中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：新能源參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻時(shí)需要解決能量來(lái)源問(wèn)題，配置儲(chǔ)能是一種有效的方式。在實(shí)際應(yīng)用中儲(chǔ)能配置需要充分考慮物理特性約束、單位成本等多方面的因素，綜合比較技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)所提出的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方案通常對(duì)運(yùn)行場(chǎng)景的分析較多，對(duì)各類工程約束和儲(chǔ)能的實(shí)際成本數(shù)據(jù)則考慮較少?；趦?chǔ)能的實(shí)際成本數(shù)據(jù)，在充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)物理特性及工程設(shè)計(jì)約束的情況下，對(duì)新能源一次調(diào)頻應(yīng)用場(chǎng)景下儲(chǔ)能系統(tǒng)分布式接入場(chǎng)站的經(jīng)濟(jì)性展開了研究。分析了鋰電池、飛輪和超級(jí)電容3類儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)約束，在此基礎(chǔ)上提出了3類儲(chǔ)能用于一次調(diào)頻的配置方法，結(jié)合配置方案進(jìn)行了成本分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。
01 儲(chǔ)能參與新能源一次調(diào)頻需求分析
1.1 適用于新能源一次調(diào)頻的儲(chǔ)能技術(shù)路線分析
根據(jù)GB/T 40595—2021《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》，當(dāng)系統(tǒng)頻率低于額定頻率時(shí)，新能源的調(diào)頻功率應(yīng)能達(dá)到自身運(yùn)行功率的6%；而當(dāng)系統(tǒng)頻率高于額定頻率時(shí)，新能源的調(diào)頻功率應(yīng)能達(dá)到自身運(yùn)行功率的10%。按照目前電網(wǎng)考核辦法，一次調(diào)頻持續(xù)時(shí)間通常為1 min以內(nèi)。
根據(jù)一次調(diào)頻的典型持續(xù)時(shí)間和輸出功率可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率容量及能量容量進(jìn)行估算。儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置應(yīng)考慮工程實(shí)際中可能出現(xiàn)的最惡劣工況，即新能源完全無(wú)法提供功率支撐。儲(chǔ)能的功率容量按照新能源額定容量的10%考慮，持續(xù)時(shí)間應(yīng)達(dá)到1 min以上。由于多數(shù)新能源機(jī)組的額定容量為1~10 MW，所以儲(chǔ)能的功率容量為100 kW~1 MW，單次調(diào)頻的持續(xù)時(shí)間應(yīng)能達(dá)到分鐘級(jí)，調(diào)頻所需的電量通常不大于20 kW·h。由此可知，一次調(diào)頻是偏向于功率支撐的場(chǎng)景，對(duì)能量也有一定的需求。參與新能源機(jī)組一次調(diào)頻的儲(chǔ)能系統(tǒng)在具備大功率充放電能力的同時(shí)也需要兼顧一定的能量存儲(chǔ)能力。
儲(chǔ)能的種類眾多，技術(shù)特性各異。配置儲(chǔ)能輔助新能源調(diào)頻首先需要明確可用的儲(chǔ)能類型。根據(jù)功率等級(jí)范圍和額定功率下持續(xù)工作時(shí)間，可以對(duì)儲(chǔ)能的使用場(chǎng)景進(jìn)行劃分。圖1展示了各類儲(chǔ)能技術(shù)適用的功率范圍和額定功率下的持續(xù)工作時(shí)間。由圖1可知，在現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)路線中，鋰電池、飛輪和超級(jí)電容3種儲(chǔ)能的功率范圍及額定功率放電時(shí)間分別與一次調(diào)頻所需的功率容量及時(shí)間尺度高度契合，較為適合輔助分布式接入新能源調(diào)頻的應(yīng)用場(chǎng)景。
圖1 不同類型儲(chǔ)能技術(shù)適用的功率范圍和額定功率下的工作時(shí)間
Fig.1 Applicable power range and operating time at rated power of different types of energy storage technologies
1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)功率容量需求分析
1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)能量容量需求分析
02 不同類型儲(chǔ)能特性分析
本章分別針對(duì)鋰電池、飛輪和超級(jí)電容3種儲(chǔ)能類型，從結(jié)構(gòu)特性（是否具有模塊化屬性、是否方便進(jìn)行容量定制）、電氣特性、控制特性、壽命特性幾個(gè)方面進(jìn)行分析比較。
2.1 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
2.1.1 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性
相對(duì)于其他類型而言，鋰電池在比功率/比能量大、無(wú)記憶效應(yīng)、環(huán)境友好性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，以磷酸鐵鋰為代表的鋰電池體系是目前調(diào)頻電池的主流材料體系。在鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池簇經(jīng)由PCS接入電網(wǎng)。典型的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。由于電池僅須經(jīng)過(guò)一級(jí)電能變換即可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，所以鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，電能轉(zhuǎn)化效率較高。
圖2 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig.2 Structure of lithium battery energy storage system
鋰電池具有天然的模塊化結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用中的鋰電池是由多個(gè)電池簇按照功率和電壓等級(jí)進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成的，而電池簇的內(nèi)部也由多個(gè)電芯串并聯(lián)構(gòu)成。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在容量設(shè)計(jì)方面具有2個(gè)層面的自由度。1）可以根據(jù)使用需求選定適當(dāng)容量規(guī)格的電池簇模組；2）可根據(jù)電池簇模組的容量規(guī)格靈活設(shè)計(jì)其串并聯(lián)數(shù)。正是因?yàn)榫哂懈叨饶K化的結(jié)構(gòu)，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)相對(duì)靈活，易于適配各種功率等級(jí)的新能源機(jī)組，進(jìn)行容量定制化設(shè)計(jì)的成本亦較低。
2.1.2 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣特性
鋰電池?fù)碛衅脚_(tái)電位，在平臺(tái)區(qū)域內(nèi)充放電時(shí)其端電壓基本維持恒定，不受SOC影響，當(dāng)處于恒功率充放電模式時(shí)，鋰電池的端電壓和電池輸出電流基本維持恒定。這一特性可以保證PCS和系統(tǒng)直流側(cè)一次設(shè)備的容量基本等同于系統(tǒng)額定功率容量，避免了冗余。
鋰電池的放電能力通常由放電倍率定義。對(duì)于一個(gè)額定電流為1 A、額定容量為1 A·h的電芯而言，假設(shè)其持續(xù)充放電倍率為1 C，那么該電池的最大持續(xù)充放電電流即為1 A，充放電持續(xù)時(shí)間為1 h；但如果電池的持續(xù)放電倍率的數(shù)值為k，那么該電池的最大持續(xù)放電電流即為k安培，而對(duì)應(yīng)的，其持續(xù)放電時(shí)間將縮短為1/k小時(shí)。在所需功率容量一定的情況下，高倍率的電池?fù)碛懈〉哪芰咳萘俊；诟弑堵孰姵氐膬?chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以使電能在調(diào)頻期間迅速釋放，從而有效精簡(jiǎn)系統(tǒng)的總?cè)萘俊５怯捎诟弑堵孰姵氐膯蝺r(jià)較高、壽命較短，所以實(shí)際的建設(shè)成本仍需要結(jié)合具體的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行核算。
2.1.3 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命特性
鋰電池的壽命增長(zhǎng)較快，磷酸鐵鋰材料體系的低倍率鋰電池平均循環(huán)壽命已有大幅度提升，相對(duì)于最初的2 500次循環(huán)壽命而言，目前龍頭企業(yè)產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)超過(guò)1萬(wàn)次循環(huán)充放電，多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)5 000次循環(huán)充放電。在實(shí)際應(yīng)用中鋰電池的壽命受到放電深度（depth of discharge，DOD）的影響，在低DOD狀態(tài)下電池的壽命將顯著延長(zhǎng)。由于一次調(diào)頻儲(chǔ)能電池的容量裕度通常較大、工作時(shí)不會(huì)達(dá)到滿充滿放的狀態(tài)，所以現(xiàn)有用于一次調(diào)頻的磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池服役年限通常能夠超過(guò)8年。隨著材料制備工藝和電極合成方法的改進(jìn)和突破，未來(lái)鋰電池的壽命可以進(jìn)一步提升。
2.2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)
2.2.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由飛輪、電機(jī)本體、變流器、制動(dòng)斬波器、真空系統(tǒng)、輔助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等部分組成，系統(tǒng)的拓?fù)淙鐖D3所示。可以看出，為了維持正常運(yùn)行，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中需要配置多級(jí)的電能變換裝置和配套的輔助裝置。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)更為復(fù)雜。
圖3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig.3 Structure of flywheel energy storage system
區(qū)別于超級(jí)電容和電池，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不具備模塊化的特征，容量配置靈活性相對(duì)較弱。多數(shù)情況下不可避免地需要進(jìn)行定制化開發(fā)。雖然曾有文獻(xiàn)指出可采用配置小容量飛輪陣列的方式實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)地容量匹配，但是這種方案不適用于應(yīng)對(duì)新能源場(chǎng)站內(nèi)具有大量異構(gòu)機(jī)組的場(chǎng)景?？偟膩?lái)說(shuō)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在技術(shù)開發(fā)難度、開發(fā)周期和成本方面存在劣勢(shì)。
2.2.2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣特性
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通常通過(guò)真空條件下高速磁懸浮電機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)子來(lái)儲(chǔ)存能量，利用電機(jī)和變頻器進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。充電時(shí)變頻器控制電機(jī)升速，放電時(shí)電機(jī)在變頻器的配合之下發(fā)電從而降速。對(duì)于采用磁場(chǎng)定向策略控制的飛輪電機(jī)，定子電流I為
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在瞬間大功率充放電方面存在優(yōu)勢(shì)。因?yàn)閮?chǔ)能介質(zhì)是采用金屬材料制造的機(jī)械部件，所以飛輪電機(jī)承載瞬時(shí)大電流的能力較強(qiáng)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的短時(shí)充放電電流可達(dá)到額定電流的4倍，而所能承受的脈沖電流最大可達(dá)到額定電流的200倍，倍率性優(yōu)異。
2.2.3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命特性
相對(duì)于其他儲(chǔ)能技術(shù)路線，飛輪儲(chǔ)能在使用壽命方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的理論壽命可達(dá)15~20年，幾乎能夠覆蓋新能源場(chǎng)站的全生命周期。但是，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助調(diào)頻需要進(jìn)行頻繁的加減速操作，導(dǎo)致其關(guān)鍵零部件容易磨損。雖然兆瓦級(jí)功率等級(jí)的飛輪通常采用非接觸式磁懸浮軸承技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速化運(yùn)行，但是磁懸浮軸承僅用于卸載轉(zhuǎn)子的軸向重力。為了約束轉(zhuǎn)子的徑向位移，仍需要在飛輪內(nèi)部集成接觸式的徑向機(jī)械軸承。在實(shí)際應(yīng)用中為了維持飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常使用，需要定期對(duì)徑向機(jī)械軸承進(jìn)行更換。因此，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行是以頻繁的檢修和較高的運(yùn)維成本為代價(jià)的。
2.3 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)
2.3.1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性
超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)淙鐖D4所示，電容模組通常通過(guò)DC/DC裝置分組接入PCS，從而保證可靠性和放電的均衡性。DC/DC裝置的作用是適配儲(chǔ)能PCS母線電壓，消除電容充放電對(duì)電壓變化的影響。通過(guò)對(duì)超級(jí)電容分組的方式可以有效降低DC/DC裝置的單體容量水平。多個(gè)DC/DC裝置的副邊統(tǒng)一并入PCS的母線運(yùn)行。相對(duì)于采用電池的儲(chǔ)能方案，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度有所增加。
圖4 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig.4 Structure of supercapacitor energy storage system
超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)也具模塊化結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)增加模組數(shù)量實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)靈活。但是，由于超級(jí)電容沒有平臺(tái)電壓，模組必須分組通過(guò)DC/DC變換器接入系統(tǒng)，隨著容量的提升，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和運(yùn)行控制復(fù)雜度將有所增加。
2.3.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣特性
超級(jí)電容不存在平臺(tái)電壓，在釋放電能的過(guò)程中端電壓會(huì)逐漸下降。因此，在使用時(shí)必須將超級(jí)電容模組和逆變器之間增加一級(jí)DC/DC裝置用以適配母線電壓。當(dāng)釋放功率一定時(shí)，電容的輸出電流將隨放電的持續(xù)而增加，在能量耗盡前達(dá)到峰值，所以DC/DC裝置需要同時(shí)具備耐受高電壓和大電流的能力。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中前級(jí)DC/DC設(shè)備的容量通常遠(yuǎn)大于額定功率，這也使得超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)功率容量成本較高。
超級(jí)電容本身?yè)碛泻芨叩姆烹姳堵侍匦裕梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)或釋放大量的電能。以Maxwell 160 V/10 F的超級(jí)電容模組為例，其存儲(chǔ)電量為0.036 kW·h，而最大充放電功率為1.92 kW，由此可知最大的放電倍率可達(dá)53倍。若按此功率持續(xù)放電，則其所存儲(chǔ)的電量可在1/53 h內(nèi)釋放完畢，充放電倍率特性極佳。
2.3.3 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命特性
在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境中，超級(jí)電容的充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)上百萬(wàn)次。實(shí)際應(yīng)用中的超級(jí)電容受到其電極劣化和電解液分解速率影響，壽命隨溫度的上升而下降。超級(jí)電容的使用壽命基本遵循阿累尼烏斯方程所描述的“十度法則”，即以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境溫度為基準(zhǔn)，使用時(shí)溫度每上升10 ℃則壽命減半。
以風(fēng)電場(chǎng)為例，通常電站年平均溫度為8~10 ℃，但風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備的艙內(nèi)年平均溫度可達(dá)43~45 ℃。雖然超級(jí)電容在25 ℃標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下的壽命可達(dá)10年，但根據(jù)“十度法則”，在此45 ℃時(shí)電容的實(shí)際壽命為2.5~3年。
03 用于一次調(diào)頻的儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
新能源場(chǎng)站生命周期通常為20年，對(duì)一次調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)需要結(jié)合具體的方案和各類儲(chǔ)能的壽命詳細(xì)計(jì)算全生命周期成本。由前文分析可知，儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的典型持續(xù)時(shí)間通常為1 min，調(diào)頻功率為新能源機(jī)組的10%。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率通常不大于1 MW，在此功率等級(jí)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)直流側(cè)額定電壓通常為750 V，變流器進(jìn)行逆變后通過(guò)升壓變壓器接入場(chǎng)站。本文以一臺(tái)7.5 MW新能源機(jī)組為例進(jìn)行分析，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)能輸出750 kW的調(diào)頻功率。若以調(diào)頻持續(xù)時(shí)間為1 min計(jì)算，則根據(jù)式（3），在SOC上限和下限各預(yù)留10%余量時(shí)儲(chǔ)能輸出的電量應(yīng)能達(dá)到20 kW·h。本章將基于此場(chǎng)景分別對(duì)鋰電池、飛輪、超級(jí)電容獨(dú)立及混合配置的方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。
3.1 基于鋰電池方案的經(jīng)濟(jì)性分析
3.1.1 基于普通電池方案的經(jīng)濟(jì)性分析
普通磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的充放電倍率為1 C。電池模組是利用電芯串并聯(lián)構(gòu)成的。常見的磷酸鐵鋰電芯標(biāo)稱容量有230 A·h、271 A·h和280 A·h等，電芯的額定工作電壓約為3 V。電池模組通常采用16級(jí)串聯(lián)的方式將電壓抬升至48 V。儲(chǔ)能系統(tǒng)則利用多個(gè)基本模組串聯(lián)的方式構(gòu)成可以適配PCS直流母線電壓的電池組，并通過(guò)并聯(lián)電池組的方式實(shí)現(xiàn)功率容量和能量容量的擴(kuò)容。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合具體的技術(shù)指標(biāo)和電池性能、成本等因素對(duì)電芯模型組的規(guī)格行選擇，進(jìn)而對(duì)電池的串并聯(lián)數(shù)進(jìn)計(jì)算。電池工作時(shí)其端電壓會(huì)在電壓平臺(tái)附近輕微浮動(dòng)，因此需要根據(jù)電壓浮動(dòng)情況校核額定工況下的輸出電流，進(jìn)而根據(jù)倍率性的約束確定電池組的并聯(lián)數(shù)。具體的計(jì)算流程如下。
1）明確可用的電池模組規(guī)格、類型以及不同模組的標(biāo)稱電壓，并根據(jù)儲(chǔ)能PCS的電壓等級(jí)計(jì)算采用不同類型模組構(gòu)建電池組所需的串聯(lián)數(shù)。
2）根據(jù)串聯(lián)數(shù)計(jì)算選用不同規(guī)格的電池模組時(shí)每串電池組的能量容量。
3）根據(jù)典型調(diào)頻工況的功率和調(diào)頻時(shí)間確定儲(chǔ)能系統(tǒng)最小能量容量需求，根據(jù)所需能量容量下限值的2倍（電池在預(yù)備調(diào)頻階段處于50%SOC）計(jì)算所需的電池組并聯(lián)數(shù)Np1；根據(jù)所需功率容量所對(duì)應(yīng)的直流電流值以及電芯的充放電倍率確定電池組并聯(lián)數(shù)Np2。選擇Np1和Np2中數(shù)值較大者為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池組的并聯(lián)數(shù)。
4）基于各類型模組設(shè)計(jì)方案的串并聯(lián)數(shù)確定不同的方案。
按照每8年更換一批電池的使用周期，在新能源電場(chǎng)20年的使用年限內(nèi)將需要更換兩次電芯模組，當(dāng)采用280 A·h電芯模組的構(gòu)建方案時(shí)，全生命周期內(nèi)總投資成本將為289.02萬(wàn)元。
3.1.2 基于高倍率型電池方案的經(jīng)濟(jì)性分析
采用放電倍率為1 C的動(dòng)力電池配置儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)存在能量容量過(guò)剩的問(wèn)題。若選用高倍率型電池可以降低容量過(guò)剩。但是，高倍率電芯的充放電倍率往往不對(duì)稱。這是因?yàn)槌潆婋娏髅芏冗^(guò)高會(huì)導(dǎo)致電池析鋰，從而嚴(yán)重影響安全性。受到自身材料特性的限制，高倍率型電池的持續(xù)充電倍率通常只有持續(xù)放電倍率的20%~25%。
以業(yè)界領(lǐng)先的APR26650 m1 b型電池為例，該電池放電倍率較高，且在充放電深度達(dá)到10%~90%時(shí)均能維持平臺(tái)電壓，具有良好電氣特性，具體經(jīng)濟(jì)特性如表1所示。由表1可知，該電池的持續(xù)充電倍率為4 C，僅是持續(xù)放電倍率的20%。
表1 APR26650 m1 b型鋰電池技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性
Table 1 Technical and economic characteristics of APR26650 m1 b type lithium battery
高倍率電池的壽命低于普通充放電倍率的電池，因此更換頻率更高。即便同樣按照全生命周期更換兩次的標(biāo)準(zhǔn)，其全生命周期的建設(shè)成本也高達(dá)804.15萬(wàn)元。由此可見采用高倍率電池的方案經(jīng)濟(jì)性方面完全不具備優(yōu)勢(shì)。
3.2 基于飛輪的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)性分析
3.2.1 單獨(dú)集成飛輪的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)性分析
由于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不具有模塊化的結(jié)構(gòu)，所以容量配置方面的靈活性較弱。單純依靠自身容量難以直接和各類不同功率容量的新能源機(jī)組有效適配，通常須進(jìn)行定制化開發(fā)或利用模塊化的儲(chǔ)能設(shè)備與其進(jìn)行混合配置以提升功率容量和能量容量?jī)煞矫娴钠ヅ涠取?
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所以研發(fā)成本相對(duì)較高。根據(jù)文獻(xiàn)[25]，定制化飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量成本為100~400元/(W·h)。如果按照調(diào)頻功率750 kW，持續(xù)時(shí)間1 min的場(chǎng)景核算成本，則定制化方案需要125萬(wàn)~500萬(wàn)元，不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
基于飛輪儲(chǔ)能構(gòu)建聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)時(shí)通常不涉及二次開發(fā)或定制化設(shè)計(jì)，而是通過(guò)對(duì)市面產(chǎn)品進(jìn)行合理選型的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)于功率容量在兆瓦級(jí)以下的飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品而言，飛輪本體的材料成本占據(jù)全系統(tǒng)制造成本的主要部分。飛輪通常采用提升轉(zhuǎn)速的方式增大能量容量，由于成本均攤的緣故，兆瓦級(jí)功率范圍內(nèi)飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品的單位功率成本和單位能量成本隨系統(tǒng)總?cè)萘康脑黾佣档汀?
表2為廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)主流調(diào)頻飛輪廠家之后所篩選出的與本文指標(biāo)相近的產(chǎn)品參數(shù)。由表2可知，HHE-FW1M45型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以滿足調(diào)頻的需求，基于該型號(hào)飛輪的單次配置成本為160.0萬(wàn)元。但是該方案的功率容量略高于實(shí)際需求，成本也較之于單純選用鋰電池的方案略高。
表2 不同廠家調(diào)頻飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的報(bào)價(jià)
Table 2 Quotations for flywheel energy storage systems with frequency regulation from different manufacturers
因?yàn)轱w輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命通?？蛇_(dá)15~20年，所以在用于輔助新能源調(diào)頻時(shí)無(wú)須進(jìn)行替換，避免了重復(fù)投資，電站全生命周期的儲(chǔ)能配置成本為160萬(wàn)元。
需要說(shuō)明的是，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)需要定期檢修維護(hù)和更換徑向軸承等關(guān)鍵機(jī)械元件，因而在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)維費(fèi)用，具體的運(yùn)維費(fèi)用與產(chǎn)品型號(hào)及品牌有關(guān)。以HHE-FW1M45飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，為了維持可靠運(yùn)行，需要每三個(gè)月對(duì)其徑向軸承進(jìn)行更換，每次更換軸承的費(fèi)用為4.8萬(wàn)元，20年的總費(fèi)用高達(dá)384萬(wàn)元，高于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的成本。因此，在選用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助新能源機(jī)組調(diào)頻時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注目標(biāo)型號(hào)的運(yùn)維成本，以保證全生命周期的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。
3.2.2 基于飛輪和鋰電池混合配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
因?yàn)轱w輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能量配置的靈活性相對(duì)較弱，所以可以選擇鋰電池與其混合配置。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要供貨商的定型產(chǎn)品中與本文技術(shù)指標(biāo)相近的產(chǎn)品價(jià)格則如表2所示。
由表2可知，HC-325型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量可以滿足調(diào)頻需求，但是功率容量略低。適合與容量較小的新能源機(jī)組進(jìn)行單機(jī)匹配。用于7.5 MW新能源機(jī)組時(shí)則需要與鋰電池進(jìn)行混合配置。最經(jīng)濟(jì)的方式是選用230 A·h電芯構(gòu)建“1 P*16 S”基本模組，將基本模組經(jīng)過(guò)14級(jí)串聯(lián)后構(gòu)成電池組通過(guò)三級(jí)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)匹配，此時(shí)電池的電量為494.5 kW·h，電池的成本為59.35萬(wàn)元，儲(chǔ)能系統(tǒng)總電量為544.5 kW·h，總建設(shè)成本為184.35萬(wàn)元。如前所述由于HC-325型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單位功率成本高的影響，該方案相對(duì)于單純采用HHE-FW1M45型飛輪的方案而言在成本和容量方面均存在劣勢(shì)。
該方案應(yīng)用于輔助新能源調(diào)頻時(shí)，在20年全生命周期內(nèi)需要更換兩次電池，因此總成本為303.05萬(wàn)元。同樣地，采用鋰電池和飛輪混合的配置方案還需要考慮飛輪的日常維護(hù)成本。
3.3 基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
3.3.1 單獨(dú)集成超級(jí)電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)性分析
超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)具有模塊化特征，容量設(shè)計(jì)較為靈活。但是，由于超級(jí)電容不具備類似于鋰電池的電壓平臺(tái)，所以隨著電能的釋放電容的電壓將逐漸降低。在進(jìn)行容量配置前需要根據(jù)變流器的工程約束確定超級(jí)電容的工作電壓及工作電流范圍，具體包括器件的耐壓、通流能力和儲(chǔ)能系統(tǒng)前級(jí)DC/DC裝置的變比范圍。具體的計(jì)算流程如下。
1）明確可用的各類超級(jí)電容模組的容量和充放電電壓、電流范圍，明確儲(chǔ)能DC/DC裝置的變比范圍和耐壓、通流能力情況。
2）根據(jù)儲(chǔ)能DC/DC裝置的電壓上限確定采用各類超級(jí)電容模組時(shí)的串聯(lián)數(shù)。
3）根據(jù)DC/DC裝置的電壓下限和調(diào)頻功率需求計(jì)算超級(jí)電容系統(tǒng)的最大放電電流，將此電流值與電容模組的最大放電電流相除，將相除的倍數(shù)向上取整，從而確定電容串的并聯(lián)數(shù)。
4）根據(jù)超級(jí)電容組的串并聯(lián)數(shù)計(jì)算超級(jí)電容的電荷量，并根據(jù)電荷量校核計(jì)算電容從額定電壓放電到DC/DC裝置電壓下限后，所釋放電量是否為調(diào)頻電量的2倍（電容在預(yù)備調(diào)頻階段處于50%SOC）。
6）對(duì)比采用不同類型電容模組的設(shè)計(jì)結(jié)果，選取總?cè)萘亢涂們r(jià)格最低的作為最終方案。
表3 超級(jí)電容標(biāo)準(zhǔn)模組技術(shù)參數(shù)
Table 3 Technical parameters of standard module of supercapacitor
若儲(chǔ)能逆變器和DC/DC變換器的轉(zhuǎn)化效率均為96%，則可知持續(xù)調(diào)頻1 min所需的電量為11.5 kW·h。由此可知，在該串并聯(lián)數(shù)下超級(jí)電容的輸出功率和電量滿足調(diào)頻需求。在該方案下，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際的存儲(chǔ)電量為36.12 kW·h。
超級(jí)電容在能量存儲(chǔ)和釋放時(shí)基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以循環(huán)壽命長(zhǎng)，倍率性和放電深度特性優(yōu)異。但是，超級(jí)電容的能量密度較低。另外，由于超級(jí)電容本身的材料和制造工藝較為復(fù)雜，其成本較高，能量成本為9.5~13.5元/(W·h)。取中位數(shù)11.5元/(W·h)，則根據(jù)能量成本均價(jià)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本約為41.54萬(wàn)元。按照3年核算超級(jí)電容壽命，需要在新能源場(chǎng)站20年生命周期內(nèi)替換6次超級(jí)電容模組，全生命周期成本約為290.78萬(wàn)元。
3.3.2 基于超級(jí)電容和鋰電池混合的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)性分析
受到電池基本模組安時(shí)數(shù)和超級(jí)電容模組基本容量的限制，在超級(jí)電容和鋰電池混合型儲(chǔ)能的容量匹配的顆粒度不可能無(wú)限細(xì)分。
由3.1.1節(jié)的計(jì)算結(jié)果可知，采用倍率1 C的純鋰電儲(chǔ)能方案由4組電池組并聯(lián)構(gòu)成。每組模組分別承擔(dān)25%的輸出功率。如果選用超級(jí)電容器替代部分電池。則存在3種潛在的可能，即分別替代25%、50%和75%的電池容量?？紤]儲(chǔ)能電容變流系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率后，電容的輸出功率分別應(yīng)達(dá)到203.5 kW、407 kW和610.5 kW。綜合考慮功率和電量的需求，電容的并聯(lián)數(shù)分別達(dá)到10、15和23，其存儲(chǔ)的電能分別達(dá)到10.03 kW·h、15.05 kW·h和23.08 kW·h。表4給出了不同容量配比方案下系統(tǒng)的總?cè)萘?。從?可知，超級(jí)電容占比越大，儲(chǔ)能系統(tǒng)總?cè)萘繉⒃降汀?
表4 不同的電容和電池配置比例下系統(tǒng)的容量情況
Table 4 System capacity with different ratios of capacitance and battery configurations
表5給出了超級(jí)電容與儲(chǔ)能混合配置的成本。從表5可以看出，由于一部分的儲(chǔ)能被替換成低成本的鋰電池，所以超級(jí)電容和鋰電池混合配置的成本低于純超級(jí)電容的成本。但是根據(jù)表5可知，這種混合配置方式下系統(tǒng)的最低成本為289.475萬(wàn)元，相對(duì)于純鋰電池方案而言依然沒有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在該配置方案下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和運(yùn)行管理難度將顯著提升。
表5 應(yīng)用于調(diào)頻的超級(jí)電容+鋰電池儲(chǔ)能混合配置成本
Table 5 Cost of hybrid energy storage configuration of supercapacitors and lithium batteries for frequency regulation
3.4 各類儲(chǔ)能輔助新能源調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性比較
圖5為各類儲(chǔ)能用于輔助新能源調(diào)頻的建設(shè)成本。從圖5可以看出，采用普通鋰電池的全生命周期建設(shè)成本為289.02萬(wàn)元，采用20 C高放電倍率電池的建設(shè)方案受電芯充放電倍率不對(duì)稱的影響，實(shí)際配置容量?jī)H能縮減至1 C普通電池方案的22%，其建設(shè)成本為804.15萬(wàn)元。
圖5 各類儲(chǔ)能方案輔助新能源調(diào)頻的建設(shè)成本
Fig.5 Construction cost of each energy storage scheme for assisting frequency regulation of new energy
采用超級(jí)電容、超級(jí)電容配合鋰電池或飛輪儲(chǔ)能配合鋰電池的方案相對(duì)于純粹采用普通鋰電池方案雖然降低了系統(tǒng)的總儲(chǔ)能容量，但是在經(jīng)濟(jì)性上沒有明顯優(yōu)勢(shì)。而且混合配置儲(chǔ)能后系統(tǒng)的復(fù)雜性有所增加，因此不具備綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
在用于輔助新能源調(diào)頻時(shí)，由于飛輪儲(chǔ)能的壽命能覆蓋電站全生命周期，所以雖然其單位容量成本較高，但全生命周期投資成本最低。需要說(shuō)明的是，雖然飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命優(yōu)勢(shì)使其在輔助風(fēng)電調(diào)頻的建設(shè)成本方面具有優(yōu)勢(shì)，但是需要充分考慮飛輪本體定期維護(hù)和徑向軸承等關(guān)鍵零件定期更換所帶來(lái)的運(yùn)維成本。
04 結(jié)論
本文對(duì)分布式接入場(chǎng)景下用于新能源一次調(diào)頻的儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)配置方案進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，配置儲(chǔ)能時(shí)不僅需要考慮一次調(diào)頻對(duì)功率和電量的需求，還要充分考慮儲(chǔ)能元件充放電倍率、模塊化程度、接口變流器特性等方面的工程約束。在計(jì)及上述約束后，各類儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量會(huì)不同程度地大于理論容量，故而有必要結(jié)合成本數(shù)據(jù)對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。在對(duì)電池、飛輪和超級(jí)電容三類儲(chǔ)能的工程技術(shù)特征進(jìn)行了論述之后，本文分別總結(jié)了其容量配置方法，分析了3種儲(chǔ)能獨(dú)立及混合配置的建設(shè)成本，得到如下結(jié)論。
1）飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的標(biāo)稱壽命可覆蓋新能源場(chǎng)站全生命周期，在不考慮運(yùn)維時(shí)，利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助新能源一次調(diào)頻經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)最明顯。但是，飛輪儲(chǔ)能實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不如電池，運(yùn)維成本不明確，根據(jù)現(xiàn)有案例，頻繁運(yùn)維有可能導(dǎo)致總成本較高。
2）雖然普通磷酸鐵鋰電池倍率特性不佳使其存儲(chǔ)電量遠(yuǎn)大于調(diào)頻需求，但是在考慮運(yùn)維成本時(shí)其綜合經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，且近年隨著制備工藝的改進(jìn)，電池壽命的增速較快，在未來(lái)可能顯著提升，因此系統(tǒng)配置需要考慮壽命增長(zhǎng)的影響。同時(shí)，其充足的能量裕度還可以支撐調(diào)峰、抑制功率波動(dòng)等工作，提升新能源的友好性。
3）由于超級(jí)電容的倍率特性好，所以在相同調(diào)頻需求的情況下，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量容量比鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)小。但是，由于單位成本和壽命不具備優(yōu)勢(shì)，所以建設(shè)成本較高。
4）高倍率型電池的成本高且充放電倍率不對(duì)稱，而一次調(diào)頻需要兼顧充、放電的需求，因此采用高倍率電池降低儲(chǔ)能容量的效果不如飛輪和超級(jí)電容，不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
5）利用飛輪儲(chǔ)能或超級(jí)電容儲(chǔ)能的倍率性優(yōu)勢(shì)與磷酸鐵鋰電池進(jìn)行混合配置可以優(yōu)化系統(tǒng)的總電量，但是混合儲(chǔ)能方案在建設(shè)成本和技術(shù)難度方面并不具備優(yōu)勢(shì)。
