沈 迎 黃 策 胡錫東 張效源 楊沛豪

鋰離子電容器參與火電機組調(diào)頻研究

沈 迎1黃 策1胡錫東1張效源1楊沛豪2

（1. 國家能源費縣發(fā)電有限公司，山東 費縣 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。針對目前國內(nèi)傳統(tǒng)調(diào)頻資源存在響應(yīng)時間長、機組爬坡速率低等多種問題，結(jié)合儲能電源技術(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，本文提出一種使用鋰離子電容器儲能參與火電機組自動發(fā)電控制調(diào)頻的解決方案。根據(jù)QC/T 741—2014標(biāo)準(zhǔn)，對鋰離子電容器單體（HAA 4V10000F）進行能量密度和功率密度測試，并分析其循環(huán)穩(wěn)定性及循環(huán)壽命。通過上述研究驗證了該鋰離子電容器單體完全適用于火電機組自動發(fā)電控制調(diào)頻領(lǐng)域。

鋰離子電容器；自動發(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

目前中國的調(diào)頻電源主要是火電機組及水電機組，通過調(diào)整機組有功出力，跟蹤系統(tǒng)頻率變化。但是火電機組通常存在響應(yīng)時滯長、機組爬坡速率低等問題，無法準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)調(diào)度指令，出現(xiàn)調(diào)節(jié)時間延遲、調(diào)節(jié)偏差和調(diào)節(jié)反向等現(xiàn)象[1]。此外，火電機組頻繁地變換功率運行，加重了機組設(shè)備疲勞和磨損，影響機組運行壽命[2]。水電機組相對于火電機組響應(yīng)較快，可以在幾秒內(nèi)達到滿功率輸出。但水電機組的建設(shè)受地理條件限制，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]。

自動發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）是電力系統(tǒng)調(diào)度自動化的核心內(nèi)容之一，它對于維持電網(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，火電廠依舊是我國電力主要供應(yīng)來源，其固有特性導(dǎo)致調(diào)頻能力和效率較差。隨著近年來風(fēng)電、光伏的并網(wǎng)量增加，對額外調(diào)頻服務(wù)的要求越來越高，進一步加劇了電廠調(diào)頻的供需矛盾[6]。儲能電源技術(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，應(yīng)用于電廠調(diào)頻中具有顯著的優(yōu)勢[7-8]。

超級電容器（supercapacitor, SC或ultracapacitor, UC）又稱電化學(xué)電容器（electrochemical capacitor, EC），是近年來一直受到人們關(guān)注的一種新型儲能器件。其中鋰離子電容器（lithium-ion capacitor, LIC）作為一種新興超級電容器，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，短時功率吞吐能力強，可實現(xiàn)滿功率毫秒級輸出/吸收。相關(guān)研究表明，LIC持續(xù)充/放電時間15min，功率調(diào)節(jié)效率是水電機組的1.4倍、燃氣機組的2.2倍、燃煤機組的24倍，特別適合分鐘級別的供電需求[10]。但是LIC也存在能量密度較低等缺點，同等容量配置下，相較于電池儲能設(shè)備，單體體積較大，增加了設(shè)備成本，限制了其在特定場合下的應(yīng)用[11]。

本文針對目前國內(nèi)傳統(tǒng)調(diào)頻資源存在響應(yīng)時滯長、機組爬坡速率低等多種問題，結(jié)合儲能電源技術(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，提出使用儲能參與火電機組AGC調(diào)頻的解決方案。闡述LIC的儲能原理及技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，并與鋰離子電池（lithium-ion battery, LIB）做優(yōu)缺點及應(yīng)用前景比較。研究并設(shè)計應(yīng)用LIC的火電機組響應(yīng)AGC調(diào)頻方案，根據(jù)QC/T 741—2014標(biāo)準(zhǔn)對電容器單體進行包括循環(huán)穩(wěn)定性、使用壽命、能量密度、功率密度等的性能測試。

1 火電機組儲能響應(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)速率實時調(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)機組在接收到AGC指令后的具體執(zhí)行過程，如圖1所示。圖1中，G,max、G,min分別表示該機組并網(wǎng)運行中可調(diào)有功功率的最大值和最小值。1～4屬于機組增大有功功率輸出的向上調(diào)節(jié)過程，4～6屬于機組減小有功功率輸出的向下調(diào)節(jié)過程。

在1時刻之前，機組的有功功率輸出維持在前一次AGC指令的G,1附近；1時刻區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)出AGC指令，該指令對應(yīng)的有功功率值為G,2，機組接收到該指令后開始增加出力以響應(yīng)G,2的指令；2時刻，機組有效跨出大小為G,1的調(diào)節(jié)死區(qū)，并持續(xù)增大有功輸出；3時刻，機組進入本次調(diào)節(jié)的振蕩死區(qū)，至此不再大幅波動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，整個向上調(diào)節(jié)過程結(jié)束。4～6向下調(diào)節(jié)過程，與向上調(diào)節(jié)同理，區(qū)別為機組是通過減少有功功率輸出以實現(xiàn)對AGC指令的跟蹤。

圖1 AGC調(diào)頻響應(yīng)過程示意圖

1.2 儲能輔助機組AGC調(diào)頻原理

儲能輔助火電調(diào)頻的技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 儲能輔助火電調(diào)頻技術(shù)原理

參與AGC調(diào)頻的機組和輔助調(diào)頻的儲能系統(tǒng)同時接收AGC指令，由于火電機組響應(yīng)速度（分鐘級）較慢，儲能系統(tǒng)利用自身響應(yīng)速度（秒級）快的特性先平抑單次指令起始階段機組功率與AGC指令間的偏差。等機組響應(yīng)跟上之后，儲能系統(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 適用于火電機組調(diào)頻的LIC研究

2.1 超級電容優(yōu)勢

火電機組調(diào)頻對于儲能系統(tǒng)的主要要求包括：大容量（兆瓦級）、高效、高安全可靠性、長壽命（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，以及高性價比等。目前國內(nèi)外電廠調(diào)頻儲能系統(tǒng)均使用LIB，雖然取得了較好的經(jīng)濟效益，但是普遍存在以下問題：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（實際需求2～3min），導(dǎo)致投資規(guī)模較大；安全性較差，國內(nèi)外均出現(xiàn)過嚴(yán)重安全事故。相較于LIB，超級電容儲能具有以下優(yōu)勢：

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

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

3）循環(huán)壽命長。雙電層超級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)壽命可達十萬次以上。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。

6）儲存壽命長。超級電容器具有超強的荷電保持能力，漏電流非常小，而且荷電狀態(tài)易于檢測。

2.2 超級電容性能對比

超級電容儲能按照正負極材料可分為：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現(xiàn)了EDLC和LIB原理和技術(shù)的結(jié)合，使其在保持超級電容器高比功率、長壽命、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，大幅度提高了比能量，填補了EDLC和LIB之間的性能空白，兼顧了高比功率和高比能量[12]。三種儲能機理對比如圖3所示。性能對比見表1。

根據(jù)表1可知：與LIB相比，LIC用于火電機組調(diào)頻儲能系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，安全可靠性高，按照實際火電機組AGC調(diào)頻指令的2～3min備電設(shè)計，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（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)頻鋰離子電容器儲能系統(tǒng)，不僅可以獲得更好的調(diào)頻效果和經(jīng)濟效益，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)濟效益提高2～3倍。

圖3 三種儲能機理對比

表1 三種儲能性能對比

3 LIC單體性能測試

本文選擇型號為HAA 4V10000F的LIC單體作為測試樣本。

3.1 LIC單體能量密度測試

為了檢測型號為HAA 4V10000F的LIC單體實際能量密度是否與理論值一致，進行了LIC單體能量密度測試實驗，所用到的測試設(shè)備見表2。

表2 LIC單體能量密度測試設(shè)備清單

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

單體能量密度測試時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變化、電壓線性變化，LIC單體可以實現(xiàn)瞬間大功率充放電，且可以根據(jù)實時電壓反映電容的荷電狀態(tài)。根據(jù)儲存能量公式計算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%，本實驗將第3次循環(huán)的儲存能量作為電容器單體的儲存能量，測試單體序號為A82803Y 23003、A82803Y 23007、A82803Y 23011、A82803Y 23017、A82803Y 23018的LIC單體能量密度測試數(shù)據(jù)見表3。

圖4 單體能量密度測試時LIC單體充放電曲線

表3 LIC單體能量密度測試數(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單體功率密度測試

為了滿足火電AGC調(diào)頻對LIC功率密度的需求，進一步優(yōu)化LIC單體的結(jié)構(gòu)和電性能，需要開展LIC單體功率密度測試實驗。所用到的測試設(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時的電壓x，并將該測試步驟重復(fù)進行3次。按式（3）計算第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）計算功率密度（單位：W/kg）。

單體功率密度測試時LIC充放電曲線如圖5所示。

圖5 單體功率密度測試時LIC單體充放電曲線

根據(jù)圖5可知，LIC進行單體功率密度測試時，不管是放電還是充電，電壓線性變化。根據(jù)儲存能量公式計算型號為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，本實驗將第3次循環(huán)的直流內(nèi)阻作為電容器單體的直流內(nèi)阻，測試所得到的各組LIC單體功率密度測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 LIC單體功率密度測試數(shù)據(jù)

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

3.3 LIC單體循環(huán)壽命測試

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

循環(huán)壽命測試前，首先檢測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的放電時間；最后按式（3）計算第3次循環(huán)的直流內(nèi)阻，按照式（5）計算LIC單體的靜電容量（單位：F）。

LIC單體循環(huán)壽命測試：①用恒定電流對電容器單體充電到額定電壓R，靜置5s；②以恒定電流對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)壽命測試前方法，檢測電容器靜電容量和直流內(nèi)阻，重復(fù)上述步驟10次。

對型號為HAA 4V10000F的LIC單體進行了5 000次循環(huán)測試，LIC單體循環(huán)壽命測試數(shù)據(jù)見表5。

根據(jù)表5可知，型號為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為HAA 4V10000F的LIC單體進行50 000次循環(huán)測試后靜電容量保持率和直流內(nèi)阻保持率預(yù)測值如圖6所示。

表5 LIC單體的循環(huán)壽命測試數(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)測值

根據(jù)圖6可知，推測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作為輔助火電機組參與AGC調(diào)頻的儲能設(shè)備，根據(jù)火電機組AGC調(diào)頻對儲能系統(tǒng)的性能要求，選擇型號為HAA 4V10000F的LIC單體，對該鋰離子電容進行能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性測試，所有測試結(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。下一步擬開展實際LIC輔助火電機組AGC調(diào)頻工程項目，研究其實際效果。

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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，高級工程師，從事電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備管理工作。