一种超级电容器耦合锂电池的电力调频系统及方法与流程

1.本发明涉及火电机组一次调频、agc调频工艺和方法，具体涉及一种超级电容器耦合锂电池的电力调频系统及方法。


背景技术：

2.在电力系统中，储能技术在“源、网、荷、用”等领域均发挥巨大作用，主要应用场景包括：可再生能源并网、调频辅助服务、电力输配(电网侧)、分布式及微网、用户侧(削峰填谷、需求响应)。调频辅助服务占储能规模的20％左右。
3.调频分为一次调频和二次调频，对火电机组而言，长期调频会导致机组煤耗增加、可靠性降低、运行寿命减少，实测显示，调频工况导致机组运行煤耗增加2％。另一方面，优质高效调频电源稀缺，目前仍以燃煤火电机组为主要调频电源，加之大规新能源并网需求，环保压力制约机组调节能力，供热机组“以热定电”等问题，使电力调频需求进一步增长。
4.但是，目前火电厂配套辅助调频储能装备的性能，无法满足机组本身的效率及可靠性压球，影响电网补贴收益的获得，经济效益低。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种超级电容器耦合锂电池的电力调频系统及方法，能降低锂电池使用频率和充放电深度，提升锂电池寿命，从而提升机组本身的效率及可靠性，增强调频技术整体经济性，具有明显的经济效益。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种超级电容器耦合锂电池的电力调频系统，包括相互并联的超级电容器储能系统和锂电池储能系统，以及储能控制系统；
8.所述的超级电容器储能系统和锂电池储能系统分别通过储能变流器、升压变压器接入厂用6kv母线，厂用6kv母线的电流经厂用变压器与厂用母线的输出电流混合后接入电网调度终端；
9.所述的储能控制系统的输出端分别与超级电容器储能系统和锂电池储能系统控制端连接，储能控制系统输入端分别与电厂分散控制系统和电网调度终端交互连接。
10.进一步的，所述的储能变流器包括依次连接交直流转换模块和变流柜。
11.更进一步的，所述的超级电容器储能系统的控制端设置cms电容管理系统；所述的cms电容管理系统输入端与储能控制系统连接，输出端分别连接超级电容器储能系统和对应储能变流器的交直流转换模块。
12.更进一步的，所述的锂电池储能系统的控制端设置bms电池管理系统；所述的bms电池管理系统输入端与储能控制系统连接，输出端分别连接锂电池储能系统和对应储能变流器的交直流转换模块。
13.进一步的，电厂分散控制系统的输出端连接汽轮机的控制端，汽轮机的输出端连接发电机，发电机的发电端连接厂用母线。
14.进一步的，所述的超级电容器储能系统中的电容器采用高容量锂离子混合超级电容器或高容量石墨烯双电层超级电容器。
15.一种超级电容器耦合锂电池的电力调频方法，包括如下步骤，
16.所属电网调度终端根据负荷情况同时向电厂分散控制系统和储能控制系统发出调频指令；
17.电厂分散控制系统根据调频指令，通过增减煤量响应机组调频指令和机组实际负荷情况的差值信号传入储能控制系统；
18.储能控制系统根据调频指令调节超级电容器储能系统和锂电池储能系统充放电。
19.优选的，所述的调频指令包括agc指令和一次调频指令；
20.对于一次调频指令和不大于单个指令持续时间阈值且不大于单个指令波动范围阈值的agc调频指令，采用超级电容器储能系统(1)充放电单独响应；
21.对于大于单个指令持续时间阈值且大于单个指令波动范围阈值的agc指令，采用超级电容器储能系统和锂电池储能系统充放电联合响应，且超级电容器储能系统的优先级高于锂电池储能系统。
22.进一步，单个指令持续时间阈值为5min，单个指令功率波动范围阈值为5mw。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24.本发明采用相互并联的超级电容器储能系统和锂电池储能系统，将两个储能系统分别通过储能变流器、升压变压器接入电厂6kv母线，经厂用变压器与厂用母线连接，两路电流混合后送入电网调度终端，通过超级电容器和锂电池的合理配置，共同辅助火电机组一次调频和agc调频，提升调频的性能指标(k值)；同时在调频过程中，优先采用超级电容进行调频，长时间、高功率深度调频工况下，采用锂电池辅助超级电容调频，通过这种运行方式，发挥超级电容器响应速度快、循环寿命长的特点，降低锂电池使用频率和充放电深度，提升锂电池寿命和调频技术整体经济性。
附图说明
25.图1为现有火电储能调频电池soc曲线。
26.图2为本发明实施例所述的系统结构示意图。
27.图中：1
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超级电容器储能系统，2
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锂电池储能系统，3
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储能控制系统，4
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电厂分散控制系统，5
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cms电容管理系统，6
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bms电池管理系统，7
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变流柜，8
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升压变压器，9
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厂用6kv母线，10
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厂用变压器，11
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发电机，12汽轮机，13
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主变压器，14
‑
电网调度终端。
具体实施方式
28.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
29.本发明一种超级电容器耦合锂电池的电力调频系统，如图2所示，包括相互并联的超级电容器储能系统1和锂电池储能系统2，两个储能系统分别通过储能变流器(pcs)、升压变压器8接入厂用6kv母线9，经厂用变压器10与厂用母线连接，两路电流混合后送入电网调度终端14；所述的超级电容器储能系统1和锂电池储能系统2的控制端分别设置cms电容管理系统5和bms电池管理系统6，两套管理系统通过一套储能控制系统3调节；所述的储能控
制系统3与电厂分散控制系统4(即dcs)连接，同时接受电网调度终端14的调度信号；所述的电厂分散控制系统4的输出端连接汽轮机12的控制端，汽轮机12的输出端连接发电机11，发电机11的发电端连接厂用母线。
30.其中，所述的储能变流器包括依次连接交直流转换模块和变流柜7；交直流转换模块分别与对应的cms电容管理系统5和bms电池管理系统6的输入端连接。
31.其中，所述超级电容器储能系统1中的电容器为高容量锂离子混合超级电容器或高容量石墨烯双电层超级电容器。
32.其中，所述电网调度终端14发出一次调频指令，通过超级电容器储能系统1单独出力，提升调频精度；
33.所述电网调度终端14发出短时间、小功率agc调频指令，通过超级电容器储能系统1单独出力；
34.所述电网调度终端14发出长时间、大功率agc调频指令，超级电容器储能系统1和锂电池储能系统2联合出力，优先通过超级电容器储能系统1出力响应，超过超级电容器储能系统1调节能连限值，通过锂电池储能系统2出力辅助响应。
35.在实际应用中，工作步骤如下：
36.所属电网调度终端14根据负荷情况同时向电厂分散控制系统4和储能控制系统3发出调频指令，电厂分散控制系统4获得调频指令后，通过增减煤量响应机组调频指令，由于机组响应速度慢，调频指令和机组实际负荷情况的差值信号传入储能控制系统3，储能控制系统3根据指令调节超级电容器储能系统1和锂电池储能系统2充放电，对于一次调频指令和短时间、小功率agc调频指令，采用超级电容器储能系统1充放电单独响应，对于长时间、大功率agc调频指令，采用超级电容器储能系统1和锂电池储能系统2联合响应。agc调频指令的时间长短，通过单个指令持续时间阈值进行区分，本优选实例取值为5min，短时间则不大于5min；功率大小通过单个指令功率波动范围阈值进行区分，本优选实例取值为5mw，小功率则不大于5mw。
37.在以上系统的基础上，本发明还提供一种超级电容器耦合锂电池的电力调频方法，包括如下步骤，
38.所属电网调度终端14根据负荷情况同时向电厂分散控制系统4和储能控制系统3发出调频指令；
39.电厂分散控制系统4根据调频指令，通过增减煤量响应机组调频指令和机组实际负荷情况的差值信号传入储能控制系统3；
40.储能控制系统3根据调频指令调节超级电容器储能系统1和锂电池储能系统2充放电。
41.其中，所述的调频指令包括agc指令和一次调频指令；
42.对于一次调频指令和短时间、小功率agc调频指令，采用超级电容器储能系统1充放电单独响应；
43.对于长时间、大功率agc指令，采用超级电容器储能系统1和锂电池储能系统2充放电联合响应，且超级电容器储能系统1的优先级高于锂电池储能系统2。
44.目前锂离子电池储能装机容量为1.38gw，占电化学储能的80.68％，是我国目前储能市场的主力技术。随着储能市场规模不断扩大，锂离子电池价格迅速下降，目前，磷酸铁
锂电池价格约为800元/kwh，三元锂电池价格约为1000元/kwh。但是，受反应原理及电极材料特性影响，锂离子电池循环寿命短，一般＜3000次，安全性能差，功率密度低等问题。同时，面临如下瓶颈与制约：1)锂离子电池能量密度取决于正负极材料和工作电压，目前制作水平已接近理论水平，如无法构建新的储能体系，能量密度提升及成本降低空间有限；2)受制于电化学反应过程，锂离子电池无法实现快速充放电，在电化学反应过程中，由于锂枝晶的析出，导致锂电池短路风险增加，安全性能难以得到保障；3)由于正极材料相对活泼，在频繁充放电过程中，存在失效问题，导致循环寿命较低。这些问题导致目前电力储能调频工程中普遍出现了锂电池寿命严重低于设计寿命，导致大量锂电池提前退役，严重影响储能工程的质量和经济性；
45.与调峰相比，调频响应时间短，多为秒～分钟级；调节频度高，每日几百次，机组调节范围小，一般为几千千瓦级。运行过程中，储能系统需频繁充放电，现有储能系统中运行结果如图1所示，锂电池通过“浅充浅放”模式提升循环次数，增加电池寿命，导致锂电池选型设计容量远远调频所需容量。由于电池频繁充放电，导致运行寿命明显低于设计寿命，现有运行业绩证明，锂电池在运行2年后，寿命出现明显的衰减。
46.本发明中的超级电容器储能系统1与锂离子电池相比，超级电容器具有充放电速度快、功率密度大、循环寿命长、安全性能高等优点，其运行工况与调频工况相吻合。目前商用的超级电容器包括双电层超级电容器(edlc)、锂离子混合电容器(lic)，项目组调研了目前市场行能最好的锂离子电容器和电池，性能对比如表1所示。对比表明，锂电容克服了双电层电容器能量密度低、价格高的问题，同时较锂电池循环次数和安全性明显提升，在电力调频领域具备取代锂电池的潜力。
47.下表为三种典型储能器件性能对比结果。
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