充電寶是生活中隨處可見的日常用品。一般情況下，普通的充電寶容量為1萬毫安。但華能羅源電廠的這臺“智慧超級充電寶”總容量卻相當于21萬多個1萬毫安普通充電寶的總和，充滿后可同時滿足近千戶居民家庭一天的可靠用電。更難能可貴的是，這樣的超級充電寶從充滿到完全放電僅需要幾分鐘。

 

“智慧超級充電寶”是如何運行的，是不是與手機充電寶很相似？這樣一臺巨型充電寶建造過程中攻克了哪些技術難題？對于電網的安全穩定運行有哪些作用？讓我們去一探究竟。

 

超大容量，儲存電量相當于21萬多個1萬毫安充電寶的總和

 

走進華能羅源電廠，只見傳說中的“智慧超級充電寶”——十余個巨大的白色盒子一字排開。儲能電站控制室的屏幕上，顯示著目前超級電容混合儲能調頻系統的運行狀態。

 

“5、4、3、2、1，開始！”4月初，同樣是在這間控制室，華能羅源電廠運行部值長莊淑熙，與十多位技術人員在大屏前，共同見證這個“智慧超級充電寶”開始工作?，F場，伴隨儲能投入指示燈的亮起，只見顯示在大屏上的電能存儲百分比開始跳動，幾分鐘后“小電池”圖標顯示充電已從下限到達滿格。

 

儲能，顧名思義就是存儲能量，是指通過一種介質或設備，把一種能量形式存儲起來。在電力系統，通常把大規模的電化學儲能電站比喻為“超級大電池”。

 

據了解，儲能系統充電時，由廠用電系統經干式變壓器將電壓降至0.4kV，經換流裝置整流成直流對儲能電池充電；放電時，儲能電池直流電經換流裝置轉換成交流50Hz電源，經干式變壓器升壓至6kV注入廠用電系統。隨著儲能系統的充放電，改變了廠用電功率，從而間接地調整了發電機組的功率。

 

莊淑熙以“充電寶”來解釋儲能系統工作的原理，“就像我們常用的充電寶一樣，將電能儲存起來，在電力供應波動時迅速作出反應，快速充電維持電網發、用兩側平衡。”

 

近年來，中國加快推進可再生能源開發利用，綠色低碳理念深入人心。不過光伏、風力發電有著“看天吃飯”的特性，當出現“極熱無風”“極寒無光”的情形，就容易導致電力供應出現變動，要維持頻率和電壓的穩定，就要系統調度儲能資源來平衡新能源發電的波動性。

 

“未來我國大規模的新能源并網消納需要大電網的支撐，尤其是隨著新型電力系統建設不斷推進，建設大型儲能電站是發展的實際需求和必然選擇。”華能羅源電廠黨委書記、副總經理劉銘說。

 

《“十四五”新型儲能發展實施方案》明確提出，到2025年，新型儲能由商業化初期步入規?；l展階段，具備大規模商業化應用條件；到2030年，新型儲能全面市場化發展。

 

在此大背景下，“智慧超級充電寶”的研發方——華能集團把握能源技術革命趨勢，通過優化公司科技創新布局和資源配置，帶動產業優化升級，于2022年3月16日立項開展“超級電容混合儲能輔助火電機組AGC調頻技術研究及示范應用”科技項目研究。

 

據介紹，該項目總規模達到20MW，采用復合儲能技術，包括5MW超級電容儲能系統，以及15MW/7.5MWh鋰電池儲能系統。儲存的電量相當于21.17萬個1萬毫安的普通充電寶的容量總和，可同時滿足超過1119戶居民家庭1天的可靠用電，系首次將長壽命、高安全性的超級電容儲能技術應用在火電調頻領域，有效解決了大容量超級電容儲能技術集成與調頻應用難題。項目投用后，對于提升電網安全穩定運行，促進可再生能源消納和能源轉型具有重要意義。

 

取長補短，填補了我國超級電容儲能領域的技術空白

 

姜濱，華能羅源電廠檢修部電氣專工，也是超級電容混合儲能調頻系統重要的建設者和見證者。

 

雖然有著30年的火電建設工作經驗、曾參與多個火電站建設，但談及“智慧超級充電寶”的建設之路，他依舊難掩自豪與激動。“從研發、設計到施工，每一個環節都遇到了許多難題。”

 

首先，擺在姜濱他們面前的問題就是使用什么方式儲能。

 

在采訪中，記者了解到，儲能有多種形式，每種形式都有自己的優缺點。目前，電儲能中比較適合大倍率應用且應用范圍最廣的是鋰電池，但根據實際運行情況來看，鋰電池存在壽命短、安全性低、經濟性不足等問題。

 

“雖然鋰電池具有儲能密度高、充放電效率高、響應速度快等優點，但是，鋰電池受制于充放電次數限制，導致儲能系統壽命大大低于預期。”姜濱說。

 

安全問題更不容忽視。一個大規模儲能電站，電池數量可高達幾十甚至數百萬只，其中任何一個電池出現問題，都可能引起整個電池組爆炸。

 

在綜合考慮當地電網實際調頻動作頻率和各種儲能的特性后，設計團隊篩選出了國內領先的電芯比能量大于81Wh/kg的鋰離子混合型超級電容電芯，完成了超級電容/鋰電池的選型研究、集成方案設計和熱工況性能研究，探索出“5MW超級電容+15MW鋰電池”的混合儲能模式，實現了適合電力系統調頻場景的大容量超級電容儲能系統集成。

 

姜濱表示，一個有效的充放電控制策略就是能夠最大限度地發揮不同類型儲能設備的優點，實現“1+1>2”的效果。

 

超級電容器是一種新型高性能儲能器件，介于傳統電容器和二次電池之間，使用壽命為鋰電池的100多倍，業內認為其壽命可達10年，非常適合短時間、大功率充放電，響應時間達到毫秒級。

 

“5MW超級電容+15MW鋰電池”的混合儲能模式，既發揮了超級電容儲能快的優勢，又擁有了鋰電池儲能久的特點，實現性能互補。系統參與調頻時，以超級電容為主，鋰電池為輔，具體表現為以秒為計時單位的小指令全部由超級電容參與，分鐘級的大指令則由超級電容全功率響應，鋰電池作為補充響應，顯著提升了現有儲能調頻系統綜合性能。

 

除此以外，“1+1>2”的效果還體現在火電機組和儲能系統的組合上。

 

“儲能系統具有快速精確的功率響應能力，能夠提高火電廠的調頻能力，保證電網頻率的穩定，提高電力系統運行的安全性。”姜濱說，在發電側配置儲能，對于傳統發電領域而言，主要意義在于輔助動態運行、提升調節品質。

 

據介紹，“5MW超級電容+15MW鋰電池”的混合儲能調頻系統共由2個儲能子系統組成，兩個儲能子系統分別接入電廠1號、2號機6kV母線。利用儲能系統快速調節輸出功率的能力，以火電機組作為響應自動發電控制系統（AGC）指令的基礎單元，輔以儲能系統作為補充快速響應單元，將機組出力與儲能系統出力進行合并后作為系統總出力送至電網，能夠達到改善機組AGC性能的目的。

 

“這就好比，我們以前開手動擋汽車，要想從起步擋掛到5擋，不能直接跳掛5擋，必須轉速和車速達到一定值了，一擋接一擋地往上掛，才能防止排擋損壞和保證行駛的平穩順暢。有了超級電容混合儲能系統的助力，火電機組調頻效果就像汽車由手動擋換成了自動擋。”姜濱以開車為例，形象地解釋了超級電容混合儲能輔助火電機組AGC調頻技術的作用。

 

《中國新型儲能發展報告2023》指出，目前新型儲能仍處于發展初期，在核心材料、系統集成、調度運用、安全防護等方面還有大量技術難題有待解決。此次，華能羅源電廠超級電容混合儲能工程的成功投運，充分驗證了大容量超級電容儲能技術的安全性、可靠性、經濟性，大幅提升了機組的響應速率和靈活性，填補了我國超級電容儲能領域的技術空白。

 

“充放”自如，滿足電網多元化調節需求

 

電網為什么要調頻？調頻到底是什么？

 

電網系統連接著發電側與用電側，當供需不匹配時，電網頻率就會出現波動，最常見的表現是家中電燈忽明忽暗。要想電網保持穩定，發電和用電要相對（動態）平衡。而調頻就是調整電力系統的頻率，使其變化不超過規定的允許范圍，以保證電能質量。

 

華能羅源電廠2臺660MW超超臨界火電機組與超級電容混合儲能系統“強強聯手”，實現了機組調頻性能的飛躍式提升，猶如為提高電能質量提供了穩定器。

 

華能羅源電廠運行部主值班員張海萍，在電廠集控室向我們詳細介紹了超級電容混合儲能系統如何配合發電機組進行調頻。

 

據她介紹，當發電機組單獨調頻時，出力與目標指令功率存在很大偏差；當發電機組與超級電容混合儲能系統共同調頻時，出力與目標指令功率偏差很小。超級電容混合儲能系統AGC跟蹤曲線，幾乎與AGC指令曲線重合，即響應時間、調節速率、調節精度等問題得到完美解決。

 

混合儲能系統參與調頻后，在小指令區間，可以在2秒內完成功率目標的跟蹤；在大指令區間，機組與儲能聯合出力響應迅速，機組具有較好的負荷響應性能，穩定負荷工況和變負荷工況均基本滿足《電網自動發電控制（AGC）運行管理規定》及《火力發電廠自動發電控制性能測試驗收規程》等規定的要求，機組在模擬控制方式下運行穩定，各控制子系統自動調節效果良好。

 

據福建省電力現貨市場交易平臺公布數據顯示，系統投入運行后，華能羅源電廠機組的調頻響應時間指標可提高14倍以上，調節速率可提升4倍以上，調節精度可提升3倍以上，機組整體調節性能全省第一，實現躍升！

 

加快構建新型電力系統，離不開儲能這個“智慧超級充電寶”，未來，新型儲能的發展空間還很廣闊。但在業內看來，新型儲能要實現規?；a業化、市場化發展，至少還要跨過安全和成本“兩道坎”。

 

安全是新型儲能系統堅守的底線。為此，華能羅源電廠不斷強化安全風險防范，超級電容艙、電池艙安裝快速反應氣體消防系統，艙內設置消防氣體監測裝置，實時監測艙內各氣體濃度情況。針對電芯溫度高、溫差大、電壓高、電流大均設置了邏輯保護，實現隔離控制功能。