趙玉仲，孫國斌，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）

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

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

儲能系統(tǒng)的接入，能夠有效解決新能源機組大規(guī)模并網(wǎng)給燃氣發(fā)電機組造成的一系列問題，讓燃氣機組能夠更好地發(fā)揮自身優(yōu)勢，為新型電力系統(tǒng)服務(wù)。本文將選取目前已經(jīng)成熟或在未來有望成為主要調(diào)節(jié)方式的儲能技術(shù)，通過對技術(shù)特點進行分析，并結(jié)合應(yīng)用案例，為燃氣機組中新型儲能的應(yīng)用提供思路。

1 適合燃汽機組的儲能技術(shù)簡介

1.1 鋰離子電池

鋰離子電池是電化學(xué)儲能技術(shù)的一種，其工作原理是鋰離子在正極和負極之間移動來進行工作，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、使用壽命長等優(yōu)點，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。目前鋰離子電池儲能項目數(shù)量、裝機容量在電化學(xué)儲能中占比最大，且增長幅度最快，是近幾年發(fā)展最快的電化學(xué)儲能技術(shù)。

從鋰離子電池行業(yè)運行情況來看，中國鋰離子電池行業(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)實現(xiàn)持續(xù)快速增長，先進產(chǎn)品供給能力不斷提高。據(jù)工信部數(shù)據(jù)顯示，2021年中國鋰離子電池出貨量達到324 GW·h，同比增長了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、循環(huán)壽命長等優(yōu)點?；谏鲜鎏攸c，鋰離子電池儲能在電源側(cè)、用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用場景分別為：發(fā)電側(cè)儲能應(yīng)用于光儲電站、風(fēng)儲電站、AGC（Automatic Generation Control）調(diào)頻電站，用戶側(cè)儲能應(yīng)用于光儲充電站、家庭儲能、備用電源等，電網(wǎng)儲能應(yīng)用于變電站儲能、虛擬發(fā)電廠、調(diào)峰/調(diào)頻等場景。鑒于燃氣發(fā)電機組對電池安全性、循環(huán)壽命和成本要求較高，磷酸鐵鋰電池是現(xiàn)階段各類鋰離子電池中最適合用于儲能的技術(shù)，目前已投建和在建的鋰電儲能項目中大多也都采用這一技術(shù)。

1.2 飛輪儲能

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

目前全球大約有上萬套基于飛輪儲能的大功率綠色電源，并已安全運行上千萬小時。飛輪儲能系統(tǒng)在儲能容量、自放電率等方面還需要進一步提升。飛輪儲能目前更適合電網(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，逐步克服了目前儲能容量低、自放電率高等缺點，未來將逐步應(yīng)用于新能源電網(wǎng)儲能中。

1.3 壓縮空氣

基于燃氣輪機的傳統(tǒng)壓縮空氣儲能，其技術(shù)已非常成熟，已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，具有容量大、工作時間長、經(jīng)濟性能好、充放電循環(huán)多等優(yōu)點。但由于傳統(tǒng)壓縮空氣發(fā)電系統(tǒng)需要補燃，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)境污染問題。為了將壓縮空氣儲能的能量轉(zhuǎn)換效率提高，改善傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)依靠補燃的缺點，誕生了多種新型壓縮空氣儲能方式。根據(jù)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是否同其他熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合，可以分為傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)、壓縮空氣儲能燃氣輪機耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲能-燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲能內(nèi)燃機耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲能制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)和壓縮空氣儲能可再生能源耦合系統(tǒng)等。

1.4 超級電容器

超級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能技術(shù)，其特點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬。自20 世紀90 年代以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，超級電容器已經(jīng)成為趨于成熟的產(chǎn)品，也逐漸在電動車、電力、鐵路、通信、國防、消費性電子產(chǎn)品等多場景下實現(xiàn)應(yīng)用，并逐步展現(xiàn)其優(yōu)勢。無論在小容量的特殊儲能場景，還是在大規(guī)模的電力系統(tǒng)中應(yīng)用，無論是超級電容器單獨儲能，還是與儲能電池或燃料電池搭配耦合使用，超級電容器都能夠?qū)⑺憫?yīng)快、使用時間長等獨特的優(yōu)越性展示出來。

2 儲能系統(tǒng)在燃機中的應(yīng)用方式

2.1 儲能系統(tǒng)輔助重型燃機黑啟動與調(diào)頻

目前，國家電投珠海橫琴熱電有限公司廠內(nèi)建有2臺390 MW 級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組。機組布置采用一拖一的多軸方式，每臺機組均包含1 臺GE 公司9F系列低NOx重型燃氣輪機發(fā)電機組，并搭配1 臺余熱鍋爐與汽輪發(fā)電機組。該電廠為燃氣輪機配備了20 MW/20 MW·h 電池儲能系統(tǒng)，是世界首例采用電化學(xué)儲能系統(tǒng)實現(xiàn)F 級重型燃機黑啟動的項目，也是國內(nèi)首例燃機儲能調(diào)頻項目[1]。

輔助AGC 調(diào)頻儲能系統(tǒng)一般按照如下原則進行配置：根據(jù)機組實際出力曲線，按照機組功率的2%～5%進行儲能配置，電池的容量在功率基礎(chǔ)上按照實際情況配置0.5～1 h。輔助黑啟動配置儲能系統(tǒng)需要按實際統(tǒng)計的黑啟動必需廠用電功率，并充分考慮黑啟動過程中所消耗的電量，通過統(tǒng)計實際發(fā)生的黑啟動案例，一般所需功率為機組功率的3%～8%，此過程燃汽機組啟動過程大約為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2 種應(yīng)用方式配置要求基本一致，可以用一套儲能系統(tǒng)來滿足2 種需求。綜合考慮，該項目電池儲能系統(tǒng)選擇2 0 M W/20 MW·h[2]。

該電廠在接入儲能系統(tǒng)后，需要黑啟動時過程如下：在接入電網(wǎng)時如產(chǎn)生故障，燃機主變、汽機主變?nèi)客Ｖ构ぷ?，并且廠用電發(fā)生中斷；此時儲能系統(tǒng)啟動運行，提供機組重啟所需的電力來源，以零起升壓的方式，重新恢復(fù)所啟動機組的廠用電。儲能系統(tǒng)作為機組黑啟動電源時，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)機組啟動及并網(wǎng)過程中負荷沖擊的能力。

2.2 超級電容器提升微型燃氣輪機功率動態(tài)響應(yīng)

文獻[3]提出了基于超級電容儲能的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)功率平衡控制方法。針對傳統(tǒng)微燃機發(fā)電系統(tǒng)輸出功率調(diào)節(jié)響應(yīng)時間長的問題，提出了一種新型控制方法，即沖擊補償?shù)乃矔r功率快速控制方法。通過微型燃氣輪機發(fā)電機組自身功率響應(yīng)預(yù)測瞬時補償功率控制算法，以及超級電容器儲能單元特殊的高功率動態(tài)響應(yīng)能力，可以有效彌補微燃氣輪機的低輸出功率動態(tài)響應(yīng)問題，使發(fā)電機組能夠?qū)崟r處于瞬時功率平衡狀態(tài)，有效保證直流母線電壓處于平穩(wěn)狀態(tài)，有效增強微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)對沖擊性負載的適應(yīng)能力。文獻[3]根據(jù)微燃機功率輸出特性，提出了上述控制策略，通過超級電容器提升后的微型燃氣輪機組，響應(yīng)速度明顯提升、功率分配速度加快且更加均衡。

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

2.3 壓縮空氣儲能耦合燃機促進新能源消納

文獻[5]針對燃氣輪機在工作時壓氣機會消耗自身功率的問題，提出一種燃機發(fā)電系統(tǒng)，能夠自由切換工作模式，其特點是可以根據(jù)不同的工作狀態(tài)，在壓氣儲能模式、儲能發(fā)電模式與常規(guī)發(fā)電模式之間自動切換。通過壓縮空氣儲能系統(tǒng)與燃氣輪機發(fā)電機組的循環(huán)耦合，將過剩的機械能通過壓縮空氣的方式儲存在壓縮空氣罐中，轉(zhuǎn)換為空氣內(nèi)能。當(dāng)燃氣輪機工作時，將罐中的空氣釋放，使得壓縮空氣膨脹做功，部分代替壓氣機工作，從而有效提高系統(tǒng)的機械功輸出。整個系統(tǒng)利用壓縮空氣的緩沖作用，實現(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)，壓縮空氣儲能與燃機的耦合具有明顯的優(yōu)點，具體如下：①系統(tǒng)的壓氣機與同步電機、燃氣透平和同步電機之間的連接方式，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，可以實現(xiàn)壓縮空氣-燃機系統(tǒng)的多模式切換，能夠滿足機組在不同工作狀態(tài)下的模式切換要求，相比傳統(tǒng)燃氣機組，耦合系統(tǒng)具有更廣泛的使用范圍；③使用同步電機取代原有的發(fā)電機，可以實現(xiàn)雙向工作，既能夠發(fā)揮其電動機功能，又可以將它作為發(fā)電機使用；④若外部提供高壓氣源，燃氣輪機只帶動同步電機做功，可以大大節(jié)省壓氣機的做功，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”工業(yè)園區(qū)運營模式

以“風(fēng)光燃儲”綜合能源供應(yīng)的工業(yè)園區(qū)為研究對象，文獻[6]提出了一種考慮并網(wǎng)模式下，儲能多種運行模式的“風(fēng)光燃儲”容量優(yōu)化配置方法。通過對儲能系統(tǒng)不同作用下的研究與分析，探討了儲能系統(tǒng)在滿足不同運營模式情況下，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，建立了包含“風(fēng)光燃儲”在內(nèi)的優(yōu)化配置模型。

文獻[6]以中國東部地區(qū)某工業(yè)園區(qū)作為研究對象，利用園區(qū)內(nèi)各項設(shè)備參數(shù)與用戶側(cè)負荷數(shù)據(jù)，對2種儲能運營模式下的“風(fēng)光燃儲”系統(tǒng)，以及單一的燃機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進行容量優(yōu)化配置，并對優(yōu)化后的配置結(jié)果進行比對和進一步分析。相對于傳統(tǒng)的單一型燃機三聯(lián)供系統(tǒng)，“風(fēng)光燃儲”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)濟性?！帮L(fēng)光燃儲”系統(tǒng)中加入了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電設(shè)備，因此配置燃機的容量比單一燃機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)要小。而在儲能的配置上，考慮到儲能系統(tǒng)的單位成本較高，綜合投資成本與收益的最優(yōu)解，2 種運營模式下配置的儲能系統(tǒng)功率和容量都偏小。

3 結(jié)束語

在當(dāng)前“碳中和、碳達峰”目標的引領(lǐng)下，發(fā)電端正經(jīng)歷著一場變革，中國規(guī)劃建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，長期來看，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，新能儲能技術(shù)的快速發(fā)展為新型電力系統(tǒng)打開了新思路。在發(fā)電側(cè)，可以充分利用儲能技術(shù)的快速響應(yīng)速率優(yōu)勢，在進行輔助動態(tài)運行時提高發(fā)電機組的效率，減少碳排放；同時，避免動態(tài)運行對機組壽命的損害，減少設(shè)備維護和更換設(shè)備的費用；此外，儲能還可以降低或延緩對新建發(fā)電機組容量的需求。

目前，國內(nèi)已有多項儲能輔助燃氣發(fā)電機組的示范應(yīng)用項目，鋰離子電池、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、超級電容器等多種新型儲能技術(shù)各展拳腳，發(fā)揮各自的儲能特性，配合燃機機組，通過優(yōu)勢互補更好地實現(xiàn)了燃氣機組黑啟動、調(diào)頻、調(diào)峰、功率動態(tài)響應(yīng)等功能。在對各項技術(shù)的深入研究下，未來必將會有越來越多存量及增量燃氣發(fā)電機組配合新型儲能技術(shù)，為構(gòu)建中國新型電力系統(tǒng)貢獻一份力量。