用于电力系统调频的超级电容储能系统

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0535

本文亮点：本文概述了用于电力系统调频的超级电容储能系统，介绍了电力系统的调频需求以及使用超级电容进行调频的优势，整理了用于电力系统调频的超级电容储能系统的控制策略和容量配置方法，梳理了使用超级电容储能系统进行电力系统调频的工程案例，并对超级电容调频技术进行了展望。

摘 要 随着可再生能源在电力系统中的渗透率不断提高，其间歇性和不确定性对电力系统的频率稳定性产生了深刻影响。作为一种新型储能技术，超级电容具有功率密度高、循环寿命长、工作温区宽等优点，可作为提升电力系统调频能力的重要手段。本文概述了用于电力系统调频的超级电容储能系统。首先，介绍了电力系统的调频需求以及使用超级电容储能系统进行调频的优势。其次，整理了用于电力系统调频的超级电容储能系统的控制策略和容量配置方法。其中，控制策略涵盖了下垂控制等经典控制方法和模型预测控制等先进控制策略。容量配置方法归纳了基于规则的方法和基于优化的方法。然后，梳理了使用超级电容储能系统进行电力系统调频的工程案例，着重分析了以“超级电容+锂离子电池”为代表的混合储能系统的系统架构、运行模式、经济性等。最后，对超级电容调频技术进行了展望，给出了目前学术界和产业界尚需加强合作、协同攻关的建议以推动该技术的大规模应用和高质量发展。

关键词 电力系统调频；超级电容；控制策略；容量配置；工程案例

电力系统频率是衡量系统运行状态的重要指标，能够反映系统提供的有功功率与负荷之间的平衡程度。负荷侧或发电侧的随机波动可能导致电力系统出现功率不平衡，进而引发电力系统频率不稳定。电力系统频率偏离额定值过大时可能导致大面积停电甚至电力系统崩溃。因此，电力系统调频技术对于维持系统稳定至关重要。

随着可再生能源的高比例并网，其随机性较大和波动性较强的特性给电力系统的稳定性带来了一定的影响，如频率稳定性降低、频率波动变快、脱网风险增加等。因此，电力系统对调频提出了更高的要求，如提高调频响应速度和提升调节的灵活性等。传统电力系统调频方式主要依赖火电机组、水电机组、抽水蓄能等装置，其中，火电机组由于机械系统性能限制，其调频响应时间较长，调节响应慢，且其在处理频繁的扰动时会产生较大的磨损，不适合参与较短周期的调频；水电机组除了设备磨损问题外，其调频容量还会受水资源季节性限制以及地域问题的影响，其调频功能往往不能满足要求；抽水蓄能的调频效果虽好，但其存在建设要求高、效率低、特性复杂等问题。因此，现代电力系统需要新的调频手段，来弥补已有手段的不足，同时能够应对新的挑战。

相对传统电力系统调频方式的不足，储能系统参与电力系统调频的优势变得越来越明显。具体来说，通过多个储能单元构成的储能系统在调频中的响应速度、调节精度、灵活性、经济性等方面优于以火电机组、水电机组和抽水蓄能为代表的传统电力系统调频方式。在响应速度方面，储能系统较火电机组而言具有快速性和参数可定制性的优势，因此储能系统对于频率变化的响应速度远快于火电机组，可以实现毫秒级至秒级的响应，大幅降低了频率调节所需的时间；在调节精度方面，储能系统可以借由其快速响应的特性，对频率进行更精确的调控，提升调频响应精度；在使用和配置的灵活性方面，储能系统的配置更加灵活，其受地理位置和季节因素的制约较小，另外储能系统在调频操作上更加灵活，能随时充放电，可灵活调节出力，并能对上调和下调功率实现快速转换；在经济性方面，首先，储能系统能够更好地应对频繁调频的情况，减少火电和水电机组设备磨损，降低运行维护的费用，其次，储能系统除了参与调频之外，同时能够通过市场运作实现盈利，对自身的费用进行补偿。

超级电容作为一种新型储能器件，与其他常见储能器件的能量密度、功率密度、充放电时间和循环寿命等参数的对比如表1所示。和其他储能器件相比，超级电容在具有良好能量密度的同时，同样具有功率密度高、循环寿命长以及工作温度范围广等优点，因此，基于超级电容的储能系统在电力系统调频领域有着独特的优势。因其具有较高的功率密度，超级电容能够在电网发生波动时快速吸收或释放功率，从而满足电力系统调频对瞬时功率波动的补偿需求。其次，超级电容具有极快的充放电速度，可以实现毫秒级到秒级的充放电，从而能够实现对电力系统的调频指令做到快速响应。此外，超级电容的高循环寿命和宽工作温度范围使其能够适应极端气候地区的电网调频。综上所述，超级电容的特性使其非常适合用于电力系统的快速调频，并能够有效应对新能源并网带来的频率波动问题，进而提高电网的稳定性和可靠性。

表1   超级电容特性

然而，超级电容在电力系统调频的应用中仍面临着许多问题与挑战。例如，超级电容在吸收或释放功率过程中的精确出力与调频效果直接相关，因此，采用恰当的控制策略以解决上述问题对充分发挥超级电容的优势至关重要。此外，在实际部署当中，超级电容的容量配置直接关系到系统的实用性与经济性。容量过大会导致资源浪费与成本增加，容量过小则难以满足调频需求。因此，如何合理地对超级电容进行容量配置仍旧值得进行深入的探索。

本文基于电力系统的调频需求和超级电容调频技术的优势，梳理了超级电容调频的控制策略与容量配置方法，并总结了应用于实际工程的典型案例。

1 超级电容调频控制策略

设计恰当的控制策略对于保障超级电容在调频过程中精准出力至关重要，现有的控制策略大致可以分为两类：经典控制策略和先进控制策略。经典控制策略主要包括下垂控制、虚拟惯量控制，以及基于二者的混合控制。先进控制策略主要包括模型预测控制(model predictive control, MPC)、模糊逻辑控制(fuzzy logic control, FLC)和数据驱动控制等。超级电容的调频控制策略汇总如表2所示。

表2   超级电容储能系统控制策略

1.1经典控制策略

作为一种经典控制策略，下垂控制通过模拟同步发电机的下垂特性，根据频率的偏差调整超级电容的输出功率。其优势在于具有出色的稳态调节能力，不需要精确的系统模型，且可以平衡多个储能单元的功率。例如，一种采用下垂控制动态调整超级电容输出功率的分散式控制策略被用于电力系统调频控制中，该控制策略通过减小超级电容荷电状态(state of charge, SOC)的波动来实现控制优化。此外，动态下垂控制中的下垂系数可基于调频单元的额定功率和系统的频率偏差进行动态调整，以增强电力系统频率的稳定性。

虚拟惯量控制作为另外一种经典的控制策略，通过模拟同步发电机的惯量，根据频率变化率控制超级电容快速释放或吸收功率，以抑制频率的波动。虚拟惯量控制具有出色的动态调节能力，可以降低频率偏差的峰值，适用于频率波动较剧烈的场景。例如，在综合考虑设备安全、调频指标和调频成本之间的耦合关系的同时，利用超级电容并结合虚拟惯量控制，一套基于规则的控制流程可被用于调频控制。此外，为了减少超级电容的容量需求，在应用虚拟惯量控制对超级电容进行调频控制的同时，采用基于变功率跟踪的方法对风机的发电功率进行动态调整，可实现风机性能和调频经济性的提升。

基于下垂控制和虚拟惯量控制这两种经典的控制策略，二者的混合控制策略也得到广泛研究。下垂-虚拟惯量混合控制策略结合了下垂控制的稳态调节能力和虚拟惯量控制的动态调节能力，通过下垂控制调整频率的偏差，并利用虚拟惯量控制快速抑制频率的变化率，实现稳态-动态的协同控制。一方面，在下垂-虚拟惯量混合控制策略中，两种控制策略可以同时对调频控制起作用。例如，混合控制策略可控制超级电容辅助风机进行调频，并考虑超级电容的过充过放现象，引入相关约束对超级电容的SOC进行调整。另一方面，下垂控制和虚拟惯量控制两种控制策略可基于一定的规则确定优先级，分别对调频进行控制。考虑两种控制策略使用的优先级和协同性，根据频率的偏差和变化率方向，控制策略选择合适的投入类型，从而控制超级电容在不同场景下精准出力，既实现了调频效果的提升又避免了超级电容的过度使用。

1.2先进控制策略

MPC是一种常见的先进调频控制策略，可以根据系统建立的模型对未来状态进行预测，在对其进行优化时可以考虑各种约束，并且可以实时地对系统进行控制。MPC在调频中可以将储能系统和可再生能源的功率进行平衡，并同时考虑储能系统的容量和功率等其他约束。针对超级电容快速响应的场景，使用MPC可结合电压轨迹约束来防止能量耗尽引起的二次频率扰动。对于设备老化的问题，MPC通过考虑粗细粒度时间尺度，利用超级电容的高功率特性来避免电池等高能量密度设备的功率波动，并实现对调频信号的实时调控。为了减少扰动干扰，MPC还可结合分数阶控制和虚拟惯量设计集中系统，用于调整超级电容的输出功率。

另一种先进控制策略FLC，对模型的精确性要求低，可通过构建模糊规则库将输入变量映射到输出变量，以处理输入输出变量的非线性关系。因此，FLC有着很强的鲁棒性，即使用于存在参数不确定的情况也具有良好的控制性能，非常适合新能源高渗透场景。针对储能系统的非线性响应特性，以频率偏差、偏差变化率和SOC为输入设计FLC，通过模糊规则库按需调整充放电策略，在没有精确模型的情况下仍可确保调频精度，同时可平衡储能设备的寿命损耗。另外，在混合储能场景中，可设计分层的FLC(上层+下层)，上层设计模糊规则并动态分配超级电容和电池功率比例，下层实现快速跟踪缓解高频充放电老化及增强抗扰能力。

数据驱动控制是根据历史数据的特征和规律进行决策的一种先进控制策略，不需要对系统复杂的机理建模。在调频中，数据驱动控制可以从历史调频数据中学习，在线感知系统状态并做出相应的决策。基于超级电容的能量动态特性，数据驱动的神经网络结构对模糊控制规则库进行在线训练，利用频率偏差、储能设备SOC等参数实时调节控制器的输出函数，使混合储能在电网需要时能够自适应地调整其调频功率，提升与电网需求相对应的频率支撑能力。借助神经网络结构，优化功率分配系数和减小储能寿命损耗，分析风电功率的变化，解析调频功率的分配，进而使超级电容负责高频分量部分而电池负责低频分量部分，并根据健康状态评估反馈修正参数，实现对短期响应和长期稳定的平衡。

2 超级电容容量配置方法

在超级电容调频的应用部署中，为实现系统经济性的优化，需要对超级电容进行恰当的容量配置。目前对于超级电容的容量配置方法主要分为两种：一种是基于部件特性、工程需求以及控制策略，通过一定规则配置容量的方法；另一种是基于优化模型，通过优化算法配置容量的方法。

对于通过一定规则配置容量的方法，其适用于大规模的工程应用，计算效率较高。一方面，部件特性和工程需求是基于规则配置容量的方法需要考量的重要因素。例如，根据超级电容的成本、放电效率、备用容量与网侧变换器的输出功率限制，考虑负荷突增扰动下的调频需求，对超级电容模组的串并联数量进行计算以实现容量的合理配置。与实际工程中的调频需求相结合，考虑超级电容的耐压、通流能力及其变换器的工程约束，通过一定的规则流程确定超级电容的容量，可实现工程可行性与经济成本的平衡。另一方面，基于规则配置容量的方法也可考虑控制策略的影响。例如，结合下垂控制和虚拟惯量控制两种控制策略，以目标频率和目标频率变化率为依据可分别确定系统的下垂系数和惯量系数，并据此对超级电容的容量进行配置。此外，基于虚拟惯量控制策略，可构建包含超级电容投资成本的数学模型，并利用数值积分的方法量化瞬态能量需求，以确定超级电容的容量，在保证调频性能的同时实现容量配置成本的优化。

对于通过优化算法配置容量的方法，其利用的优化算法一般可以分为群智能算法和数学规划算法。群智能优化算法主要包括粒子群优化算法和进化算法等，可通过模拟自然界中生物个体的协同行为实现高维解空间的全局寻优，适用于含多变量耦合的复杂系统模型。例如，在基于超级电容的混合储能系统调频背景下，以最大化储能系统净收益为目标，并考虑储能系统SOC的约束，利用粒子群算法可确定超级电容的最优容量。此外，利用差分进化算法结合模糊逻辑控制策略，以电网频率偏差为约束，最小化超级电容的容量成本，可实现控制策略与容量配置的协同设计。另一方面，数学规划算法主要包括混合整数优化、线性优化和非线性优化等，在含确定性参数的大规模问题中展现出显著计算效率优势，确保解的最优性与收敛性。例如，首先结合系统的频率响应模型对调频能力进行量化，然后考虑波动平滑、调频能力和投资成本，建立线性优化模型以最小化超级电容的容量，并利用广义Benders分解算法将优化问题分解为多个子问题进行迭代求解。此外，通过建立非线性优化模型，采用两级算法可对超级电容的容量进行计算。具体来说，首先根据频率动态模型对超级电容的容量进行估算，然后将估算值作为区域缩减迭代算法的初始值，以进一步计算所需超级电容的精确容量，可实现超级电容利用率的有效提升。

3 超级电容调频工程案例

考虑合适的控制策略与容量配置方法，超级电容已逐渐成为电力系统调频的关键技术。具体来说，通过考虑超级电容与电源、负荷的互动，将超级电容集成到原有电力系统中，不仅可以平衡能源之间的间歇性，还可以提供即时的能量支撑，增强电力系统的可靠性。目前，超级电容辅助电力系统调频已有大量工程案例，其中，已投运、建设中以及投标中的部分典型工程案例见表3。

表3   超级电容调频项目

从地区分布看，超级电容调频项目覆盖范围广泛，广东、河北、西藏、宁夏等十余省份均有分布。超级电容调频技术也克服高海拔地区的限制，在西藏拉萨与日喀则两地均有布局。此外，山东、福建为超级电容调频项目集中区域，内蒙古自治区也依托丰富的能源优势推动超级电容调频项目加速发展。目前，全球首个全超级电容储能调频系统落地内蒙古呼伦贝尔。从技术配置上来看，全超级电容储能调频系统较少，以“锂电池+超级电容”这类混合储能调频系统为主导模式。这是因为电网调频不仅需要快速吸收和释放功率，还需要持续一定时间的能量支撑。而全超级电容储能调频系统在提供所需的峰值功率后，无法维持所需的调节时长，如果为了达到所需的持续调频时间，则会导致调频系统体积和经济成本的增加。对于混合储能调频系统来说，系统中的超级电容侧重短时高频调频，系统中的锂电池承担长时储能，整个系统可兼顾锂电池和超级电容两者的优势，实现调频的快、准、稳，典型案例如山东莱州项目(244 MW/488 MWh锂电池+4 MW/30 s超级电容)和甘肃嘉峪关项目(475 MW锂电池+25 MW超级电容)。此外，超级电容搭配其他多元储能技术也呈现一定趋势，例如，宁夏银川首次尝试“锂电池+钠离子电池+超级电容”组合，浙江杭州引入“超级电容+飞轮”组合提升响应速度。可以预见，超级电容调频技术正通过规模化应用与创新融合，逐步成为电力系统灵活调频的重要支撑。

3.1全超级电容储能调频系统

如表3所示，受限于调频需求与市场惯性，全超级电容储能调频系统的工程案例仅有两个，包含一个已投运项目(内蒙古呼伦贝尔)和建设中项目(辽宁沈阳)。

以已投运项目为例，目前全球容量最大的全超级电容储能调频系统于2025年2月28日在内蒙古呼伦贝尔伊敏电厂一次性投产成功。伊敏电厂全超级电容储能调频系统突破了全超级电容储能耦合火电机组调频的关键技术，首次将组串式储能变流器应用于储能调频领域，与传统物理服务器控制系统相比，超级电容充放电调节时间大幅缩短，响应速度提升60%，有效消除了簇间环流，大幅提升了机组负荷调节精度。伊敏电厂作为东北电网首个火储调频项目，完全使用超级电容作为储能调频系统，对超级电容赋能新型电力系统发展具有重要意义。

3.2混合储能调频系统

除作为独立单元应用于储能调频系统外，超级电容更常以混合储能系统中的核心组件形式存在，其典型应用模式为与锂电池构成混合储能调频系统。此类系统能够快速充放电并精准调节输出功率，调频效果远好于常规发电机组。其系统结构如图1所示，电源侧整合火电与可再生能源形成互补发电体系；储能侧通过混合储能调频系统经变换器实现能量双向流动；控制系统涵盖电厂远端、储能就地控制及网调中心三级管理模块，实现“源、网、荷、储”协调控制，体现出混合储能调频系统在新型电力系统中的协同调频机制。

在新型电力系统调频技术的发展进程中，我国的超级电容调频技术实现了重大突破并形成示范引领效应。2022年10月，三峡集团乌兰察布“源、网、荷、储”试验基地率先完成混合储能系统直流耦合接入方式的工程化验证，为多元储能协同控制提供了技术范式。而真正标志我国超级电容调频技术进入国际前列的关键节点，是福建福州罗源电厂大容量超级电容混合储能调频项目的成功投运。该项目作为国内首个大容量超级电容与锂电池混合储能调频工程，创新性地构建了能量型与功率型储能协调控制系统，其技术方案有效解决了传统调频资源响应滞后的问题，填补了大规模超级电容参与电网调频的技术空白。以此为里程碑，全国范围内相继涌现出多个超级电容调频项目，为新型电力系统调频开辟了新路径。

以广东珠海金湾电厂为例，2023年10月投运的“锂电池+超级电容”混合储能调频系统展现了超级电容在火电调频场景中的典型应用模式。如图2所示，该系统采用分布式接入架构，将7.5 MW、7.5 MW、5 MW三组储能模块分别接入6 kV厂用电A/B/C三段母线，形成多层级协同控制网络。金湾电厂运行逻辑遵循“电网指令、联合响应、动态调节”的闭环机制，电网端调频指令通过远程终端控制系统传输至电厂分散控制系统，电厂分散控制系统同步将指令转发至储能控制系统。针对火电机组响应滞后特性，储能控制系统实时解析调频指令与机组出力偏差，通过动态功率分配算法生成调节指令，使混合储能系统快速补偿功率差额。具体而言，当需提升发电功率时，混合储能系统经高变放电辅助机组完成上调指令；反之则通过充电消纳过剩功率，待机组出力稳定跟踪目标值后，储能出力逐步退出，进入待机状态以响应下一周期指令。

该混合储能系统的调频特性在2024年某日全时段调频中标统计中得到验证。结果显示，当日58.2%的调频指令持续时长小于30秒，90%以上指令在3分钟内完成，凸显短时高频调节需求。此类工况下，超级电容凭借毫秒级响应速度与高功率密度优势，成为平抑功率波动的核心单元，而锂电池则保障中长时段能量支撑。这种“功率型+能量型”储能协同模式，有效弥补了传统火电机组调节速率不足的缺陷，体现了以超级电容作为核心组件的混合储能系统在提升电网频率稳定性方面的技术价值。

在技术创新方面，广东珠海电厂基于超级电容与锂电池的特性差异，采用“电容优先”的分级响应策略，构建了精细化功率分配机制。具体而言，当调频指令与机组实发功率偏差处于4 MW阈值范围内时，系统优先调用4 MW/0.67 MWh超级电容单元独立响应调频需求；若功率偏差超出该阈值，则启动16 MW/8 MWh锂电池储能进行协同补偿。如表4所示，某日全时段中标调频中，0∼4 MW区间累计触发286次(占比18.3%)，而4∼20 MW区间达1141次(占比73%)。这一现象表明，在广东电网辅助调频市场机制下，火电机组需频繁应对低幅高频调节需求。通过将小功率指令定向分配至超级电容，不仅充分发挥其毫秒级响应与百万次循环寿命优势，更有效规避锂电池因频繁浅充放导致的容量衰减问题，实现全寿命周期成本优化。

表4   某日全时段中标调频指令功率统计

该技术创新的经济效益已在运行实践中得到验证。2023年10月至2024年4月间，项目累计收益突破3000万元，月均收益达438万元，较混合储能调频系统投运前平均值提升2.76倍，收益增幅超40倍，按当前收益模型测算，投资回收周期可缩短至1.5年。

进一步地，以此技术配置为起点，混合储能调频系统的应用在2024年12月取得突破性进展。山西晋中左权电厂投运的“10 MW/6 min超级电容+10 MW/10 MWh锂电池”混合储能调频系统，成为全球首例10 MW级超级电容混合储能系统辅助火电调频工程。试运行数据显示，配套1、2号机组的综合调频性能提升逾100%，负荷响应速率较改造前提高3倍，辅助服务市场中标率增长65%。

如表3所示，仍有大量建设中、招标中的超级电容辅助调频项目即将落地。未来，超级电容辅助调频技术不仅可通过快速响应来提升调频经济收益，还能增强发电机组的调节灵活性，为新能源电网提供惯量支撑和动态调频能力，对实现“双碳”目标下电力系统的安全稳定运行具有重要支撑作用。

4 结论与展望

本文概述了用于电力系统调频的超级电容储能系统。首先，介绍了电力系统的调频需求并分析了超级电容这一新型储能技术在调频应用中的优势。其次，从经典控制策略和先进控制策略两个方面整理了用于电力系统调频的超级电容储能系统控制策略，并归纳了基于规则的和基于优化的超级电容储能系统容量配置方法。然后，梳理了用于电力系统调频的超级电容储能系统工程案例，并对典型案例进行了分析，揭示了超级电容储能系统在电力系统调频方面的应用价值。

虽然超级电容储能系统在电力系统调频这一应用场景中具有显著优势和巨大潜力，但超级电容调频技术仍存在诸多挑战，有待进一步研究和开发：

（1）经典控制策略计算效率较高且工程应用广泛，但在技术和经济指标的优化方面存在一定局限性。例如，经典控制策略大多基于固定的规则和参数，难以准确应对系统的动态非线性协同调度需求，无法实现多目标约束下的最优控制。同时，经典控制策略通常不考虑各电源的运行成本差异，缺乏对市场机制或动态电价的响应能力，导致资源利用效率较低、运行成本较高，难以支撑现代电力系统在技术和经济指标方面的综合优化需求。先进控制策略虽然在技术和经济指标的优化方面表现出色，但其计算复杂性较高，难以在工程上大规模应用。因此，仍需对超级电容调频系统控制策略进行深入研究，以兼顾技术与经济指标的优化和工程上的可用性。

（2）现有超级电容调频系统的容量配置方法虽然在一定程度上提高了系统的经济性和超级电容的利用率，但容量配置与控制策略的深度耦合仍需结合真实工况进一步研究。

（3）现有工程案例已初步验证了超级电容调频系统的应用价值。然而，受限于其较高的投资成本和有限的实证规模，超级电容调频系统的经济性仍需全面评估。

第一作者：徐彩莹（2002—），女，硕士研究生，研究方向为超级电容健康状态估计与寿命预测；

通讯作者：杨恒昭，研究员，博士生导师，研究方向为储能器件与系统、可再生能源系统、电气化交通系统。