大唐國際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠 李軍錄 王海峰 王占強 高 照 張新江

中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院 李冠贏 吳 瑊

近年來，隨著能源危機與環(huán)境污染日益嚴峻，太陽能、風(fēng)能等可再生能源以其資源豐富、污染小等優(yōu)點將在未來能源格局中扮演重要角色。由于太陽能、風(fēng)能等的隨機性和波動性，在電源側(cè)或電網(wǎng)側(cè)配置一定的儲能系統(tǒng)是必不可少的[1]。

與其他類型的電池相比，鋰電池具有更高的功率密度和更長的循環(huán)壽命。此外，鋰離子電池的制造成本也在下降[2]。超級電容器作為功率型儲能元件，功率密度大，充放電速度快，儲能效率高，循環(huán)壽命長，可有效地抑制系統(tǒng)中的短時能量波動和平滑系統(tǒng)中的瞬時能量，但能量密度偏低[3]。因此可以看出，鋰電池儲能和超級電容器儲能具有互補性，將鋰電池和超級電容器同時作為儲能裝置，將會大幅提升儲能裝置的性能[4]。

電化學(xué)儲能電池存在成本、放電倍率、放電深度及使用循環(huán)次數(shù)等方面的差異，超級電容與鋰離子電池相比，在循環(huán)壽命、充放電倍率方面存在優(yōu)勢，而鋰離子電池在成本方面存在優(yōu)勢[5]。本文在研究負載需求的基礎(chǔ)上，充分分析了鋰離子電池與超級電容的差異，利用不同類型電池的自身特點，提出了一種鋰離子電池與超級電容的容量配置方法，以提高電池利用率及使用壽命，降低成本。

1 電化學(xué)儲能系統(tǒng)的特性分析

超級電容及鋰電池（磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池）因為技術(shù)成熟、安全可靠、適用范圍廣、價格優(yōu)勢等諸多穩(wěn)定優(yōu)勢在電網(wǎng)建設(shè)中得到大量的應(yīng)用，通過功能需求分析，超級電容與鋰電池在電化學(xué)儲能電站中也被大量選用。

1.1 磷酸鐵鋰電池特性

表征電池特性的重要指標主要有能量密度、功率密度、允許充放電倍率、循環(huán)壽命、能量轉(zhuǎn)換效率、成本、一致性等[6]，其中循環(huán)壽命與放電深度（deep of discharge, DOD）、充放電倍率都有很大的關(guān)系[7]。通常來說，磷酸鐵鋰電池推薦使用的充放電倍率需要控制在0.5C 左右，在50%DOD 時的循環(huán)壽命為4000次左右，某款電池的循環(huán)壽命與DOD關(guān)系如圖1所示。響應(yīng)時間級別在秒級，采購成本約1.1元/W·h。

圖1 某型號磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命與放電深度關(guān)系圖

1.2 三元鋰電池特性

三元鋰電池推薦使用的充放電倍率需要控制在0.5C 左右，在50%DOD 時的循環(huán)壽命為1800次左右，某款電池的循環(huán)壽命與DOD 關(guān)系如圖2所示。響應(yīng)時間級別在秒級，采購成本約1.25元/W·h。

圖2 某型號三元鋰電池循環(huán)壽命與放點深度的關(guān)系

1.3 超級電容特性

超級電容推薦使用的充放電倍率需要控制在50C 左右，在50%DOD 時的循環(huán)壽命為340萬次左右。超級電容的循環(huán)壽命與DOD 關(guān)系如圖3所示。響應(yīng)時間級別在毫秒級，采購成本約90元/W·h。

圖3 某型號超級電容循環(huán)壽命與放電深度關(guān)系

1.4 三種電池特性分析

3種電池主要特征指標對比如表1所示。

表1 電池主要指標對比

從圖1、圖2、圖3及表1可知，超級電容在使用壽命及響應(yīng)時間方面存在很大優(yōu)勢，而鋰離子電池的建設(shè)成本較低。

根據(jù)圖1和圖2可知，磷酸鐵鋰和三元鋰電池的循環(huán)壽命隨著放電倍率的增大而減小，所以在考慮壽命的情況下，盡量避免上述兩種電池發(fā)生過充和過放的情況；由圖1、圖2和圖3對比發(fā)現(xiàn)，在不同放電深度下，超級電容的循環(huán)壽命均明顯大于鋰電池的循環(huán)壽命。綜上所述，結(jié)合超級電容響應(yīng)速度較鋰電池高，且超級電容循環(huán)壽命遠大于鋰電池，故超級電容非常適合響應(yīng)頻率較高的功率信號；但考慮到成本因素，鋰電池可以配合超級電容，用來響應(yīng)電網(wǎng)的頻率較低的功率負荷。

2 應(yīng)用于火力發(fā)電機組的電化學(xué)混合儲能系統(tǒng)的容量配置方法

儲能混合容量配置已被廣泛應(yīng)用多個場景[8]，特別是超級電容與電池的混合配置建模已有大量案例[9]。根據(jù)電池特性，在儲能能量以天為時間尺度釋放或存儲的應(yīng)用場景下，超級電容和鋰電池都可以滿足對充放電倍率的要求。圖4為某日24小時電網(wǎng)AGC 指令與火電機組負荷，本文以此為例，說明應(yīng)用于火力發(fā)電機組的電化學(xué)混合儲能系統(tǒng)的容量配置方法。

圖4 某日24小時AGC 指令與火電負荷

2.1 配置原則

基于上述電化學(xué)儲能系統(tǒng)的分析，可將電化學(xué)儲能系統(tǒng)分成2種配置類型，一種選建設(shè)成本相對較高但循環(huán)壽命長的超級電容，一種選用建設(shè)成本相對較低但循環(huán)壽命相對短的鋰電池。配置原則為：

對火電機組與AGC 的負荷缺口進行統(tǒng)計分析，以單一波峰容量缺口W需為基礎(chǔ)，電化學(xué)儲能系統(tǒng)總體容量需保障n 個連續(xù)放電時的負荷用電，則總?cè)萘縒t為：

其中k 為保障系數(shù)，取1.25，主要抵消各種功率損耗及保障電池不過度放電；n 值的選取是保障n個連續(xù)放電時的電能需求。

根據(jù)電網(wǎng)負荷缺口情況確定充放電頻率次數(shù)較高、功率高頻率波動和充放電頻率次數(shù)較低、功率低頻率波動2種情況下的電池容量。

充放電頻率次數(shù)較高、功率高頻率波動情況下采用超級電容，其容量為W1t；充放電頻率次數(shù)較低、功率低頻率波動的電池采用鋰電池，其總?cè)萘繛閃st，則W1t+WSt=Wt。

2.2 各類型電池容量計算

如圖4所示，負荷缺口曲線中單一波峰容量缺口W需的計算公式為：

混合儲能系統(tǒng)的總?cè)萘繛椋?/p>

負荷缺口曲線中高頻負荷缺口由超級電容承擔(dān)，其理論容量W1的計算公式為：

超級電容的實際容量為：

鋰電池的實際容量為：

磷酸鐵鋰總?cè)萘縒S1t與三元鋰總?cè)萘縒S2t占總?cè)萘縒t的份額分別為x1和x2，則磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池總?cè)萘糠謩e為：

2.3 容量優(yōu)化的目標函數(shù)

本文以混合儲能系統(tǒng)的建造成本最小為目標函數(shù)，來求取最佳容量配置。其中建造成本的計算公式如下：

式中，roundup(x)為向上取整函數(shù)；V1、Vs分別為使用不同超級電容模組型號和電池模組型號時的容量；$1為超級電容的容量單價、$S1為磷酸鐵鋰電池的容量單價、$S2為三元鋰電池的容量單價；L1為超級電容在不同放電深度下的循環(huán)壽命、LS1為磷酸鐵鋰電池在不同放電深度下的循環(huán)壽命、LS2為三元鋰電池在不同放電深度下的循環(huán)壽命。

3 實例計算

3.1 計算條件

某火力發(fā)電機組的電化學(xué)混合儲能系統(tǒng)日需容量（W需）為10MWh，峰值功率為2.5MW，其中高頻負荷缺口（W1）為1MWh，低頻負荷缺口（Ws）為9MWh。電化學(xué)儲能系統(tǒng)總體容量需保障2個連續(xù)放電時的負荷用電。采用E1L-M046型電池模組和TS/M85V20R6FAA 型超級電容型號，其容量分別是4608Wh 和20.7Wh。

3.2 混合電池儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化

儲能電池容量計算在滿足需求的基礎(chǔ)上，需要保障成本及使用壽命最優(yōu)。儲能電池總?cè)萘坑嬎阋话闱闆r下滿足極端使用條件，但是在實際使用情況下，極端情況概率較小，根據(jù)統(tǒng)計可知，結(jié)合3種儲能電池的不同特性，對所需的總?cè)萘窟M行合理分配，達到成本及使用壽命的最優(yōu)化。

2個連續(xù)放電時的負荷用電需要的儲能容量即為儲能電池的總?cè)萘縒t=k×n×W需=1.25×2×10=25MWh，超級電容的總?cè)萘繛閃1t=k×n×W1=1.25×2×1=2.5MWh，鋰電池的總?cè)萘繛閃St=Wt-W1t=25-2.5=22.5MWh。磷酸鐵鋰總?cè)萘縒S1t與三元鋰總?cè)萘縒S2t占總?cè)萘縒t的份額為x1和x2。 則，。

實際電化學(xué)儲能系統(tǒng)容量要考慮一定的容量冗余，以及放電倍率、放電深度對電化學(xué)儲能系統(tǒng)壽命的影響，選用2.5MWh 的超級電容，22.5MWh的鋰電池。超級電容在滿足高頻負荷缺口的情況下的放電深度控制在1/2.5=40%，充放電倍率控制在2.5/2.5=1C 以下。鋰電池在滿足低頻負荷缺口的情況下的放電深度控制在9/22.5=40%，充放電倍率控制在2.5/22.5=0.11C 以下。這種配置最大可能的保障了鋰電池的循環(huán)壽命使用。

最終，超級電容總?cè)萘縒1t=2.5MWh；磷酸鐵鋰總?cè)萘?；三元鋰總?cè)萘俊?/p>

最后由公式（7）-（9），可得：

經(jīng)優(yōu)化，x1=0.9，x2=0。該結(jié)果說明三元鋰電池不適用于該混合儲能系統(tǒng)。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 三元鋰電池不適合該混合儲能系統(tǒng)的原因

從圖1和圖2可以看出，在相同條件下，三元鋰電池的相關(guān)性能均比磷酸鐵鋰電池低。例如，在相同放電倍率和放電深度條件下，磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命是三元鋰電池循環(huán)壽命的兩倍以上，并且三元鋰電池的成本也比磷酸鐵鋰電池的成本高。綜上兩點，最終導(dǎo)致了三元鋰電池不適用于該混合儲能系統(tǒng)。

3.3.2 混合儲能系統(tǒng)與單一鋰電池對比

從建造成本看，采用磷酸鐵鋰的單一儲能系統(tǒng)的建造成本為1.1元/W·h×25MWh=2750萬元，而采用混合儲能系統(tǒng)的建造成本為1.1元/W·h×22.5MW·h+90元/W·h×2.5MW· h= 24975萬元。由此看出，混合儲能系統(tǒng)的建造成本遠遠高于采用磷酸鐵鋰的單一儲能系統(tǒng)。但從安全策略以及響應(yīng)負荷的能力等方面看，混合儲能系統(tǒng)的性能遠高于采用磷酸鐵鋰的單一儲能系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本文分析了超級電容、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池等常用電化學(xué)儲能方式的特性，給出了混合儲能系統(tǒng)中電池容量的配置原則，建立了各電池容量的優(yōu)化模型，并進行了實例計算。所得結(jié)論有：

超級電容在使用壽命遠高于鋰電池，響應(yīng)時間在ms 級，適用于響應(yīng)頻率較高的負荷信號；鋰離子電池的建造成本較低，響應(yīng)時間在s 級，適用于響應(yīng)頻率較低的負荷信號。

與磷酸鐵鋰電池相比，三元鋰電池的成本高、循環(huán)壽命短，因而其并不適用于混合儲能系統(tǒng)。

本文僅考慮了電池的建造成本，沒有考慮其他成本以及相關(guān)收益對磷酸鐵鋰和三元鋰容量配合的影響，在未來的研究中，將對此進行深入的研究。