新型儲(chǔ)能系統(tǒng)在燃?xì)鈾C(jī)組中的應(yīng)用分析

趙玉仲，孫國(guó)斌，陳 曈，羅慶宏，周玉梅

（1.天津華電福源熱電有限公司，天津 301799；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組主要以天然氣為發(fā)電燃料，具有運(yùn)行安全性好、綜合效益高、污染物排放少等優(yōu)點(diǎn)。但隨著“雙碳”目標(biāo)的不斷推進(jìn)，電力系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電機(jī)組得到迅速發(fā)展，裝機(jī)規(guī)模正逐年提高。大量的新能源機(jī)組接入電網(wǎng)，會(huì)影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

儲(chǔ)能技術(shù)是指通過(guò)特殊的裝置或物理介質(zhì)，將不同形式的能量通過(guò)不同方式進(jìn)行存儲(chǔ)，在需要時(shí)進(jìn)行利用的技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng)?，F(xiàn)在常把儲(chǔ)能技術(shù)分為5 種，即機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能，每種不同的儲(chǔ)能技術(shù)又包含多種相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入，能夠有效解決新能源機(jī)組大規(guī)模并網(wǎng)給燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組造成的一系列問(wèn)題，讓燃?xì)鈾C(jī)組能夠更好地發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，為新型電力系統(tǒng)服務(wù)。本文將選取目前已經(jīng)成熟或在未來(lái)有望成為主要調(diào)節(jié)方式的儲(chǔ)能技術(shù)，通過(guò)對(duì)技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合應(yīng)用案例，為燃?xì)鈾C(jī)組中新型儲(chǔ)能的應(yīng)用提供思路。

1 適合燃汽機(jī)組的儲(chǔ)能技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 鋰離子電池

鋰離子電池是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的一種，其工作原理是鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)進(jìn)行工作，具有能量密度高、響應(yīng)速度快、自放電率低、環(huán)境友好、循環(huán)次數(shù)多、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，按照正極材料的不同分為磷酸鐵鋰電池、三元鋰離子電池、錳酸鋰電池等。目前鋰離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目數(shù)量、裝機(jī)容量在電化學(xué)儲(chǔ)能中占比最大，且增長(zhǎng)幅度最快，是近幾年發(fā)展最快的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。

從鋰離子電池行業(yè)運(yùn)行情況來(lái)看，中國(guó)鋰離子電池行業(yè)以深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，加快提升產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈現(xiàn)代化水平，全行業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)快速增長(zhǎng)，先進(jìn)產(chǎn)品供給能力不斷提高。據(jù)工信部數(shù)據(jù)顯示，2021年中國(guó)鋰離子電池出貨量達(dá)到324 GW·h，同比增長(zhǎng)了106%。

在眾多鋰離子電池技術(shù)路線中，磷酸鐵鋰相較于其他電池正極材料，具有安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，鋰離子電池儲(chǔ)能在電源側(cè)、用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用場(chǎng)景分別為：發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用于光儲(chǔ)電站、風(fēng)儲(chǔ)電站、AGC（Automatic Generation Control）調(diào)頻電站，用戶側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用于光儲(chǔ)充電站、家庭儲(chǔ)能、備用電源等，電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用于變電站儲(chǔ)能、虛擬發(fā)電廠、調(diào)峰/調(diào)頻等場(chǎng)景。鑒于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組對(duì)電池安全性、循環(huán)壽命和成本要求較高，磷酸鐵鋰電池是現(xiàn)階段各類(lèi)鋰離子電池中最適合用于儲(chǔ)能的技術(shù)，目前已投建和在建的鋰電儲(chǔ)能項(xiàng)目中大多也都采用這一技術(shù)。

1.2 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能是將能量以飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的形式來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，其工作原理是當(dāng)系統(tǒng)外部有多余電能時(shí)，通過(guò)飛輪電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行存儲(chǔ)；當(dāng)系統(tǒng)外部需要更多電能支持時(shí)，將之前飛輪儲(chǔ)存的機(jī)械能重新轉(zhuǎn)化為電能供給到外部負(fù)載。與眾多儲(chǔ)能方式相比，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，多應(yīng)用于電能質(zhì)量改善和調(diào)頻項(xiàng)目，其放電時(shí)間為分秒級(jí)，總投資大約是鋰離子電池儲(chǔ)能的75%，年化循環(huán)（按1 000 次/年計(jì)）成本約為鋰電的50%。

目前全球大約有上萬(wàn)套基于飛輪儲(chǔ)能的大功率綠色電源，并已安全運(yùn)行上千萬(wàn)小時(shí)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能容量、自放電率等方面還需要進(jìn)一步提升。飛輪儲(chǔ)能目前更適合電網(wǎng)調(diào)頻、小型孤島電網(wǎng)調(diào)頻、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制及電能質(zhì)量治理等。隨著飛輪儲(chǔ)能單體并聯(lián)技術(shù)及超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的成熟，逐步克服了目前儲(chǔ)能容量低、自放電率高等缺點(diǎn)，未來(lái)將逐步應(yīng)用于新能源電網(wǎng)儲(chǔ)能中。

1.3 壓縮空氣

基于燃?xì)廨啓C(jī)的傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能，其技術(shù)已非常成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，具有容量大、工作時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性能好、充放電循環(huán)多等優(yōu)點(diǎn)。但由于傳統(tǒng)壓縮空氣發(fā)電系統(tǒng)需要補(bǔ)燃，即系統(tǒng)需要在氣體膨脹發(fā)電前燃燒天然氣，產(chǎn)生一定的排放，因此不可避免地存在環(huán)境污染問(wèn)題。為了將壓縮空氣儲(chǔ)能的能量轉(zhuǎn)換效率提高，改善傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)依靠補(bǔ)燃的缺點(diǎn)，誕生了多種新型壓縮空氣儲(chǔ)能方式。根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是否同其他熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合，可以分為傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能燃?xì)廨啓C(jī)耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能-燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能內(nèi)燃機(jī)耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)和壓縮空氣儲(chǔ)能可再生能源耦合系統(tǒng)等。

1.4 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器雖然同樣利用了電化學(xué)原理，但與傳統(tǒng)的電池和電容器不同，是一種介于二者之間的新型儲(chǔ)能技術(shù)，其特點(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，超級(jí)電容器已經(jīng)成為趨于成熟的產(chǎn)品，也逐漸在電動(dòng)車(chē)、電力、鐵路、通信、國(guó)防、消費(fèi)性電子產(chǎn)品等多場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并逐步展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。無(wú)論在小容量的特殊儲(chǔ)能場(chǎng)景，還是在大規(guī)模的電力系統(tǒng)中應(yīng)用，無(wú)論是超級(jí)電容器單獨(dú)儲(chǔ)能，還是與儲(chǔ)能電池或燃料電池搭配耦合使用，超級(jí)電容器都能夠?qū)⑺憫?yīng)快、使用時(shí)間長(zhǎng)等獨(dú)特的優(yōu)越性展示出來(lái)。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)在燃機(jī)中的應(yīng)用方式

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助重型燃機(jī)黑啟動(dòng)與調(diào)頻

目前，國(guó)家電投珠海橫琴熱電有限公司廠內(nèi)建有2臺(tái)390 MW 級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。機(jī)組布置采用一拖一的多軸方式，每臺(tái)機(jī)組均包含1 臺(tái)GE 公司9F系列低NOx重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，并搭配1 臺(tái)余熱鍋爐與汽輪發(fā)電機(jī)組。該電廠為燃?xì)廨啓C(jī)配備了20 MW/20 MW·h 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，是世界首例采用電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)F 級(jí)重型燃機(jī)黑啟動(dòng)的項(xiàng)目，也是國(guó)內(nèi)首例燃機(jī)儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目[1]。

輔助AGC 調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)一般按照如下原則進(jìn)行配置：根據(jù)機(jī)組實(shí)際出力曲線，按照機(jī)組功率的2%～5%進(jìn)行儲(chǔ)能配置，電池的容量在功率基礎(chǔ)上按照實(shí)際情況配置0.5～1 h。輔助黑啟動(dòng)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)需要按實(shí)際統(tǒng)計(jì)的黑啟動(dòng)必需廠用電功率，并充分考慮黑啟動(dòng)過(guò)程中所消耗的電量，通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)際發(fā)生的黑啟動(dòng)案例，一般所需功率為機(jī)組功率的3%～8%，此過(guò)程燃汽機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程大約為30 min。因此從功率及容量配置的角度分析，輔助調(diào)頻與黑啟動(dòng)2 種應(yīng)用方式配置要求基本一致，可以用一套儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)滿足2 種需求。綜合考慮，該項(xiàng)目電池儲(chǔ)能系統(tǒng)選擇2 0 M W/20 MW·h[2]。

該電廠在接入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，需要黑啟動(dòng)時(shí)過(guò)程如下：在接入電網(wǎng)時(shí)如產(chǎn)生故障，燃機(jī)主變、汽機(jī)主變?nèi)客Ｖ构ぷ?，并且廠用電發(fā)生中斷；此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行，提供機(jī)組重啟所需的電力來(lái)源，以零起升壓的方式，重新恢復(fù)所啟動(dòng)機(jī)組的廠用電。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為機(jī)組黑啟動(dòng)電源時(shí)，應(yīng)保證具備工頻零起升壓恢復(fù)廠用電功能，并且應(yīng)當(dāng)適應(yīng)機(jī)組啟動(dòng)及并網(wǎng)過(guò)程中負(fù)荷沖擊的能力。

2.2 超級(jí)電容器提升微型燃?xì)廨啓C(jī)功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)

文獻(xiàn)[3]提出了基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)功率平衡控制方法。針對(duì)傳統(tǒng)微燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了一種新型控制方法，即沖擊補(bǔ)償?shù)乃矔r(shí)功率快速控制方法。通過(guò)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組自身功率響應(yīng)預(yù)測(cè)瞬時(shí)補(bǔ)償功率控制算法，以及超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元特殊的高功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，可以有效彌補(bǔ)微燃?xì)廨啓C(jī)的低輸出功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題，使發(fā)電機(jī)組能夠?qū)崟r(shí)處于瞬時(shí)功率平衡狀態(tài)，有效保證直流母線電壓處于平穩(wěn)狀態(tài)，有效增強(qiáng)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)沖擊性負(fù)載的適應(yīng)能力。文獻(xiàn)[3]根據(jù)微燃機(jī)功率輸出特性，提出了上述控制策略，通過(guò)超級(jí)電容器提升后的微型燃?xì)廨啓C(jī)組，響應(yīng)速度明顯提升、功率分配速度加快且更加均衡。

該課題組通過(guò)建模仿真，驗(yàn)證了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)中瞬時(shí)功率補(bǔ)償控制策略的有效性和正確性[4]。結(jié)果表明，沖擊補(bǔ)償功率傳輸具有“高頻通過(guò)、低頻阻止”的高通特性，通過(guò)解決補(bǔ)償環(huán)節(jié)的高功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)彌補(bǔ)微燃機(jī)輸出功率低動(dòng)態(tài)響應(yīng)的問(wèn)題，使系統(tǒng)能夠確保處于實(shí)時(shí)的瞬時(shí)功率平衡狀態(tài)，使直流母線電壓維持在平穩(wěn)狀態(tài)。

2.3 壓縮空氣儲(chǔ)能耦合燃機(jī)促進(jìn)新能源消納

文獻(xiàn)[5]針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)在工作時(shí)壓氣機(jī)會(huì)消耗自身功率的問(wèn)題，提出一種燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，能夠自由切換工作模式，其特點(diǎn)是可以根據(jù)不同的工作狀態(tài)，在壓氣儲(chǔ)能模式、儲(chǔ)能發(fā)電模式與常規(guī)發(fā)電模式之間自動(dòng)切換。通過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的循環(huán)耦合，將過(guò)剩的機(jī)械能通過(guò)壓縮空氣的方式儲(chǔ)存在壓縮空氣罐中，轉(zhuǎn)換為空氣內(nèi)能。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，將罐中的空氣釋放，使得壓縮空氣膨脹做功，部分代替壓氣機(jī)工作，從而有效提高系統(tǒng)的機(jī)械功輸出。整個(gè)系統(tǒng)利用壓縮空氣的緩沖作用，實(shí)現(xiàn)能量形式上的“削峰填谷”調(diào)節(jié)，可以提升能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提供能源系統(tǒng)的可靠性保障，在今后的分布式能源系統(tǒng)建設(shè)中，有望成為典型的示范工程案例。

不同于現(xiàn)有其他技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能與燃機(jī)的耦合具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，具體如下：①系統(tǒng)的壓氣機(jī)與同步電機(jī)、燃?xì)馔钙胶屯诫姍C(jī)之間的連接方式，分別采用與二者相契合的離合器，可顯著提高發(fā)電系統(tǒng)變化的靈活性；②上述離合器的采用，可以實(shí)現(xiàn)壓縮空氣-燃機(jī)系統(tǒng)的多模式切換，能夠滿足機(jī)組在不同工作狀態(tài)下的模式切換要求，相比傳統(tǒng)燃?xì)鈾C(jī)組，耦合系統(tǒng)具有更廣泛的使用范圍；③使用同步電機(jī)取代原有的發(fā)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)雙向工作，既能夠發(fā)揮其電動(dòng)機(jī)功能，又可以將它作為發(fā)電機(jī)使用；④若外部提供高壓氣源，燃?xì)廨啓C(jī)只帶動(dòng)同步電機(jī)做功，可以大大節(jié)省壓氣機(jī)的做功，與之前的能耗相比，可以節(jié)省2/3左右的能源消耗。

2.4 “風(fēng)光燃儲(chǔ)”工業(yè)園區(qū)運(yùn)營(yíng)模式

以“風(fēng)光燃儲(chǔ)”綜合能源供應(yīng)的工業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象，文獻(xiàn)[6]提出了一種考慮并網(wǎng)模式下，儲(chǔ)能多種運(yùn)行模式的“風(fēng)光燃儲(chǔ)”容量?jī)?yōu)化配置方法。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)不同作用下的研究與分析，探討了儲(chǔ)能系統(tǒng)在滿足不同運(yùn)營(yíng)模式情況下，各自的充放電策略和容量的配置原則，并以系統(tǒng)年均成本最小為目標(biāo)，建立了包含“風(fēng)光燃儲(chǔ)”在內(nèi)的優(yōu)化配置模型。

文獻(xiàn)[6]以中國(guó)東部地區(qū)某工業(yè)園區(qū)作為研究對(duì)象，利用園區(qū)內(nèi)各項(xiàng)設(shè)備參數(shù)與用戶側(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)2種儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)模式下的“風(fēng)光燃儲(chǔ)”系統(tǒng)，以及單一的燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行容量?jī)?yōu)化配置，并對(duì)優(yōu)化后的配置結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和進(jìn)一步分析。相對(duì)于傳統(tǒng)的單一型燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)，“風(fēng)光燃儲(chǔ)”綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)包含了多種能源供應(yīng)方式，使其系統(tǒng)具有更低的年均投資使用成本和更優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性?！帮L(fēng)光燃儲(chǔ)”系統(tǒng)中加入了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電設(shè)備，因此配置燃機(jī)的容量比單一燃機(jī)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)要小。而在儲(chǔ)能的配置上，考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的單位成本較高，綜合投資成本與收益的最優(yōu)解，2 種運(yùn)營(yíng)模式下配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量都偏小。

3 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的引領(lǐng)下，發(fā)電端正經(jīng)歷著一場(chǎng)變革，中國(guó)規(guī)劃建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，長(zhǎng)期來(lái)看，風(fēng)電和光伏為代表的新能源將成為主力電源。為了平滑新能源輸出，增加新能源消納能力，新能儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展為新型電力系統(tǒng)打開(kāi)了新思路。在發(fā)電側(cè)，可以充分利用儲(chǔ)能技術(shù)的快速響應(yīng)速率優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行輔助動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)提高發(fā)電機(jī)組的效率，減少碳排放；同時(shí)，避免動(dòng)態(tài)運(yùn)行對(duì)機(jī)組壽命的損害，減少設(shè)備維護(hù)和更換設(shè)備的費(fèi)用；此外，儲(chǔ)能還可以降低或延緩對(duì)新建發(fā)電機(jī)組容量的需求。

目前，國(guó)內(nèi)已有多項(xiàng)儲(chǔ)能輔助燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的示范應(yīng)用項(xiàng)目，鋰離子電池、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、超級(jí)電容器等多種新型儲(chǔ)能技術(shù)各展拳腳，發(fā)揮各自的儲(chǔ)能特性，配合燃機(jī)機(jī)組，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)更好地實(shí)現(xiàn)了燃?xì)鈾C(jī)組黑啟動(dòng)、調(diào)頻、調(diào)峰、功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)等功能。在對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的深入研究下，未來(lái)必將會(huì)有越來(lái)越多存量及增量燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組配合新型儲(chǔ)能技術(shù)，為構(gòu)建中國(guó)新型電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)一份力量。