锂电池-超级电容混合储能系统配置方案及经济性分析.pdf

截至 2021 年底，全球已投运电力储能项目累计装机规模 209.4GW，同比增长 9%。其中，抽水蓄能的累计装机占比首次低于 90%，比去年同期下降 4.1 个百分点；新型储能的累计装机规模紧随其后，为 25.4GW，同比增长 67.7%，其中，锂离子电池占据绝对主导地位，市场份额超过 90%。在现有储能技术中，抽水蓄能和压缩空气储能可实现大功率、大容量电能储存，但是对建站选址要求较高，随之对建设场址要求灵活的电化学储能技术应市场需求而产生。当前电池储能技术众多、技术性能迥异，即使是同一种储能技术在不同应用领域中也有一定差异，实际工程中需根据不同的应用情景要求，综合比较选择适宜的储能技术。电网侧储能系统，主要功能包括削峰填谷、调压等辅助服务。接入电网侧大规模储能对储能系统有其特殊要求：（1）循环寿命长。储能电池的循环寿命对于系统的可靠运行有重要影响。储能电池循环寿命长可减少电池的更换，对于节约投资建设成本、提高系统经济性意义重大。电池储能系统要求使用寿命能够达到 10 15 年，在放电深度为 80%时，循环寿命在 5000 次以上。（2）响应速度快。电池储能系统间歇性运行要求系统有较好的启动特性，储能电池在充放电状态之间转换频繁，要求电池具有较快的响应速度。（3）充放电效率高。提高储能系统在存储过程中能量转化率将有助于提高系统整体效率，进而影响系统的单位瓦时造价成本。（4）安全性好。由于电网的特殊性，运行安全作为电网运行需要考虑的首要问题，安全性不高的设备不能进入电网。储能系统的目的就是保证电锂电池-超级电容混合储能系统配置方案及经济性分析赵振兴龙源（北京）太阳能技术有限公司，北京100032摘要：超级电容储能功率密度大，充放电响应速度快，循环寿命长，能够辅助电池储能平抑风电波动中的高频分量，延长电池的使用寿命。研究通过理论仿真证明了在处理波动功率场合，电池-超级电容混合储能相对单电池能够提供更高的峰值功率，实现更好的平抑效果，同时超级电容的引入能够降低电池工作电流、减小电池内阻损耗从而延长电池寿命；另一方面混合储能系统的综合度电储存成本显著降低。关键词：锂电池；超级电容；混合储能；度电成本正文.indd 382023-5-13 16:26:4839力系统安全、高效、稳定运行。（5）成本适中。成本是储能电池选择的重要参考依据，是储能系统能否大规模推广应用的决定因素。配置灵活，安装建设便捷。储能系统应配置灵活、可扩容性好等。锂离子电池国内技术成熟，厂家众多，可以满足本工程应用条件和应用目的。现阶段，主流的锂电池储能技术有三种：磷酸铁锂电池、三元锂电池和钛酸锂电池。现对三种锂电池技术性能进行分析对比如表 1 所示。在进行储能电池的技术性能分析时，重点考量各储能电池的能量密度、充放电倍率、效率、温度适应性、运行可靠性以及电池运行寿命特征等几大因素。表 1三种锂电池技术性能对比电池类型钛酸锂电池三元锂电池磷酸铁锂电池能量密度70 95Wh/kg150200Wh/kg100120Wh/kg充放电倍率/最大10C3C2C效率98%97%96%温度适应性-50 65-25 50-20 55循环寿命10000 次3000 次4000 次热稳定性高低中安全性高低中技术成熟度低中高电池价格4500 元/kWh2400 元/kWh2000 元/kWh从表 1 可知，在能量密度方面：三元锂电池最高、磷酸铁锂电池次之，钛酸锂电池最低；在充放电倍率方面：钛酸锂电池快充快放能力强，充放电倍率高，目前钛酸锂电池充放电倍率可达 10C 甚至20C；在温度适应性方面：钛酸锂电池耐宽温性能好，尤其是耐低温特性突出，而其他锂电池在温度低于-20时，能量开始衰减，在严寒天气下无法正常工作；在安全性方面：钛酸锂电池的电势比其他金属锂电池电势高，不易产生锂枝晶，而且电解液不易发生分解，电池安全性能最好；在循环寿命方面：钛酸锂电池 100%DOD 循环次数可达 10000次，高于其他锂电池，此外钛酸锂电池过充能力强；在技术成熟度方面：国内磷酸铁锂电池厂家众多，技术成熟、三元锂电池在国外的日韩等国应用较为广泛，国内从事三元锂电池开发的主要厂商目前主要是阳光三星储能电源有限公司，国内从事钛酸锂电池开发的主要厂商目前只有珠海银隆新能源有限公司，其产品主要应用于汽车动力电池领域，还未应用于储能领域；在价格上：钛酸锂电池价格最高，三元锂次之，磷酸铁锂电池最低。依上所述，综合权衡储能电池使用寿命、工程业绩、技术先进性和成熟度、环保及环境友好型，安全等指标，本方案现阶段推荐采用磷酸铁锂电池。从储能系统的经济角度出发，磷酸铁锂电池度电消纳成本在 0.125 元/kWh，加上发电、逆变器、土建及设施运营成本后，综合发电成本与电网购电价 0.261 元/kWh 相差较小。综合发电成本中，磷酸铁锂电池的度电消纳成本占比最高，寻找一种度电消纳成本更低的储能介质可以有效降低综合发电成本。超级电容是较为成熟的电磁储能方案，具有功率大、循环次数高、充放电效率高的优点。超级电容储能系统初始投资较大，但其度电储存成本较低，仅为 0.1 0.2 元/kWh。将锂电池和超级电容相结合的混合储能技术能兼顾两者的特点，取长补短，为平抑风电功率波动提供了一种新的思路。表 2 为锂电池及超级电容储能相关参数。表 2锂电池及超级电容储能相关参数储能介质度电价格（万元）循环次数（万次）单次循环成本（元）锂电池0.20.40.5超级电容101000.11混合储能系统优势从技术角度出发，锂电池-超级电容混合储能系统中电池储能的能量密度大，工作时间长，可以很好地承担风电波动中主要低频分量的平抑工作，而超级电容储能功率密度大，充放电响应速度快，循环寿命长，能够辅助电池储能平抑风电波动中的高频分量，延长电池的使用寿命，充分发挥两种储能技术的技术经济优势。研究通过理论仿真证明了在处理波动功率场合，电池-超级电容混合储能相正文.indd 392023-5-13 16:26:4840经验共享 Experience Sharing对单电池能够提供更高的峰值功率，实现更好的平抑效果，同时超级电容的引入能够降低电池工作电流、减小电池内阻损耗从而延长电池寿命；另一方面混合储能系统的综合度电储存成本显著降低。2混合储能系统实施方案2.1系统结构混合储能系统结构如图 1 所示，共交流母线拓扑中，电池和超级电容分别通过相互独立的 DC/DC 变换器连接到储能系统的直流母线中。直流母线通过逆变器及变压器连接到交流母线。新能源发电设备通过逆变器及变压器连接到交流母线。这种连接方式可以充分发挥大规模储能的优势，对风电厂并网功率进行整体平抑。2混合储能系统内部结构如图 2 所示，储能系统SCADA 监控管理终端与新能源电厂的升压站远动相连，与其实现接受功率调节指令、实现信息交换。充放电系统通过断路器及变压器与 35kV 交流母线相连。超级电容及锂电池功率分配变换器实现两种介质间的功率分配，超级电容及锂电池功率充放电控制器匹配电压控制储能介质充放电状态，超级电容及锂电池管理系统负责均衡储能单体间电压差、提高储能介质寿命。ACDCDCACACDCDCACACDC风机DCAC锂电池DCDC超级电容DCDCACDC电网交流母线储能系统逆变器锂电池充放电控制器超级电容充放电控制器风机并网逆变器风机风机直流母线图 1共交流母线的混合储能系统系统结构2.2混合储能系统能量分配方法混合储能系统中新加入的超级电容部分主要针对新能源电厂的波动抑制方面，其容量较低，在一次调频、二次调频及削峰填谷中起到的作用较小。本报告以风电厂为例，给出两种储能介质的能量分配方法。在设计分配方式时，希望尽量利用超级电容处理能量，以降低混合储能系统的度电充放成本；另一方面，为了降低初始投资成本，需要用锂电池满足国家对储能系统总容量的要求。按照这一原则、考虑储能介质荷电状态及电网对风电厂并网有功功率的要求，初步设计了如下的并网控制策略：涉及的物理量定义如下：Pwind：风机发电功率PAC：并网功率，发电为正PAC_min_10min：10min 内并网电量最小值PAC_max_10min：10min 内并网电量最大值PAC_ref：并网功率参考值PB：锂电池最大充放功率，以吸收能量为正PSC：超级电容最大充放功率，以吸收能量为正PB_real：锂电池真实充放功率，以吸收能量为正PSC_real：超级电容真实充放功率，以吸收能量为正PB_ref：锂电池充放功率参考值，以吸收能量为正正文.indd 402023-5-13 16:26:4841DCDCACDC35kV交流母线储能系统并网变压器超级电容充放电控制器断路器DCDCACDC锂电池充放电控制器断路器超级电容阵列锂电池阵列超级电容功率分配变换器超级电容管理系统锂电池管理系统锂电池功率分配变换器通信总线储能系统SCADA监控管理终端电网调度中心升压站远动图 2混合储能系统结构示意图PSC_ref：超级电容充放功率参考值，以吸收能量为正PB_SOC：处理锂电池 SOC 问题导致的功率，以吸收能量为正PSC_SOC：处理超级电容 SOC 问题导致的功率，以吸收能量为正WB：锂电池容量WSC：超级电容容量SOCB：锂电池充放电状态SOCSC：超级电容充放电状态：充放电效率首先处理电网对 1min 内有功波动的要求：当 Pwind（PAC_ref-1.5，PAC_ref+1.5）PAC_ref，储能系统不主动平抑输出 （1）当 Pwind（PAC_ref-1.5，PAC_ref+1.5）PAC_ref，储能系统主动平抑输出，平抑功能主要由超级电容实现，当超级电容达到 SOC 上下限时，锂电池投入工作。当风机输出功率不足时，即 （2）此时若超级电容 SOC 在工作范围内，则超级电容处理波动 （3）若超级电容 SOC 在工作范围外，则锂电池处理波动为 （4）当风机输出功率过大时，得到 （5）此时若当超级电容 SOC 在工作范围内，则超级电容处理波动为 （6）若超级电容 SOC 在工作范围外，则锂电池处理波动为 （7）考虑 SOC 影响，每分钟处理一次超级电容的SOC 状态。（8）在此基础上，判断发电量是否满足 10min 有功波动的要求：当 Pwind（Pwind_max_10-5，Pwind_min_10+5），系统不需额外动作，依照上述规则。当 Pwind（Pwind_max_10-5，Pwind_min_10+5），系 统需要调整发电指标为 （9）若 Pwind Pwind_max_10-5，即此时风机输出较小，需要储能系统释放能量为 （10）当 Pwind Pwind_min_10+5，即此时风机输出较大，需要储能系统吸收能量为正文.indd 412023-5-13 16:26:4942经验共享 Experience Sharing （11）同样，超级电容能量不足时由锂电池来消纳能量。考虑 SOC 影响，每 1min 处理一次超级电容的SOC 状态。（12）在此基础上考虑锂电池 SOC，每 30min 动作一次，即 （13）3混合储能系统经济性分析为了证明混合储能系统在经济上的可行性，报告利用某电厂一 2MW 风电机组的秒级发电数据进行了数据实验，验证抑制效果、计算储能成本。利用了采集到的单台风电机组七天内的秒级发电数据做了初步研究，结果如表 3 所示。其中，根据国家要求，锂电池容量为 800kWh。图 3 为控制方法示意图。风电场实时发电量是否满足波动要求是是否超级电容能否消纳否锂电池储能系统消纳超级电容储能系统消纳并网发电图 3控制方法示意图表 3混合储能系统仿真结果超级电容容量（kWh）超级电容处理电量（kWh）锂电池处理电量（kWh）锂电池七天总循环次数（次）平均度电消纳成本（元）0042032.630.279155036532.280.249289533082.070.2313114430591.910.2174131928841.800.2075145127521.720.2016154426591.660.1957162825751.610.1918167625271.580.1889170524981.560.18610171724861.550.186随着超级电容容量增大，超级电容处理电量增大、锂电池处理电量降低、锂电池七天总循环次数降低、平均度电储存成本降低、系统初始投资增大。当超级电容容量为 5kWh 时，平均度电消纳成本下降开始趋于缓慢，因此针对 1 台 2MW 的风电机组配置 5kWh 超级电容较为合适，度电消纳成本可以降低 1/3。4混合储能系统预期效果本数据分析建立在某 2MW 风机 SCADA 系统提供的秒级功率数据基础上。（1）针对新能源的输出功率波动抑制功能，当锂电池与超级电容容量比为 160:1 时（锂电池 800度、超级电容 5kWh），达到度电储存成本及初期投入成本相对最优解。（2）在超级电容达到寿命时，锂电池消耗 2.4组，根据能量配比计算，若无超级电容，则锂电池应消耗 3.6 组。按照锂电池度电成本 2000 元、超级电容度电成本 100000 元计算。初始投资成本分别为 434 万元及 576 万元，即加入超级电容后的度电储存成本降低 24.6%，锂电池寿命延长1/6。（下转 37 页）正文.indd 422023-5-13 16:26:4937Reflection and Discussion on Differentiated Maintenance of Wind TurbinesTIAN Zhiqiang,TIAN Dongdong,ZHENG Shuo,YANG Xinghe(Liaoning Longyuan New Energy Development Co.,Ltd.,Shenyang 110013,China)Abstract:This paper first introduces the current situation of wind power development,expounds the definition of differentiation,through the example analysis of the difference generated in the process of wind turbine operation,and feedback the current maintenance of some problems in the process,finally put forward the wind turbine differentiation maintenance methods and the differentiation of maintenance thinking.In order to minimize the number of shutdowns and time,ensure the utilization of wind turbines,to ensure the economic benefits of wind farms.Keywords:wind turbine;differentiation;equipment management;analysis of data（3）按照单组锂电池寿命周期计算初期投入成本（此时超级电容仍能继续使用），则初期投入成本增加 31.3%，见表 4。表 4计算所需数据储能介质度电价格（万元）循环次数（万次）度电单次循环成本（元）锂电池0.20.250.8超级电容101000.1根据以上分析结果，若超级电容容量足以单独参与调频及削峰填谷应用中，则度电单次循环成本应接近 0.1 元，具有较大盈利空间。参考文献1 中关村储能产业技术联盟（CNESA）2022 年储能产业研究白皮书.2 吴杰平抑风电波动的混合储能系统控制策略及容量优化配置研究、合肥工业大学博士学位论文，2019：10.赵振兴（1983），男，主要从事分布式光伏项目及综合能源系统等领域的技术研究和咨询设计工作。E-mail：Configuration Scheme and Economic Analysis of Lithium Battery-supercapacitor Hybrid Energy Storage SystemZHAO ZhenxingLongyuan(Beijing)Solar Energy Technology Co.,Ltd.,Beijing 100032,ChinaAbstract:Supercapacitors have high energy storage power density,fast charge-discharge response speed,and long cycle life,which can help the battery to store energy and suppress high-frequency components in wind power fluctuations,and extend the service life of the battery.The research proved through theoretical simulation that in the case of dealing with fluctuating power,the battery-supercapacitor hybrid energy storage can provide higher peak power and achieve better flattening effect than the single battery.At the same time,the introduction of supercapacitor can reduce the working current of the battery,reduce the internal resistance loss of the battery and prolong the battery life;On the other hand,the comprehensive energy storage cost of hybrid energy storage system is significantly reduced.Keywords:lithium battery,supercapacitor,hybrid energy storage,kilowatt-hour cost（上接 42 页）正文.indd 372023-5-13 16:26:48