在位于福建省羅源縣的華能羅源電廠，全國容量最大、反應(yīng)最快的“智慧超級充電寶”——“5MW超級電容+15MW鋰電池混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)”近日經(jīng)過調(diào)試，進入成熟穩(wěn)定運營階段。標(biāo)志著我國超級電容的技術(shù)研發(fā)、集成及應(yīng)用水平躋身世界前列，為電力系統(tǒng)調(diào)頻開辟出新路徑。
充電寶是生活中隨處可見的日常用品。一般情況下，普通的充電寶容量為1萬毫安。但華能羅源電廠的這臺“智慧超級充電寶”總?cè)萘繀s相當(dāng)于21萬多個1萬毫安普通充電寶的總和，充滿后可同時滿足近千戶居民家庭一天的可靠用電。更難能可貴的是，這樣的超級充電寶從充滿到完全放電僅需要幾分鐘。
“智慧超級充電寶”是如何運行的，是不是與手機充電寶很相似？這樣一臺巨型充電寶建造過程中攻克了哪些技術(shù)難題？對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有哪些作用？讓我們?nèi)ヒ惶骄烤埂?/div>
超大容量，儲存電量相當(dāng)于21萬多個1萬毫安充電寶的總和
走進華能羅源電廠，只見傳說中的“智慧超級充電寶”——十余個巨大的白色盒子一字排開。儲能電站控制室的屏幕上，顯示著目前超級電容混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
“5、4、3、2、1，開始！”4月初，同樣是在這間控制室，華能羅源電廠運行部值長莊淑熙，與十多位技術(shù)人員在大屏前，共同見證這個“智慧超級充電寶”開始工作。現(xiàn)場，伴隨儲能投入指示燈的亮起，只見顯示在大屏上的電能存儲百分比開始跳動，幾分鐘后“小電池”圖標(biāo)顯示充電已從下限到達滿格。
儲能，顧名思義就是存儲能量，是指通過一種介質(zhì)或設(shè)備，把一種能量形式存儲起來。在電力系統(tǒng)，通常把大規(guī)模的電化學(xué)儲能電站比喻為“超級大電池”。
據(jù)了解，儲能系統(tǒng)充電時，由廠用電系統(tǒng)經(jīng)干式變壓器將電壓降至0.4kV，經(jīng)換流裝置整流成直流對儲能電池充電；放電時，儲能電池直流電經(jīng)換流裝置轉(zhuǎn)換成交流50Hz電源，經(jīng)干式變壓器升壓至6kV注入廠用電系統(tǒng)。隨著儲能系統(tǒng)的充放電，改變了廠用電功率，從而間接地調(diào)整了發(fā)電機組的功率。
莊淑熙以“充電寶”來解釋儲能系統(tǒng)工作的原理，“就像我們常用的充電寶一樣，將電能儲存起來，在電力供應(yīng)波動時迅速作出反應(yīng)，快速充電維持電網(wǎng)發(fā)、用兩側(cè)平衡。”
近年來，中國加快推進可再生能源開發(fā)利用，綠色低碳理念深入人心。不過光伏、風(fēng)力發(fā)電有著“看天吃飯”的特性，當(dāng)出現(xiàn)“極熱無風(fēng)”“極寒無光”的情形，就容易導(dǎo)致電力供應(yīng)出現(xiàn)變動，要維持頻率和電壓的穩(wěn)定，就要系統(tǒng)調(diào)度儲能資源來平衡新能源發(fā)電的波動性。
“未來我國大規(guī)模的新能源并網(wǎng)消納需要大電網(wǎng)的支撐，尤其是隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)不斷推進，建設(shè)大型儲能電站是發(fā)展的實際需求和必然選擇。”華能羅源電廠黨委書記、副總經(jīng)理劉銘說。
《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》明確提出，到2025年，新型儲能由商業(yè)化初期步入規(guī)?；l(fā)展階段，具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件；到2030年，新型儲能全面市場化發(fā)展。
在此大背景下，“智慧超級充電寶”的研發(fā)方——華能集團把握能源技術(shù)革命趨勢，通過優(yōu)化公司科技創(chuàng)新布局和資源配置，帶動產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，于2022年3月16日立項開展“超級電容混合儲能輔助火電機組AGC調(diào)頻技術(shù)研究及示范應(yīng)用”科技項目研究。
據(jù)介紹，該項目總規(guī)模達到20MW，采用復(fù)合儲能技術(shù)，包括5MW超級電容儲能系統(tǒng)，以及15MW/7.5MWh鋰電池儲能系統(tǒng)。儲存的電量相當(dāng)于21.17萬個1萬毫安的普通充電寶的容量總和，可同時滿足超過1119戶居民家庭1天的可靠用電，系首次將長壽命、高安全性的超級電容儲能技術(shù)應(yīng)用在火電調(diào)頻領(lǐng)域，有效解決了大容量超級電容儲能技術(shù)集成與調(diào)頻應(yīng)用難題。項目投用后，對于提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，促進可再生能源消納和能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。
取長補短，填補了我國超級電容儲能領(lǐng)域的技術(shù)空白
姜濱，華能羅源電廠檢修部電氣專工，也是超級電容混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)重要的建設(shè)者和見證者。
雖然有著30年的火電建設(shè)工作經(jīng)驗、曾參與多個火電站建設(shè)，但談及“智慧超級充電寶”的建設(shè)之路，他依舊難掩自豪與激動。“從研發(fā)、設(shè)計到施工，每一個環(huán)節(jié)都遇到了許多難題。”
首先，擺在姜濱他們面前的問題就是使用什么方式儲能。
在采訪中，記者了解到，儲能有多種形式，每種形式都有自己的優(yōu)缺點。目前，電儲能中比較適合大倍率應(yīng)用且應(yīng)用范圍最廣的是鋰電池，但根據(jù)實際運行情況來看，鋰電池存在壽命短、安全性低、經(jīng)濟性不足等問題。
“雖然鋰電池具有儲能密度高、充放電效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但是，鋰電池受制于充放電次數(shù)限制，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)壽命大大低于預(yù)期。”姜濱說。
安全問題更不容忽視。一個大規(guī)模儲能電站，電池數(shù)量可高達幾十甚至數(shù)百萬只，其中任何一個電池出現(xiàn)問題，都可能引起整個電池組爆炸。
在綜合考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實際調(diào)頻動作頻率和各種儲能的特性后，設(shè)計團隊篩選出了國內(nèi)領(lǐng)先的電芯比能量大于81Wh/kg的鋰離子混合型超級電容電芯，完成了超級電容/鋰電池的選型研究、集成方案設(shè)計和熱工況性能研究，探索出“5MW超級電容+15MW鋰電池”的混合儲能模式，實現(xiàn)了適合電力系統(tǒng)調(diào)頻場景的大容量超級電容儲能系統(tǒng)集成。
姜濱表示，一個有效的充放電控制策略就是能夠最大限度地發(fā)揮不同類型儲能設(shè)備的優(yōu)點，實現(xiàn)“1+1>2”的效果。
超級電容器是一種新型高性能儲能器件，介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間，使用壽命為鋰電池的100多倍，業(yè)內(nèi)認為其壽命可達10年，非常適合短時間、大功率充放電，響應(yīng)時間達到毫秒級。
“5MW超級電容+15MW鋰電池”的混合儲能模式，既發(fā)揮了超級電容儲能快的優(yōu)勢，又擁有了鋰電池儲能久的特點，實現(xiàn)性能互補。系統(tǒng)參與調(diào)頻時，以超級電容為主，鋰電池為輔，具體表現(xiàn)為以秒為計時單位的小指令全部由超級電容參與，分鐘級的大指令則由超級電容全功率響應(yīng)，鋰電池作為補充響應(yīng)，顯著提升了現(xiàn)有儲能調(diào)頻系統(tǒng)綜合性能。
除此以外，“1+1>2”的效果還體現(xiàn)在火電機組和儲能系統(tǒng)的組合上。
“儲能系統(tǒng)具有快速精確的功率響應(yīng)能力，能夠提高火電廠的調(diào)頻能力，保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，提高電力系統(tǒng)運行的安全性。”姜濱說，在發(fā)電側(cè)配置儲能，對于傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域而言，主要意義在于輔助動態(tài)運行、提升調(diào)節(jié)品質(zhì)。
據(jù)介紹，“5MW超級電容+15MW鋰電池”的混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)共由2個儲能子系統(tǒng)組成，兩個儲能子系統(tǒng)分別接入電廠1號、2號機6kV母線。利用儲能系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)輸出功率的能力，以火電機組作為響應(yīng)自動發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC）指令的基礎(chǔ)單元，輔以儲能系統(tǒng)作為補充快速響應(yīng)單元，將機組出力與儲能系統(tǒng)出力進行合并后作為系統(tǒng)總出力送至電網(wǎng)，能夠達到改善機組AGC性能的目的。
“這就好比，我們以前開手動擋汽車，要想從起步擋掛到5擋，不能直接跳掛5擋，必須轉(zhuǎn)速和車速達到一定值了，一擋接一擋地往上掛，才能防止排擋損壞和保證行駛的平穩(wěn)順暢。有了超級電容混合儲能系統(tǒng)的助力，火電機組調(diào)頻效果就像汽車由手動擋換成了自動擋。”姜濱以開車為例，形象地解釋了超級電容混合儲能輔助火電機組AGC調(diào)頻技術(shù)的作用。
《中國新型儲能發(fā)展報告2023》指出，目前新型儲能仍處于發(fā)展初期，在核心材料、系統(tǒng)集成、調(diào)度運用、安全防護等方面還有大量技術(shù)難題有待解決。此次，華能羅源電廠超級電容混合儲能工程的成功投運，充分驗證了大容量超級電容儲能技術(shù)的安全性、可靠性、經(jīng)濟性，大幅提升了機組的響應(yīng)速率和靈活性，填補了我國超級電容儲能領(lǐng)域的技術(shù)空白。
“充放”自如，滿足電網(wǎng)多元化調(diào)節(jié)需求
電網(wǎng)為什么要調(diào)頻？調(diào)頻到底是什么？
電網(wǎng)系統(tǒng)連接著發(fā)電側(cè)與用電側(cè)，當(dāng)供需不匹配時，電網(wǎng)頻率就會出現(xiàn)波動，最常見的表現(xiàn)是家中電燈忽明忽暗。要想電網(wǎng)保持穩(wěn)定，發(fā)電和用電要相對（動態(tài)）平衡。而調(diào)頻就是調(diào)整電力系統(tǒng)的頻率，使其變化不超過規(guī)定的允許范圍，以保證電能質(zhì)量。
華能羅源電廠2臺660MW超超臨界火電機組與超級電容混合儲能系統(tǒng)“強強聯(lián)手”，實現(xiàn)了機組調(diào)頻性能的飛躍式提升，猶如為提高電能質(zhì)量提供了穩(wěn)定器。
華能羅源電廠運行部主值班員張海萍，在電廠集控室向我們詳細介紹了超級電容混合儲能系統(tǒng)如何配合發(fā)電機組進行調(diào)頻。
據(jù)她介紹，當(dāng)發(fā)電機組單獨調(diào)頻時，出力與目標(biāo)指令功率存在很大偏差；當(dāng)發(fā)電機組與超級電容混合儲能系統(tǒng)共同調(diào)頻時，出力與目標(biāo)指令功率偏差很小。超級電容混合儲能系統(tǒng)AGC跟蹤曲線，幾乎與AGC指令曲線重合，即響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度等問題得到完美解決。
混合儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻后，在小指令區(qū)間，可以在2秒內(nèi)完成功率目標(biāo)的跟蹤；在大指令區(qū)間，機組與儲能聯(lián)合出力響應(yīng)迅速，機組具有較好的負荷響應(yīng)性能，穩(wěn)定負荷工況和變負荷工況均基本滿足《電網(wǎng)自動發(fā)電控制（AGC）運行管理規(guī)定》及《火力發(fā)電廠自動發(fā)電控制性能測試驗收規(guī)程》等規(guī)定的要求，機組在模擬控制方式下運行穩(wěn)定，各控制子系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)效果良好。
據(jù)福建省電力現(xiàn)貨市場交易平臺公布數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)投入運行后，華能羅源電廠機組的調(diào)頻響應(yīng)時間指標(biāo)可提高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，機組整體調(diào)節(jié)性能全省第一，實現(xiàn)躍升！
加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，離不開儲能這個“智慧超級充電寶”，未來，新型儲能的發(fā)展空間還很廣闊。但在業(yè)內(nèi)看來，新型儲能要實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化、市場化發(fā)展，至少還要跨過安全和成本“兩道坎”。
安全是新型儲能系統(tǒng)堅守的底線。為此，華能羅源電廠不斷強化安全風(fēng)險防范，超級電容艙、電池艙安裝快速反應(yīng)氣體消防系統(tǒng)，艙內(nèi)設(shè)置消防氣體監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測艙內(nèi)各氣體濃度情況。針對電芯溫度高、溫差大、電壓高、電流大均設(shè)置了邏輯保護，實現(xiàn)隔離控制功能。
