鋰離子電容器參與火電機(jī)組調(diào)頻研究

沈 迎 黃 策 胡錫東 張效源 楊沛豪

鋰離子電容器參與火電機(jī)組調(diào)頻研究

沈 迎1黃 策1胡錫東1張效源1楊沛豪2

（1. 國(guó)家能源費(fèi)縣發(fā)電有限公司，山東 費(fèi)縣 276001； 2. 西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安 710054）

隨著風(fēng)電和光伏等波動(dòng)性能源并網(wǎng)發(fā)電量增加，電力系統(tǒng)的調(diào)頻任務(wù)更加繁重。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)調(diào)頻資源存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)組爬坡速率低等多種問(wèn)題，結(jié)合儲(chǔ)能電源技術(shù)響應(yīng)速度快、控制精度高和雙向調(diào)節(jié)效果好等優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種使用鋰離子電容器儲(chǔ)能參與火電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制調(diào)頻的解決方案。根據(jù)QC/T 741—2014標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋰離子電容器單體（HAA 4V10000F）進(jìn)行能量密度和功率密度測(cè)試，并分析其循環(huán)穩(wěn)定性及循環(huán)壽命。通過(guò)上述研究驗(yàn)證了該鋰離子電容器單體完全適用于火電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制調(diào)頻領(lǐng)域。

鋰離子電容器；自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）；調(diào)頻；循環(huán)穩(wěn)定性；循環(huán)壽命；能量密度

0 引言

目前中國(guó)的調(diào)頻電源主要是火電機(jī)組及水電機(jī)組，通過(guò)調(diào)整機(jī)組有功出力，跟蹤系統(tǒng)頻率變化。但是火電機(jī)組通常存在響應(yīng)時(shí)滯長(zhǎng)、機(jī)組爬坡速率低等問(wèn)題，無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)調(diào)度指令，出現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間延遲、調(diào)節(jié)偏差和調(diào)節(jié)反向等現(xiàn)象[1]。此外，火電機(jī)組頻繁地變換功率運(yùn)行，加重了機(jī)組設(shè)備疲勞和磨損，影響機(jī)組運(yùn)行壽命[2]。水電機(jī)組相對(duì)于火電機(jī)組響應(yīng)較快，可以在幾秒內(nèi)達(dá)到滿功率輸出。但水電機(jī)組的建設(shè)受地理?xiàng)l件限制，整體可提供的調(diào)頻容量有限，亟需更新的調(diào)頻技術(shù)手段滿足當(dāng)前電網(wǎng)調(diào)頻要求[3-4]。

自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）是電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化的核心內(nèi)容之一，它對(duì)于維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、提高供電質(zhì)量、智能電網(wǎng)建設(shè)等具有重要意義[5]。當(dāng)前，火電廠依舊是我國(guó)電力主要供應(yīng)來(lái)源，其固有特性導(dǎo)致調(diào)頻能力和效率較差。隨著近年來(lái)風(fēng)電、光伏的并網(wǎng)量增加，對(duì)額外調(diào)頻服務(wù)的要求越來(lái)越高，進(jìn)一步加劇了電廠調(diào)頻的供需矛盾[6]。儲(chǔ)能電源技術(shù)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、雙向調(diào)節(jié)效果更好等特點(diǎn)，應(yīng)用于電廠調(diào)頻中具有顯著的優(yōu)勢(shì)[7-8]。

超級(jí)電容器（supercapacitor, SC或ultracapacitor, UC）又稱電化學(xué)電容器（electrochemical capacitor, EC），是近年來(lái)一直受到人們關(guān)注的一種新型儲(chǔ)能器件。其中鋰離子電容器（lithium-ion capacitor, LIC）作為一種新興超級(jí)電容器，兼具二次電池與靜電電容器的雙重特性[9]。LIC充放電響應(yīng)速度快，短時(shí)功率吞吐能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)滿功率毫秒級(jí)輸出/吸收。相關(guān)研究表明，LIC持續(xù)充/放電時(shí)間15min，功率調(diào)節(jié)效率是水電機(jī)組的1.4倍、燃?xì)鈾C(jī)組的2.2倍、燃煤機(jī)組的24倍，特別適合分鐘級(jí)別的供電需求[10]。但是LIC也存在能量密度較低等缺點(diǎn)，同等容量配置下，相較于電池儲(chǔ)能設(shè)備，單體體積較大，增加了設(shè)備成本，限制了其在特定場(chǎng)合下的應(yīng)用[11]。

本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)調(diào)頻資源存在響應(yīng)時(shí)滯長(zhǎng)、機(jī)組爬坡速率低等多種問(wèn)題，結(jié)合儲(chǔ)能電源技術(shù)響應(yīng)速度快、控制精度高和雙向調(diào)節(jié)效果更好等優(yōu)點(diǎn)，提出使用儲(chǔ)能參與火電機(jī)組AGC調(diào)頻的解決方案。闡述LIC的儲(chǔ)能原理及技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，并與鋰離子電池（lithium-ion battery, LIB）做優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用前景比較。研究并設(shè)計(jì)應(yīng)用LIC的火電機(jī)組響應(yīng)AGC調(diào)頻方案，根據(jù)QC/T 741—2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電容器單體進(jìn)行包括循環(huán)穩(wěn)定性、使用壽命、能量密度、功率密度等的性能測(cè)試。

1 火電機(jī)組儲(chǔ)能響應(yīng)AGC調(diào)頻原理

1.1 AGC調(diào)頻原理

AGC是有償輔助服務(wù)的一種，指發(fā)電機(jī)組在規(guī)定的出力調(diào)整范圍內(nèi)，跟蹤電力調(diào)度指令，按照一定調(diào)節(jié)速率實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電出力，以滿足電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率控制與頻率要求的服務(wù)。參與并網(wǎng)機(jī)組在接收到AGC指令后的具體執(zhí)行過(guò)程，如圖1所示。圖1中，G,max、G,min分別表示該機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行中可調(diào)有功功率的最大值和最小值。1～4屬于機(jī)組增大有功功率輸出的向上調(diào)節(jié)過(guò)程，4～6屬于機(jī)組減小有功功率輸出的向下調(diào)節(jié)過(guò)程。

在1時(shí)刻之前，機(jī)組的有功功率輸出維持在前一次AGC指令的G,1附近；1時(shí)刻區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)出AGC指令，該指令對(duì)應(yīng)的有功功率值為G,2，機(jī)組接收到該指令后開始增加出力以響應(yīng)G,2的指令；2時(shí)刻，機(jī)組有效跨出大小為G,1的調(diào)節(jié)死區(qū)，并持續(xù)增大有功輸出；3時(shí)刻，機(jī)組進(jìn)入本次調(diào)節(jié)的振蕩死區(qū)，至此不再大幅波動(dòng)而是小幅度振蕩于死區(qū)范圍內(nèi)，并最終穩(wěn)定在AGC指令值G,2附近，至此，整個(gè)向上調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束。4～6向下調(diào)節(jié)過(guò)程，與向上調(diào)節(jié)同理，區(qū)別為機(jī)組是通過(guò)減少有功功率輸出以實(shí)現(xiàn)對(duì)AGC指令的跟蹤。

圖1 AGC調(diào)頻響應(yīng)過(guò)程示意圖

1.2 儲(chǔ)能輔助機(jī)組AGC調(diào)頻原理

儲(chǔ)能輔助火電調(diào)頻的技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能輔助火電調(diào)頻技術(shù)原理

參與AGC調(diào)頻的機(jī)組和輔助調(diào)頻的儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)接收AGC指令，由于火電機(jī)組響應(yīng)速度（分鐘級(jí)）較慢，儲(chǔ)能系統(tǒng)利用自身響應(yīng)速度（秒級(jí)）快的特性先平抑單次指令起始階段機(jī)組功率與AGC指令間的偏差。等機(jī)組響應(yīng)跟上之后，儲(chǔ)能系統(tǒng)出力可以逐漸降低，以確保二者聯(lián)合出力滿足AGC指令要求，并準(zhǔn)備下一次AGC指令響應(yīng)。

2 適用于火電機(jī)組調(diào)頻的LIC研究

2.1 超級(jí)電容優(yōu)勢(shì)

火電機(jī)組調(diào)頻對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要要求包括：大容量（兆瓦級(jí)）、高效、高安全可靠性、長(zhǎng)壽命（5～8年以上）、高功率及快速充電（雙向調(diào)節(jié)需要）、快速響應(yīng)能力，以及高性價(jià)比等。目前國(guó)內(nèi)外電廠調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)均使用LIB，雖然取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，但是普遍存在以下問(wèn)題：由于高頻次高功率雙向充放電導(dǎo)致系統(tǒng)壽命較短（約0.5～3年）；由于比功率和快充特性較差，系統(tǒng)一般以0.5h備電設(shè)計(jì)（實(shí)際需求2～3min），導(dǎo)致投資規(guī)模較大；安全性較差，國(guó)內(nèi)外均出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重安全事故。相較于LIB，超級(jí)電容儲(chǔ)能具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）功率密度高。由于超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)過(guò)程發(fā)生在電極材料的表面，不會(huì)受到離子擴(kuò)散速率的制約，因此可以實(shí)現(xiàn)能量的快速存儲(chǔ)和釋放。其輸出功率往往為電池的數(shù)十倍，可達(dá)300～5 000W/kg，甚至更高。

2）充放電速度快。由于超級(jí)電容器的充放電過(guò)程基本上屬于表面物理過(guò)程，不受電化學(xué)動(dòng)力學(xué)限制，充放電速率遠(yuǎn)高于電池，通常10s～10min即可達(dá)到其額定容量的95%以上。

3）循環(huán)壽命長(zhǎng)。雙電層超級(jí)電容器由于不涉及氧化還原反應(yīng)，具有非常好的充放電可逆性，循環(huán)壽命可達(dá)十萬(wàn)次以上。贗電容盡管壽命較雙電層電容低，但也明顯優(yōu)于一般二次電池。

4）工作電壓范圍大。超級(jí)電容器的工作電壓可在其額定電壓范圍內(nèi)隨意改變。

5）工作溫度范圍廣。超級(jí)電容器可以在-40～70℃的環(huán)境溫度中正常使用，具有非常優(yōu)越的低溫特性，可做到低污染和免維護(hù)。

6）儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容器具有超強(qiáng)的荷電保持能力，漏電流非常小，而且荷電狀態(tài)易于檢測(cè)。

2.2 超級(jí)電容性能對(duì)比

超級(jí)電容儲(chǔ)能按照正負(fù)極材料可分為：雙電層電容器（electric double layer capacitor, EDLC）、LIC。其中LIC作為一種新體系在同一電解池中實(shí)現(xiàn)了EDLC和LIB原理和技術(shù)的結(jié)合，使其在保持超級(jí)電容器高比功率、長(zhǎng)壽命、快速充電、高安全可靠性、高轉(zhuǎn)換效率、快速響應(yīng)等特性的同時(shí)，大幅度提高了比能量，填補(bǔ)了EDLC和LIB之間的性能空白，兼顧了高比功率和高比能量[12]。三種儲(chǔ)能機(jī)理對(duì)比如圖3所示。性能對(duì)比見表1。

根據(jù)表1可知：與LIB相比，LIC用于火電機(jī)組調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，安全可靠性高，按照實(shí)際火電機(jī)組AGC調(diào)頻指令的2～3min備電設(shè)計(jì)，有效減小了體積和質(zhì)量，顯著降低投資（節(jié)約1/4～1/3），且使用壽命較長(zhǎng)（8～10年），LIC具備的高比功率和快充能力可以獲得更好的調(diào)頻效果[13]。使用電廠調(diào)頻鋰離子電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅可以獲得更好的調(diào)頻效果和經(jīng)濟(jì)效益，而且全面覆蓋了一次和二次調(diào)頻，還可顯著降低火電廠煤耗，提高鍋爐的安全性和使用壽命，綜合經(jīng)濟(jì)效益提高2～3倍。

圖3 三種儲(chǔ)能機(jī)理對(duì)比

表1 三種儲(chǔ)能性能對(duì)比

3 LIC單體性能測(cè)試

本文選擇型號(hào)為HAA 4V10000F的LIC單體作為測(cè)試樣本。

3.1 LIC單體能量密度測(cè)試

為了檢測(cè)型號(hào)為HAA 4V10000F的LIC單體實(shí)際能量密度是否與理論值一致，進(jìn)行了LIC單體能量密度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，所用到的測(cè)試設(shè)備見表2。

表2 LIC單體能量密度測(cè)試設(shè)備清單

按式（1）計(jì)算第3次循環(huán)的儲(chǔ)存能量（單位：W·h），作為電容器單體的儲(chǔ)存能量。隨后稱取電容器的質(zhì)量（單位：kg），并按照式（2）計(jì)算能量密度（單位：W·h/kg）。

單體能量密度測(cè)試時(shí)LIC單體的充放電曲線如圖4所示。根據(jù)圖4可知，LIC單體的充放電電流瞬時(shí)變化、電壓線性變化，LIC單體可以實(shí)現(xiàn)瞬間大功率充放電，且可以根據(jù)實(shí)時(shí)電壓反映電容的荷電狀態(tài)。根據(jù)儲(chǔ)存能量公式計(jì)算HAA 4V10000F產(chǎn)品的能量密度理論值為13.5W·h/kg。根據(jù)QC/T 741—2014標(biāo)準(zhǔn)中提出的能量密度為標(biāo)稱值的±20%，本實(shí)驗(yàn)將第3次循環(huán)的儲(chǔ)存能量作為電容器單體的儲(chǔ)存能量，測(cè)試單體序號(hào)為A82803Y 23003、A82803Y 23007、A82803Y 23011、A82803Y 23017、A82803Y 23018的LIC單體能量密度測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

圖4 單體能量密度測(cè)試時(shí)LIC單體充放電曲線

表3 LIC單體能量密度測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表3可得，LIC單體能量密度平均值為60.4W·h/kg。

3.2 LIC單體功率密度測(cè)試

為了滿足火電AGC調(diào)頻對(duì)LIC功率密度的需求，進(jìn)一步優(yōu)化LIC單體的結(jié)構(gòu)和電性能，需要開展LIC單體功率密度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。所用到的測(cè)試設(shè)備見表2。

在室溫（25℃±2℃）下，電容器單體以恒定電流充電到額定電壓R，記錄該時(shí)刻為0，隨后電容器單體再以恒定電流放電到最低工作電壓min，記錄0+30ms時(shí)的電壓x，并將該測(cè)試步驟重復(fù)進(jìn)行3次。按式（3）計(jì)算第3次循環(huán)的直流內(nèi)阻，作為電容器單體的直流內(nèi)阻（單位：W），然后按式（4）計(jì)算功率密度（單位：W/kg）。

單體功率密度測(cè)試時(shí)LIC充放電曲線如圖5所示。

圖5 單體功率密度測(cè)試時(shí)LIC單體充放電曲線

根據(jù)圖5可知，LIC進(jìn)行單體功率密度測(cè)試時(shí)，不管是放電還是充電，電壓線性變化。根據(jù)儲(chǔ)存能量公式計(jì)算型號(hào)為HAA 4V10000F的LIC單體的功率密度理論值為9.26kW/kg。根據(jù)QC/T 741—2014標(biāo)準(zhǔn)中提出的最大比功率不小于標(biāo)稱值，本實(shí)驗(yàn)將第3次循環(huán)的直流內(nèi)阻作為電容器單體的直流內(nèi)阻，測(cè)試所得到的各組LIC單體功率密度測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。

表4 LIC單體功率密度測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表4可得，基于電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級(jí)電容器單體功率密度平均值為13.38kW/kg。

3.3 LIC單體循環(huán)壽命測(cè)試

火電機(jī)組AGC調(diào)頻指令頻繁，需要LIC頻繁進(jìn)行充放電，LIC單體循環(huán)壽命是一個(gè)重要的性能參數(shù)，直接影響調(diào)頻性能，需要對(duì)電容器循環(huán)壽命進(jìn)行測(cè)試分析。所用到的測(cè)試設(shè)備見表2。

循環(huán)壽命測(cè)試前，首先檢測(cè)電容器靜電容量和直流內(nèi)阻作為初始值；然后電容器單體以恒定電流充電到額定電壓R，記錄該時(shí)刻為0，電容器單體以恒定電流放電到最低工作電壓min，記錄0+ 30ms時(shí)的電壓x；接著重復(fù)上述步驟3次，記錄電容器從開始放電的電壓1至最低工作電壓min的放電時(shí)間；最后按式（3）計(jì)算第3次循環(huán)的直流內(nèi)阻，按照式（5）計(jì)算LIC單體的靜電容量（單位：F）。

LIC單體循環(huán)壽命測(cè)試：①用恒定電流對(duì)電容器單體充電到額定電壓R，靜置5s；②以恒定電流對(duì)電容器單體放電到最低工作電壓min，靜置5s；③重復(fù)步驟①和②5 000次，靜置12h，最后按照循環(huán)壽命測(cè)試前方法，檢測(cè)電容器靜電容量和直流內(nèi)阻，重復(fù)上述步驟10次。

對(duì)型號(hào)為HAA 4V10000F的LIC單體進(jìn)行了5 000次循環(huán)測(cè)試，LIC單體循環(huán)壽命測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。

根據(jù)表5可知，型號(hào)為HAA 4V10000F的LIC單體循環(huán)5 000次后的靜電容量保持率97.8%。根據(jù)線性推算可以得到型號(hào)為HAA 4V10000F的LIC單體進(jìn)行50 000次循環(huán)測(cè)試后靜電容量保持率和直流內(nèi)阻保持率預(yù)測(cè)值如圖6所示。

表5 LIC單體的循環(huán)壽命測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 LIC單體靜電容量保持率和直流內(nèi)阻保持率預(yù)測(cè)值

根據(jù)圖6可知，推測(cè)HAA4V10000F單體循環(huán)50 000次后的靜電容量保持率為80%以上。

4 結(jié)論

本文采用LIC作為輔助火電機(jī)組參與AGC調(diào)頻的儲(chǔ)能設(shè)備，根據(jù)火電機(jī)組AGC調(diào)頻對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能要求，選擇型號(hào)為HAA 4V10000F的LIC單體，對(duì)該鋰離子電容進(jìn)行能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試，所有測(cè)試結(jié)果都符合QC/T 741—2014標(biāo)準(zhǔn)，該LIC單體可以滿足火電機(jī)組AGC調(diào)頻需求，在電力系統(tǒng)調(diào)頻領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。下一步擬開展實(shí)際LIC輔助火電機(jī)組AGC調(diào)頻工程項(xiàng)目，研究其實(shí)際效果。

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Research on frequency regulation of thermal power unit with lithium-ion capacitor

SHEN Ying1HUANG Ce1HU Xidong1ZHANG Xiaoyuan1YANG Peihao2

(1. China Energy Feixian Power Generation Co., Ltd, Feixian, Shandong 276001; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710054)

With the increase of fluctuating grid connected power generation such as wind power and photovoltaic, the task of power system frequency regulation becomes more arduous. In view of the problems of long response time and low climbing rate in traditional domestic frequency regulation resources, this paper proposes a solution using lithium-ion capacitor energy storage to participate in automatic generation control frequency regulation of thermal power units. According to QC/T 74—2014 standard, the energy density and power density of lithium-ion capacitor monomer (HAA4V10000F) are tested, and its cycle stability and cycle life are analyzed. Through the above research, it is verified that the lithium-ion capacitor unit is completely suitable for the frequency regulation field of automatic generation control of thermal power units.

lithium-ion capacitor; automatic generation control (AGC); frequency modulation; cycle stability; cycle life; energy density

2021-05-08

2021-05-19

沈 迎（1973—），男，本科，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備管理工作。