配置比例,以最小的工程初投資實現調頻收益最大化。

目前,混合儲能控制策略主要是針對混合儲能系統內部不同類型儲能的控制,需要進一步研究混合儲能和火電機組2個系統間的協調優化控制策略。同時,需要研究基于MMC等新型拓撲結構的鋰電池儲能系統和超級電容儲能系統間的協調控制,尤其是當調頻指令變化時,實現混合儲能系統內部功率的動態優化分配。

進一步關注儲能系統的數字化、智能化技術發展及應用,如鋰電池的SOC精確估算、PCS控制算法及優化設計的數字化建模,以提高功率/容量優化配置的精度和可靠性等。

需要關注新型、高效混合儲能系統拓撲結構潛在的振蕩失穩風險,研究拓撲結構的受擾動特性。同時,需要優化混合儲能系統的直流側拓撲結構,深入研究拓撲結構內部的響應和調整機制,如對于MMC拓撲結構的混合儲能,還需要研究上下橋臂的SOC均衡和環流問題,以更好地發揮鋰電池和超級電容2種儲能系統的作用,尤其是解決因兩者電壓相等導致的對超級電容功率發揮的限制。

關注不同類型新型儲能技術的發展,如飛輪儲能系統的技術成熟度和成本下降水平,并時刻關注新型儲能在火儲聯合調頻領域中的應用進展。

本文對混合儲能系統輔助火電機組調頻的關鍵技術進行了梳理,并提出了需要關注和解決的相關問題,以期為相關業務的發展提供有力的支撐。