混合儲(chǔ)能如何實(shí)現(xiàn)“1+1>2”

與傳統(tǒng)單一儲(chǔ)能技術(shù)相比，混合儲(chǔ)能組合了多種不同儲(chǔ)能技術(shù)路線，能達(dá)到縮減系統(tǒng)成本或增加生命周期，提升系統(tǒng)效率和綜合性能的效果，是目前電力系統(tǒng)儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。目前，我國混合儲(chǔ)能項(xiàng)目運(yùn)行情況如何？發(fā)展還面臨哪些問題？如何科學(xué)設(shè)置各儲(chǔ)能設(shè)備容量配比，實(shí)現(xiàn)整體效益最大化？

日前，國家能源局正式發(fā)布《新型儲(chǔ)能試點(diǎn)示范項(xiàng)目名單》，共56個(gè)項(xiàng)目成功入選，其中包括山東省利津縣795MW/1600MWh、山西省朔州市平魯區(qū)100MW/200MWh、新疆維吾爾自治區(qū)哈密市伊州區(qū)256.5MW/1000MWh在內(nèi)的混合儲(chǔ)能項(xiàng)目7個(gè)。入選的混合儲(chǔ)能項(xiàng)目之多也成為此次新型儲(chǔ)能試點(diǎn)示范的一大亮點(diǎn)。

示范的意義是為了引領(lǐng)行業(yè)。與傳統(tǒng)單一儲(chǔ)能技術(shù)相比，混合儲(chǔ)能組合了多種不同儲(chǔ)能技術(shù)路線，充分利用各自優(yōu)勢，彌補(bǔ)單一儲(chǔ)能的技術(shù)缺陷，以縮減整個(gè)系統(tǒng)成本或增加生命周期，提升系統(tǒng)效率和綜合性能，是目前電力系統(tǒng)儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。目前，我國混合儲(chǔ)能項(xiàng)目運(yùn)行情況如何？發(fā)展還面臨哪些問題？如何科學(xué)設(shè)置各儲(chǔ)能設(shè)備容量配比，實(shí)現(xiàn)整體效益最大化？《中國能源報(bào)》記者就此進(jìn)行了采訪。

取長補(bǔ)短，恰逢其時(shí)

綜合效應(yīng)明顯

從實(shí)際運(yùn)行情況來看，混合儲(chǔ)能表現(xiàn)如何？

2020年7月，依托老千山風(fēng)場，山西省電力公司電力科學(xué)研究院率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了混合儲(chǔ)能技術(shù)（飛輪+鋰電）應(yīng)用于新能源一次調(diào)頻的并網(wǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了多種儲(chǔ)能裝置平抑風(fēng)功率波動(dòng)的可行性，為能量型+功率型混合儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模部署提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

“試驗(yàn)非常成功，功率性能指標(biāo)達(dá)到了我們的預(yù)期效果。”國網(wǎng)山西電科院新能源所所長郭強(qiáng)向《中國能源報(bào)》記者介紹，單一儲(chǔ)能系統(tǒng)性能指標(biāo)也能滿足電網(wǎng)需求，當(dāng)初提出混合儲(chǔ)能是基于儲(chǔ)能系統(tǒng)性價(jià)比的考慮。由于電網(wǎng)一次調(diào)頻具有高頻次特性，單一鋰電儲(chǔ)能為保證安全運(yùn)行，電芯更換頻率高，成本高昂。而電網(wǎng)一次調(diào)頻的隨機(jī)性，適合高頻次充放電但容量低的飛輪、超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，為保證概率發(fā)生較低的大功率、長時(shí)間的一次調(diào)頻性能，配備功率更高，容量更大的儲(chǔ)能系統(tǒng)大大增加了項(xiàng)目投資成本。混合儲(chǔ)能讓高頻次調(diào)頻由高頻次儲(chǔ)能（飛輪）完成，概率較低的大功率、長時(shí)間的一次調(diào)頻需求超出了高頻次儲(chǔ)能的功率和容量時(shí)，由長時(shí)儲(chǔ)能（鋰電）在功率和容量上進(jìn)行補(bǔ)充。這樣可以最大程度減少鋰電裝置的動(dòng)作次數(shù),提高整體系統(tǒng)使用壽命,降低事故（著火、爆炸）概率。同時(shí)，還能解決飛輪儲(chǔ)能高成本問題，提高儲(chǔ)能裝置的經(jīng)濟(jì)性。

“打個(gè)比方，混合儲(chǔ)能就像合唱團(tuán)有高音部和低音部，高音部唱高調(diào)，頻率高、幅度小；低音部頻次低，幅度大。”中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院副總工程師林雪峰告訴《中國能源報(bào)》記者，新疆鋰電儲(chǔ)能項(xiàng)目年調(diào)用充放電次數(shù)約為200次，10年2000次，而鋰電使用壽命達(dá)8—10年，循環(huán)壽命5000次。這就意味著，會(huì)有3000次循環(huán)充放電的閑置和浪費(fèi)。

若采用鉛碳電池或鈉離子電池，又不足以支撐項(xiàng)目10年的充放電調(diào)用。混合配置儲(chǔ)能，頻繁充電部分由鋰電池承擔(dān)，不太頻繁部分交給鈉離子、鉛碳電池電池。這樣的話，既可以滿足應(yīng)用需求，又避免浪費(fèi)，降低投資。”

還存在著難題

從實(shí)際運(yùn)行情況來看，混合儲(chǔ)能表現(xiàn)如何？

2020年7月，依托老千山風(fēng)場，山西省電力公司電力科學(xué)研究院率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了混合儲(chǔ)能技術(shù)（飛輪+鋰電）應(yīng)用于新能源一次調(diào)頻的并網(wǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了多種儲(chǔ)能裝置平抑風(fēng)功率波動(dòng)的可行性，為能量型+功率型混合儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模部署提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

“試驗(yàn)非常成功，功率性能指標(biāo)達(dá)到了我們的預(yù)期效果。”國網(wǎng)山西電科院新能源所所長郭強(qiáng)向《中國能源報(bào)》記者介紹，單一儲(chǔ)能系統(tǒng)性能指標(biāo)也能滿足電網(wǎng)需求，當(dāng)初提出混合儲(chǔ)能是基于儲(chǔ)能系統(tǒng)性價(jià)比的考慮。由于電網(wǎng)一次調(diào)頻具有高頻次特性，單一鋰電儲(chǔ)能為保證安全運(yùn)行，電芯更換頻率高，成本高昂。而電網(wǎng)一次調(diào)頻的隨機(jī)性，適合高頻次充放電但容量低的飛輪、超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，為保證概率發(fā)生較低的大功率、長時(shí)間的一次調(diào)頻性能，配備功率更高，容量更大的儲(chǔ)能系統(tǒng)大大增加了項(xiàng)目投資成本。混合儲(chǔ)能讓高頻次調(diào)頻由高頻次儲(chǔ)能（飛輪）完成，概率較低的大功率、長時(shí)間的一次調(diào)頻需求超出了高頻次儲(chǔ)能的功率和容量時(shí)，由長時(shí)儲(chǔ)能（鋰電）在功率和容量上進(jìn)行補(bǔ)充。這樣可以最大程度減少鋰電裝置的動(dòng)作次數(shù),提高整體系統(tǒng)使用壽命,降低事故（著火、爆炸）概率。同時(shí)，還能解決飛輪儲(chǔ)能高成本問題，提高儲(chǔ)能裝置的經(jīng)濟(jì)性。

“打個(gè)比方，混合儲(chǔ)能就像合唱團(tuán)有高音部和低音部，高音部唱高調(diào)，頻率高、幅度小；低音部頻次低，幅度大。”中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院副總工程師林雪峰告訴《中國能源報(bào)》記者，新疆鋰電儲(chǔ)能項(xiàng)目年調(diào)用充放電次數(shù)約為200次，10年2000次，而鋰電使用壽命達(dá)8—10年，循環(huán)壽命5000次。這就意味著，會(huì)有3000次循環(huán)充放電的閑置和浪費(fèi)。

若采用鉛碳電池或鈉離子電池，又不足以支撐項(xiàng)目10年的充放電調(diào)用。混合配置儲(chǔ)能，頻繁充電部分由鋰電池承擔(dān)，不太頻繁部分交給鈉離子、鉛碳電池電池。這樣的話，既可以滿足應(yīng)用需求，又避免浪費(fèi)，降低投資。”

配置要因地制宜

顯然，混合儲(chǔ)能不適用于所有情況。那么，哪些場景適合單一儲(chǔ)能，哪些場景混合儲(chǔ)能更優(yōu)？鄭華認(rèn)為，單一類型的場景，更適合單一儲(chǔ)能，比如一次調(diào)頻場景、慣量支撐場景、調(diào)峰場景，等等；而多場景耦合更適合混合儲(chǔ)能，比如一次/AGC調(diào)頻+中長時(shí)調(diào)峰。隨著輔助服務(wù)市場規(guī)則的完善和新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，分時(shí)復(fù)用場景會(huì)越來越多，混合儲(chǔ)能的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

“在目前電網(wǎng)調(diào)頻（包括一次調(diào)頻和二次調(diào)頻）、調(diào)峰等多種應(yīng)用場景下，混合儲(chǔ)能是一種性價(jià)比最高的模式。”郭強(qiáng)指出，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量配置應(yīng)該一場一案，高頻次儲(chǔ)能的功率和容量要能覆蓋當(dāng)?shù)?5%以上的調(diào)頻需求，才能保證不適用于高頻次充放電儲(chǔ)能的安全性。他強(qiáng)調(diào)，混合儲(chǔ)能的提出主要是在滿足電網(wǎng)需求和保證儲(chǔ)能系統(tǒng)安全前提下，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。不同特性的儲(chǔ)能互補(bǔ)短板，不是為了混合而混合。

“電池混合利用不是將鈉電池和鋰電池簡單地堆疊在一起，而是將鈉電池和鋰電池各自組成一個(gè)系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)由一套EMS進(jìn)行管理，類比為兩個(gè)拳擊手共用一個(gè)大腦，該出重拳時(shí)出重拳，該出快拳時(shí)出快拳。”林雪峰進(jìn)一步指出，每個(gè)場站充放電形式不一，沒辦法簡單劃定某個(gè)容量配置最優(yōu)。要根據(jù)不同工作模式，將儲(chǔ)能特性、價(jià)格、電池老化衰減等因素統(tǒng)統(tǒng)考慮進(jìn)去，做模擬仿真計(jì)算，找到最佳配比，既滿足負(fù)載性能需求又不浪費(fèi)資源，讓性價(jià)比最大化。

要想混合儲(chǔ)能發(fā)揮出“1+1>2”的效果，模型預(yù)測控制將扮演愈發(fā)重要的角色。鄭華表示，混合儲(chǔ)能在控制策略、運(yùn)維策略要根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮各儲(chǔ)能優(yōu)勢，避免其劣勢，提升綜合運(yùn)營性能和降低綜合運(yùn)營成本是關(guān)鍵，而這需要注重?cái)?shù)字化技術(shù)的加持和對運(yùn)營技術(shù)的深刻理解。此外，混合儲(chǔ)能在并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)度運(yùn)行方面還缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則支撐，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)示范與標(biāo)準(zhǔn)編制工作。