案例丨国家电投混合储能、光储系统及一次调频运行效果公布

近日，中国电力企业联合会发布了电化学储能行业创新与应用典型案例。来自国家电投集团青海光伏产业创新中心的《高纬度、寒温带地区储能产品、光储系统创新及户外实证研究》中，纳入磷酸铁锂、三元锂、钛酸锂、全钒液流、双电层电容器、混合电容、飞轮储能共7种储能技术开展储能产品户外实证实验，磷酸铁锂储能电池经过三年运行效率未出现明显衰减，0.5C储能本体效率和系统效率均高于1C，三元锂储能电池经过三年运行本体效率和系统效率出现了2-6%的衰减；超级电容非计划停运系数最大为71.51%，其次是飞轮50.14%。另外，项目按照新能源装机4%配置一次调频储能系统，开展光伏系统配置混合储能（双电层电容器+钛酸锂+飞轮储能）实现一次调频特性研究，通过频率越限时长占比可以发现，配置储能可以有效降低频率波动。

高纬度、寒温带地区储能产品、光储系统创新及户外实证研究

国家电投集团青海光伏产业创新中心

有限公司

一、典型案例简介

高比例可再生能源将成为未来电力系统的关键特征，欧洲、美国和中国分别提出2050年实现100%、80%、60%可再生能源电力系统的规划蓝图。全新场景下，电力系统特征将发生显著变化，风能与太阳能将成为主力电源。随着风电、光伏并网规模的快速扩大，其自身所具有的随机波动性对电网调度、电力系统安全稳定运行及电能质量的影响日益凸显，如何降低其并网所带来的不利影响至关重要。

全球能源结构加速向低碳化转型，以光伏为代表的可再生能源大规模接入电网，其波动性与间歇性给电力系统稳定性带来严峻挑战。在碳中和大背景下，国家政策持续加码，为储能行业发展创造了良好的政策条件；储能技术呈现百花齐放的发展态势，应用场景逐步多元化；同时，电能使用需求的多样性持续提升，对电能质量的要求也逐步提高。在政策与需求的双轮驱动下，储能行业迎来高速发展期。

新型电力系统需推动新能源由“补充电源”向“主力电源”转变，通过大规模开发风、光等可再生能源，提升其在能源结构中的占比，减少碳排放。而可再生能源的波动性、间歇性，要求电力系统具备更强的调峰、调频能力。

基于此，本研究在国家光伏、储能实证实验平台（大庆基地）Ⅰ期项目开展高纬度、寒温带地区储能产品及光储系统户外实证应用研究，储能容量为12.4MW/16.6MWh，主要包含四项实验内容：储能产品户外实证实验、混合储能系统户外实证实验（混合储能技术在并网光伏电站首次户外实证应用）、光储一体化系统户外实证实验（光储一体化技术在并网光伏电站首次户外实证应用）、一次调频系统户外实证实验（混合储能技术在新能源电站一次调频场景下首次户外实证应用）。

二、解决方案

本研究在国家光伏、储能实证实验平台（大庆基地）Ⅰ期项目开展高纬度、寒温带地区储能产品及光储系统户外实证应用研究，项目储能容量为12.4MW/16.6MWh，具体实验设计与实施如下：

（1）储能产品户外实证实验。

实验纳入磷酸铁锂、三元锂、钛酸锂、全钒液流、双电层电容器、混合电容、飞轮储能共7种储能技术，开展不同技术储能产品在高纬度寒温带地区、高海拔地区户外工况下的实证运行分析。

针对大规模光伏电站配置不同储能技术和储能产品的场景开展户外实证，将实测数据与实验室数据、制造商数据进行对比分析。同时，结合特定用户需求，向行业及企业提供实证实验的详细技术成果；依据特定技术要求，为知识产权所有人提供实验实证成果数据。此外，将仍处于研发、室内试验阶段的储能技术进行户外验证应用，加速技术产业化进程。

（2）混合储能系统户外实证实验。

将全钒液流、三元锂、混合电容融合配置，深度挖掘容量型（长时储能）、能量型（能量搬移）、功率型（紧急功率支撑、二次调频）不同储能技术在不同应用场景下的互补性，实现多种储能技术“扬长避短、互补利用”。混合储能系统子阵配置情况如表1所示：

表1 混合储能系统子阵配置情况

混合储能技术在并网光伏电站首次户外实证应用。

（3）光储一体化系统户外实证实验。

在高容配比光伏系统配置储能使其功能趋同于常规能源，设置容量分别为5MW、10MW的两个光储一体化系统，开展光储融合实现常规能源替代研究。

5MW光储一体化系统由5个光储子方阵组成，光储系统理论交流侧年利用小时数达到3000h，配置情况如表2所示：

表2  5MW光储一体化系统配置情况

10MW光储一体化系统由8个光储子方阵组成，光储系统理论交流侧年利用小时数达到2500h，配置情况如表3所示。

表3  10MW光储一体化系统配置情况

光储一体化技术在并网光伏电站首次户外实证应用。

（4）一次调频系统户外实证实验。

按照新能源装机4%配置一次调频储能系统，开展光伏系统配置混合储能（双电层电容器+钛酸锂+飞轮储能）实现一次调频特性研究，一次调频储能系统由电磁类、电化学类、机械类储能组成，一次调频系统配置情况如表4所示。

表4 一次调频系统配置情况

混合储能技术在新能源电站一次调频场景下首次户外实证应用。

三、关键点与创新点

（1）储能产品户外实证实验。

通过对各储能技术在不同应用场景下的效率、可靠性等户外实证实验研究，储能产品在高纬度、寒温带典型气候条件下运行规律如下：

1）储能产品多年运行效率：磷酸铁锂、三元锂不同技术储能电池自投运以来随着运行年限的增加储能充放电效率变化有所不同，但基本可达到厂家承诺值；由于储能电池技术不同，储能电池充放电效率存在差异，磷酸铁锂储能电池经过三年运行效率未出现明显衰减，其中磷酸铁锂0.5C储能本体效率和系统效率均高于磷酸铁锂1C；而三元锂储能电池经过三年运行本体效率和系统效率出现了2-6%左右的衰减。

2）储能电池运行一致性：不同技术储能电池中，磷酸铁锂1C储能电池电芯温差偏差较大，大部分时间超过6℃，电芯运行温度一致性较差；磷酸铁锂0.5C储能电池电芯温度偏差平均在5℃左右，电芯运行温度一致性略优于磷酸铁锂1C储能电池。不同技术储能电池2024年电芯运行最大电压、最小电压基本满足储能电池设置值；其中磷酸铁锂0.5C和1C储能电芯电压极差值未出现明显差异。

3）储能产品容量衰减：不同技术、不同厂家储能电池从投运以来，经过近两年的运行，容量和充放电效率出现不同程度变化；其中磷酸铁锂储能1C（500kW/500kWh）容量衰减3.46%，磷酸铁锂储能0.5C(1000 kW/1680 kWh)容量衰减3.44%。

4）储能可靠性：统计不同类型储能产品在2024年1月1日至2024年12月31日期间计划停运和非计划停运小时数，磷酸铁锂储能非计划停运系数最小为4.93%，其次是三元锂储能5.48%；超级电容非计划停运系数最大为71.51%，其次是飞轮50.14%。从整体对比结果来看，锂离子储能运行可靠性较高，电容型储能运行可靠性较差，全钒液流和飞轮储能运行可靠性一般。

5）储能辅助系统损耗：不同技术储能系统损耗差异较大，全年不同技术储能电池总损耗最大达到5万kWh，占储能系统总充电量的10%-300%。其中温度控制调节设备损耗占比最大，占储能系统总损耗50%-80%，全年不同技术储能电池空调损耗最大超过3万kWh。

（2）混合储能系统户外实证实验。

混合储能系统2022—2024年不同典型天气下运行曲线如图1所示：

图1 混合储能系统2022-2024年不同典型天气下运行曲线

从图中可得，配置混合储能光储系统的子方阵储能系统三元锂进行了正常充放电动作，全钒液流及混合电容由于设备故障存在未能有效充放电情况，与子阵光伏容量相比，混合储能由于储能系统容量有限，对出力的平抑及能量搬移作用有限。混合储能系统2024全年平均利用率53.70%，2024全年循环次数98.26次。

（3）光储一体化系统户外实证实验。

光储一体化系统2022年不同典型天气下运行曲线如图2所示：

图2 光储一体化系统2022年不同典型天气下运行曲线

光储一体化系统2023年不同典型天气下运行曲线如图3所示。

图3 光储一体化系统2023年不同典型天气下运行曲线

光储一体化系统2024年不同典型天气下运行曲线如图4所示。

图4 光储一体化系统2024年不同典型天气下运行曲线

两个光储一体化系统2022-2024年设计利用小时数及实测利用小时数如表5所示。

表5 光储一体化系统2022-2024年设计利用小时数及实测利用小时数

从图中可得，晴天下，光储一体化系统出力波动明显小于多云和阴天；多云天出力波动高于晴天；阴天各系统储能基本不动作。

5MW光储一体化系统2024全年平均利用率65.67%，2024全年循环次数212.25次。10MW光储一体化系统2024全年平均利用率83.4%，2024全年循环次数210.94次。

（4）一次调频系统户外实证实验。

一次调频系统2022-2024年运行曲线如图5所示：

图5  一次调频系统2022—2024年运行曲线

对比光伏发电系统、配置调频储能的光储系统典型天气下频率曲线，对配置调频储能的光储系统及光伏发电系统的频率波动进行统计可以发现（见表6），以一分钟为间隔进行采样，配置调频储能的光储系统有0.46%的时间频率超出了49.5～50.2 Hz的范围，最大波动范围48.98～51.18 Hz，而光伏发电系统有3.84%的时间频率超过了此范围，最大波动范围48.46～51.22 Hz。通过频率越限时长占比可以发现，配置储能可以有效降低频率波动。

表6 光储系统及光伏发电系统频率波动统计

四、实际成效

（1）储能产品户外实证实验。

通过对储能技术开展实证实验，加快产业化应用，对产品进行实证检测、建立产品检测新标准，有利于探索实证多种技术路线，推广实证实验结果较好的技术和产品，总结经验、降低成本、提高效益，促进光伏、储能技术进步，引领行业发展。

（2）混合储能系统户外实证实验。

在光伏系统配置由容量型、能量型、功率型储能组成的混合储能系统，挖掘不同储能技术在不同应用场景下的互补性，实现多种储能技术“扬长避短、互补利用”。

（3）光储一体化系统户外实证实验。

建设等同于常规能源的“光伏+储能”电站，解决光伏电站波动性、间接性、调峰调频、送出等问题。在光伏电站中配置组合不同类型储能技术，通过光伏和储能深度融合的控制策略，功能上等同于常规能源电站的光储一体化电站，实现调峰调频功能以提高电网安全稳定性等，推动光储一体化新能源可持续发展，推进能源生产革命。

（4）一次调频系统户外实证实验。

双电层电容器+钛酸锂+飞轮储能混合储能技术在新能源电站一次调频场景下首次户外实证应用。