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摘 要 隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中的滲透率不斷提高，其間歇性和不確定性對電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生了深刻影響。作為一種新型儲能技術(shù)，超級電容具有功率密度高、循環(huán)壽命長、工作溫區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，可作為提升電力系統(tǒng)調(diào)頻能力的重要手段。本文概述了用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的超級電容儲能系統(tǒng)。首先，介紹了電力系統(tǒng)的調(diào)頻需求以及使用超級電容儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻的優(yōu)勢。其次，整理了用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的超級電容儲能系統(tǒng)的控制策略和容量配置方法。其中，控制策略涵蓋了下垂控制等經(jīng)典控制方法和模型預(yù)測控制等先進(jìn)控制策略。容量配置方法歸納了基于規(guī)則的方法和基于優(yōu)化的方法。然后，梳理了使用超級電容儲能系統(tǒng)進(jìn)行電力系統(tǒng)調(diào)頻的工程案例，著重分析了以“超級電容+鋰離子電池”為代表的混合儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、運(yùn)行模式、經(jīng)濟(jì)性等。最后，對超級電容調(diào)頻技術(shù)進(jìn)行了展望，給出了目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界尚需加強(qiáng)合作、協(xié)同攻關(guān)的建議以推動該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用和高質(zhì)量發(fā)展。
關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng)調(diào)頻；超級電容；控制策略；容量配置；工程案例
電力系統(tǒng)頻率是衡量系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，能夠反映系統(tǒng)提供的有功功率與負(fù)荷之間的平衡程度。負(fù)荷側(cè)或發(fā)電側(cè)的隨機(jī)波動可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡，進(jìn)而引發(fā)電力系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定。電力系統(tǒng)頻率偏離額定值過大時可能導(dǎo)致大面積停電甚至電力系統(tǒng)崩潰。因此，電力系統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)對于維持系統(tǒng)穩(wěn)定至關(guān)重要。
隨著可再生能源的高比例并網(wǎng)，其隨機(jī)性較大和波動性較強(qiáng)的特性給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了一定的影響，如頻率穩(wěn)定性降低、頻率波動變快、脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)增加等。因此，電力系統(tǒng)對調(diào)頻提出了更高的要求，如提高調(diào)頻響應(yīng)速度和提升調(diào)節(jié)的靈活性等。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)頻方式主要依賴火電機(jī)組、水電機(jī)組、抽水蓄能等裝置，其中，火電機(jī)組由于機(jī)械系統(tǒng)性能限制，其調(diào)頻響應(yīng)時間較長，調(diào)節(jié)響應(yīng)慢，且其在處理頻繁的擾動時會產(chǎn)生較大的磨損，不適合參與較短周期的調(diào)頻；水電機(jī)組除了設(shè)備磨損問題外，其調(diào)頻容量還會受水資源季節(jié)性限制以及地域問題的影響，其調(diào)頻功能往往不能滿足要求；抽水蓄能的調(diào)頻效果雖好，但其存在建設(shè)要求高、效率低、特性復(fù)雜等問題。因此，現(xiàn)代電力系統(tǒng)需要新的調(diào)頻手段，來彌補(bǔ)已有手段的不足，同時能夠應(yīng)對新的挑戰(zhàn)。
相對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)頻方式的不足，儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的優(yōu)勢變得越來越明顯。具體來說，通過多個儲能單元構(gòu)成的儲能系統(tǒng)在調(diào)頻中的響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度、靈活性、經(jīng)濟(jì)性等方面優(yōu)于以火電機(jī)組、水電機(jī)組和抽水蓄能為代表的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)頻方式。在響應(yīng)速度方面，儲能系統(tǒng)較火電機(jī)組而言具有快速性和參數(shù)可定制性的優(yōu)勢，因此儲能系統(tǒng)對于頻率變化的響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于火電機(jī)組，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級至秒級的響應(yīng)，大幅降低了頻率調(diào)節(jié)所需的時間；在調(diào)節(jié)精度方面，儲能系統(tǒng)可以借由其快速響應(yīng)的特性，對頻率進(jìn)行更精確的調(diào)控，提升調(diào)頻響應(yīng)精度；在使用和配置的靈活性方面，儲能系統(tǒng)的配置更加靈活，其受地理位置和季節(jié)因素的制約較小，另外儲能系統(tǒng)在調(diào)頻操作上更加靈活，能隨時充放電，可靈活調(diào)節(jié)出力，并能對上調(diào)和下調(diào)功率實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換；在經(jīng)濟(jì)性方面，首先，儲能系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對頻繁調(diào)頻的情況，減少火電和水電機(jī)組設(shè)備磨損，降低運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用，其次，儲能系統(tǒng)除了參與調(diào)頻之外，同時能夠通過市場運(yùn)作實(shí)現(xiàn)盈利，對自身的費(fèi)用進(jìn)行補(bǔ)償。
超級電容作為一種新型儲能器件，與其他常見儲能器件的能量密度、功率密度、充放電時間和循環(huán)壽命等參數(shù)的對比如表1所示。和其他儲能器件相比，超級電容在具有良好能量密度的同時，同樣具有功率密度高、循環(huán)壽命長以及工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此，基于超級電容的儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)調(diào)頻領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢。因其具有較高的功率密度，超級電容能夠在電網(wǎng)發(fā)生波動時快速吸收或釋放功率，從而滿足電力系統(tǒng)調(diào)頻對瞬時功率波動的補(bǔ)償需求。其次，超級電容具有極快的充放電速度，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級到秒級的充放電，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)的調(diào)頻指令做到快速響應(yīng)。此外，超級電容的高循環(huán)壽命和寬工作溫度范圍使其能夠適應(yīng)極端氣候地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)頻。綜上所述，超級電容的特性使其非常適合用于電力系統(tǒng)的快速調(diào)頻，并能夠有效應(yīng)對新能源并網(wǎng)帶來的頻率波動問題，進(jìn)而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。
表1 超級電容特性
然而，超級電容在電力系統(tǒng)調(diào)頻的應(yīng)用中仍面臨著許多問題與挑戰(zhàn)。例如，超級電容在吸收或釋放功率過程中的精確出力與調(diào)頻效果直接相關(guān)，因此，采用恰當(dāng)?shù)目刂撇呗砸越鉀Q上述問題對充分發(fā)揮超級電容的優(yōu)勢至關(guān)重要。此外，在實(shí)際部署當(dāng)中，超級電容的容量配置直接關(guān)系到系統(tǒng)的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性。容量過大會導(dǎo)致資源浪費(fèi)與成本增加，容量過小則難以滿足調(diào)頻需求。因此，如何合理地對超級電容進(jìn)行容量配置仍舊值得進(jìn)行深入的探索。
本文基于電力系統(tǒng)的調(diào)頻需求和超級電容調(diào)頻技術(shù)的優(yōu)勢，梳理了超級電容調(diào)頻的控制策略與容量配置方法，并總結(jié)了應(yīng)用于實(shí)際工程的典型案例。
1 超級電容調(diào)頻控制策略
設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)目刂撇呗詫τ诒Ｕ铣夒娙菰谡{(diào)頻過程中精準(zhǔn)出力至關(guān)重要，現(xiàn)有的控制策略大致可以分為兩類：經(jīng)典控制策略和先進(jìn)控制策略。經(jīng)典控制策略主要包括下垂控制、虛擬慣量控制，以及基于二者的混合控制。先進(jìn)控制策略主要包括模型預(yù)測控制(model predictive control, MPC)、模糊邏輯控制(fuzzy logic control, FLC)和數(shù)據(jù)驅(qū)動控制等。超級電容的調(diào)頻控制策略匯總?cè)绫?所示。
表2 超級電容儲能系統(tǒng)控制策略
1.1 經(jīng)典控制策略
作為一種經(jīng)典控制策略，下垂控制通過模擬同步發(fā)電機(jī)的下垂特性，根據(jù)頻率的偏差調(diào)整超級電容的輸出功率。其優(yōu)勢在于具有出色的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力，不需要精確的系統(tǒng)模型，且可以平衡多個儲能單元的功率。例如，一種采用下垂控制動態(tài)調(diào)整超級電容輸出功率的分散式控制策略被用于電力系統(tǒng)調(diào)頻控制中，該控制策略通過減小超級電容荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)的波動來實(shí)現(xiàn)控制優(yōu)化。此外，動態(tài)下垂控制中的下垂系數(shù)可基于調(diào)頻單元的額定功率和系統(tǒng)的頻率偏差進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以增強(qiáng)電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。
虛擬慣量控制作為另外一種經(jīng)典的控制策略，通過模擬同步發(fā)電機(jī)的慣量，根據(jù)頻率變化率控制超級電容快速釋放或吸收功率，以抑制頻率的波動。虛擬慣量控制具有出色的動態(tài)調(diào)節(jié)能力，可以降低頻率偏差的峰值，適用于頻率波動較劇烈的場景。例如，在綜合考慮設(shè)備安全、調(diào)頻指標(biāo)和調(diào)頻成本之間的耦合關(guān)系的同時，利用超級電容并結(jié)合虛擬慣量控制，一套基于規(guī)則的控制流程可被用于調(diào)頻控制。此外，為了減少超級電容的容量需求，在應(yīng)用虛擬慣量控制對超級電容進(jìn)行調(diào)頻控制的同時，采用基于變功率跟蹤的方法對風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能和調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性的提升。
基于下垂控制和虛擬慣量控制這兩種經(jīng)典的控制策略，二者的混合控制策略也得到廣泛研究。下垂-虛擬慣量混合控制策略結(jié)合了下垂控制的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力和虛擬慣量控制的動態(tài)調(diào)節(jié)能力，通過下垂控制調(diào)整頻率的偏差，并利用虛擬慣量控制快速抑制頻率的變化率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)-動態(tài)的協(xié)同控制。一方面，在下垂-虛擬慣量混合控制策略中，兩種控制策略可以同時對調(diào)頻控制起作用。例如，混合控制策略可控制超級電容輔助風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)頻，并考慮超級電容的過充過放現(xiàn)象，引入相關(guān)約束對超級電容的SOC進(jìn)行調(diào)整。另一方面，下垂控制和虛擬慣量控制兩種控制策略可基于一定的規(guī)則確定優(yōu)先級，分別對調(diào)頻進(jìn)行控制。考慮兩種控制策略使用的優(yōu)先級和協(xié)同性，根據(jù)頻率的偏差和變化率方向，控制策略選擇合適的投入類型，從而控制超級電容在不同場景下精準(zhǔn)出力，既實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻效果的提升又避免了超級電容的過度使用。
1.2 先進(jìn)控制策略
MPC是一種常見的先進(jìn)調(diào)頻控制策略，可以根據(jù)系統(tǒng)建立的模型對未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，在對其進(jìn)行優(yōu)化時可以考慮各種約束，并且可以實(shí)時地對系統(tǒng)進(jìn)行控制。MPC在調(diào)頻中可以將儲能系統(tǒng)和可再生能源的功率進(jìn)行平衡，并同時考慮儲能系統(tǒng)的容量和功率等其他約束。針對超級電容快速響應(yīng)的場景，使用MPC可結(jié)合電壓軌跡約束來防止能量耗盡引起的二次頻率擾動。對于設(shè)備老化的問題，MPC通過考慮粗細(xì)粒度時間尺度，利用超級電容的高功率特性來避免電池等高能量密度設(shè)備的功率波動，并實(shí)現(xiàn)對調(diào)頻信號的實(shí)時調(diào)控。為了減少擾動干擾，MPC還可結(jié)合分?jǐn)?shù)階控制和虛擬慣量設(shè)計(jì)集中系統(tǒng)，用于調(diào)整超級電容的輸出功率。
另一種先進(jìn)控制策略FLC，對模型的精確性要求低，可通過構(gòu)建模糊規(guī)則庫將輸入變量映射到輸出變量，以處理輸入輸出變量的非線性關(guān)系。因此，F(xiàn)LC有著很強(qiáng)的魯棒性，即使用于存在參數(shù)不確定的情況也具有良好的控制性能，非常適合新能源高滲透場景。針對儲能系統(tǒng)的非線性響應(yīng)特性，以頻率偏差、偏差變化率和SOC為輸入設(shè)計(jì)FLC，通過模糊規(guī)則庫按需調(diào)整充放電策略，在沒有精確模型的情況下仍可確保調(diào)頻精度，同時可平衡儲能設(shè)備的壽命損耗。另外，在混合儲能場景中，可設(shè)計(jì)分層的FLC(上層+下層)，上層設(shè)計(jì)模糊規(guī)則并動態(tài)分配超級電容和電池功率比例，下層實(shí)現(xiàn)快速跟蹤緩解高頻充放電老化及增強(qiáng)抗擾能力。
數(shù)據(jù)驅(qū)動控制是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的特征和規(guī)律進(jìn)行決策的一種先進(jìn)控制策略，不需要對系統(tǒng)復(fù)雜的機(jī)理建模。在調(diào)頻中，數(shù)據(jù)驅(qū)動控制可以從歷史調(diào)頻數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，在線感知系統(tǒng)狀態(tài)并做出相應(yīng)的決策?；诔夒娙莸哪芰縿討B(tài)特性，數(shù)據(jù)驅(qū)動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對模糊控制規(guī)則庫進(jìn)行在線訓(xùn)練，利用頻率偏差、儲能設(shè)備SOC等參數(shù)實(shí)時調(diào)節(jié)控制器的輸出函數(shù)，使混合儲能在電網(wǎng)需要時能夠自適應(yīng)地調(diào)整其調(diào)頻功率，提升與電網(wǎng)需求相對應(yīng)的頻率支撐能力。借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化功率分配系數(shù)和減小儲能壽命損耗，分析風(fēng)電功率的變化，解析調(diào)頻功率的分配，進(jìn)而使超級電容負(fù)責(zé)高頻分量部分而電池負(fù)責(zé)低頻分量部分，并根據(jù)健康狀態(tài)評估反饋修正參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對短期響應(yīng)和長期穩(wěn)定的平衡。
2 超級電容容量配置方法
在超級電容調(diào)頻的應(yīng)用部署中，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化，需要對超級電容進(jìn)行恰當(dāng)?shù)娜萘颗渲?。目前對于超級電容的容量配置方法主要分為兩種：一種是基于部件特性、工程需求以及控制策略，通過一定規(guī)則配置容量的方法；另一種是基于優(yōu)化模型，通過優(yōu)化算法配置容量的方法。
對于通過一定規(guī)則配置容量的方法，其適用于大規(guī)模的工程應(yīng)用，計(jì)算效率較高。一方面，部件特性和工程需求是基于規(guī)則配置容量的方法需要考量的重要因素。例如，根據(jù)超級電容的成本、放電效率、備用容量與網(wǎng)側(cè)變換器的輸出功率限制，考慮負(fù)荷突增擾動下的調(diào)頻需求，對超級電容模組的串并聯(lián)數(shù)量進(jìn)行計(jì)算以實(shí)現(xiàn)容量的合理配置。與實(shí)際工程中的調(diào)頻需求相結(jié)合，考慮超級電容的耐壓、通流能力及其變換器的工程約束，通過一定的規(guī)則流程確定超級電容的容量，可實(shí)現(xiàn)工程可行性與經(jīng)濟(jì)成本的平衡。另一方面，基于規(guī)則配置容量的方法也可考慮控制策略的影響。例如，結(jié)合下垂控制和虛擬慣量控制兩種控制策略，以目標(biāo)頻率和目標(biāo)頻率變化率為依據(jù)可分別確定系統(tǒng)的下垂系數(shù)和慣量系數(shù)，并據(jù)此對超級電容的容量進(jìn)行配置。此外，基于虛擬慣量控制策略，可構(gòu)建包含超級電容投資成本的數(shù)學(xué)模型，并利用數(shù)值積分的方法量化瞬態(tài)能量需求，以確定超級電容的容量，在保證調(diào)頻性能的同時實(shí)現(xiàn)容量配置成本的優(yōu)化。
對于通過優(yōu)化算法配置容量的方法，其利用的優(yōu)化算法一般可以分為群智能算法和數(shù)學(xué)規(guī)劃算法。群智能優(yōu)化算法主要包括粒子群優(yōu)化算法和進(jìn)化算法等，可通過模擬自然界中生物個體的協(xié)同行為實(shí)現(xiàn)高維解空間的全局尋優(yōu)，適用于含多變量耦合的復(fù)雜系統(tǒng)模型。例如，在基于超級電容的混合儲能系統(tǒng)調(diào)頻背景下，以最大化儲能系統(tǒng)凈收益為目標(biāo)，并考慮儲能系統(tǒng)SOC的約束，利用粒子群算法可確定超級電容的最優(yōu)容量。此外，利用差分進(jìn)化算法結(jié)合模糊邏輯控制策略，以電網(wǎng)頻率偏差為約束，最小化超級電容的容量成本，可實(shí)現(xiàn)控制策略與容量配置的協(xié)同設(shè)計(jì)。另一方面，數(shù)學(xué)規(guī)劃算法主要包括混合整數(shù)優(yōu)化、線性優(yōu)化和非線性優(yōu)化等，在含確定性參數(shù)的大規(guī)模問題中展現(xiàn)出顯著計(jì)算效率優(yōu)勢，確保解的最優(yōu)性與收斂性。例如，首先結(jié)合系統(tǒng)的頻率響應(yīng)模型對調(diào)頻能力進(jìn)行量化，然后考慮波動平滑、調(diào)頻能力和投資成本，建立線性優(yōu)化模型以最小化超級電容的容量，并利用廣義Benders分解算法將優(yōu)化問題分解為多個子問題進(jìn)行迭代求解。此外，通過建立非線性優(yōu)化模型，采用兩級算法可對超級電容的容量進(jìn)行計(jì)算。具體來說，首先根據(jù)頻率動態(tài)模型對超級電容的容量進(jìn)行估算，然后將估算值作為區(qū)域縮減迭代算法的初始值，以進(jìn)一步計(jì)算所需超級電容的精確容量，可實(shí)現(xiàn)超級電容利用率的有效提升。
3 超級電容調(diào)頻工程案例
考慮合適的控制策略與容量配置方法，超級電容已逐漸成為電力系統(tǒng)調(diào)頻的關(guān)鍵技術(shù)。具體來說，通過考慮超級電容與電源、負(fù)荷的互動，將超級電容集成到原有電力系統(tǒng)中，不僅可以平衡能源之間的間歇性，還可以提供即時的能量支撐，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的可靠性。目前，超級電容輔助電力系統(tǒng)調(diào)頻已有大量工程案例，其中，已投運(yùn)、建設(shè)中以及投標(biāo)中的部分典型工程案例見表3。
表3 超級電容調(diào)頻項(xiàng)目
從地區(qū)分布看，超級電容調(diào)頻項(xiàng)目覆蓋范圍廣泛，廣東、河北、西藏、寧夏等十余省份均有分布。超級電容調(diào)頻技術(shù)也克服高海拔地區(qū)的限制，在西藏拉薩與日喀則兩地均有布局。此外，山東、福建為超級電容調(diào)頻項(xiàng)目集中區(qū)域，內(nèi)蒙古自治區(qū)也依托豐富的能源優(yōu)勢推動超級電容調(diào)頻項(xiàng)目加速發(fā)展。目前，全球首個全超級電容儲能調(diào)頻系統(tǒng)落地內(nèi)蒙古呼倫貝爾。從技術(shù)配置上來看，全超級電容儲能調(diào)頻系統(tǒng)較少，以“鋰電池+超級電容”這類混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)為主導(dǎo)模式。這是因?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)頻不僅需要快速吸收和釋放功率，還需要持續(xù)一定時間的能量支撐。而全超級電容儲能調(diào)頻系統(tǒng)在提供所需的峰值功率后，無法維持所需的調(diào)節(jié)時長，如果為了達(dá)到所需的持續(xù)調(diào)頻時間，則會導(dǎo)致調(diào)頻系統(tǒng)體積和經(jīng)濟(jì)成本的增加。對于混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)來說，系統(tǒng)中的超級電容側(cè)重短時高頻調(diào)頻，系統(tǒng)中的鋰電池承擔(dān)長時儲能，整個系統(tǒng)可兼顧鋰電池和超級電容兩者的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的快、準(zhǔn)、穩(wěn)，典型案例如山東萊州項(xiàng)目(244 MW/488 MWh鋰電池+4 MW/30 s超級電容)和甘肅嘉峪關(guān)項(xiàng)目(475 MW鋰電池+25 MW超級電容)。此外，超級電容搭配其他多元儲能技術(shù)也呈現(xiàn)一定趨勢，例如，寧夏銀川首次嘗試“鋰電池+鈉離子電池+超級電容”組合，浙江杭州引入“超級電容+飛輪”組合提升響應(yīng)速度?？梢灶A(yù)見，超級電容調(diào)頻技術(shù)正通過規(guī)模化應(yīng)用與創(chuàng)新融合，逐步成為電力系統(tǒng)靈活調(diào)頻的重要支撐。
3.1 全超級電容儲能調(diào)頻系統(tǒng)
如表3所示，受限于調(diào)頻需求與市場慣性，全超級電容儲能調(diào)頻系統(tǒng)的工程案例僅有兩個，包含一個已投運(yùn)項(xiàng)目(內(nèi)蒙古呼倫貝爾)和建設(shè)中項(xiàng)目(遼寧沈陽)。
以已投運(yùn)項(xiàng)目為例，目前全球容量最大的全超級電容儲能調(diào)頻系統(tǒng)于2025年2月28日在內(nèi)蒙古呼倫貝爾伊敏電廠一次性投產(chǎn)成功。伊敏電廠全超級電容儲能調(diào)頻系統(tǒng)突破了全超級電容儲能耦合火電機(jī)組調(diào)頻的關(guān)鍵技術(shù)，首次將組串式儲能變流器應(yīng)用于儲能調(diào)頻領(lǐng)域，與傳統(tǒng)物理服務(wù)器控制系統(tǒng)相比，超級電容充放電調(diào)節(jié)時間大幅縮短，響應(yīng)速度提升60%，有效消除了簇間環(huán)流，大幅提升了機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)精度。伊敏電廠作為東北電網(wǎng)首個火儲調(diào)頻項(xiàng)目，完全使用超級電容作為儲能調(diào)頻系統(tǒng)，對超級電容賦能新型電力系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義。
3.2 混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)
除作為獨(dú)立單元應(yīng)用于儲能調(diào)頻系統(tǒng)外，超級電容更常以混合儲能系統(tǒng)中的核心組件形式存在，其典型應(yīng)用模式為與鋰電池構(gòu)成混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)。此類系統(tǒng)能夠快速充放電并精準(zhǔn)調(diào)節(jié)輸出功率，調(diào)頻效果遠(yuǎn)好于常規(guī)發(fā)電機(jī)組。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電源側(cè)整合火電與可再生能源形成互補(bǔ)發(fā)電體系；儲能側(cè)通過混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)經(jīng)變換器實(shí)現(xiàn)能量雙向流動；控制系統(tǒng)涵蓋電廠遠(yuǎn)端、儲能就地控制及網(wǎng)調(diào)中心三級管理模塊，實(shí)現(xiàn)“源、網(wǎng)、荷、儲”協(xié)調(diào)控制，體現(xiàn)出混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)在新型電力系統(tǒng)中的協(xié)同調(diào)頻機(jī)制。
圖1 用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的混合儲能系統(tǒng)架構(gòu)
在新型電力系統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，我國的超級電容調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重大突破并形成示范引領(lǐng)效應(yīng)。2022年10月，三峽集團(tuán)烏蘭察布“源、網(wǎng)、荷、儲”試驗(yàn)基地率先完成混合儲能系統(tǒng)直流耦合接入方式的工程化驗(yàn)證，為多元儲能協(xié)同控制提供了技術(shù)范式。而真正標(biāo)志我國超級電容調(diào)頻技術(shù)進(jìn)入國際前列的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是福建福州羅源電廠大容量超級電容混合儲能調(diào)頻項(xiàng)目的成功投運(yùn)。該項(xiàng)目作為國內(nèi)首個大容量超級電容與鋰電池混合儲能調(diào)頻工程，創(chuàng)新性地構(gòu)建了能量型與功率型儲能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其技術(shù)方案有效解決了傳統(tǒng)調(diào)頻資源響應(yīng)滯后的問題，填補(bǔ)了大規(guī)模超級電容參與電網(wǎng)調(diào)頻的技術(shù)空白。以此為里程碑，全國范圍內(nèi)相繼涌現(xiàn)出多個超級電容調(diào)頻項(xiàng)目，為新型電力系統(tǒng)調(diào)頻開辟了新路徑。
以廣東珠海金灣電廠為例，2023年10月投運(yùn)的“鋰電池+超級電容”混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)展現(xiàn)了超級電容在火電調(diào)頻場景中的典型應(yīng)用模式。如圖2所示，該系統(tǒng)采用分布式接入架構(gòu)，將7.5 MW、7.5 MW、5 MW三組儲能模塊分別接入6 kV廠用電A/B/C三段母線，形成多層級協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)。金灣電廠運(yùn)行邏輯遵循“電網(wǎng)指令、聯(lián)合響應(yīng)、動態(tài)調(diào)節(jié)”的閉環(huán)機(jī)制，電網(wǎng)端調(diào)頻指令通過遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)傳輸至電廠分散控制系統(tǒng)，電廠分散控制系統(tǒng)同步將指令轉(zhuǎn)發(fā)至儲能控制系統(tǒng)。針對火電機(jī)組響應(yīng)滯后特性，儲能控制系統(tǒng)實(shí)時解析調(diào)頻指令與機(jī)組出力偏差，通過動態(tài)功率分配算法生成調(diào)節(jié)指令，使混合儲能系統(tǒng)快速補(bǔ)償功率差額。具體而言，當(dāng)需提升發(fā)電功率時，混合儲能系統(tǒng)經(jīng)高變放電輔助機(jī)組完成上調(diào)指令；反之則通過充電消納過剩功率，待機(jī)組出力穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)值后，儲能出力逐步退出，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)以響應(yīng)下一周期指令。
圖2 廣東珠?；旌蟽δ芟到y(tǒng)架構(gòu)
該混合儲能系統(tǒng)的調(diào)頻特性在2024年某日全時段調(diào)頻中標(biāo)統(tǒng)計(jì)中得到驗(yàn)證。結(jié)果顯示，當(dāng)日58.2%的調(diào)頻指令持續(xù)時長小于30秒，90%以上指令在3分鐘內(nèi)完成，凸顯短時高頻調(diào)節(jié)需求。此類工況下，超級電容憑借毫秒級響應(yīng)速度與高功率密度優(yōu)勢，成為平抑功率波動的核心單元，而鋰電池則保障中長時段能量支撐。這種“功率型+能量型”儲能協(xié)同模式，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)節(jié)速率不足的缺陷，體現(xiàn)了以超級電容作為核心組件的混合儲能系統(tǒng)在提升電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性方面的技術(shù)價(jià)值。
在技術(shù)創(chuàng)新方面，廣東珠海電廠基于超級電容與鋰電池的特性差異，采用“電容優(yōu)先”的分級響應(yīng)策略，構(gòu)建了精細(xì)化功率分配機(jī)制。具體而言，當(dāng)調(diào)頻指令與機(jī)組實(shí)發(fā)功率偏差處于4 MW閾值范圍內(nèi)時，系統(tǒng)優(yōu)先調(diào)用4 MW/0.67 MWh超級電容單元獨(dú)立響應(yīng)調(diào)頻需求；若功率偏差超出該閾值，則啟動16 MW/8 MWh鋰電池儲能進(jìn)行協(xié)同補(bǔ)償。如表4所示，某日全時段中標(biāo)調(diào)頻中，0～4 MW區(qū)間累計(jì)觸發(fā)286次(占比18.3%)，而4～20 MW區(qū)間達(dá)1141次(占比73%)。這一現(xiàn)象表明，在廣東電網(wǎng)輔助調(diào)頻市場機(jī)制下，火電機(jī)組需頻繁應(yīng)對低幅高頻調(diào)節(jié)需求。通過將小功率指令定向分配至超級電容，不僅充分發(fā)揮其毫秒級響應(yīng)與百萬次循環(huán)壽命優(yōu)勢，更有效規(guī)避鋰電池因頻繁淺充放導(dǎo)致的容量衰減問題，實(shí)現(xiàn)全壽命周期成本優(yōu)化。
表4 某日全時段中標(biāo)調(diào)頻指令功率統(tǒng)計(jì)
該技術(shù)創(chuàng)新的經(jīng)濟(jì)效益已在運(yùn)行實(shí)踐中得到驗(yàn)證。2023年10月至2024年4月間，項(xiàng)目累計(jì)收益突破3000萬元，月均收益達(dá)438萬元，較混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)投運(yùn)前平均K值提升2.76倍，收益增幅超40倍，按當(dāng)前收益模型測算，投資回收周期可縮短至1.5年。
進(jìn)一步地，以此技術(shù)配置為起點(diǎn)，混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)的應(yīng)用在2024年12月取得突破性進(jìn)展。山西晉中左權(quán)電廠投運(yùn)的“10 MW/6 min超級電容+10 MW/10 MWh鋰電池”混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)，成為全球首例10 MW級超級電容混合儲能系統(tǒng)輔助火電調(diào)頻工程。試運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，配套1、2號機(jī)組的綜合調(diào)頻性能提升逾100%，負(fù)荷響應(yīng)速率較改造前提高3倍，輔助服務(wù)市場中標(biāo)率增長65%。
如表3所示，仍有大量建設(shè)中、招標(biāo)中的超級電容輔助調(diào)頻項(xiàng)目即將落地。未來，超級電容輔助調(diào)頻技術(shù)不僅可通過快速響應(yīng)來提升調(diào)頻經(jīng)濟(jì)收益，還能增強(qiáng)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)靈活性，為新能源電網(wǎng)提供慣量支撐和動態(tài)調(diào)頻能力，對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要支撐作用。
4 結(jié)論與展望
本文概述了用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的超級電容儲能系統(tǒng)。首先，介紹了電力系統(tǒng)的調(diào)頻需求并分析了超級電容這一新型儲能技術(shù)在調(diào)頻應(yīng)用中的優(yōu)勢。其次，從經(jīng)典控制策略和先進(jìn)控制策略兩個方面整理了用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的超級電容儲能系統(tǒng)控制策略，并歸納了基于規(guī)則的和基于優(yōu)化的超級電容儲能系統(tǒng)容量配置方法。然后，梳理了用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的超級電容儲能系統(tǒng)工程案例，并對典型案例進(jìn)行了分析，揭示了超級電容儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)調(diào)頻方面的應(yīng)用價(jià)值。
雖然超級電容儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)調(diào)頻這一應(yīng)用場景中具有顯著優(yōu)勢和巨大潛力，但超級電容調(diào)頻技術(shù)仍存在諸多挑戰(zhàn)，有待進(jìn)一步研究和開發(fā)：
（1）經(jīng)典控制策略計(jì)算效率較高且工程應(yīng)用廣泛，但在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)化方面存在一定局限性。例如，經(jīng)典控制策略大多基于固定的規(guī)則和參數(shù)，難以準(zhǔn)確應(yīng)對系統(tǒng)的動態(tài)非線性協(xié)同調(diào)度需求，無法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)約束下的最優(yōu)控制。同時，經(jīng)典控制策略通常不考慮各電源的運(yùn)行成本差異，缺乏對市場機(jī)制或動態(tài)電價(jià)的響應(yīng)能力，導(dǎo)致資源利用效率較低、運(yùn)行成本較高，難以支撐現(xiàn)代電力系統(tǒng)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面的綜合優(yōu)化需求。先進(jìn)控制策略雖然在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)化方面表現(xiàn)出色，但其計(jì)算復(fù)雜性較高，難以在工程上大規(guī)模應(yīng)用。因此，仍需對超級電容調(diào)頻系統(tǒng)控制策略進(jìn)行深入研究，以兼顧技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)化和工程上的可用性。
（2）現(xiàn)有超級電容調(diào)頻系統(tǒng)的容量配置方法雖然在一定程度上提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和超級電容的利用率，但容量配置與控制策略的深度耦合仍需結(jié)合真實(shí)工況進(jìn)一步研究。
（3）現(xiàn)有工程案例已初步驗(yàn)證了超級電容調(diào)頻系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。然而，受限于其較高的投資成本和有限的實(shí)證規(guī)模，超級電容調(diào)頻系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性仍需全面評估。
