电化学混合储能辅助火电机组调频的容量配置优化研究

大唐国际发电股份有限公司张家口发电厂 李军录 王海峰 王占强 高 照 张新江

中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院 李冠赢 吴 瑊

近年来，随着能源危机与环境污染日益严峻，太阳能、风能等可再生能源以其资源丰富、污染小等优点将在未来能源格局中扮演重要角色。由于太阳能、风能等的随机性和波动性，在电源侧或电网侧配置一定的储能系统是必不可少的[1]。

与其他类型的电池相比，锂电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命。此外，锂离子电池的制造成本也在下降[2]。超级电容器作为功率型储能元件，功率密度大，充放电速度快，储能效率高，循环寿命长，可有效地抑制系统中的短时能量波动和平滑系统中的瞬时能量，但能量密度偏低[3]。因此可以看出，锂电池储能和超级电容器储能具有互补性，将锂电池和超级电容器同时作为储能装置，将会大幅提升储能装置的性能[4]。

电化学储能电池存在成本、放电倍率、放电深度及使用循环次数等方面的差异，超级电容与锂离子电池相比，在循环寿命、充放电倍率方面存在优势，而锂离子电池在成本方面存在优势[5]。本文在研究负载需求的基础上，充分分析了锂离子电池与超级电容的差异，利用不同类型电池的自身特点，提出了一种锂离子电池与超级电容的容量配置方法，以提高电池利用率及使用寿命，降低成本。

1 电化学储能系统的特性分析

超级电容及锂电池（磷酸铁锂电池和三元锂电池）因为技术成熟、安全可靠、适用范围广、价格优势等诸多稳定优势在电网建设中得到大量的应用，通过功能需求分析，超级电容与锂电池在电化学储能电站中也被大量选用。

1.1 磷酸铁锂电池特性

表征电池特性的重要指标主要有能量密度、功率密度、允许充放电倍率、循环寿命、能量转换效率、成本、一致性等[6]，其中循环寿命与放电深度（deep of discharge, DOD）、充放电倍率都有很大的关系[7]。通常来说，磷酸铁锂电池推荐使用的充放电倍率需要控制在0.5C 左右，在50%DOD 时的循环寿命为4000次左右，某款电池的循环寿命与DOD关系如图1所示。响应时间级别在秒级，采购成本约1.1元/W·h。

图1 某型号磷酸铁锂电池循环寿命与放电深度关系图

1.2 三元锂电池特性

三元锂电池推荐使用的充放电倍率需要控制在0.5C 左右，在50%DOD 时的循环寿命为1800次左右，某款电池的循环寿命与DOD 关系如图2所示。响应时间级别在秒级，采购成本约1.25元/W·h。

图2 某型号三元锂电池循环寿命与放点深度的关系

1.3 超级电容特性

超级电容推荐使用的充放电倍率需要控制在50C 左右，在50%DOD 时的循环寿命为340万次左右。超级电容的循环寿命与DOD 关系如图3所示。响应时间级别在毫秒级，采购成本约90元/W·h。

图3 某型号超级电容循环寿命与放电深度关系

1.4 三种电池特性分析

3种电池主要特征指标对比如表1所示。

表1 电池主要指标对比

从图1、图2、图3及表1可知，超级电容在使用寿命及响应时间方面存在很大优势，而锂离子电池的建设成本较低。

根据图1和图2可知，磷酸铁锂和三元锂电池的循环寿命随着放电倍率的增大而减小，所以在考虑寿命的情况下，尽量避免上述两种电池发生过充和过放的情况；由图1、图2和图3对比发现，在不同放电深度下，超级电容的循环寿命均明显大于锂电池的循环寿命。综上所述，结合超级电容响应速度较锂电池高，且超级电容循环寿命远大于锂电池，故超级电容非常适合响应频率较高的功率信号；但考虑到成本因素，锂电池可以配合超级电容，用来响应电网的频率较低的功率负荷。

2 应用于火力发电机组的电化学混合储能系统的容量配置方法

储能混合容量配置已被广泛应用多个场景[8]，特别是超级电容与电池的混合配置建模已有大量案例[9]。根据电池特性，在储能能量以天为时间尺度释放或存储的应用场景下，超级电容和锂电池都可以满足对充放电倍率的要求。图4为某日24小时电网AGC 指令与火电机组负荷，本文以此为例，说明应用于火力发电机组的电化学混合储能系统的容量配置方法。

图4 某日24小时AGC 指令与火电负荷

2.1 配置原则

基于上述电化学储能系统的分析，可将电化学储能系统分成2种配置类型，一种选建设成本相对较高但循环寿命长的超级电容，一种选用建设成本相对较低但循环寿命相对短的锂电池。配置原则为：

对火电机组与AGC 的负荷缺口进行统计分析，以单一波峰容量缺口W需为基础，电化学储能系统总体容量需保障n 个连续放电时的负荷用电，则总容量Wt为：

其中k 为保障系数，取1.25，主要抵消各种功率损耗及保障电池不过度放电；n 值的选取是保障n个连续放电时的电能需求。

根据电网负荷缺口情况确定充放电频率次数较高、功率高频率波动和充放电频率次数较低、功率低频率波动2种情况下的电池容量。

充放电频率次数较高、功率高频率波动情况下采用超级电容，其容量为W1t；充放电频率次数较低、功率低频率波动的电池采用锂电池，其总容量为Wst，则W1t+WSt=Wt。

2.2 各类型电池容量计算

如图4所示，负荷缺口曲线中单一波峰容量缺口W需的计算公式为：

混合储能系统的总容量为：

负荷缺口曲线中高频负荷缺口由超级电容承担，其理论容量W1的计算公式为：

超级电容的实际容量为：

锂电池的实际容量为：

磷酸铁锂总容量WS1t与三元锂总容量WS2t占总容量Wt的份额分别为x1和x2，则磷酸铁锂电池和三元锂电池总容量分别为：

2.3 容量优化的目标函数

本文以混合储能系统的建造成本最小为目标函数，来求取最佳容量配置。其中建造成本的计算公式如下：

式中，roundup(x)为向上取整函数；V1、Vs分别为使用不同超级电容模组型号和电池模组型号时的容量；$1为超级电容的容量单价、$S1为磷酸铁锂电池的容量单价、$S2为三元锂电池的容量单价；L1为超级电容在不同放电深度下的循环寿命、LS1为磷酸铁锂电池在不同放电深度下的循环寿命、LS2为三元锂电池在不同放电深度下的循环寿命。

3 实例计算

3.1 计算条件

某火力发电机组的电化学混合储能系统日需容量（W需）为10MWh，峰值功率为2.5MW，其中高频负荷缺口（W1）为1MWh，低频负荷缺口（Ws）为9MWh。电化学储能系统总体容量需保障2个连续放电时的负荷用电。采用E1L-M046型电池模组和TS/M85V20R6FAA 型超级电容型号，其容量分别是4608Wh 和20.7Wh。

3.2 混合电池储能系统容量优化

储能电池容量计算在满足需求的基础上，需要保障成本及使用寿命最优。储能电池总容量计算一般情况下满足极端使用条件，但是在实际使用情况下，极端情况概率较小，根据统计可知，结合3种储能电池的不同特性，对所需的总容量进行合理分配，达到成本及使用寿命的最优化。

2个连续放电时的负荷用电需要的储能容量即为储能电池的总容量Wt=k×n×W需=1.25×2×10=25MWh，超级电容的总容量为W1t=k×n×W1=1.25×2×1=2.5MWh，锂电池的总容量为WSt=Wt-W1t=25-2.5=22.5MWh。磷酸铁锂总容量WS1t与三元锂总容量WS2t占总容量Wt的份额为x1和x2。 则，。

实际电化学储能系统容量要考虑一定的容量冗余，以及放电倍率、放电深度对电化学储能系统寿命的影响，选用2.5MWh 的超级电容，22.5MWh的锂电池。超级电容在满足高频负荷缺口的情况下的放电深度控制在1/2.5=40%，充放电倍率控制在2.5/2.5=1C 以下。锂电池在满足低频负荷缺口的情况下的放电深度控制在9/22.5=40%，充放电倍率控制在2.5/22.5=0.11C 以下。这种配置最大可能的保障了锂电池的循环寿命使用。

最终，超级电容总容量W1t=2.5MWh；磷酸铁锂总容量；三元锂总容量。

最后由公式（7）-（9），可得：

经优化，x1=0.9，x2=0。该结果说明三元锂电池不适用于该混合储能系统。

3.3 结果分析

3.3.1 三元锂电池不适合该混合储能系统的原因

从图1和图2可以看出，在相同条件下，三元锂电池的相关性能均比磷酸铁锂电池低。例如，在相同放电倍率和放电深度条件下，磷酸铁锂电池的循环寿命是三元锂电池循环寿命的两倍以上，并且三元锂电池的成本也比磷酸铁锂电池的成本高。综上两点，最终导致了三元锂电池不适用于该混合储能系统。

3.3.2 混合储能系统与单一锂电池对比

从建造成本看，采用磷酸铁锂的单一储能系统的建造成本为1.1元/W·h×25MWh=2750万元，而采用混合储能系统的建造成本为1.1元/W·h×22.5MW·h+90元/W·h×2.5MW· h= 24975万元。由此看出，混合储能系统的建造成本远远高于采用磷酸铁锂的单一储能系统。但从安全策略以及响应负荷的能力等方面看，混合储能系统的性能远高于采用磷酸铁锂的单一储能系统。

4 结语

本文分析了超级电容、磷酸铁锂电池和三元锂电池等常用电化学储能方式的特性，给出了混合储能系统中电池容量的配置原则，建立了各电池容量的优化模型，并进行了实例计算。所得结论有：

超级电容在使用寿命远高于锂电池，响应时间在ms 级，适用于响应频率较高的负荷信号；锂离子电池的建造成本较低，响应时间在s 级，适用于响应频率较低的负荷信号。

与磷酸铁锂电池相比，三元锂电池的成本高、循环寿命短，因而其并不适用于混合储能系统。

本文仅考虑了电池的建造成本，没有考虑其他成本以及相关收益对磷酸铁锂和三元锂容量配合的影响，在未来的研究中，将对此进行深入的研究。