中國儲能網(wǎng)訊：新能源參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻時需要解決能量來源問題，配置儲能是一種有效的方式。在實際應(yīng)用中儲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)所提出的儲能系統(tǒng)配置方案通常對運(yùn)行場景的分析較多，對各類工程約束和儲能的實際成本數(shù)據(jù)則考慮較少?；趦δ艿膶嶋H成本數(shù)據(jù)，在充分考慮儲能系統(tǒng)物理特性及工程設(shè)計約束的情況下，對新能源一次調(diào)頻應(yīng)用場景下儲能系統(tǒng)分布式接入場站的經(jīng)濟(jì)性展開了研究。分析了鋰電池、飛輪和超級電容3類儲能系統(tǒng)的技術(shù)特點和設(shè)計約束，在此基礎(chǔ)上提出了3類儲能用于一次調(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)定及試驗導(dǎo)則》，當(dāng)系統(tǒng)頻率低于額定頻率時，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，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)時間通常為1 min以內(nèi)。
根據(jù)一次調(diào)頻的典型持續(xù)時間和輸出功率可以對儲能系統(tǒng)的功率容量及能量容量進(jìn)行估算。儲能系統(tǒng)的配置應(yīng)考慮工程實際中可能出現(xiàn)的最惡劣工況，即新能源完全無法提供功率支撐。儲能的功率容量按照新能源額定容量的10%考慮，持續(xù)時間應(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，所以儲能的功率容量為100 kW~1 MW，單次調(diào)頻的持續(xù)時間應(yīng)能達(dá)到分鐘級，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景，對能量也有一定的需求。參與新能源機(jī)組一次調(diào)頻的儲能系統(tǒng)在具備大功率充放電能力的同時也需要兼顧一定的能量存儲能力。
儲能的種類眾多，技術(shù)特性各異。配置儲能輔助新能源調(diào)頻首先需要明確可用的儲能類型。根據(jù)功率等級范圍和額定功率下持續(xù)工作時間，可以對儲能的使用場景進(jìn)行劃分。圖1展示了各類儲能技術(shù)適用的功率范圍和額定功率下的持續(xù)工作時間。由圖1可知，在現(xiàn)有的儲能技術(shù)路線中，鋰電池、飛輪和超級電容3種儲能的功率范圍及額定功率放電時間分別與一次調(diào)頻所需的功率容量及時間尺度高度契合，較為適合輔助分布式接入新能源調(diào)頻的應(yīng)用場景。
圖1 不同類型儲能技術(shù)適用的功率范圍和額定功率下的工作時間
Fig.1 Applicable power range and operating time at rated power of different types of energy storage technologies
1.2 儲能系統(tǒng)功率容量需求分析
1.3 儲能系統(tǒng)能量容量需求分析
02 不同類型儲能特性分析
本章分別針對鋰電池、飛輪和超級電容3種儲能類型，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、壽命特性幾個方面進(jìn)行分析比較。
2.1 鋰電池儲能系統(tǒng)
2.1.1 鋰電池儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性
相對于其他類型而言，鋰電池在比功率/比能量大、無記憶效應(yīng)、環(huán)境友好性等方面具有明顯優(yōu)勢，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。在鋰電池儲能系統(tǒng)中，電池簇經(jīng)由PCS接入電網(wǎng)。典型的鋰電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。由于電池僅須經(jīng)過一級電能變換即可實現(xiàn)并網(wǎng)，所以鋰電池儲能系統(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)。實際應(yīng)用中的鋰電池是由多個電池簇按照功率和電壓等級進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成的，而電池簇的內(nèi)部也由多個電芯串并聯(lián)構(gòu)成。鋰電池儲能系統(tǒng)在容量設(shè)計方面具有2個層面的自由度。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)計其串并聯(lián)數(shù)。正是因為具有高度模塊化的結(jié)構(gòu)，鋰電池儲能系統(tǒng)的容量設(shè)計相對靈活，易于適配各種功率等級的新能源機(jī)組，進(jìn)行容量定制化設(shè)計的成本亦較低。
2.1.2 鋰電池儲能系統(tǒng)的電氣特性
鋰電池?fù)碛衅脚_電位，在平臺區(qū)域內(nèi)充放電時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，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。對于一個額定電流為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，而對應(yīng)的，其持續(xù)放電時間將縮短為1/k小時。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??；诟弑堵孰姵氐膬δ芟到y(tǒng)設(shè)計方案可以使電能在調(diào)頻期間迅速釋放，從而有效精簡系統(tǒng)的總?cè)萘?。但是由于高倍率電池的單價較高、壽命較短，所以實際的建設(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 鋰電池儲能系統(tǒng)的壽命特性
鋰電池的壽命增長較快，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)品可實現(xiàn)超過1萬次循環(huán)充放電，多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品可實現(xiàn)5 000次循環(huán)充放電。在實際應(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。由于一次調(diào)頻儲能電池的容量裕度通常較大、工作時不會達(dá)到滿充滿放的狀態(tài)，所以現(xiàn)有用于一次調(diào)頻的磷酸鐵鋰儲能電池服役年限通常能夠超過8年。隨著材料制備工藝和電極合成方法的改進(jìn)和突破，未來鋰電池的壽命可以進(jìn)一步提升。
2.2 飛輪儲能系統(tǒng)
2.2.1 飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性
飛輪儲能系統(tǒng)主要由飛輪、電機(jī)本體、變流器、制動斬波器、真空系統(tǒng)、輔助監(jiān)測系統(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，飛輪儲能系統(tǒng)中需要配置多級的電能變換裝置和配套的輔助裝置。飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對于電池儲能系統(tǒng)更為復(fù)雜。
圖3 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig.3 Structure of flywheel energy storage system
區(qū)別于超級電容和電池，飛輪儲能系統(tǒng)不具備模塊化的特征，容量配置靈活性相對較弱。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)對新能源場站內(nèi)具有大量異構(gòu)機(jī)組的場景?？偟膩碚f，飛輪儲能系統(tǒng)在技術(shù)開發(fā)難度、開發(fā)周期和成本方面存在劣勢。
2.2.2 飛輪儲能系統(tǒng)的電氣特性
飛輪儲能系統(tǒng)通常通過真空條件下高速磁懸浮電機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)子來儲存能量，利用電機(jī)和變頻器進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。充電時變頻器控制電機(jī)升速，放電時電機(jī)在變頻器的配合之下發(fā)電從而降速。對于采用磁場定向策略控制的飛輪電機(jī)，定子電流I為
飛輪儲能系統(tǒng)在瞬間大功率充放電方面存在優(yōu)勢。因為儲能介質(zhì)是采用金屬材料制造的機(jī)械部件，所以飛輪電機(jī)承載瞬時大電流的能力較強(qiáng)。飛輪儲能系統(tǒng)的短時充放電電流可達(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 飛輪儲能系統(tǒng)的壽命特性
相對于其他儲能技術(shù)路線，飛輪儲能在使用壽命方面具有顯著優(yōu)勢。飛輪儲能系統(tǒng)的理論壽命可達(dá)15~20年，幾乎能夠覆蓋新能源場站的全生命周期。但是，飛輪儲能系統(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。雖然兆瓦級功率等級的飛輪通常采用非接觸式磁懸浮軸承技術(shù)實現(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。在實際應(yīng)用中為了維持飛輪儲能系統(tǒng)的正常使用，需要定期對徑向機(jī)械軸承進(jìn)行更換。因此，飛輪儲能系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運(yùn)行是以頻繁的檢修和較高的運(yùn)維成本為代價的。
2.3 超級電容儲能系統(tǒng)
2.3.1 超級電容儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性
超級電容儲能系統(tǒng)的拓?fù)淙鐖D4所示，電容模組通常通過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能PCS母線電壓，消除電容充放電對電壓變化的影響。通過對超級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DC/DC裝置的副邊統(tǒng)一并入PCS的母線運(yùn)行。相對于采用電池的儲能方案，超級電容儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度有所增加。
圖4 超級電容儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig.4 Structure of supercapacitor energy storage system
超級電容儲能系統(tǒng)也具模塊化結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中可以通過增加模組數(shù)量實現(xiàn)擴(kuò)容，系統(tǒng)容量的設(shè)計靈活。但是，由于超級電容沒有平臺電壓，模組必須分組通過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 超級電容儲能系統(tǒng)的電氣特性
超級電容不存在平臺電壓，在釋放電能的過程中端電壓會逐漸下降。因此，在使用時必須將超級電容模組和逆變器之間增加一級DC/DC裝置用以適配母線電壓。當(dāng)釋放功率一定時，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裝置需要同時具備耐受高電壓和大電流的能力。超級電容儲能系統(tǒng)中前級DC/DC設(shè)備的容量通常遠(yuǎn)大于額定功率，這也使得超級電容儲能系統(tǒng)功率容量成本較高。
超級電容本身擁有很高的放電倍率特性，可以在短時間內(nèi)存儲或釋放大量的電能。以Maxwell 160 V/10 F的超級電容模組為例，其存儲電量為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 超級電容儲能系統(tǒng)的壽命特性
在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境中，超級電容的充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)上百萬次。實際應(yīng)用中的超級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)測試環(huán)境溫度為基準(zhǔn)，使用時溫度每上升10 ℃則壽命減半。
以風(fēng)電場為例，通常電站年平均溫度為8~10 ℃，但風(fēng)電場電氣設(shè)備的艙內(nèi)年平均溫度可達(dá)43~45 ℃。雖然超級電容在25 ℃標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下的壽命可達(dá)10年，但根據(jù)“十度法則”，在此45 ℃時電容的實際壽命為2.5~3年。
03 用于一次調(diào)頻的儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
新能源場站生命周期通常為20年，對一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析時需要結(jié)合具體的方案和各類儲能的壽命詳細(xì)計算全生命周期成本。由前文分析可知，儲能參與一次調(diào)頻的典型持續(xù)時間通常為1 min，調(diào)頻功率為新能源機(jī)組的10%。因此儲能系統(tǒng)的額定功率通常不大于1 MW，在此功率等級下，儲能系統(tǒng)直流側(cè)額定電壓通常為750 V，變流器進(jìn)行逆變后通過升壓變壓器接入場站。本文以一臺7.5 MW新能源機(jī)組為例進(jìn)行分析，此時儲能系統(tǒng)應(yīng)能輸出750 kW的調(diào)頻功率。若以調(diào)頻持續(xù)時間為1 min計算，則根據(jù)式（3），在SOC上限和下限各預(yù)留10%余量時儲能輸出的電量應(yīng)能達(dá)到20 kW·h。本章將基于此場景分別對鋰電池、飛輪、超級電容獨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級串聯(lián)的方式將電壓抬升至48 V。儲能系統(tǒng)則利用多個基本模組串聯(lián)的方式構(gòu)成可以適配PCS直流母線電壓的電池組，并通過并聯(lián)電池組的方式實現(xiàn)功率容量和能量容量的擴(kuò)容。在實際設(shè)計時需要結(jié)合具體的技術(shù)指標(biāo)和電池性能、成本等因素對電芯模型組的規(guī)格行選擇，進(jìn)而對電池的串并聯(lián)數(shù)進(jìn)計算。電池工作時其端電壓會在電壓平臺附近輕微浮動，因此需要根據(jù)電壓浮動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)儲能PCS的電壓等級計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)計算選用不同規(guī)格的電池模組時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)頻時間確定儲能系統(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）計算所需的電池組并聯(lián)數(shù)Np1；根據(jù)所需功率容量所對應(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，全生命周期內(nèi)總投資成本將為289.02萬元。
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的動力電池配置儲能系統(tǒng)時存在能量容量過剩的問題。若選用高倍率型電池可以降低容量過剩。但是，高倍率電芯的充放電倍率往往不對稱。這是因為充電電流密度過高會導(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%時均能維持平臺電壓，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。
3.2 基于飛輪的儲能系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)性分析
3.2.1 單獨集成飛輪的儲能系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)性分析
由于飛輪儲能系統(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兩方面的匹配度。
飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所以研發(fā)成本相對較高。根據(jù)文獻(xiàn)[25]，定制化飛輪儲能系統(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)時間1 min的場景核算成本，則定制化方案需要125萬~500萬元，不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
基于飛輪儲能構(gòu)建聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)時通常不涉及二次開發(fā)或定制化設(shè)計，而是通過對市面產(chǎn)品進(jìn)行合理選型的方式實現(xiàn)系統(tǒng)集成設(shè)計。同時，對于功率容量在兆瓦級以下的飛輪儲能產(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，兆瓦級功率范圍內(nèi)飛輪儲能產(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型飛輪儲能系統(tǒng)可以滿足調(diào)頻的需求，基于該型號飛輪的單次配置成本為160.0萬元。但是該方案的功率容量略高于實際需求，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)頻飛輪儲能系統(tǒng)的報價
Table 2 Quotations for flywheel energy storage systems with frequency regulation from different manufacturers
因為飛輪儲能系統(tǒng)的壽命通?？蛇_(dá)15~20年，所以在用于輔助新能源調(diào)頻時無須進(jìn)行替換，避免了重復(fù)投資，電站全生命周期的儲能配置成本為160萬元。
需要說明的是，飛輪儲能系統(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，因而在實際應(yīng)用中會產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)維費(fèi)用，具體的運(yùn)維費(fèi)用與產(chǎn)品型號及品牌有關(guān)。以HHE-FW1M45飛輪儲能系統(tǒng)為例，為了維持可靠運(yùn)行，需要每三個月對其徑向軸承進(jìn)行更換，每次更換軸承的費(fèi)用為4.8萬元，20年的總費(fèi)用高達(dá)384萬元，高于飛輪儲能系統(tǒng)本身的成本。因此，在選用飛輪儲能系統(tǒng)輔助新能源機(jī)組調(diào)頻時，需要重點關(guān)注目標(biāo)型號的運(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能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
因為飛輪儲能系統(tǒng)能量配置的靈活性相對較弱，所以可以選擇鋰電池與其混合配置。飛輪儲能系統(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)品價格則如表2所示。
由表2可知，HC-325型飛輪儲能系統(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14級串聯(lián)后構(gòu)成電池組通過三級并聯(lián)實現(xiàn)匹配，此時電池的電量為494.5 kW·h，電池的成本為59.35萬元，儲能系統(tǒng)總電量為544.5 kW·h，總建設(shè)成本為184.35萬元。如前所述由于HC-325型飛輪儲能系統(tǒng)單位功率成本高的影響，該方案相對于單純采用HHE-FW1M45型飛輪的方案而言在成本和容量方面均存在劣勢。
該方案應(yīng)用于輔助新能源調(diào)頻時，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 基于超級電容的儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
3.3.1 單獨集成超級電容的儲能系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)性分析
超級電容儲能系統(tǒng)具有模塊化特征，容量設(shè)計較為靈活。但是，由于超級電容不具備類似于鋰電池的電壓平臺，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、通流能力和儲能系統(tǒng)前級DC/DC裝置的變比范圍。具體的計算流程如下。
1）明確可用的各類超級電容模組的容量和充放電電壓、電流范圍，明確儲能DC/DC裝置的變比范圍和耐壓、通流能力情況。
2）根據(jù)儲能DC/DC裝置的電壓上限確定采用各類超級電容模組時的串聯(lián)數(shù)。
3）根據(jù)DC/DC裝置的電壓下限和調(diào)頻功率需求計算超級電容系統(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)超級電容組的串并聯(lián)數(shù)計算超級電容的電荷量，并根據(jù)電荷量校核計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）對比采用不同類型電容模組的設(shè)計結(jié)果，選取總?cè)萘亢涂們r格最低的作為最終方案。
表3 超級電容標(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)下超級電容的輸出功率和電量滿足調(diào)頻需求。在該方案下，超級電容儲能系統(tǒng)實際的存儲電量為36.12 kW·h。
超級電容在能量存儲和釋放時基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以循環(huán)壽命長，倍率性和放電深度特性優(yōu)異。但是，超級電容的能量密度較低。另外，由于超級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，超級電容儲能系統(tǒng)的成本約為41.54萬元。按照3年核算超級電容壽命，需要在新能源場站20年生命周期內(nèi)替換6次超級電容模組，全生命周期成本約為290.78萬元。
3.3.2 基于超級電容和鋰電池混合的儲能系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)性分析
受到電池基本模組安時數(shù)和超級電容模組基本容量的限制，在超級電容和鋰電池混合型儲能的容量匹配的顆粒度不可能無限細(xì)分。
由3.1.1節(jié)的計算結(jié)果可知，采用倍率1 C的純鋰電儲能方案由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，超級電容占比越大，儲能系統(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給出了超級電容與儲能混合配置的成本。從表5可以看出，由于一部分的儲能被替換成低成本的鋰電池，所以超級電容和鋰電池混合配置的成本低于純超級電容的成本。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289.475萬元，相對于純鋰電池方案而言依然沒有優(yōu)勢。同時，在該配置方案下，儲能系統(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)頻的超級電容+鋰電池儲能混合配置成本
Table 5 Cost of hybrid energy storage configuration of supercapacitors and lithium batteries for frequency regulation
3.4 各類儲能輔助新能源調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性比較
圖5為各類儲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稱的影響，實際配置容量僅能縮減至1 C普通電池方案的22%，其建設(shè)成本為804.15萬元。
圖5 各類儲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
采用超級電容、超級電容配合鋰電池或飛輪儲能配合鋰電池的方案相對于純粹采用普通鋰電池方案雖然降低了系統(tǒng)的總儲能容量，但是在經(jīng)濟(jì)性上沒有明顯優(yōu)勢。而且混合配置儲能后系統(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。
在用于輔助新能源調(diào)頻時，由于飛輪儲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。需要說明的是，雖然飛輪儲能系統(tǒng)的使用壽命優(yōu)勢使其在輔助風(fēng)電調(diào)頻的建設(shè)成本方面具有優(yōu)勢，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的運(yùn)維成本。
04 結(jié)論
本文對分布式接入場景下用于新能源一次調(diào)頻的儲能經(jīng)濟(jì)配置方案進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，配置儲能時不僅需要考慮一次調(diào)頻對功率和電量的需求，還要充分考慮儲能元件充放電倍率、模塊化程度、接口變流器特性等方面的工程約束。在計及上述約束后，各類儲能系統(tǒng)的設(shè)計容量會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)對技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比評估。在對電池、飛輪和超級電容三類儲能的工程技術(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種儲能獨立及混合配置的建設(shè)成本，得到如下結(jié)論。
1）飛輪儲能系統(tǒng)的標(biāo)稱壽命可覆蓋新能源場站全生命周期，在不考慮運(yùn)維時，利用飛輪儲能系統(tǒng)輔助新能源一次調(diào)頻經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢最明顯。但是，飛輪儲能實際應(yīng)用經(jīng)驗不如電池，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電量遠(yuǎn)大于調(diào)頻需求，但是在考慮運(yùn)維成本時其綜合經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于飛輪儲能系統(tǒng)，且近年隨著制備工藝的改進(jìn)，電池壽命的增速較快，在未來可能顯著提升，因此系統(tǒng)配置需要考慮壽命增長的影響。同時，其充足的能量裕度還可以支撐調(diào)峰、抑制功率波動等工作，提升新能源的友好性。
3）由于超級電容的倍率特性好，所以在相同調(diào)頻需求的情況下，超級電容儲能系統(tǒng)的能量容量比鋰電池儲能系統(tǒng)小。但是，由于單位成本和壽命不具備優(yōu)勢，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能容量的效果不如飛輪和超級電容，不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
5）利用飛輪儲能或超級電容儲能的倍率性優(yōu)勢與磷酸鐵鋰電池進(jìn)行混合配置可以優(yōu)化系統(tǒng)的總電量，但是混合儲能方案在建設(shè)成本和技術(shù)難度方面并不具備優(yōu)勢。
