孫培鋒, 陸王琳, 白 鵬, 陸啟亮, 徐國(guó)昌, 蔣 信, 徐 凡

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,上海 200240)

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出,以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)不斷深入發(fā)展,電網(wǎng)及電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化,電力系統(tǒng)對(duì)調(diào)頻資源的需求愈發(fā)迫切。目前,國(guó)內(nèi)調(diào)頻電源主要為火電機(jī)組,其在調(diào)頻過(guò)程中普遍存在響應(yīng)時(shí)滯長(zhǎng)、調(diào)節(jié)精度差、調(diào)節(jié)反向等問(wèn)題,很難滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)頻需求。同時(shí),火電機(jī)組在參與調(diào)頻的過(guò)程中頻繁升降負(fù)荷會(huì)加劇設(shè)備的疲勞和磨損[1-4]。

鋰電池具有響應(yīng)速快、短時(shí)功率吞吐強(qiáng)、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)勢(shì),可在毫秒至秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)功率輸出;利用鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)輔助火電機(jī)組參與調(diào)頻,可有效提升機(jī)組調(diào)頻能力,緩解電網(wǎng)調(diào)頻考核壓力[5-6]。同時(shí),利用鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助火電機(jī)組調(diào)頻,可以避免火電機(jī)組頻繁升降功率,使火電機(jī)組在經(jīng)濟(jì)工況附近穩(wěn)定運(yùn)行,達(dá)到節(jié)能減排的效果[7-8]。然而,鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在輔助火電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻時(shí),需要不斷在充放電狀態(tài)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(chǔ)能系統(tǒng)輔助火電機(jī)組調(diào)頻時(shí)需將大量鋰電池電芯成組使用,運(yùn)行過(guò)程中電芯的不一致性將導(dǎo)致部分電芯在使用過(guò)程中提前老化,從而使得該部分電池產(chǎn)生過(guò)充過(guò)放問(wèn)題,進(jìn)而引發(fā)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量快速衰減、使用年限縮短和安全隱患增加等問(wèn)題[9-11]。

超級(jí)電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn),也可用于輔助新能源場(chǎng)站和火電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻[12-14]。在電網(wǎng)的小幅度調(diào)頻指令下,采用超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)輔助火電機(jī)組調(diào)頻,可避免鋰電池的頻繁動(dòng)作,從而大幅度延長(zhǎng)鋰電池的使用年限。但超級(jí)電容價(jià)格遠(yuǎn)高于鋰電池,因此工程上使用超級(jí)電容來(lái)輔助火電機(jī)組調(diào)頻的案例相對(duì)較少。

鋰電池和超級(jí)電容的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)見(jiàn)表1[12,15-18]。

表1 鋰電池和超級(jí)電容技術(shù)參數(shù)

將鋰電池和超級(jí)電容按照一定的功率/容量比例組合形成混合儲(chǔ)能系統(tǒng),充分發(fā)揮2種不同類(lèi)型儲(chǔ)能各自的優(yōu)點(diǎn),用于輔助火電機(jī)組調(diào)頻是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)[19-21]。但鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)頻目前才剛起步,僅有少數(shù)示范工程建成或正在建設(shè)之中,其中很多原理和技術(shù)仍需深入研究。因此深入研究鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組調(diào)頻的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)于推動(dòng)混合儲(chǔ)能輔助調(diào)頻的相關(guān)技術(shù)發(fā)展和項(xiàng)目落地具有重要意義。

1 混合儲(chǔ)能功率/容量?jī)?yōu)化配置

目前,輔助火電機(jī)組調(diào)頻用的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率/容量大多根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),按火電機(jī)組裝機(jī)規(guī)模的1.5%～3%進(jìn)行配置[22]。但簡(jiǎn)單按照該比例來(lái)配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng),容易導(dǎo)致混合儲(chǔ)能系統(tǒng)偏大或偏小。若混合儲(chǔ)能系統(tǒng)偏大,則系統(tǒng)利用率偏低、項(xiàng)目初投資偏高,降低了混合儲(chǔ)能輔助調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性;若混合儲(chǔ)能系統(tǒng)偏小,則無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)的調(diào)頻需求。因此,需要根據(jù)具體工程情況來(lái)確定混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置。

為了實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率/容量的優(yōu)化配置,首先,需要確定優(yōu)化原則,如混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率/容量最小、投資最低、年綜合成本最低、調(diào)頻年凈收益最大等單個(gè)目標(biāo)或多目標(biāo)的綜合最優(yōu)等。其次,需要根據(jù)優(yōu)化配置原則分析混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率/容量?jī)?yōu)化配置的主要影響因素:不同類(lèi)型儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)(功率密度、能量密度、循環(huán)壽命、響應(yīng)時(shí)間和運(yùn)行效率等)、初投資、運(yùn)維成本、充放電深度(DOD)、電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)調(diào)頻指令的大小和時(shí)長(zhǎng)、調(diào)頻里程單價(jià)等。

本文論述的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由鋰電池和超級(jí)電容組成,由于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的單位造價(jià)遠(yuǎn)高于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng),所以確定超級(jí)電容在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的最佳占比,以滿(mǎn)足調(diào)頻需求、實(shí)現(xiàn)調(diào)頻收益最大化,是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。目前,鮮有輔助火電機(jī)組調(diào)頻的鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率/容量?jī)?yōu)化配置的相關(guān)研究,已有混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率/容量?jī)?yōu)化配置的研究主要集中于混合儲(chǔ)能輔助新能源場(chǎng)站調(diào)峰調(diào)頻及功率預(yù)測(cè)等。楊文強(qiáng)等[23]提出了一種計(jì)及不同類(lèi)型儲(chǔ)能出力特性、壽命和經(jīng)濟(jì)性等多影響因素,考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)能量及功率平衡、荷電狀態(tài)(SOC)和出力置信度等多約束條件的風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻混合儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置方法。該方法運(yùn)用多時(shí)間尺度小波分析、儲(chǔ)能容量迭代優(yōu)化算法和雨流計(jì)數(shù)電池壽命預(yù)測(cè)等數(shù)值分析理論來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率/容量?jī)?yōu)化配置。以某400 MW風(fēng)電場(chǎng)為例,計(jì)算了該風(fēng)電場(chǎng)參與一次調(diào)頻時(shí)在滿(mǎn)足使用壽命前提下混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率/容量的優(yōu)化配置,結(jié)果表明:較純鋰電池和純超級(jí)電容參與一次調(diào)頻的情景,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本分別降低27.48%和22.60%。馬蘭等[24]以實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)日均運(yùn)行成本最低和最大化平抑風(fēng)電波動(dòng)為目標(biāo),構(gòu)建了基于多步模型算法控制的混合儲(chǔ)能平抑-定容雙層規(guī)劃模型。上層模型以?xún)?chǔ)能最小出力和儲(chǔ)能充放平衡為目標(biāo)函數(shù),采用多步模型算法求解出混合儲(chǔ)能總作用域,然后通過(guò)滑動(dòng)平均濾波將總作用域分解為鋰電池作用域和超級(jí)電容器作用域,使超級(jí)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(shí),結(jié)合儲(chǔ)能運(yùn)行策略和上層求解結(jié)果,建立下層超級(jí)電容和鋰電池的容量最優(yōu)配置模型,采用多目標(biāo)哈里斯鷹算法求解上述模型,實(shí)現(xiàn)鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的優(yōu)化配置。以新疆某50 MW風(fēng)電場(chǎng)2020年風(fēng)功率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,優(yōu)化配置的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將風(fēng)功率的并網(wǎng)波動(dòng)率降低16%,且混合儲(chǔ)能系統(tǒng)日均運(yùn)行成本較利用快速非支配排序遺傳算法和多目標(biāo)粒子群算法得到優(yōu)化配置的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)日均運(yùn)行成本分別降低3.35%和1.40%,驗(yàn)證了混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置的有效性。姜有華等[25]針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提出一種基于小波去噪和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置方法。首先,采用小波分析對(duì)風(fēng)電輸出功率信號(hào)進(jìn)行小波去噪;其次,采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解對(duì)去噪后的功率信號(hào)進(jìn)行分解;再次,將儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部功率指令劃分與系統(tǒng)容量配置相結(jié)合,以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)容量配置成本最小為目標(biāo),建立混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化模型;最后,通過(guò)窮舉對(duì)不同分界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的容量配置成本確定最優(yōu)儲(chǔ)能容量配置。以某40 MW風(fēng)電場(chǎng)的歷史數(shù)據(jù)為例,通過(guò)仿真驗(yàn)證了在實(shí)現(xiàn)平抑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)的目標(biāo)下,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相比純鋰電池和純超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng),可有效降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量,相應(yīng)降低系統(tǒng)成本分別約22.80%和42.12%。孟賢等[26]以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)成本最低、棄風(fēng)率最小、用電滿(mǎn)意度最高為目標(biāo)函數(shù),提出了考慮風(fēng)電消納需求和用戶(hù)用電需求響應(yīng)的混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化模型,并利用多目標(biāo)粒子群算法進(jìn)行求解。以裝機(jī)容量為1 000 kW的風(fēng)機(jī)為例,利用Matlab進(jìn)行仿真,分析驗(yàn)證了結(jié)合需求側(cè)響應(yīng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置模型,可有效降低鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置,降低系統(tǒng)成本26%,棄風(fēng)率從24.37%降低到0.38%,負(fù)荷缺電率從21.76%降低到2.78%。

雖然混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率/容量?jī)?yōu)化配置領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的研究成果,但是仍需關(guān)注以下問(wèn)題:(1) 不同類(lèi)型儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率折損;(2) 電網(wǎng)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和火電機(jī)組系統(tǒng)的調(diào)頻指令下發(fā)情況,是否能在電力調(diào)頻市場(chǎng)中有足夠的參與度;(3)未來(lái)考慮碳交易相關(guān)的收益。

2 混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 高壓級(jí)聯(lián)

2.1.1 高壓級(jí)聯(lián)對(duì)效率的提升

調(diào)頻領(lǐng)域主流的鋰電池或超級(jí)電容單體電芯額定電壓大多不高于4 V,而儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)通常為6～35 kV。因此,需要通過(guò)串并聯(lián)的方式將幾百上千的鋰電池和超級(jí)電容單體電芯連接起來(lái)成組應(yīng)用。

目前主要有2種單體電芯成組方式:(1) 常規(guī)儲(chǔ)能電站采用匯流升壓的儲(chǔ)能形式,多級(jí)串并聯(lián)匯流升壓后,再通過(guò)大容量雙向變流器(PCS)轉(zhuǎn)換為交流電后與電網(wǎng)系統(tǒng)連接;(2) 級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)小容量、分散式PCS單元(基于模塊化H橋鏈?zhǔn)酵負(fù)?每個(gè)PCS對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能單元側(cè)并聯(lián)一個(gè)抑制諧波電路)串聯(lián)升壓的方式直接升壓到6～35 kV后不經(jīng)升壓變壓器直接并網(wǎng)。

常規(guī)匯流升壓的儲(chǔ)能形式需要設(shè)置1個(gè)變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行連接,變壓器的充、放電過(guò)程和空載損失總計(jì)會(huì)產(chǎn)生約3%的效率損耗。另外,常規(guī)匯流升壓型儲(chǔ)能系統(tǒng)串并聯(lián)成組后,會(huì)在并聯(lián)的電池簇之間產(chǎn)生環(huán)流,電池簇并聯(lián)的數(shù)量越多,產(chǎn)生的環(huán)流損耗越大。匯流升壓型儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[28]。

圖1 匯流升壓型儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)沒(méi)有電池簇的并聯(lián),也沒(méi)有電流環(huán)流導(dǎo)致的容量及效率損耗,理論效率較常規(guī)匯流升壓型儲(chǔ)能系統(tǒng)高,適用于中壓和高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)。級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。劉暢等[27]研究發(fā)現(xiàn)高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)中不同H橋功率單元對(duì)應(yīng)的電池簇?cái)?shù)量及每相級(jí)聯(lián)功率模塊數(shù)下,高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合效率(電池簇能量利用率與PCS功率轉(zhuǎn)換效率的乘積)在92.66%～92.84%。據(jù)浙江紹興某高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況,扣除儲(chǔ)能電站輔機(jī)自用電后,整個(gè)高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能電站的交流側(cè)電-電效率約91%。可見(jiàn),無(wú)論是試驗(yàn)研究還是工程實(shí)踐,高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率均顯著高于常規(guī)匯流升壓型儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖2 級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

H橋級(jí)聯(lián)分散式PCS結(jié)構(gòu)可使絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的開(kāi)關(guān)頻率大幅降低,有效減小開(kāi)關(guān)損耗。級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)需配置變壓器,沒(méi)有變壓器導(dǎo)致的效率損耗;同時(shí),因?yàn)楦邏杭?jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)需通過(guò)集中式PCS即可直接并網(wǎng),該類(lèi)型的儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快。另外,級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)單機(jī)容量大,系統(tǒng)造價(jià)及占地面積均略低于常規(guī)匯流升壓型儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前,國(guó)內(nèi)已有多個(gè)高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目建成投運(yùn)或在建設(shè)之中。

鑒于級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),很多研究人員開(kāi)展了級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)研究。黃思林等[28-29]研究了高壓級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)其具有綜合效率高、協(xié)調(diào)控制能力強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于輔助火電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻領(lǐng)域。祁琦等[30]研究發(fā)現(xiàn)利用直流/直流(DC/DC)變化器可以抑制高壓級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)中的直流側(cè)二次諧波,避免電流二次諧波對(duì)儲(chǔ)能電池壽命的影響。陶以彬等[31]采用高壓級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平抑新能源場(chǎng)站功率波動(dòng)和參與電網(wǎng)輔助服務(wù),提出了適用于該系統(tǒng)的主動(dòng)支撐電網(wǎng)頻率和電網(wǎng)故障穿越控制策略并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,并提出了高壓級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法和主動(dòng)支撐電網(wǎng)頻率的控制策略。閻懷東等[32]提出了高壓級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)電網(wǎng)不平衡條件下的控制及保護(hù)策略,該策略可在電壓出現(xiàn)不平衡或儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器模塊出現(xiàn)故障時(shí),仍能保證整個(gè)高壓級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)高效、正常工作。宋晉峰等[33]針對(duì)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)中雙源有橋變換器在寬增益范圍下由于回流功率及開(kāi)關(guān)時(shí)刻大電流導(dǎo)致效率降低的問(wèn)題,在三移相調(diào)制策略的基礎(chǔ)上提出了一種以導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗之和最小為優(yōu)化目標(biāo),基于內(nèi)點(diǎn)法的優(yōu)化調(diào)制策略,構(gòu)建了雙源有橋在不同增益下統(tǒng)一的損耗模型,在保證開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)通的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同的電池輸出電壓,利用內(nèi)點(diǎn)法得到移相角的最優(yōu)值,使得儲(chǔ)能系統(tǒng)在各SOC工況下均運(yùn)行于較高效率區(qū)間。

2.1.2 高壓級(jí)聯(lián)對(duì)電芯不一致性的改善

鋰電池電芯主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜等組成,其充放電過(guò)程涉及一系列物理化學(xué)反應(yīng),長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)使得電芯的活性材料損失和極化損失[34],進(jìn)而導(dǎo)致電芯的老化衰減。

對(duì)于幾百甚至幾千個(gè)鋰電池單體電芯組成的儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng),其投運(yùn)一段時(shí)間后,電芯單體的衰減老化程度不一致會(huì)使得各電芯的電壓、內(nèi)阻、SOC和自放電率等參數(shù)不一致,從而使得部分電芯在鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象,最終導(dǎo)致整個(gè)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率下降、容量衰減、使用年限縮短和安全隱患增加等問(wèn)題[10,35-36]。據(jù)研究,大規(guī)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(dá)到單體壽命的40%～70%[9]。

對(duì)電芯進(jìn)行篩選能在一定程度上改善電芯的不一致性,但運(yùn)行一段時(shí)間后電芯受環(huán)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(huì)產(chǎn)生較大的不一致性。傳統(tǒng)匯流升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)中,只能通過(guò)電池主動(dòng)或者被動(dòng)均衡技術(shù)來(lái)改善單體電芯不一致性導(dǎo)致的電量不平衡問(wèn)題,這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)元器件和造價(jià)的增加,以及系統(tǒng)效率的下降。

高壓級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)取消了常規(guī)匯流升壓型儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)較大的集中式PCS,代之以多個(gè)相對(duì)較小的分散式PCS;單個(gè)PCS所管理的鋰電池單體電芯的數(shù)量也大幅度減少,使得單個(gè)PCS可以更好地針對(duì)電芯不一致性差異進(jìn)行調(diào)整,大幅減少電芯的過(guò)充過(guò)放問(wèn)題對(duì)鋰電池循環(huán)壽命的影響。

研究人員開(kāi)展的高壓級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)鋰電池不一致性改善的相關(guān)研究也證明了相關(guān)結(jié)論。戶(hù)艷琴等[37]在并網(wǎng)型級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)中基于改進(jìn)下垂控制的電池組SOC均衡控制策略,通過(guò)調(diào)整分配修正系數(shù),利用分散式PCS對(duì)相應(yīng)的電池單元進(jìn)行調(diào)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(yuǎn)等[38]在海上風(fēng)電場(chǎng)配套的高壓級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)中,提出了一種基于SOC均衡的模塊間功率電壓自主分配協(xié)調(diào)控制策略,通過(guò)逆變器進(jìn)行直流母線電壓控制實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率與逆變器輸入電壓控制的解耦,利用儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略,通過(guò)PCS的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)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(duì)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)電池SOC不均衡問(wèn)題,即現(xiàn)有的相內(nèi)SOC均衡控制策略存在不同負(fù)載率適應(yīng)性不足、極度不均衡時(shí)可能過(guò)調(diào)制等缺點(diǎn),提出一種自適應(yīng)的相內(nèi)SOC均衡策略,在不同運(yùn)行工況下通過(guò)調(diào)整均衡系數(shù)來(lái)達(dá)到均衡效果,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該策略能有效地改善級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)在輕載、重載等不同工況下的適應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池單元間的SOC均衡,保證了電池單元運(yùn)行期間不過(guò)充過(guò)放,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

2.2 模塊化多電平(MMC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)系統(tǒng)的方式主要有2種[41]:(1) 交流母線側(cè)并聯(lián),如圖3所示。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)作為2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng),通過(guò)各自的直流/交流(DC/AC)變流器,接入交流母線。(2) 直流母線側(cè)并聯(lián),如圖4所示。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)均接入直流母線,在直流母線側(cè)實(shí)現(xiàn)深度耦合后,再通過(guò)1個(gè)DC/AC變流器接入交流母線。

圖3 交流母線側(cè)并聯(lián)的混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 直流母線側(cè)并聯(lián)的混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行靈活,但系統(tǒng)元件多、投資高且綜合效率低,整個(gè)系統(tǒng)的控制參數(shù)較多,控制難度較大。

第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可利用MMC變流器將能量型的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和功率型的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在直流側(cè)耦合,有機(jī)組合為1個(gè)混合儲(chǔ)能,實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的直接控制。MMC變流器能連接直流電系統(tǒng)和交流電系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)交直流系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)間任意方向的能量傳遞。常規(guī)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中,超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)各自的DC/AC變流器并聯(lián)接入交流母線需要單獨(dú)進(jìn)行控制,無(wú)法通過(guò)1套電池管理系統(tǒng)(BMS)和PCS系統(tǒng)進(jìn)行控制。MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)則取消了常規(guī)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需各自配置的BMS和PCS,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)元件,提高了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率,響應(yīng)迅速。另外,MMC的電能質(zhì)量好,模塊化集成度高,適用于高壓、大容量的輸配電領(lǐng)域。目前,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和新能源場(chǎng)站的功率波動(dòng)抑制等領(lǐng)域。

MMC級(jí)聯(lián)型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示,該結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn),優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出[42]。該技術(shù)非常適合于對(duì)于可靠性要求較高的輔助調(diào)頻系統(tǒng),當(dāng)MMC的直流側(cè)或交流側(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),只要切除故障部分設(shè)備,系統(tǒng)其余部分設(shè)備依然可以正常運(yùn)行,整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)。

圖5 MMC級(jí)聯(lián)型混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前也有一些關(guān)于采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)用于輔助調(diào)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(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并針對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)有功、無(wú)功控制和超級(jí)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(nèi)SOC均衡控制。采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng),提供頻率支持。劉子豪[44]研究了MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的受端暫時(shí)功率盈余情況下的故障穿越策略。以消納功率盈余為目標(biāo),設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能SOC系統(tǒng)控制方案;同時(shí),針對(duì)受端暫態(tài)工況下因換流閥中電容充放電功率不平衡而產(chǎn)生的電容電壓能量分布不均衡問(wèn)題,建立儲(chǔ)能型MMC換流器的功率和能量模型,提出了結(jié)合儲(chǔ)能SOC系統(tǒng)控制方案的“準(zhǔn)比例-諧振”的內(nèi)環(huán)控制和改進(jìn)功率外環(huán)控制的故障穿越策略。該策略可以在抑制直流側(cè)功率振蕩的同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能型MMC受端功率盈余下的故障穿越,仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提策略的合理性。楊志才[45]提出了適用于新能源場(chǎng)站的鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將超級(jí)電容單體和鋰電池單體揉合在直流側(cè)的一個(gè)子模塊中,實(shí)現(xiàn)了鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的深度耦合,可提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。孫凱勝[46]研究了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn),采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可使鋰電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置更加靈活,從而更好地平抑風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)功率波動(dòng)。郭龍等[47]研究發(fā)現(xiàn)采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)中,通過(guò)載波移相調(diào)制的鋰電池荷電狀態(tài)策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)儲(chǔ)能單元功率的快速控制,但是其存在控制策略較為復(fù)雜的缺點(diǎn)。汪晉安等[48]提出了MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式儲(chǔ)能電池SOC均衡優(yōu)化控制策略,可兼顧電流波動(dòng)抑制。該控制策略采用雙環(huán)控制:外環(huán)針對(duì)相間、橋臂間和子模塊間電池SOC差異,建立離散時(shí)域預(yù)測(cè)功率模型,通過(guò)負(fù)反饋控制生成動(dòng)態(tài)電流參考值;內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)了模型預(yù)測(cè)優(yōu)化控制策略,準(zhǔn)確追蹤動(dòng)態(tài)電流參考值,實(shí)現(xiàn)電池SOC均衡、提高電池能量利用率,并提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力以及抑制電池電流紋波,延長(zhǎng)電池使用壽命。

雖然儲(chǔ)能系統(tǒng)高壓級(jí)聯(lián)和MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了上述研究成果,但仍需關(guān)注以下問(wèn)題和技術(shù):(1) 在儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)下,如何使級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能PCS做到大容量、高效率、穩(wěn)定運(yùn)行;(2) 關(guān)注基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)中多類(lèi)諧波抑制技術(shù),提高交、直流側(cè)的電流質(zhì)量,研究交流側(cè)(直流側(cè))諧波經(jīng)過(guò)MMC向直流側(cè)(交流側(cè))傳遞機(jī)理;(3) MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)相間環(huán)流及其抑制策略的研究。

3 混合儲(chǔ)能控制策略

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在輔助火電機(jī)組參與電網(wǎng)二次調(diào)頻時(shí)具有快速精確的負(fù)荷跟蹤能力。為充分發(fā)揮鋰電池和超級(jí)電容各自的優(yōu)點(diǎn),需根據(jù)外部調(diào)頻指令,在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?yōu)化充放電功率分配,使得能量型的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)調(diào)頻指令中的穩(wěn)態(tài)分量,而功率型的超級(jí)電容承擔(dān)調(diào)頻功率中的瞬態(tài)分量。因此,選擇合適的運(yùn)行控制策略對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻性能改善、經(jīng)濟(jì)性提高具有重要意義。

很多研究人員開(kāi)展了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部鋰電池和超級(jí)電容的控制策略的研究,并取得了一些相關(guān)成果。王佳等[49]提出了一種混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略,采用下垂控制和虛擬電壓源,實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能功率分配、超級(jí)電容荷電狀態(tài)恢復(fù)以及母線電壓補(bǔ)償,并且消除了超級(jí)電容SOC恢復(fù)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)瞬時(shí)功率分配產(chǎn)生的影響。劉士奇等[20]提出了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)分層功率協(xié)調(diào)分配策略,可充分發(fā)揮超級(jí)電容的功率特性對(duì)系統(tǒng)綜合收益的調(diào)節(jié)能力;相比于傳統(tǒng)濾波類(lèi)功率分配策略,采用該控制策略可提升調(diào)頻服務(wù)利潤(rùn),縮短投資回收期,提升混合儲(chǔ)能系統(tǒng)提供調(diào)頻輔助服務(wù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。張芳等[50-51]提出了一種鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)比例功率分配控制策略,結(jié)果表明:動(dòng)態(tài)比例功率分配控制策略不僅能夠減小鋰電池電量波動(dòng)及其變化率,而且能夠提高系統(tǒng)充放電效率和穩(wěn)定性。廖力等[52]提出了一種基于多步預(yù)測(cè)的模型預(yù)測(cè)控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)雙閉環(huán)優(yōu)化控制策略,結(jié)果表明:優(yōu)化控制策略減小了系統(tǒng)超調(diào)量,提高了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。楊豐萍等[53]提出一種由超級(jí)電容與鋰電池組成的改進(jìn)自抗擾控制綜合儲(chǔ)能控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能控制單元的恒流充放電,從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)比例-積分控制系統(tǒng)的缺陷,結(jié)果表明:該控制策略在保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí),可達(dá)到更好地平抑直流母線電壓波動(dòng)的效果,提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。肖家杰等[5]提出了基于模糊分配因子的電池儲(chǔ)能參與二次調(diào)頻策略,結(jié)果表明:該策略可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效利用。張雨萌[54]提出了一種基于差額分配的改進(jìn)控制策略,通過(guò)預(yù)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電倍率的控制,仿真和計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該策略的優(yōu)越性。

在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略領(lǐng)域,雖然已經(jīng)取得了上述研究成果,但是仍需關(guān)注以下問(wèn)題和技術(shù):(1) SOC的準(zhǔn)確估算;(2) 基于電池SOC均衡的儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制、SOC均衡及故障冗余問(wèn)題;(3) 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和火電機(jī)組之間的調(diào)頻需求分配及控制策略。

4 MMC級(jí)聯(lián)型混合儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)分析

4.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.1.1 延長(zhǎng)鋰電池使用壽命

目前技術(shù)發(fā)展水平下,鋰電池的循環(huán)壽命約6 000次。根據(jù)實(shí)際案例經(jīng)驗(yàn),純鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在調(diào)頻場(chǎng)景下頻繁地進(jìn)行充放電,通常在3～5 a內(nèi)就需要更換電芯。鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可優(yōu)先動(dòng)作循環(huán)壽命達(dá)到10萬(wàn)次以上的超級(jí)電容來(lái)響應(yīng)電網(wǎng)小幅度且頻繁的調(diào)頻需求,顯著減少混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中鋰電池的頻繁充放電動(dòng)作,延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命,進(jìn)而延長(zhǎng)整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。鋰電池使用年限的延長(zhǎng),可減少項(xiàng)目運(yùn)行期內(nèi)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)電芯的更換成本,電芯的更換成本占整個(gè)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)初投資的30%～40%,即混合儲(chǔ)能可以顯著減少儲(chǔ)能電站運(yùn)行后的運(yùn)維成本。

李政[21]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)所配置的鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后,在電網(wǎng)小指令下優(yōu)先動(dòng)作超級(jí)電容,避免鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的頻繁充放電動(dòng)作,可將鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用年限延長(zhǎng)約70%,進(jìn)而將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)年綜合運(yùn)行成本降低75%～85%。

4.1.2 高安全性和高效率

高壓級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)用多個(gè)分散式PCS可更好地實(shí)現(xiàn)電池單元間的SOC均衡,大幅度減輕電池的過(guò)充過(guò)放問(wèn)題,從而提高系統(tǒng)安全性。采用高壓級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)沒(méi)有傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中電池簇的并聯(lián)回路,沒(méi)有產(chǎn)生環(huán)流及其導(dǎo)致的損耗,故可顯著提升儲(chǔ)能系統(tǒng)效率,較常規(guī)匯流升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能效率提高5%～6%[27]。

2023年11月,某35 kV高壓級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)順利通過(guò)并網(wǎng)性能測(cè)試。該項(xiàng)目35 kV高壓級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)效率最高達(dá)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(chǔ)能系統(tǒng)工程實(shí)踐上的效率新高度,證明了高壓級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)突出的效率優(yōu)勢(shì)。

4.1.3 深度耦合和靈活響應(yīng)

MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能在直流側(cè)實(shí)現(xiàn)了鋰電池和超級(jí)電容兩種不同類(lèi)型儲(chǔ)能的深度耦合,可直接對(duì)鋰電池和超級(jí)電容進(jìn)行控制,充分發(fā)揮兩種類(lèi)型儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì),兼顧能量密度和功率密度。同時(shí),該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流側(cè)通常備用一定量的冗余子模塊,當(dāng)某些子模塊發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)可快速切除故障部分設(shè)備,通過(guò)備用的冗余子模塊保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,使得整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)。MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能不使用PCS直接并網(wǎng),控制與應(yīng)用靈活,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)元件,提高了系統(tǒng)效率,使整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)更加迅速,非常適用于響應(yīng)速度要求極高的儲(chǔ)能輔助調(diào)頻領(lǐng)域。

4.2 技術(shù)不足

MMC級(jí)聯(lián)型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)也存在一些不足[56-58],主要為:混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的初投資高于純鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng),且初投資增加的比例會(huì)隨著超級(jí)電容配置比例的增加而增加;高壓級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、高度模塊化的難度較大且運(yùn)維難度較高;MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于鋰電池和超級(jí)電容的協(xié)調(diào)控制難度較高,且容易失穩(wěn)。

5 混合儲(chǔ)能輔助調(diào)頻工程案例

目前,國(guó)內(nèi)用于輔助火電機(jī)組調(diào)頻的混合儲(chǔ)能主要為鋰電池儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能混合系統(tǒng)。采用鋰電池和超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助火電機(jī)組調(diào)頻的工程案例相對(duì)較少。2023年4月投運(yùn)的華能集團(tuán)羅源電廠(2臺(tái)66萬(wàn)kW的火電機(jī)組)配置的15 MW/7.5 MW·h鋰電池+5 MW/4 min超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng),是目前全球最大容量的鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng),極大地提高了電廠調(diào)頻能力。投運(yùn)后電廠調(diào)頻時(shí)間可提升14倍以上,調(diào)節(jié)速率可提升4倍以上,調(diào)節(jié)精度可提升3倍以上,大幅提升了現(xiàn)有儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的靈活性、綜合性能、使用壽命和經(jīng)濟(jì)性[59]。2023年11月,珠海金灣發(fā)電有限公司首個(gè)鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目并網(wǎng)投產(chǎn)。金灣發(fā)電有限公司在2臺(tái)60萬(wàn)kW火電機(jī)組側(cè)建設(shè)了1套16 MW/8 MW·h鋰電池+4 MW/0.67 MW·h超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以輔助火電機(jī)組調(diào)頻[60]。金灣電廠配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后,其調(diào)頻能力顯著提高,效能在國(guó)內(nèi)同類(lèi)型燃煤機(jī)組中名列前茅,該項(xiàng)目的投運(yùn)還有效提升燃煤機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)能力,節(jié)能、低碳、環(huán)保多重效益顯著。該項(xiàng)目的投運(yùn)還提升了區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)頻能力,有效保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定,為電網(wǎng)新能源消納和安全穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力技術(shù)支撐,為經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供更加安全可靠的電力供應(yīng)保障。

羅源電廠和金灣發(fā)電有限公司這2個(gè)混合儲(chǔ)能輔助調(diào)頻項(xiàng)目的成功投運(yùn)和相關(guān)研究充分證明了鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能輔助調(diào)頻技術(shù)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性,對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有積極作用。

另外,還有一些地方政府規(guī)劃了鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能項(xiàng)目,充分利用2種不同類(lèi)型儲(chǔ)能系統(tǒng)各自?xún)?yōu)點(diǎn),參與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻服務(wù),提升電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力,如安徽省宿州市靈璧縣220 MW/400 MW·h共享混合儲(chǔ)能調(diào)頻電站(項(xiàng)目?jī)?nèi)含200 MW/400 MW·h磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)+20 MW/30 s超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng))和山西省襄垣縣的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化40 MW/80 MW·h鋰電池+10 MW/0.5 MW·h超級(jí)電容混合儲(chǔ)能試點(diǎn)示范項(xiàng)目。

6 結(jié)論

鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能輔助火電調(diào)頻技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景,目前也有少量示范工程建成或在建設(shè)之中,但仍需研究解決一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,以推動(dòng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助調(diào)頻技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展。

需要進(jìn)一步關(guān)注混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性問(wèn)題,尤其是調(diào)頻場(chǎng)景下,大規(guī)模成組應(yīng)用的鋰電池因頻繁大功率充放電過(guò)程中電池不一致性導(dǎo)致的過(guò)充過(guò)放引發(fā)的安全性問(wèn)題。

需要進(jìn)一步優(yōu)化容量配置方法,針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和工況,綜合考慮鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的工程初投資、運(yùn)行效率、運(yùn)維成本及當(dāng)?shù)卣{(diào)頻政策等因素,確定最優(yōu)的鋰電池和超級(jí)電容的功率/容量配置比例,以最小的工程初投資實(shí)現(xiàn)調(diào)頻收益最大化。

目前,混合儲(chǔ)能控制策略主要是針對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部不同類(lèi)型儲(chǔ)能的控制,需要進(jìn)一步研究混合儲(chǔ)能和火電機(jī)組2個(gè)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。同時(shí),需要研究基于MMC等新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制,尤其是當(dāng)調(diào)頻指令變化時(shí),實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部功率的動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配。

進(jìn)一步關(guān)注儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用,如鋰電池的SOC精確估算、PCS控制算法及優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)字化建模,以提高功率/容量?jī)?yōu)化配置的精度和可靠性等。

需要關(guān)注新型、高效混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)潛在的振蕩失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的受擾動(dòng)特性。同時(shí),需要優(yōu)化混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),深入研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的響應(yīng)和調(diào)整機(jī)制,如對(duì)于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能,還需要研究上下橋臂的SOC均衡和環(huán)流問(wèn)題,以更好地發(fā)揮鋰電池和超級(jí)電容2種儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用,尤其是解決因兩者電壓相等導(dǎo)致的對(duì)超級(jí)電容功率發(fā)揮的限制。

關(guān)注不同類(lèi)型新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,如飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)成熟度和成本下降水平,并時(shí)刻關(guān)注新型儲(chǔ)能在火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展。

本文對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助火電機(jī)組調(diào)頻的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理,并提出了需要關(guān)注和解決的相關(guān)問(wèn)題,以期為相關(guān)業(yè)務(wù)的發(fā)展提供有力的支撐。