在位于福建省羅源縣的華能羅源電廠，全國(guó)容量最大、反應(yīng)最快的“智慧超級(jí)充電寶”——“5MW超級(jí)電容+15MW鋰電池混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)”近日經(jīng)過(guò)調(diào)試，進(jìn)入成熟穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)階段。標(biāo)志著我國(guó)超級(jí)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(kāi)辟出新路徑。
充電寶是生活中隨處可見(jiàn)的日常用品。一般情況下，普通的充電寶容量為1萬(wàn)毫安。但華能羅源電廠的這臺(tái)“智慧超級(jí)充電寶”總?cè)萘繀s相當(dāng)于21萬(wàn)多個(gè)1萬(wàn)毫安普通充電寶的總和，充滿后可同時(shí)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(jí)充電寶從充滿到完全放電僅需要幾分鐘。
“智慧超級(jí)充電寶”是如何運(yùn)行的，是不是與手機(jī)充電寶很相似？這樣一臺(tái)巨型充電寶建造過(guò)程中攻克了哪些技術(shù)難題？對(duì)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有哪些作用？讓我們?nèi)ヒ惶骄烤埂?/div>
超大容量，儲(chǔ)存電量相當(dāng)于21萬(wàn)多個(gè)1萬(wàn)毫安充電寶的總和
走進(jìn)華能羅源電廠，只見(jiàn)傳說(shuō)中的“智慧超級(jí)充電寶”——十余個(gè)巨大的白色盒子一字排開(kāi)。儲(chǔ)能電站控制室的屏幕上，顯示著目前超級(jí)電容混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
“5、4、3、2、1，開(kāi)始！”4月初，同樣是在這間控制室，華能羅源電廠運(yùn)行部值長(zhǎng)莊淑熙，與十多位技術(shù)人員在大屏前，共同見(jiàn)證這個(gè)“智慧超級(jí)充電寶”開(kāi)始工作?，F(xiàn)場(chǎng)，伴隨儲(chǔ)能投入指示燈的亮起，只見(jiàn)顯示在大屏上的電能存儲(chǔ)百分比開(kāi)始跳動(dòng)，幾分鐘后“小電池”圖標(biāo)顯示充電已從下限到達(dá)滿格。
儲(chǔ)能，顧名思義就是存儲(chǔ)能量，是指通過(guò)一種介質(zhì)或設(shè)備，把一種能量形式存儲(chǔ)起來(lái)。在電力系統(tǒng)，通常把大規(guī)模的電化學(xué)儲(chǔ)能電站比喻為“超級(jí)大電池”。
據(jù)了解，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)，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(duì)儲(chǔ)能電池充電；放電時(shí)，儲(chǔ)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(chǔ)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(jī)組的功率。
莊淑熙以“充電寶”來(lái)解釋儲(chǔ)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(chǔ)存起來(lái)，在電力供應(yīng)波動(dòng)時(shí)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(lái)，中國(guó)加快推進(jìn)可再生能源開(kāi)發(fā)利用，綠色低碳理念深入人心。不過(guò)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(wú)風(fēng)”“極寒無(wú)光”的情形，就容易導(dǎo)致電力供應(yīng)出現(xiàn)變動(dòng)，要維持頻率和電壓的穩(wěn)定，就要系統(tǒng)調(diào)度儲(chǔ)能資源來(lái)平衡新能源發(fā)電的波動(dòng)性。
“未來(lái)我國(guó)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(jìn)，建設(shè)大型儲(chǔ)能電站是發(fā)展的實(shí)際需求和必然選擇。”華能羅源電廠黨委書(shū)記、副總經(jīng)理劉銘說(shuō)。
《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》明確提出，到2025年，新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)模化發(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(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。
在此大背景下，“智慧超級(jí)充電寶”的研發(fā)方——華能集團(tuán)把握能源技術(shù)革命趨勢(shì)，通過(guò)優(yōu)化公司科技創(chuàng)新布局和資源配置，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，于2022年3月16日立項(xiàng)開(kāi)展“超級(jí)電容混合儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組AGC調(diào)頻技術(shù)研究及示范應(yīng)用”科技項(xiàng)目研究。
據(jù)介紹，該項(xiàng)目總規(guī)模達(dá)到20MW，采用復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)，包括5MW超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，以及15MW/7.5MWh鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)存的電量相當(dāng)于21.17萬(wàn)個(gè)1萬(wàn)毫安的普通充電寶的容量總和，可同時(shí)滿足超過(guò)1119戶居民家庭1天的可靠用電，系首次將長(zhǎng)壽命、高安全性的超級(jí)電容儲(chǔ)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(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)集成與調(diào)頻應(yīng)用難題。項(xiàng)目投用后，對(duì)于提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)可再生能源消納和能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。
取長(zhǎng)補(bǔ)短，填補(bǔ)了我國(guó)超級(jí)電容儲(chǔ)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(jí)電容混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)重要的建設(shè)者和見(jiàn)證者。
雖然有著30年的火電建設(shè)工作經(jīng)驗(yàn)、曾參與多個(gè)火電站建設(shè)，但談及“智慧超級(jí)充電寶”的建設(shè)之路，他依舊難掩自豪與激動(dòng)。“從研發(fā)、設(shè)計(jì)到施工，每一個(gè)環(huán)節(jié)都遇到了許多難題。”
首先，擺在姜濱他們面前的問(wèn)題就是使用什么方式儲(chǔ)能。
在采訪中，記者了解到，儲(chǔ)能有多種形式，每種形式都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。目前，電儲(chǔ)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(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，鋰電池存在壽命短、安全性低、經(jīng)濟(jì)性不足等問(wèn)題。
“雖然鋰電池具有儲(chǔ)能密度高、充放電效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是，鋰電池受制于充放電次數(shù)限制，導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命大大低于預(yù)期。”姜濱說(shuō)。
安全問(wèn)題更不容忽視。一個(gè)大規(guī)模儲(chǔ)能電站，電池?cái)?shù)量可高達(dá)幾十甚至數(shù)百萬(wàn)只，其中任何一個(gè)電池出現(xiàn)問(wèn)題，都可能引起整個(gè)電池組爆炸。
在綜合考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實(shí)際調(diào)頻動(dòng)作頻率和各種儲(chǔ)能的特性后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)篩選出了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的電芯比能量大于81Wh/kg的鋰離子混合型超級(jí)電容電芯，完成了超級(jí)電容/鋰電池的選型研究、集成方案設(shè)計(jì)和熱工況性能研究，探索出“5MW超級(jí)電容+15MW鋰電池”的混合儲(chǔ)能模式，實(shí)現(xiàn)了適合電力系統(tǒng)調(diào)頻場(chǎng)景的大容量超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)集成。
姜濱表示，一個(gè)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(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效果。
超級(jí)電容器是一種新型高性能儲(chǔ)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(rèn)為其壽命可達(dá)10年，非常適合短時(shí)間、大功率充放電，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)。
“5MW超級(jí)電容+15MW鋰電池”的混合儲(chǔ)能模式，既發(fā)揮了超級(jí)電容儲(chǔ)能快的優(yōu)勢(shì)，又擁有了鋰電池儲(chǔ)能久的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)。系統(tǒng)參與調(diào)頻時(shí)，以超級(jí)電容為主，鋰電池為輔，具體表現(xiàn)為以秒為計(jì)時(shí)單位的小指令全部由超級(jí)電容參與，分鐘級(jí)的大指令則由超級(jí)電容全功率響應(yīng)，鋰電池作為補(bǔ)充響應(yīng)，顯著提升了現(xiàn)有儲(chǔ)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(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的組合上。
“儲(chǔ)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(yùn)行的安全性。”姜濱說(shuō)，在發(fā)電側(cè)配置儲(chǔ)能，對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域而言，主要意義在于輔助動(dòng)態(tài)運(yùn)行、提升調(diào)節(jié)品質(zhì)。
據(jù)介紹，“5MW超級(jí)電容+15MW鋰電池”的混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)共由2個(gè)儲(chǔ)能子系統(tǒng)組成，兩個(gè)儲(chǔ)能子系統(tǒng)分別接入電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)6kV母線。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)輸出功率的能力，以火電機(jī)組作為響應(yīng)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC）指令的基礎(chǔ)單元，輔以儲(chǔ)能系統(tǒng)作為補(bǔ)充快速響應(yīng)單元，將機(jī)組出力與儲(chǔ)能系統(tǒng)出力進(jìn)行合并后作為系統(tǒng)總出力送至電網(wǎng)，能夠達(dá)到改善機(jī)組AGC性能的目的。
“這就好比，我們以前開(kāi)手動(dòng)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(dá)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(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的助力，火電機(jī)組調(diào)頻效果就像汽車由手動(dòng)擋換成了自動(dòng)擋。”姜濱以開(kāi)車為例，形象地解釋了超級(jí)電容混合儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組AGC調(diào)頻技術(shù)的作用。
《中國(guó)新型儲(chǔ)能發(fā)展報(bào)告2023》指出，目前新型儲(chǔ)能仍處于發(fā)展初期，在核心材料、系統(tǒng)集成、調(diào)度運(yùn)用、安全防護(hù)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(jí)電容混合儲(chǔ)能工程的成功投運(yùn)，充分驗(yàn)證了大容量超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，大幅提升了機(jī)組的響應(yīng)速率和靈活性，填補(bǔ)了我國(guó)超級(jí)電容儲(chǔ)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(shí)，電網(wǎng)頻率就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，最常見(jiàn)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(duì)（動(dòng)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(guò)規(guī)定的允許范圍，以保證電能質(zhì)量。
華能羅源電廠2臺(tái)660MW超超臨界火電機(jī)組與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手”，實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(yùn)行部主值班員張海萍，在電廠集控室向我們?cè)敿?xì)介紹了超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)如何配合發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻。
據(jù)她介紹，當(dāng)發(fā)電機(jī)組單獨(dú)調(diào)頻時(shí)，出力與目標(biāo)指令功率存在很大偏差；當(dāng)發(fā)電機(jī)組與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)共同調(diào)頻時(shí)，出力與目標(biāo)指令功率偏差很小。超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)AGC跟蹤曲線，幾乎與AGC指令曲線重合，即響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度等問(wèn)題得到完美解決。
混合儲(chǔ)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(jī)組與儲(chǔ)能聯(lián)合出力響應(yīng)迅速，機(jī)組具有較好的負(fù)荷響應(yīng)性能，穩(wěn)定負(fù)荷工況和變負(fù)荷工況均基本滿足《電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）運(yùn)行管理規(guī)定》及《火力發(fā)電廠自動(dòng)發(fā)電控制性能測(cè)試驗(yàn)收規(guī)程》等規(guī)定的要求，機(jī)組在模擬控制方式下運(yùn)行穩(wěn)定，各控制子系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)效果良好。
據(jù)福建省電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易平臺(tái)公布數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)投入運(yùn)行后，華能羅源電廠機(jī)組的調(diào)頻響應(yīng)時(shí)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(jī)組整體調(diào)節(jié)性能全省第一，實(shí)現(xiàn)躍升！
加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，離不開(kāi)儲(chǔ)能這個(gè)“智慧超級(jí)充電寶”，未來(lái)，新型儲(chǔ)能的發(fā)展空間還很廣闊。但在業(yè)內(nèi)看來(lái)，新型儲(chǔ)能要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化發(fā)展，至少還要跨過(guò)安全和成本“兩道坎”。
安全是新型儲(chǔ)能系統(tǒng)堅(jiān)守的底線。為此，華能羅源電廠不斷強(qiáng)化安全風(fēng)險(xiǎn)防范，超級(jí)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(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)各氣體濃度情況。針對(duì)電芯溫度高、溫差大、電壓高、電流大均設(shè)置了邏輯保護(hù)，實(shí)現(xiàn)隔離控制功能。
