孫浩程 ，魏厚俊 ，胡鋆 ，陳曦 ，王云芳 ，韓玉鑫 ，劉暢

（1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院, 河北 保定 071003；2. 河南理工大學 化學化工學院, 河南 焦作 454003；3. 河北師范大學 中燃工學院, 河北 石家莊 050024；4. 清華大學 能源與動力工程系, 北京 100084）

0 引言

隨著火電機組深度調峰調頻需求的增加，火電機組耦合儲能裝置輔助其靈活調節(jié)的方式已引起了業(yè)內廣泛關注。2021 年7 月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》已明確指出，通過耦合儲能設備協(xié)同優(yōu)化運行保障新能源電力高效消納利用，能夠為電力系統(tǒng)提供容量支撐及一定的調峰能力。

在眾多儲能技術中，電化學儲能技術成熟，不受地域限制，響應精確度高，能夠通過化學反應實現(xiàn)化學能和電能之間的轉化，不受卡諾循環(huán)限制，轉化效率高，在應對不可預測、多變特性、有效緩解電網(wǎng)劇烈波動以及保證電網(wǎng)可靠性等方面更具優(yōu)勢，是除抽水蓄能技術之外最主要的儲能技術路線[1]。截至2020 年底，中國已投運電化學儲能項目累計裝機規(guī)模達到3 262.2 MW，在儲能設備積累裝機總容量中位居第二[2]。因此，電化學儲能技術成為了調峰電廠用以改善電廠調峰能力的關鍵儲能技術之一，尤其在沒有水電的地區(qū)，主要依靠火電廠與電化學儲能技術來調節(jié)短時間內的能量不平衡，從而保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行[3]。

雖然當前國家和地方相繼出臺了一系列支持儲能參與火電廠調峰調頻的政策，且火電儲能聯(lián)合調頻技術路線不斷被業(yè)內所認可，但在實際應用過程中還存在著許多亟需解決的關鍵問題，如由于儲能調頻執(zhí)行方案不完整影響調頻的有效性和質量[4]，儲能系統(tǒng)并網(wǎng)后對機組的短路電流、廠用電安全、諧波等電能質量有所影響[5]，不同調頻控制策略和儲能系統(tǒng)狀態(tài)預測方法對火儲聯(lián)合調頻的經(jīng)濟性、回報率的影響[6]等。

基于此，文章將在梳理和歸納近年來電化學儲能技術在火電廠中的應用進展基礎上，對目前電化學儲能技術參與火電廠調峰調頻過程中存在的問題以及未來研究方向進行分析和展望，為后續(xù)火電儲能聯(lián)合調頻技術的市場化推廣提供理論支撐。

1 電化學儲能技術在火電廠中的應用特點

電化學儲能技術在火電廠中的作用主要體現(xiàn)在改善火電廠自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）性能方面。牛陽等[7]對電化學儲能技術在參與火電廠AGC 性能調節(jié)時的情況進行了研究，結果表明，當一個全天參與AGC 調頻的火電機組中存在單一或混合型儲能裝置參與輔助調節(jié)時，能夠有效提高火電廠的AGC 性能，將機組的Kp值（調節(jié)性能綜合評判指標）分別從2.626 4 提高至4.026 6 和5.628。

不僅如此，由于燃煤發(fā)電機組將一次能源轉換成電能需要經(jīng)歷一系列復雜的過程，對有功功率調節(jié)響應速度較慢，導致機組在承擔AGC 調節(jié)任務時，制粉系統(tǒng)會出現(xiàn)負載升高、設備磨損嚴重、發(fā)電煤耗增高等一系列問題[8]。因此，有相當一部分電力企業(yè)選擇火電儲能聯(lián)合調頻技術來彌補上述缺陷，具體系統(tǒng)方案如圖1 所示。在該系統(tǒng)中，當調度控制中心發(fā)布調頻指令后，儲能裝置能夠通過自身快速充放電來輔助機組完成調頻工作。儲能裝置可直接接入電廠變壓器，不會增加機組運行風險。此外，在火電機組進行一次調頻時，儲能系統(tǒng)可通過快速輔助調頻的方式避免機組到達自身調頻死區(qū)，使頻率快速趨于正常值的范圍[9]。同時，引進儲能系統(tǒng)參加調頻還可有效改善火電機組的AGC 調節(jié)精度，提高機組運行經(jīng)濟性。

圖1 儲能參與輔助調頻示意圖Fig. 1 Schematic diagram of energy storage participating in auxiliary frequency modulation

通常情況下，火電廠中儲能系統(tǒng)應具備以下五個特點：（1）具備高可靠性、高安全性，保障電網(wǎng)/機組在正?；蚬收瞎r下的可靠運行，儲能系統(tǒng)的運行及投切不影響機組本身正常運行等；（2）較高的充放電響應速度，可滿足相關調頻應用場景下短時大功率輸出需求；（3）高循環(huán)壽命，可匹配系統(tǒng)頻繁往復充放電需求；（4）高能量利用率，儲能系統(tǒng)能量可用率應達到97%以上，整體能量轉換效率高于90%；（5）高度集成化，占地面積小[10]。作為同時具備以上前提條件的儲能技術之一，以及憑借相對成熟的技術水平，電化學儲能技術逐漸被納入火電廠調頻應用場景中。山西省容量為9 MW/4.5 MWh 的電網(wǎng)級電儲能聯(lián)合火電調頻試點項目于2019 年通過了并網(wǎng)性能和火儲聯(lián)合調頻測試，實現(xiàn)投運。該項目采用的磷酸鐵鋰電池技術提高了機組的AGC 調節(jié)性能，并且顯著改善了電網(wǎng)調度能力[11]。華潤電力控股有限公司潤達電廠于2019 年2 月實現(xiàn)1 號機組和2 號機組同時投運AGC，其中儲能聯(lián)合機組的調頻性能明顯優(yōu)于機組單獨調頻，且機組的調節(jié)深度得到了明顯的提高[8]。萊城電廠在2021 年投資建設儲能調頻電站，利用電化學儲能調節(jié)速度快、精度高的優(yōu)勢，聯(lián)合火電機組實時調整發(fā)電出力，使得發(fā)電側出力和用戶側負荷達到實時平衡，為電網(wǎng)提供了優(yōu)質高效的AGC 調頻輔助服務[10]。

電化學儲能技術包括鋰離子電池、鈉硫電池、鉛蓄電池、液流電池等，不同種類的電化學儲能的優(yōu)勢特點不同，因此需要針對多樣化的火電廠應用需求，對電化學儲能技術進行甄別。當前最常見的電化學儲能技術及其適用場景如表1 所示。其中，鋰離子電池具有功率和能量密度高、額定電壓高等特點，是高性能的儲能設備，適用于調峰調頻要求較高的電廠；鈉硫電池和鉛蓄電池可實現(xiàn)大容量制造，屬于能量型儲能設備，適用于承擔削峰填谷任務的電廠；液流電池得益于特殊的電池結構，具有較高的設計靈活性，且系統(tǒng)自動化程度高，能夠根據(jù)特定的能量和功率需求進行規(guī)劃設計，因此可承擔電廠的電能儲存和深度調峰等任務。此外，鋰離子電池與液流電池的成本較高，設計使用時更需要考慮到電廠的生產(chǎn)成本。

表1 電化學儲能技術在火電廠項目中的應用Tab. 1 Application of electrochemical energy storage technology in thermal power plant projects

自2011 年以來，我國電化學儲能在火電廠的裝機規(guī)模不斷增加。2017 年6 月起，能源局發(fā)布《關于促進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，大力鼓勵先進電化學儲能技術的應用與研發(fā)。自此電化學儲能裝機規(guī)模急劇增加（如圖2 所示）。據(jù)中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟（China Energy Storage Alliance，CNESA）的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，近期規(guī)劃或在建的電網(wǎng)側電化學儲能項目的總規(guī)模超過1.4 GWh，當前電化學儲能技術在火電廠中的應用已處于商業(yè)化階段，預計未來1～2 年電化學儲能在火電廠中的應用還將迎來跨越式的發(fā)展[18]。

圖2 截至2020 年我國電化學儲能累計裝機規(guī)模Fig. 2 Cumulative installed capacity of electrochemical energy storage in China by 2020

2 電化學儲能在火電廠中的應用瓶頸

為完善電化學儲能技術在火電廠的應用，需要及時發(fā)現(xiàn)其運行過程中的缺陷與瓶頸，并進行有針對性的改善。

火電機組與電化學儲能裝置聯(lián)合調頻方案的安全性與可靠性不容忽視。電化學儲能作為輔助調頻裝置能夠在一定程度上改善火電機組自身調頻效率低和運行經(jīng)濟性不佳等問題[19]，但其設備由于充放電頻繁、自身性能缺陷以及運營管理不規(guī)范等問題，在實際應用中頻頻出現(xiàn)安全事故[20]。據(jù)不完全統(tǒng)計，2011－2021 年之間，全球共發(fā)生約50 起儲能電站起火爆炸事故，約一半的儲能電站起火爆炸發(fā)生在充電或充電后休止中。針對儲能電站的安全問題，目前應對措施仍以加大安全檢測力度和監(jiān)管力度為主。通過對其進行安全性能的檢測，可以有效避免安全問題的發(fā)生。在檢測過程中，需要針對儲能調頻系統(tǒng)對機組的短路電流、廠用電安全、諧波等電能質量的影響進行評估和計算，通過對評估計算數(shù)據(jù)的分析來判斷儲能調頻系統(tǒng)對機組安全性能的影響。2021 年以來，國家發(fā)改委、國家能源局和中電聯(lián)先后針對電化學儲能電站制定了新的安全制度設計和技術要求。2021 年底，國務院安委會辦公室印發(fā)《電化學儲能電站安全風險隱患專項整治工作方案》，要求對已建成和在建電化學儲能電站逐家檢查到位，并督促其堅持做好建章立制等長效工作，以此來提升電化學儲能電站本質安全水平。

調頻方案的確定和執(zhí)行是影響火電廠利用儲能技術輔助調頻性能和質量的主要因素。在實踐過程中，運用不同的調控方案與儲能設備接入方案可以使調頻效果出現(xiàn)顯著差別。如江蘇鎮(zhèn)江儲能電站對儲能機組采取了主動控制策略，充分利用其快速調節(jié)優(yōu)勢，解決了用電高峰期電力缺口以及電網(wǎng)平衡控制等問題[21]。當儲能設備采用優(yōu)先調節(jié)策略參與調峰時，可將其充放電深度視為調峰深度[22]。若為保證儲能設備的使用壽命，以及保證機組運行的經(jīng)濟性，則可考慮優(yōu)先使用機組進行調節(jié)的策略[23]。在儲能設備的接入策略方面，母線直接接入方案相比于發(fā)電機端接入方案造價更低，安全性更高[19]。因此，一直以來，調峰電廠的控制策略優(yōu)化研究都是行業(yè)內的工作重點，也是當前仍需深入探索的方向之一。

電化學儲能設備的發(fā)展與應用還受到建設、運行以及維護過程中高成本的限制。結合儲能系統(tǒng)運行、充電狀態(tài)等指標的預測，對火電儲能聯(lián)合系統(tǒng)控制策略進行調整，可以更好地提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。其次，對火電機組深度調峰進行具體分析，也可以提高火電儲能聯(lián)合項目的經(jīng)濟性。例如在常規(guī)調峰和深度調峰兩個不同調峰過程中，不同的輔助調峰設備所帶來的經(jīng)濟性影響也不同，需要選擇更具實用性的調控方案和策略，來達到減少調峰成本的目的。王志平等研究發(fā)現(xiàn)當機組進行深度調峰時，選擇其他類型電源如核電、水電等棄電調峰經(jīng)濟性不佳，此時選用鋰離子電池可在成本方面具有較大優(yōu)勢[24]。此外，還可以通過建立需求響應模型，對用戶需求量進行分析，采取分時電價來引導用戶改變用電行為，從而優(yōu)化負荷曲線，達到減輕系統(tǒng)調峰壓力、減輕儲能投資成本的效果。蓄電池的壽命問題也是導致其在火電廠中應用成本高的原因之一。除技術方面外，機組參與調頻服務的調節(jié)里程和中標價格以及全年參與調頻服務的時間也是影響機組經(jīng)濟性的重要因素[25]。因此，基于項目運行邊界條件的經(jīng)濟性測算也尤為重要。

除安全問題的改善、運行策略的創(chuàng)新以及運行成本的控制等方面的瓶頸外，蓄電池的合理回收利用也是不可忽視的問題。為解決國內沒有系統(tǒng)性的電池回收產(chǎn)業(yè)這一現(xiàn)狀，國家應制定統(tǒng)一的大容量蓄電池回收標準，引導企業(yè)采取科學合理的方法進行回收與再利用。

3 電化學儲能技術在火電廠中的應用展望

伴隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，大量新能源電力嵌入電網(wǎng)，火電機組所承擔的調峰調頻任務將越來越重，從當前電化學儲能技術經(jīng)濟性和容量來看，還不能滿足長遠的調峰調頻需求[26]。因此，電化學儲能技術在火電廠中的應用規(guī)模勢必將在中遠期階段實現(xiàn)穩(wěn)步攀升，并在規(guī)模化應用過程中不斷實現(xiàn)使用成本的下降。就目前電化學儲能技術及應用發(fā)展趨勢而言，其主要集中在儲能及電源系統(tǒng)的運行控制策略優(yōu)化、新型高性能儲能材料的開發(fā)、安全管理規(guī)則的完善以及廢棄設備回收制度的規(guī)范等幾個方面。

當電化學儲能技術在火電廠中得到規(guī)模化的應用時，系統(tǒng)控制策略研究仍然是火電與電化學儲能聯(lián)合調頻電廠的工作重點。在火電機組發(fā)電側，電化學儲能主要憑借其自身快速精準的充放電控制特性來輔助機組完成調峰調頻任務，同時針對具有不同特點的機組與負荷條件，選取如儲能調節(jié)優(yōu)先、機組調節(jié)優(yōu)先、儲能主動控制等不同的調控策略以及不同類型的電化學儲能設備來應對調節(jié)需求和控制運行成本。與此同時，結合電化學儲能設備充放電狀態(tài)、循環(huán)壽命與容量衰減的調節(jié)策略將有助于進一步提高系統(tǒng)技術經(jīng)濟性[27]。

儲能材料的發(fā)展是電化學儲能技術廣泛應用的關鍵。研究表明，開發(fā)低成本、原料廣泛的電化學儲能電極材料來突破核心原材料儲備量和高成本的限制，及開發(fā)高性能電極材料以解決工作溫度、運行安全性等問題已成為儲能技術主要的研發(fā)方向之一。近年來，上電電力材料實驗室[28]針對儲能材料進行了系統(tǒng)的研究，開發(fā)出了新型聚陰離子正極材料、硫摻雜黑磷-二氧化鈦復合負極材料，提高了鋰離子電池的倍率性能以及循環(huán)穩(wěn)定性與安全性。Sun 等[29]利用生物質廢棄物為原材料制備出高穩(wěn)定性的多孔碳作為電化學電極材料，有效降低了電化學儲能設備的材料成本，且生物質廢棄物可不受原料開發(fā)的限制，同時得到了回收再利用，符合循環(huán)經(jīng)濟要求。梁明會等[30]設計并制備了碳包覆鋅納米粒子的復合材料，研究表明使用其作為電極材料可使電池的循環(huán)性能得到大幅提高，一定程度上提高了電池安全性，為電化學儲能材料的研發(fā)提出了新的研究方向。

為保證電化學儲能在火電廠中的安全利用，設備的安全管理與清潔回收利用不容忽視。當前是火電與電化學儲能聯(lián)合調頻應用的快速發(fā)展階段，同時也是制定安全管理標準，建立健全設備安全管理體系和廢棄電池回收體系的重要窗口期。因此，國家及相關主責部門出臺相關標準、規(guī)則來規(guī)范電化學儲能系統(tǒng)的運行是保證儲能安全、電廠機組安全的必要措施。此外，為保證電化學儲能設備廢棄后在不污染環(huán)境的同時可得到重復利用，應對電池制造工藝予以優(yōu)化，并且建立健全廢棄電池回收體系，引導行業(yè)綠色發(fā)展[31]。

4 結論

文章主要針對電化學儲能技術在火電廠的應用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢進行了梳理，具體結論如下：

1）電化學儲能技術與火電廠耦合輔助調峰調頻已成為火電調頻及儲能技術應用的重要研究方向之一。

2）現(xiàn)階段電化學儲能雖然發(fā)展迅速，但仍受到運行安全性較差、建設維護成本高以及回收污染難以控制等問題的限制。

3）系統(tǒng)運行控制策略的優(yōu)化、新型高性能儲能材料開發(fā)以及儲能設備的安全與回收管理等方面將是未來階段的主要研究方向。