近日，中国电力企业联合会发布了电化学储能行业创新与应用典型案例，旨在进一步推动行业安全、高质量发展，总结、交流并推广成功经验与有益做法，发挥典型引领作用。以下为第十四个典型案例——“双电层超级电容的9MW/5MWh混合储能调频系统研究及应用”。

双电层超级电容的9MW/5MWh混合储能调频系统研究及应用

大唐鲁北发电有限责任公司

一、典型案例简介

采用“双电层超级电容+锂电池”混合储能方案，相对纯电池方案有反应速度更快、爬坡能力更强、调节速度更快的优点。本项目采用4MW/30S 超级电容+5MW/5MWh 磷酸铁锂电池混合储能联合火电机组调频，混合储能仅用于其中一台机组机组调频使用，当一台机组停运时，通过切换开关参与另一台机组调频。由于双电层超级电容储能是本征安全的，目前方案采用的双电层超级电容在储能调频中相对锂电池更加安全，热稳定性更好。另外混合储能算法优先使用超级电容储能，从而减少了恶劣工况对锂电池的冲击，减少了锂电池热失控的概率，从而提升了整体系统的安全性和可免维护性，也提升了整体系统的使用寿命，采用独特的火电机组的智能调频优化控制系统，解决了相关技术中采集后的原始参数不方便进行系统化的优化处理，同时原始数据在进入仿真模拟时容易造成数据参数丢失，不方便直观的看出两种处理后的差值大小，不便于进行细致化的调整的技术问题，优化火电机组的能源消耗，提高能源利用效率，使发电机组实现稳定可靠的电力供应，有助于提高火力电站的发电效率，降低电站运行成本。

二、解决方案

建设4MW/30S超级电容+5MW/5MWh锂电池，储能系统6kV段，分为A、B两段，每段2MW/30S+2.5MW/2.5MWh。储能系统6 kV A、B 段分别接入号1、号2机组6kV母线A、B段。可分别辅助号1、号2机组以2MW/30 S+2.5 MW/2.5MWh 同时参与调频，或单独任何一台机组单机以4MW/30S+5MW/5MWh参与调频，利用超级电容和电化学储能混合储能方式，尤其是混合储能响应速度快的特点配合火电机组做 AGC 调频，可有效缓解由于频繁 AGC 调节造成的火电机组设备疲劳和磨损，能够稳定机组出力，改善机组燃煤效率，提升机组的可用率及使用寿命，同时可获得调频补偿收益以及有效避免两个细则考核。

图1 一次系统连接图

图2 现场布置图

三、关键点与创新点

1.采用“双电层超级电容+锂电池”混合储能技术

采用“双电层超级电容+锂电池”混合储能方案，相对纯电池方案有反应速度更快、爬坡能力更强、调节速度更快的优点。本项目采用4MW/30S 超级电容+5MW/5MWh 磷酸铁锂电池混合储能联合火电机组调频，可分别辅助号1、号2机组以2MW/30S+2.5MW/2.5MWh 同时参与调频，或单独任何一台机组单机以4MW/30S+5MW/5MWh 参与调频。目前方案采用的双电层超级电容在储能调频中相对锂电池更加安全，热稳定性更好。另外混合储能算法优先使用超级电容储能，从而减少了恶劣工况对锂电池的冲击，减少了锂电池热失控的概率，从而提升了整体系统的安全性和可免维护性，也提升了整体系统的使用寿命。由于大量小容量频繁调频任务和对锂电池有害的恶劣工况优先由100万次循环寿命的超级电容承担，更加合理延长了电池寿命，4MW超级电容+5MW 锂电池方案更是提升整体储能系统的寿命一倍左右。本项目优先使用超级电容来承担调频指令响应，出力不足才用电池或机组跟上，而且要综合考虑调频性能、收益和电池储能系统寿命。能量管理模块会根据历史 AGC 数据并结合机组指标，电池系统参数，超容系统参数等信息，设定一个超容系统和电池系统的最佳能量水平。在实际调频运行过程中，储能系统的充电、放电活动会让实际的能量水平偏离最佳能量水平。能量管理模块会协调机组和储能系统，进行小功率的充电、放电活动，以减小能量偏移，尽量维持储能系统在最佳的能量水平。

2.火电机组的智能调频优化控制系统

采用独特的火电机组的智能调频优化控制系统，解决了相关技术中采集后的原始参数不方便进行系统化的优化处理，同时原始数据在进入仿真模拟时容易造成数据参数丢失，不方便直观的看出两种处理后的差值大小，不便于进行细致化的调整的技术问题。最终实现处理模组根据电网频率幅度差和火电机组的运行参数，计算出最优负荷补偿量实现更精确的负荷分配实现电网频率各项数据的优化控制，其次还通过增设有处理备份模组将处理后的各项数据进行及时存储，可有效地防止数据丢失，仿真模拟的过程中可以对处理后的数据和所需要的数据进行比对，更加清晰直观的看出数据之间的误差值。

图3 智能调频优化控制模型

3.火电机组的电站智能化控制系统及方法

采用火电机组的电站智能化控制系统及方法，将电站的蓄电池接入电网,检测到蓄电池的电量变化时，根据变化率评估电网需求,计算出电站的期望发电功率,再由期望发电功率计算火电机组锅炉的蒸汽气压;包括：舱室分离模块、品质监测模块、蒸汽输出模块和投料控制模块，电网反馈模块用于评估电网需求，计算锅炉气压，舱室分离模块用于回收尾气，并分离锅炉舱室，品质监测模块用于计算蒸汽输出函数和驱动蒸汽量，蒸气输出模块用于混合两个舱室的蒸汽，投料控制模块用于调节燃料的投料速度和舱室中蒸气的参数，能够优化火电机组的能源消耗，提高能源利用效率，使发电机组实现稳定可靠的电力供应，有助于提高火力电站的发电效率，降低电站运行成本。

4.超级电容 CMS 系统

储能电容管理系统（CMS）是连接超级电容与储能控制器（CMS/PCS）的纽带，CMS 实时采集、处理电容组运行过程中的重要信息，与储能控制器进行信息交互。系统采用电容总控单元（CAMS）、电容主控单元（CCMS）、电容信息监控单元（CMUS）三级架构体系管理电容，最优化储能电容效用；实时监控系统内各单体电容的电压、温度信息以及电容组的充/放电电流等参数。可以实现电压、电流、温度等多级报警与故障诊断、故障隔离、故障恢复等保护措施；系统可以提供最合理的充放电策略；同时通过以太网实时上传电容的所有信息；通过均衡控制提高电容的一致性，有效提高超级电容的使用效率和使用寿命。

CMS 采用三级架构，包括电容总控单元（CAMS），电容主控单元（CCMS），电容信息监测单元（CMUS），其总系统架构简图所示。CMUS 板处于控制系统的第三级，属于电容信息监控单元，其主要用于采集电容单体电压信息、电容温度信息、PCB 温度信息和极柱温度信息、均衡控制等。

四、实际成效

项目通过建设规模为4MW/30S超级电容+5MW/5MWh 锂电池混合储能调频电站，可分别辅助号1、号2机组以4.5MW/2.5MWh同时参与调频，或单独任何一台机组单机以9MW/5MWh参与调频。2024年4月23日储能系统正式投运，截至目前混合储能调频电站运行情况平稳，受运行人员手动限负荷时长及机组供汽量影响，调频综合性能指标Kp平均值为3.63左右（机组供汽量300t/h以下调频综合性能指标Kp平均值可达到3.84），Kp 最优值为4.081。

双电层超级电容实际运行中相较于传统储能技术优势显著。从功率密度来看，超级电容远高于电池等传统储能装置，能在短时间内提供或吸收大量电能，以应对调频指令的快速波动。当调频指令出现变化时，超级电容可迅速响应，瞬间输出或吸收大功率电能，帮助火电厂快速调整出力，使电网频率回归稳定。

超级电容的响应速度极快，可在毫秒级时间内完成充放电，而传统储能技术如抽水蓄能、电池储能等，响应时间往往需要数秒甚至更长时间。超级电容的这一特性，使其在火电厂调频中能够更精准地跟踪指令变化，提高调 频的控制精度。而且超级电容的循环寿命长，在频繁的充放电过程中性能衰减缓慢，可长期稳定运行，大大降低了火电厂的维护成本与更换频率。

双电层超级电容的应用，极大地提高了火电厂调频的响应速度和效率。超级电容的毫秒级响应速度，使得火电厂能够迅速响应电网调频指令。当调频指令出现波动时，超级电容可在极短时间内输出或吸收电能，帮助火电机组快速调整出力。这一速度远高于传统火电机组自身的调频响应速度，有效解决了火电机组调频响应慢的问题。超级电容的高功率密度特性，使其在调频过程中能够提供更大的功率支持，提高火电机组的调节速率。超级电容的精准充放电控制，进一步提升了调频的控制精度，使火电厂的调频效果更加理想。超级电容的加入，改善了机组调频响应特性，增强了电网的频率稳定性。在电网频率波动时，超级电容能够快速发挥作用，减少频率波动的幅度和持续时间，提高了电网的整体运行质量，为电网的安全稳定运行提供了有力保障。

将大量的火电机组从长期的AGC 调频任务中解放出来，稳定出力并提高负荷率将很好地改善机组燃煤效率，缓解由于频繁 AGC 调节造成的火电机组的设备疲劳和磨损，提升机组的可用率及使用寿命，进一步促进全社会的节能减排;提升电厂机组的 AGC 调频能力，提高经济效益。

五、经济效益及推广前景

将大量的火电机组从长期的AGC 调频任务中解放出来，稳定出力并提高负荷率将很好地改善机组燃煤效率，缓解由于频繁 AGC 调节造成的火电机组的设备疲劳和磨损，提升机组的可用率及使用寿命，进一步促进全社会的节能减排;提升电厂机组的 AGC 调频能力，提高经济效益。成果应用后机组的调节性能指标提高2倍实现增加AGC补偿电量，提高经济效益的目标。机组参与AGC调频里程由6782.45MW增加为9100MW,AGC综合性能指标提高1.5倍年中标率提升0.18%(66天)，年中标价格提升0.6元/天。综合年度收益较未建设调频电站前翻一倍。

六、团队介绍

本项目团队共5人组成专业互补、执行力强，深耕电力一线领域，成员均拥有多年行业实操经验，覆盖技术研发、项目执行等关键板块，团队秉持专业严谨、协同共赢的理念，形成了成熟的协作模式，精准攻克行业实操中的多项关键难题。以扎实的专业能力和高效的团队配合，为项目推进、价值创造提供坚实支撑。