电化学储能行业创新与应用典型案例：金湾发电有限公司3、4号机组AGC混合储能辅助调频研究应用项目

　　储能中国网获悉，近日，中国电力企业联合会发布了24个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，发掘总结并交流推广成功经验和有益做法，发挥典型引领作用。今天我们推出第二个典型案例——“金湾发电有限公司3、4号机组AGC混合储能辅助调频研究应用项目”。

　　金湾发电有限公司3、4号机组AGC混合储能辅助调频研究应用项目

　　广东珠海金湾发电有限公司

　　一、项目简介

　　广东珠海金湾发电有限公司(以下简称金湾发电有限公司)混合储能电站项目，由企业自主投资7380万元，由南方电网公司承建。该项目是国家重点研发计划“储能与智能电网技术”的“高功率低成本规模超级电容器的基础科学与前瞻技术研究”重点专项的落地成果，也是南方地区首个“锂电池+超级电容器”火储联合调频项目。项目于2023年4月正式开工，经过6个月建设和调试，于2023年10月2日顺利投入试运行，于2023年11月1日正式投入商业运营。

　　金湾发电有限公司混合储能电站采用的是16MW/8MWh磷酸铁锂+4MW/0.67MWh超级电容混合储能系统。

　　项目创新性采用磷酸铁锂电池+超级电容器的混合储能调频解决方案，攻克了兆瓦级超级电容器系统集成、“锂电池+超级电容器+机组”协同控制技术、基于补偿度实时优化的混合储能智慧调控技术等关键技术难题，首次应用基于数据后分析的智能化运维平台，实现了AGC指令统计分析、锂电池和超级电容器数据分析、安全风险分析及预警等多种功能，成功打造了一座先进储能创新技术引领的高效率、高安全、智能化的储能调频电站。项目推动超级电容产品和关键材料的全面国产化和“超级电容器+”混合储能协同控制技术推广，带动超级电容器产业链高质量发展。

　　二、解决方案

　　“双碳”目标下，以新能源为主体的新型电力系统发电侧和用电侧供需双端不平衡加剧，系统频率稳定面临巨大挑战，迫切需要更多的灵活调频资源来提升自身调节能力。新型储能技术可发挥短时快速调节作用，是未来灵活调节资源的主力，短期内可实现与火电机组的有效互补。

　　超级电容器作为典型短时高频储能技术，较传统火储调频用的磷酸铁锂电池有突出优点：功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、高低温性能优越、安全、环保等，这些优点与储能辅助调频工况十分契合。

　　本项目以关键材料国产化和系统规模应用为突破口，开发出低成本、高比能量混合型超级电容器新体系，研制出满足短时高频储能工况需求的器件及系统，发挥超级电容器的高功率响应特性，开拓与其性能相匹配的应用场景与商业模式。

　　项目依托国家重点研发计划、南方电网公司和广东省能源集团重点科技项目等，历经8年产学研用联合攻关，突破高比功率、高比能量超级电容材料与器件关键技术，形成满足多场景应用需求的大容量超级电容储能系统集成能力，首次实现兆瓦级超级电容混合储能调频系统工程应用，建成全球最大容量兆瓦级超级电容储能调频系统，首次将长寿命、高安全的超级电容储能技术应用于电力调频领域。

　　图1 项目整体技术路线

　　双高型超级电容器集成技术与规模化装备

　　项目率先应用了国家重点研发计划研发的比能量大于80Wh/kg、比功率大于10kW/kg、寿命50000次的低成本混合型超级电容器。提出了超级电容储能单元高效热管理方法。针对超级电容散热设计难的问题，建立了超级电容储能“流-热”耦合模型，通过分温区、分空间冷媒均衡控制，形成了基于流场调控的热均一性设计方法，超级电容簇间最大温差5℃以内。

　　建立了簇级能量精细化管控架构。针对超级电容系统能量效率低的难题，提出基于区域分割技术的超级电容簇分区管控策略，降低了环流及直流侧故障的影响范围，形成了满足多场景应用需求的“一簇一管理”能量管控架构与控制方法，实现了超级电容状态差异抑制及功率精细化分配，能量效率达到92%。

　　图2 超级电容器集成技术与规模化装备

　　基于数据后分析的混合储能系统智能运维系统

　　开发了储能装备状态精准辨识技术。针对锂电、超级电容状态精准辨识难的问题，建立了基于老化特性曲线的超级电容寿命预测模型，开发了储能管理系统海量数据百毫秒级采集、存储与分析技术，构建了健康管理标准化数据库与状态监测平台，实现了对超级电容和锂电池储能装备状态的精准辨识。项目在金湾发电有限公司AGC混合储能辅助调频项目中搭建AGC混合储能电站数据分析系统，实现了对储能电站中锂离子电池、超级电容器的充放电能力、充放电状态、最值分析、电压一致性、温度均衡、实时趋势、告警分析、故障分析、电芯质量告警等各状态的实时监控、分析和实时展现。项目还对混合储能系统的AGC响应的各项数据进行了统计分析，包括AGC时长、指令大小、调频里程、锂电池和超级电容器的充放电量等，为整个项目的EMS控制策略调整优化、储能电站智能化运维提供了宝贵的数据支撑。

　　图3 数字化系统总体架构

　　“锂电池+超级电容器+机组”混合储能协同控制策略

　　研发了超级电容储能系统与火电机组耦合调频技术。对于超级电容难与机组协同控制的问题，提出了基于超级电容系统优先的超级电容混合储能系统与火电机组深度耦合协同调频控制策略。超级电容系统与锂电池系统异步动作，当功率指令不大于超级电容系统额定功率时将全部由超级电容系统承担，当功率指令大于超级电容系统额定功率后超出部分由锂电池系统承担。该设计的基本逻辑是由超级电容系统承担较小且频繁的功率指令，锂电池系统在功率较大时或超级电容系统无法动作(充满/放空)时作为储备功率源。该设计发挥了超级电容系统的高倍率特性及锂电池系统的大容量特性，使储能电站能在更长的时间内具备满功率运行的条件，提高了储能电站运行效率。机组调频性能提升2倍以上，形成了超级电容储能耦合火电机组调频技术及超级电容器+锂电池独立储能混合调频技术。

　　图4 混合储能协同控制策略

　　三、关键点与创新点

　　(1)混合储能出力策略研究。基于机组、锂电池系统和超级电容系统的各自出力和寿命特性，研究“锂电池+超级电容器+机组”协同控制策略，实现K值和储能系统寿命之间的最优化。金湾发电有限公司混合储能电站现行的EMS运行策略为超级电容系统优先模式，即功率指令优先由超级电容系统响应功率，当功率需求超过超级电容系统额定功率后多余的功率分配给锂电池系统，该设计的基本逻辑是由超级电容系统承担较小且频繁的功率指令，锂电池系统在功率较大时或超级电容系统无法动作(充满/放空)时作为储备功率源。该设计发挥了超级电容系统的高倍率特性以及锂电池系统的大容量特性，使储能电站能在更长的时间内具备满功率运行的条件，提高了储能电站运行效率。

　　(2)基于数据后分析的混合储能智能运维系统。设计基于实时运维数据和电池状态耦合的全寿命周期数据管控与智能分析模块与算法，实现基于数据后分析的智能运维。数据分析系统主要展示全站额定功率、全站额定容量、最大充放电功率、最大充放电容量、各个电池舱充放电效率排名以及百分比、各舱实时功率排名以及百分比、预计完成充电放电时间、累计充放电量、当前可充放电量、电站剩余电量百分比、高温设备占比、全站实时电池最高温度、全站实时电池最高温度所在位置(具体到单体电芯)、全站实时电池平均温度、全站实时电池最低温度、全站实时电池最低温度所在位置(具体到单体电芯)、全站实时电池最高电压、全站实时电池最高电压所在位置(具体到单体电芯)、全站实时电池平均电压、全站实时电池最低电压、全站实时电池最低电压所在位置(具体到单体电芯)等信息。

　　图5 混合储能系统智能运维系统

　　(3)超级电容器并网测试技术。完成了DL/T 2581—2022《参与辅助调频的电源侧电化学储能系统调试导则》的编制和发布，该标准的推广将有助于推进电厂侧储能系统规范、合格并网，增强电网灵活性、安全性和可靠性。针对分钟级的短时高频储能的并网测试方法研究，包括电网适应性、低电压穿越、高电压穿越、电能质量、充放电响应时间、充放电调节时间、充放电转换时间、功率控制、过载能力、额定能量、额定功率能量转换效率、通信异常和防孤岛测试等。项目组依托在储能系统、发电机组、机组储能协同控制等方面的研究基础和技术积淀，总结和参考现有国家行业标准以及电网电厂管理规定，总结出一套完整的火电厂储能辅助调频系统现场试验方法，具体包括储能系统并网性能试验方案、发电侧储能系统一次调频试验方案和发电侧火储联合调频AGC试验方案等，首次实现超级电容器系统的并网测试，实现了火电厂储能系统规范、合格并网，保障电力系统安全经济运行。

　　(4)基于锂离子电池和超级电容器的性能特点，开展火电厂混合储能辅助调频系统工程应用，开展储能系统安全性和运行效果评价分析，并进行工程应用推广。储能项目共配置16MW/8MWh磷酸铁锂+4MW/0.67MWh超级电容混合储能系统，采用集装箱形式，共配置20个集装箱，分别为7个锂电池集装箱(其中6个电池集装箱设计容量1.25MWh、1个电池集装箱设计容量0.63MWh)和1个超级电容电池集装箱(额定容量为4MW/0.67MWh)、9个升压集装箱、1个高压集装箱、1个站用变压器及高压集装箱、1个二次监控集装箱。

　　四、实际成效

　　有助于推动超级电容产业链发展全面转型升级。项目成果经多位院士鉴定，达到国际领先水平。项目开辟了超级电容储能调频技术路线及可推广的商业模式，成果全面应用于金湾电厂等兆瓦级超级电容储能调频项目，实现了超级电容全产业链自主可控，助力提升我国新型电力系统稳定性及储能装备研发制造水平。

　　推动了高功率高能量特性超级电容技术的发展。团队通过在关键材料、核心工艺、结构设计等方面的技术创新，显著提高了超级电容器能量密度，大幅度提高单体器件性能，开创了超级电容器在电力调频领域的应用模式，对发展高安全智能电网、改变传统发电和储能方式，满足国家对于短时储能技术的战略重大需求具有重要意义。

　　增强了电力系统运行安全稳定性。相关技术应用推广，促进了超级电容在火电厂储能辅助调频和储能独立调频模式的推广应用，充分验证了大容量超级电容储能技术的安全性、可靠性、经济性，填补了我国超级电容储能领域的技术空白。进一步提升了电力系统灵活性，对于促进可再生能源消纳，保障电网安全、经济运行具有十分重要的意义。

　　五、经济效益及推广前景

　　项目自2023年10月2日进入30天的试运行，2023年11月1日正式进入商业运行。截至2024年9月30日，金湾发电有限公司储能调频系统共投运363天，平均K值为1.41，调频里程累计收益5565万元，平均月收入约463.75万元。2022年10月至2023年9月，平均K值为0.55，调频里程累计收益仅109.16万元。对比项目投产前后一年数据，平均K值提升1.56倍，调频里程年收益总体提升50倍。扣除运营成本，项目投资静态回收期仅为2年。

　　首先，项目实施后，由于储能系统具备优异的调频性能，将帮助燃煤机组更好地参与AGC调频市场，可以减少机组煤耗和快速动作引起的部件老化。

　　其次，项目成果应用有效提升了区域火电机组灵活性调节能力，有效缓解了大量新能源接入电网带来的频率波动影响，增强了广东电力系统运行安全稳定性。

　　再次，项目创新性地采用了“超级电容器+”混合储能技术，实施过程中项目团队攻克了兆瓦级超级电容系统集成、“锂电池+超级电容器+机组”协同控制、现场并网试验等技术难题，形成了自主知识产权的“超级电容器+”混合储能解决方案，推动超级电容产品和关键材料的全面国产化和“超级电容器+”混合储能协同控制技术推广，带动超级电容器产业链高质量发展。

　　六、团队介绍

　　团队成员包括以金湾发电有限公司首席工程师为首的专业技术骨干、广东电力发展股份有限公司的研究员及南方电网公司的高级技术专家。