電化學混合儲能輔助火電機組調頻的容量配置優化研究

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

中國大唐集團科學技術研究院有限公司火力發電技術研究院 李冠贏 吳 瑊

近年來，隨著能源危機與環境污染日益嚴峻，太陽能、風能等可再生能源以其資源豐富、污染小等優點將在未來能源格局中扮演重要角色。由于太陽能、風能等的隨機性和波動性，在電源側或電網側配置一定的儲能系統是必不可少的[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，循環壽命長，可有效地抑制系統中的短時能量波動和平滑系統中的瞬時能量，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]。

電化學儲能電池存在成本、放電倍率、放電深度及使用循環次數等方面的差異，超級電容與鋰離子電池相比，在循環壽命、充放電倍率方面存在優勢，而鋰離子電池在成本方面存在優勢[5]。本文在研究負載需求的基礎上，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 電化學儲能系統的特性分析

超級電容及鋰電池（磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池）因為技術成熟、安全可靠、適用范圍廣、價格優勢等諸多穩定優勢在電網建設中得到大量的應用，通過功能需求分析，超級電容與鋰電池在電化學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、循環壽命、能量轉換效率、成本、一致性等[6]，其中循環壽命與放電深度（deep of discharge, DOD）、充放電倍率都有很大的關系[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 時的循環壽命為4000次左右，某款電池的循環壽命與DOD關系如圖1所示。響應時間級別在秒級，采購成本約1.1元/W·h。

圖1 某型號磷酸鐵鋰電池循環壽命與放電深度關系圖

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 時的循環壽命為1800次左右，某款電池的循環壽命與DOD 關系如圖2所示。響應時間級別在秒級，采購成本約1.25元/W·h。

圖2 某型號三元鋰電池循環壽命與放點深度的關系

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 時的循環壽命為340萬次左右。超級電容的循環壽命與DOD 關系如圖3所示。響應時間級別在毫秒級，采購成本約90元/W·h。

圖3 某型號超級電容循環壽命與放電深度關系

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時間方面存在很大優勢，而鋰離子電池的建設成本較低。

根據圖1和圖2可知，磷酸鐵鋰和三元鋰電池的循環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生過充和過放的情況；由圖1、圖2和圖3對比發現，在不同放電深度下，超級電容的循環壽命均明顯大于鋰電池的循環壽命。綜上所述，結合超級電容響應速度較鋰電池高，且超級電容循環壽命遠大于鋰電池，故超級電容非常適合響應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，用來響應電網的頻率較低的功率負荷。

2 應用于火力發電機組的電化學混合儲能系統的容量配置方法

儲能混合容量配置已被廣泛應用多個場景[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]。根據電池特性，在儲能能量以天為時間尺度釋放或存儲的應用場景下，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AGC 指令與火電機組負荷，本文以此為例，說明應用于火力發電機組的電化學混合儲能系統的容量配置方法。

圖4 某日24小時AGC 指令與火電負荷

2.1 配置原則

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

對火電機組與AGC 的負荷缺口進行統計分析，以單一波峰容量缺口W需為基礎，電化學儲能系統總體容量需保障n 個連續放電時的負荷用電，則總容量Wt為：

其中k 為保障系數，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個連續放電時的電能需求。

根據電網負荷缺口情況確定充放電頻率次數較高、功率高頻率波動和充放電頻率次數較低、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；充放電頻率次數較低、功率低頻率波動的電池采用鋰電池，其總容量為Wst，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：

混合儲能系統的總容量為：

負荷缺口曲線中高頻負荷缺口由超級電容承擔，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：

磷酸鐵鋰總容量WS1t與三元鋰總容量WS2t占總容量Wt的份額分別為x1和x2，則磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池總容量分別為：

2.3 容量優化的目標函數

本文以混合儲能系統的建造成本最小為目標函數，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；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壽命、LS1為磷酸鐵鋰電池在不同放電深度下的循環壽命、LS2為三元鋰電池在不同放電深度下的循環壽命。

3 實例計算

3.1 計算條件

某火力發電機組的電化學混合儲能系統日需容量（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。電化學儲能系統總體容量需保障2個連續放電時的負荷用電。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 混合電池儲能系統容量優化

儲能電池容量計算在滿足需求的基礎上，需要保障成本及使用壽命最優。儲能電池總容量計算一般情況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，根據統計可知，結合3種儲能電池的不同特性，對所需的總容量進行合理分配，達到成本及使用壽命的最優化。

2個連續放電時的負荷用電需要的儲能容量即為儲能電池的總容量Wt=k×n×W需=1.25×2×10=25MWh，超級電容的總容量為W1t=k×n×W1=1.25×2×1=2.5MWh，鋰電池的總容量為WSt=Wt-W1t=25-2.5=22.5MWh。磷酸鐵鋰總容量WS1t與三元鋰總容量WS2t占總容量Wt的份額為x1和x2。 則，。

實際電化學儲能系統容量要考慮一定的容量冗余，以及放電倍率、放電深度對電化學儲能系統壽命的影響，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壽命使用。

最終，超級電容總容量W1t=2.5MWh；磷酸鐵鋰總容量；三元鋰總容量。

最后由公式（7）-（9），可得：

經優化，x1=0.9，x2=0。該結果說明三元鋰電池不適用于該混合儲能系統。

3.3 結果分析

3.3.1 三元鋰電池不適合該混合儲能系統的原因

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壽命是三元鋰電池循環壽命的兩倍以上，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，最終導致了三元鋰電池不適用于該混合儲能系統。

3.3.2 混合儲能系統與單一鋰電池對比

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

4 結語

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儲能方式的特性，給出了混合儲能系統中電池容量的配置原則，建立了各電池容量的優化模型，并進行了實例計算。所得結論有：

超級電容在使用壽命遠高于鋰電池，響應時間在ms 級，適用于響應頻率較高的負荷信號；鋰離子電池的建造成本較低，響應時間在s 級，適用于響應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、循環壽命短，因而其并不適用于混合儲能系統。

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。