close

作者：吳田1,2林閩城3海浩3孫海漁3溫兆銀4馬福元1,2

單位：1.浙江浙能技術研究院有限公司；2.浙江省太陽能利用及節能技術重點實驗室；3.寧夏棗泉發電有限責任公司；4.中國科學院上海硅酸鹽研究所

引用：吳田,林閩城,海浩等.面向一次調頻的鎳氫電池系統開發[J].儲能科學與技術,2022,11(07):2213-2221.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-

4239.2022.0140


摘 要新能源大規模併網降低了電力系統的轉動慣量水平和抗擾動能力，削弱了電網的頻率穩定性，增加了電網一次調頻的難度。面對日益繁重的調頻壓力，開發一種能夠響應電網一次調頻的新型儲能系統具有重要的意義。本文通過對西北某火電廠660 MW機組的一次調頻實際工況分析，提出了鎳氫電池儲能系統參與一次調頻的容量最優設計和控制策略。進一步地，針對目標容量為5 MW/0.5 MWh的儲能系統，研製高功率的鎳氫電池單體、電池模塊以及電池系統，並進行了充放電倍率、循環壽命、一致性、一次調頻工況等多項測試。結果表明：鎳氫電池單體具有10 C充放的功率特性和淺充淺放條件下48萬次的長循環壽命，電池模塊以及電池系統具備在大功率測試條件下穩定工作的能力。驗證了鎳氫電池儲能技術在火電一次調頻中應用潛力。
關鍵詞鎳氫電池；儲能系統；一次調頻；荷電狀態
近年來開發利用新能源技術已成為世界各國保障能源安全、應對氣候變化、走可持續發展道路的重要舉措。由於新能源具有明顯的波動性和間歇性，大規模接入電網會降低電力系統的轉動慣量水平和抗擾動能力，導致電網一次調頻能力下降，引起頻率的不穩定。目前，我國主要是應用傳統機組進行一次調頻，但是隨着其裝機比例逐漸萎縮，電網中將會出現調頻資源不足的問題。另外，若長期依靠火電機組承擔頻率調節任務，也會造成發電設備磨損、煤耗增高、備用容量導致的發電損失等一系列負面影響。快速發展的儲能技術具有響應時間短、調節速率快、調節精度高等優勢，可作為優質的調節資源參與到電網的一次調頻，從而有效地緩解傳統機組的調頻壓力。
一次調頻具有短時功率大、持續時間短、充放電頻次高等特性，宜選用功率型儲能技術。目前，國內外學者對功率型的儲能系統參與一次調頻已進行了較多的研究和應用。例如，Swierczynski等測試表明1.6 MW/400 kWh的鋰離子電池儲能系統成功地為丹麥電力市場提供一次調頻服務，並具備較高經濟收益。文獻中仿真分析結果表明，飛輪儲能輔助火電機組參與電網一次調頻可以減小火電機組的調頻負擔。Huang等針對峰期和非峰期兩個典型工況對超級電容器參與一次調頻進行了仿真分析，結果表明12 MW-10 s的小容量系統可以實現最佳的調頻效果。然而，上述研究主要都集中在鋰離子電池、飛輪儲能和超級電容器三種儲能方式，關於大容量、高功率鎳氫電池儲能系統參與一次調頻的研究則較少。
鎳氫電池和目前主流的鋰離子電池儲能技術相比(表1)，具有功率性能好、系統單位功率帶電量低以及電池的利用率高等優點。同時，鎳氫電池採用的是水系電解液，可以避免大電流頻繁充放條件下電池熱失控帶來的安全性問題。與現有的超級電容器和飛輪儲能技術相比，鎳氫電池在能量密度和系統一次投入成本上也具有一定的優勢。從上述幾種典型的功率型儲能器件對比來看，鎳氫電池的綜合性能較好，是一次調頻技術中最有發展潛力的儲能方式。

表1鎳氫電池與鋰離子電池、超級電容器以及飛輪儲能的性能對比

因此，為了探索鎳氫電池儲能技術在一次調頻中的應用潛力，本文首先基於火電機組的一次調頻實際工況，研究了鎳氫電池儲能系統參與一次調頻的容量配置和控制策略。其次，針對目標容量為5 MW/0.5 MWh的儲能系統，研製了高功率鎳氫電池單體、模塊以及系統，並對其進行了性能測試的研究，最後對鎳氫電池儲能系統進行了簡單的成本核算。
1 鎳氫電池工作原理
鎳氫電池由金屬氫化物(MH)負極、Ni(OH)2正極和KOH水系電解液以及隔膜構成，圖1為鎳氫電池的工作原理，其化學反應如下：

圖1鎳氫電池工作原理
(1)
鎳氫電池的正極通常通過鎳化合物粘貼到泡沫鎳基體中製成，負極採用儲氫合金塗層的帶孔鎳箔或泡沫鎳。其正負極片均具有大表面積的多孔結構以及高的電子導電性，因此鎳氫電池具備低內阻和高倍率特性。此外，鎳氫電池還具有環境友好，回收價值高，壽命長以及維護成本低的優點。目前，國內生產的鎳氫電池以小容量、低倍率、偏能量型為主，在小型數碼類產品、電動工具、混合動力以及港口機械等領域均有一定的應用。
2 儲能系統容量配置和控制策略
2.1　儲能系統功率/容量配置設計
基於《併網發電廠輔助服務管理實施細則(試行)》和《發電廠併網運行管理實施細則(試行)》兩個細則的管理辦法的要求，一次調頻是指當電力系統頻率偏離目標頻率時，發電機組通過調速系統的自動反應，調整有功出力減少頻率偏差所提供的服務，是傳統機組的必備功能。通常情況下，儲能系統輔助火電機組參與一次調頻時，其死區設置大小和火電機組一致，為49.967～50.033 Hz(±2 r/min)。圖2是儲能系統功率輸出跟隨頻率變化的響應過程。在死區範圍內，儲能系統可以不參與電網一次調頻，當電網頻率越過死區處於低頻時(<49.967 Hz或2998 r/min)儲能系統通過放電為傳統發電機組增加輸出功率，當電網頻率處於高頻時(>50.033 Hz或3002 r/min)可以作為機組的廠用負荷吸收功率，來達到一次調頻的效果。

圖2儲能系統參與一次調頻的死區設置
為了得到儲能系統的功率設計，統計了西北地區某火電機組典型工況下的頻率偏差值以及概率密度曲線，如圖3(a)、(b)所示。通過對頻率差信號進行分析，按照火電機組的調速器模型，得到了典型周內機組對一次調頻負荷的需求分布[圖3(c)]。從圖中可以看出，死區之外的頻率差信號大多數在2997～2998 r/min及3002～3003 r/min範圍內，且死區之外的頻率波動以及負荷需求近似符合正態分布。基於95%置信區間的計算結果，系統功率配置超過5 MW之後，再增加功率對滿足一次調頻需求所帶來的收益較小。此外，大部分的功率需求持續時間都在1 min以內，正向/反向調節的功率、頻次也基本相近。因此，儲能系統配置的電池需同時具備大功率充電和放電的能力，容量大小能夠在滿功率的情況下支持2 min以上。根據上述功率需求和鎳氫電池的特性，下文研製了最大使用倍率為10 C、最大功率輸出持續時間可達6 min以及能夠滿足機組多個周期內的一次調頻需求的高功率鎳氫電池。因此，通過上述分析，儲能系統的功率/容量配置在5 MW/0.5 MWh，能有效且經濟地輔助火電機組響應一次調頻。

圖3一次調頻需求統計分析
2.2　控制策略
圖4是火電機組和儲能系統參與一次調頻的協調控制邏輯。如圖所示，當火電機組單獨響應一次調頻時，發電機組的調速器系統會根據一次調頻死區之外的頻率偏差值，按照下垂控制(K=∆P/∆f)的方法，通過調節汽輪機閥門的動作來增減機組的輸出功率。由於一次調頻的頻繁動作會造成設備有較大的磨損，因此如果將小頻差的調節任務主要分配給儲能系統承擔，則可改善閥門運行條件，並提升安全可靠性。

圖4儲能系統參與一次調頻系統協調控制邏輯
由於鎳氫電池儲能系統滿功率最大持續時間為6 min，長時間單方向向上或向下的小頻差調節會導致電池過充/過放以及溫升過高的問題，影響鎳氫電池的使用壽命。因此，為了使儲能系統在全生命周期內高效地滿足一次調頻的需求，本文綜合考慮了鎳氫電池的充放電特性、電網頻率偏差、電池SOC和溫度等因素，在文獻的基礎上建立了鎳氫電池儲能系統參與一次調頻的綜合優化控制邏輯，如圖5所示。在圖5所示的控制邏輯中，原來由火電機組響應的調頻動作量∆P1的信號可以傳遞給協同控制器，協調控制器實時收集電池溫度和SOC狀態等信息進行綜合判斷，最終給儲能系統裝置分配調頻動作量∆P2。其中∆P1為調速器系統根據頻率偏差計算的輸出功率；SOC為鎳氫電池系統的荷電狀態；∆P2為儲能系統實時功率輸出；P額為儲能系統的額定功率。

圖5儲能系統參與一次調頻系統控制策略
儲能系統功率輸出∆P2綜合判斷邏輯如下。
（1）在鎳氫電池組單體最高溫度>45 ℃，∆P1和SOC參數為任意值，此時∆P2=0，儲能系統執行禁止充電和放電，保證系統溫度維持在合理的範圍內。
（2）在鎳氫電池組單體最高溫度≤45 ℃，電池SOC參數在40%～60%時，當∆P1≥0，∆P2=min(∆P1，P額)；∆P1＜0，∆P2=max(∆P1，-P額)。
（3）在鎳氫電池組單體最高溫度≤45 ℃，電池SOC參數60%～90%時，當∆P1>0，，P額)；∆P1＜0，∆P2=max(∆P1，-P額)；當∆P1=0，，儲能系統在死區調節範圍內將電池SOC拉至平衡防止過充。
（4）在鎳氫電池組單體最高溫度≤45 ℃，電池SOC>90%時，當∆P1>0，∆P2=0，儲能系統執行禁止充電；∆P1<0，∆P2=max(∆P1，-P額)；當∆P1=0，∆P2=-P額，儲能系統在死區調節範圍內將電池SOC向下拉至平衡。
（5）在鎳氫電池組單體最高溫度≤45 ℃，電池SOC在10%～40%時，當∆P1>0，∆P2=min(∆P1，P額)；∆P1<0，，-P額)；∆P1=0，∆P2=-P額×，儲能系統在死區調節範圍內將電池SOC拉至平衡防止過放。
（6）在鎳氫電池組單體最高溫度≤45 ℃，電池SOC<10%時，當∆P1>0，∆P2=max(∆P1，-P額)；∆P1<0，∆P2=0，儲能系統執行禁止放電；當∆P1=0，∆P2=P額定，儲能系統在死區調節範圍內將電池SOC向上拉至平衡。
上述控制邏輯中，儲能系統功率∆P2的輸出通過電池溫度、動態SOC以及火電機組下垂功率∆P1來綜合確定，既兼顧了系統壽命和SOC恢復的需求，又能保證儲能的出力深度。
3 電池系統研製與測試
針對5 MW/0.5 MWh最終目標的一次調頻儲能系統，本文首先研製了1.2 V/50 Ah的單體電池，該單體電池容量的大小既保證了儲能系統集成對大容量電池的要求，又能同時滿足單體電池製造工藝和內部散熱的要求。之後依次將單體電池串聯組成24 V/50 Ah的電池模塊和720 V/50 Ah的電池系統並進行測試分析。
3.1　1.2 V/50 Ah的鎳氫電池單體
正負極採用端面焊接的大圓柱結構，並通過正負極N/P比例、泡沫鎳面密度、電解液配方、極片厚度以及生產工藝等優化設計，製備了1.2 V/50 Ah高功率鎳氫電池單體，如圖6(a)所示。該鎳氫電池單體的功率性能好，分別在0.5 C、1 C、2 C、3 C、5 C、10 C倍率條件下, 充/放電容量可達額定容量50 Ah的90%以上[圖6(b)、(c)]。相比於傳統的能量型鎳氫電池和鋰離子電池，具有明顯的功率優勢。同時電池在50% SOC平衡電量的狀態下，分別在5 C和10 C條件下最大可持續充/放電6 min和3 min，且15 s淺充/放周期(相當於4% DOD放電深度)的運行壽命超過了48萬次[圖6(d)]。上述測試結果表明，高功率鎳氫電池在秒級的大電流工況條件下具有高的壽命可靠性。

圖6鎳氫單體電池的結構設計和性能測試
3.2　24 V/50 Ah的鎳氫電池模塊
將上述20個高功率鎳氫電池單體串聯成24 V/50 Ah的電池模塊，各電池單體按照4×5的排列放置在絕緣隔板上，配上電池管理系統中的主動均衡模塊單元，並在每兩個單體電池之間採集電池的溫度和電壓信息，實時對電池運行狀態進行監控，其結構設計如圖7所示。為防止電池在大電流條件下的溫度升高過快，在電池模塊的結構中設有強制風冷系統，實現單體電池運行溫度的一致性，提高電池的能量效率並延長壽命。圖8是在室溫條件下對該電池模塊以500 A(10 C)充電至截止電壓32 V，擱置0.5 h，再以500 A放電至截止電壓22 V的制度進行高倍率充放電試驗，以測試單體電池之間電壓和溫度分布的一致性。從圖8中可以看出，電池單體之間最大壓差僅為92 mV，最大溫差為6 ℃，證實了單體之間電壓和溫度的均一性。

圖7鎳氫模組結構設計

圖8電壓和溫度分布一致性測試
圖9是電池模塊按照火電機組8 h內一次調頻工況和2.1節中的控制策略開展測試後所得到電池模塊出力深度、電壓以及荷電狀態(SOC)的圖。由測試結果可知，電池的輸出功率能快速響應頻率的波動信號，同時電池SOC狀態基本維持在30%～60%區間，工作狀態良好。8 h長周期工況測試，驗證了鎳氫電池模塊參與一次調頻的出力效果以及可行性。

圖9鎳氫電池模組參與一次調頻的工況測試
3.3　720 V/50 Ah的鎳氫電池系統
將30個上述標準化的電池模塊串聯組成720 V/50 Ah的電池系統後，可實現對外輸出360 kW的功率。由於測試設備功率限制，本文以最大允許的電流250 A(5 C)對該電池系統進行充放電功率實驗，結果如圖10所示。從圖中可以看出，該電池系統5 C倍率條件下的充放電曲線和1.2 V單體電池相似，充放電持續時間可達20 min，庫侖效率為90%，能量效率為75%。由此可以看出，串聯設計的電池系統可以和鎳氫電池單體、模塊一樣具備優異的功率性能。

圖10鎳氫電池系統的性能測試
3.4　鎳氫電池系統成本核算
儲能成本是決定儲能技術應用和產業發展規模的重要參數。在功率型儲能應用場景中，一般採用功率成本指標(萬元/MW)來評價儲能技術的系統成本。鎳氫電池儲能系統的初始投入成本可以簡單分為直流側設備成本、交流側設備成本以及系統集成成本。本文開發的高功率鎳氫電池系統的直流側設備總成本大概在600萬～700萬元/MWh，其中鎳氫電池單體的容量成本占90%，電池管理系統成本和成組成本大概各占5%。考慮到已投運的火儲聯合調頻項目中，功率型磷酸鐵鋰電池系統容量按2 C方案配置的項目較為常見。因此，本文將鎳氫電池系統(10 C方案)與功率型磷酸鐵鋰電池系統(2 C方案)的成本進行了簡單的對比，見表2。從表中可以看出，鎳氫電池系統初始投入成本比鋰離子電池系統低75萬～125萬元，同時功率成本也略占優勢(低15萬～25萬元/MW)。但需要指出的是，高功率鎳氫電池的能量成本高於功率型磷酸鐵鋰電池，且6 min時長的鎳氫電池儲能系統暫不適合應用於電網的二次調頻。

表2鎳氫電池儲能系統與鋰離子電池儲能系統成本參數對比

4 結論
（1）通過一次調頻的工況真實數據分析，並結合鎳氫電池最大充放電倍率特性，提出了儲能系統輔助火電機組參與一次調頻的最優功率/容量配置。並基於機組負荷需求、電池荷電狀態(SOC)以及電池溫度等因素綜合考慮，建立了鎳氫電池儲能系統參與一次調頻的協調控制策略。
（2）以5 MW/0.5 MWh為最終目標的一次調頻儲能系統，研製了高功率的鎳氫電池單體、電池模塊以及電池系統。1.2 V/50 Ah鎳氫電池單體具有10 C的倍率特性以及淺放電深度下48萬次的長壽命，24 V/50 Ah電池模塊以及720 V/50 Ah電池系統可以在大功率測試條件下穩定工作。
（3）本文的研究給火電機組一次調頻技術提供了一種新的儲能方式，測試結果對下一步研究鎳氫電池儲能技術在一次調頻工程應用具有重要的參考意義。

第一作者：吳田（1991—），男，博士，工程師，研究方向為先進電池技術，E-mail：wutian@zjenergy.com.cn；

通訊作者：馬福元，高級工程師，從事儲能系統研究，E-mail：mafuyuan@zjenergy.com.cn。



相關文章：

《儲能科學與技術》推薦|孫志高等：氨基酸側鏈對HCFC-141b水合物形成的影響

《儲能科學與技術》推薦|童莉葛等：熱化學反應器放熱過程模擬及參數影響規律

《儲能科學與技術》推薦|霍思達 等：基於CiteSpace知識圖譜的鋰電池複合電解質可視化分析

郵發代號：80-732

聯繫熱線：010-64519601/9602/9643

投稿網址：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml

arrow
arrow
    全站熱搜
    創作者介紹
    創作者 鑽石舞台 的頭像
    鑽石舞台

    鑽石舞台

    鑽石舞台 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()