儲能中國網獲悉，近日，中國電力企業聯合會發布了24個電化學儲能行業創新與應用典型案例，旨在進一步推動行業安全高質量發展，發掘總結并交流推廣成功經驗和有益做法，發揮典型引領作用。今天我們推出第二個典型案例——“金灣發電有限公司3、4號機組AGC混合儲能輔助調頻研究應用項目”。

　　金灣發電有限公司3、4號機組AGC混合儲能輔助調頻研究應用項目

　　廣東珠海金灣發電有限公司

　　一、項目簡介

　　廣東珠海金灣發電有限公司(以下簡稱金灣發電有限公司)混合儲能電站項目，由企業自主投資7380萬元，由南方電網公司承建。該項目是國家重點研發計劃“儲能與智能電網技術”的“高功率低成本規模超級電容器的基礎科學與前瞻技術研究”重點專項的落地成果，也是南方地區首個“鋰電池+超級電容器”火儲聯合調頻項目。項目于2023年4月正式開工，經過6個月建設和調試，于2023年10月2日順利投入試運行，于2023年11月1日正式投入商業運營。

　　金灣發電有限公司混合儲能電站采用的是16MW/8MWh磷酸鐵鋰+4MW/0.67MWh超級電容混合儲能系統。

　　項目創新性采用磷酸鐵鋰電池+超級電容器的混合儲能調頻解決方案，攻克了兆瓦級超級電容器系統集成、“鋰電池+超級電容器+機組”協同控制技術、基于補償度實時優化的混合儲能智慧調控技術等關鍵技術難題，首次應用基于數據后分析的智能化運維平臺，實現了AGC指令統計分析、鋰電池和超級電容器數據分析、安全風險分析及預警等多種功能，成功打造了一座先進儲能創新技術引領的高效率、高安全、智能化的儲能調頻電站。項目推動超級電容產品和關鍵材料的全面國產化和“超級電容器+”混合儲能協同控制技術推廣，帶動超級電容器產業鏈高質量發展。

　　二、解決方案

　　“雙碳”目標下，以新能源為主體的新型電力系統發電側和用電側供需雙端不平衡加劇，系統頻率穩定面臨巨大挑戰，迫切需要更多的靈活調頻資源來提升自身調節能力。新型儲能技術可發揮短時快速調節作用，是未來靈活調節資源的主力，短期內可實現與火電機組的有效互補。

　　超級電容器作為典型短時高頻儲能技術，較傳統火儲調頻用的磷酸鐵鋰電池有突出優點：功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、高低溫性能優越、安全、環保等，這些優點與儲能輔助調頻工況十分契合。

　　本項目以關鍵材料國產化和系統規模應用為突破口，開發出低成本、高比能量混合型超級電容器新體系，研制出滿足短時高頻儲能工況需求的器件及系統，發揮超級電容器的高功率響應特性，開拓與其性能相匹配的應用場景與商業模式。

　　項目依托國家重點研發計劃、南方電網公司和廣東省能源集團重點科技項目等，歷經8年產學研用聯合攻關，突破高比功率、高比能量超級電容材料與器件關鍵技術，形成滿足多場景應用需求的大容量超級電容儲能系統集成能力，首次實現兆瓦級超級電容混合儲能調頻系統工程應用，建成全球最大容量兆瓦級超級電容儲能調頻系統，首次將長壽命、高安全的超級電容儲能技術應用于電力調頻領域。

　　圖1 項目整體技術路線

　　雙高型超級電容器集成技術與規模化裝備

　　項目率先應用了國家重點研發計劃研發的比能量大于80Wh/kg、比功率大于10kW/kg、壽命50000次的低成本混合型超級電容器。提出了超級電容儲能單元高效熱管理方法。針對超級電容散熱設計難的問題，建立了超級電容儲能“流-熱”耦合模型，通過分溫區、分空間冷媒均衡控制，形成了基于流場調控的熱均一性設計方法，超級電容簇間最大溫差5℃以內。

　　建立了簇級能量精細化管控架構。針對超級電容系統能量效率低的難題，提出基于區域分割技術的超級電容簇分區管控策略，降低了環流及直流側故障的影響范圍，形成了滿足多場景應用需求的“一簇一管理”能量管控架構與控制方法，實現了超級電容狀態差異抑制及功率精細化分配，能量效率達到92%。

　　圖2 超級電容器集成技術與規模化裝備

　　基于數據后分析的混合儲能系統智能運維系統

　　開發了儲能裝備狀態精準辨識技術。針對鋰電、超級電容狀態精準辨識難的問題，建立了基于老化特性曲線的超級電容壽命預測模型，開發了儲能管理系統海量數據百毫秒級采集、存儲與分析技術，構建了健康管理標準化數據庫與狀態監測平臺，實現了對超級電容和鋰電池儲能裝備狀態的精準辨識。項目在金灣發電有限公司AGC混合儲能輔助調頻項目中搭建AGC混合儲能電站數據分析系統，實現了對儲能電站中鋰離子電池、超級電容器的充放電能力、充放電狀態、最值分析、電壓一致性、溫度均衡、實時趨勢、告警分析、故障分析、電芯質量告警等各狀態的實時監控、分析和實時展現。項目還對混合儲能系統的AGC響應的各項數據進行了統計分析，包括AGC時長、指令大小、調頻里程、鋰電池和超級電容器的充放電量等，為整個項目的EMS控制策略調整優化、儲能電站智能化運維提供了寶貴的數據支撐。

　　圖3 數字化系統總體架構

　　“鋰電池+超級電容器+機組”混合儲能協同控制策略

　　研發了超級電容儲能系統與火電機組耦合調頻技術。對于超級電容難與機組協同控制的問題，提出了基于超級電容系統優先的超級電容混合儲能系統與火電機組深度耦合協同調頻控制策略。超級電容系統與鋰電池系統異步動作，當功率指令不大于超級電容系統額定功率時將全部由超級電容系統承擔，當功率指令大于超級電容系統額定功率后超出部分由鋰電池系統承擔。該設計的基本邏輯是由超級電容系統承擔較小且頻繁的功率指令，鋰電池系統在功率較大時或超級電容系統無法動作(充滿/放空)時作為儲備功率源。該設計發揮了超級電容系統的高倍率特性及鋰電池系統的大容量特性，使儲能電站能在更長的時間內具備滿功率運行的條件，提高了儲能電站運行效率。機組調頻性能提升2倍以上，形成了超級電容儲能耦合火電機組調頻技術及超級電容器+鋰電池獨立儲能混合調頻技術。

　　圖4 混合儲能協同控制策略

　　三、關鍵點與創新點

　　(1)混合儲能出力策略研究。基于機組、鋰電池系統和超級電容系統的各自出力和壽命特性，研究“鋰電池+超級電容器+機組”協同控制策略，實現K值和儲能系統壽命之間的最優化。金灣發電有限公司混合儲能電站現行的EMS運行策略為超級電容系統優先模式，即功率指令優先由超級電容系統響應功率，當功率需求超過超級電容系統額定功率后多余的功率分配給鋰電池系統，該設計的基本邏輯是由超級電容系統承擔較小且頻繁的功率指令，鋰電池系統在功率較大時或超級電容系統無法動作(充滿/放空)時作為儲備功率源。該設計發揮了超級電容系統的高倍率特性以及鋰電池系統的大容量特性，使儲能電站能在更長的時間內具備滿功率運行的條件，提高了儲能電站運行效率。

　　(2)基于數據后分析的混合儲能智能運維系統。設計基于實時運維數據和電池狀態耦合的全壽命周期數據管控與智能分析模塊與算法，實現基于數據后分析的智能運維。數據分析系統主要展示全站額定功率、全站額定容量、最大充放電功率、最大充放電容量、各個電池艙充放電效率排名以及百分比、各艙實時功率排名以及百分比、預計完成充電放電時間、累計充放電量、當前可充放電量、電站剩余電量百分比、高溫設備占比、全站實時電池最高溫度、全站實時電池最高溫度所在位置(具體到單體電芯)、全站實時電池平均溫度、全站實時電池最低溫度、全站實時電池最低溫度所在位置(具體到單體電芯)、全站實時電池最高電壓、全站實時電池最高電壓所在位置(具體到單體電芯)、全站實時電池平均電壓、全站實時電池最低電壓、全站實時電池最低電壓所在位置(具體到單體電芯)等信息。

　　圖5 混合儲能系統智能運維系統

　　(3)超級電容器并網測試技術。完成了DL/T 2581—2022《參與輔助調頻的電源側電化學儲能系統調試導則》的編制和發布，該標準的推廣將有助于推進電廠側儲能系統規范、合格并網，增強電網靈活性、安全性和可靠性。針對分鐘級的短時高頻儲能的并網測試方法研究，包括電網適應性、低電壓穿越、高電壓穿越、電能質量、充放電響應時間、充放電調節時間、充放電轉換時間、功率控制、過載能力、額定能量、額定功率能量轉換效率、通信異常和防孤島測試等。項目組依托在儲能系統、發電機組、機組儲能協同控制等方面的研究基礎和技術積淀，總結和參考現有國家行業標準以及電網電廠管理規定，總結出一套完整的火電廠儲能輔助調頻系統現場試驗方法，具體包括儲能系統并網性能試驗方案、發電側儲能系統一次調頻試驗方案和發電側火儲聯合調頻AGC試驗方案等，首次實現超級電容器系統的并網測試，實現了火電廠儲能系統規范、合格并網，保障電力系統安全經濟運行。

　　(4)基于鋰離子電池和超級電容器的性能特點，開展火電廠混合儲能輔助調頻系統工程應用，開展儲能系統安全性和運行效果評價分析，并進行工程應用推廣。儲能項目共配置16MW/8MWh磷酸鐵鋰+4MW/0.67MWh超級電容混合儲能系統，采用集裝箱形式，共配置20個集裝箱，分別為7個鋰電池集裝箱(其中6個電池集裝箱設計容量1.25MWh、1個電池集裝箱設計容量0.63MWh)和1個超級電容電池集裝箱(額定容量為4MW/0.67MWh)、9個升壓集裝箱、1個高壓集裝箱、1個站用變壓器及高壓集裝箱、1個二次監控集裝箱。

　　四、實際成效

　　有助于推動超級電容產業鏈發展全面轉型升級。項目成果經多位院士鑒定，達到國際領先水平。項目開辟了超級電容儲能調頻技術路線及可推廣的商業模式，成果全面應用于金灣電廠等兆瓦級超級電容儲能調頻項目，實現了超級電容全產業鏈自主可控，助力提升我國新型電力系統穩定性及儲能裝備研發制造水平。

　　推動了高功率高能量特性超級電容技術的發展。團隊通過在關鍵材料、核心工藝、結構設計等方面的技術創新，顯著提高了超級電容器能量密度，大幅度提高單體器件性能，開創了超級電容器在電力調頻領域的應用模式，對發展高安全智能電網、改變傳統發電和儲能方式，滿足國家對于短時儲能技術的戰略重大需求具有重要意義。

　　增強了電力系統運行安全穩定性。相關技術應用推廣，促進了超級電容在火電廠儲能輔助調頻和儲能獨立調頻模式的推廣應用，充分驗證了大容量超級電容儲能技術的安全性、可靠性、經濟性，填補了我國超級電容儲能領域的技術空白。進一步提升了電力系統靈活性，對于促進可再生能源消納，保障電網安全、經濟運行具有十分重要的意義。

　　五、經濟效益及推廣前景

　　項目自2023年10月2日進入30天的試運行，2023年11月1日正式進入商業運行。截至2024年9月30日，金灣發電有限公司儲能調頻系統共投運363天，平均K值為1.41，調頻里程累計收益5565萬元，平均月收入約463.75萬元。2022年10月至2023年9月，平均K值為0.55，調頻里程累計收益僅109.16萬元。對比項目投產前后一年數據，平均K值提升1.56倍，調頻里程年收益總體提升50倍。扣除運營成本，項目投資靜態回收期僅為2年。

　　首先，項目實施后，由于儲能系統具備優異的調頻性能，將幫助燃煤機組更好地參與AGC調頻市場，可以減少機組煤耗和快速動作引起的部件老化。

　　其次，項目成果應用有效提升了區域火電機組靈活性調節能力，有效緩解了大量新能源接入電網帶來的頻率波動影響，增強了廣東電力系統運行安全穩定性。

　　再次，項目創新性地采用了“超級電容器+”混合儲能技術，實施過程中項目團隊攻克了兆瓦級超級電容系統集成、“鋰電池+超級電容器+機組”協同控制、現場并網試驗等技術難題，形成了自主知識產權的“超級電容器+”混合儲能解決方案，推動超級電容產品和關鍵材料的全面國產化和“超級電容器+”混合儲能協同控制技術推廣，帶動超級電容器產業鏈高質量發展。

　　六、團隊介紹

　　團隊成員包括以金灣發電有限公司首席工程師為首的專業技術骨干、廣東電力發展股份有限公司的研究員及南方電網公司的高級技術專家。