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随着火电机组深度调峰调频需求的增加，火电机组耦合储能装置辅助其灵活调节的方式已引起了业内广泛关注。2021年7月，国家发改委、国家能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》已明确指出，通过耦合储能设备协同优化运行保障新能源电力高效消纳利用，能够为电力系统提供容量支撑及一定的调峰能力。
在众多储能技术中，电化学储能技术成熟，不受地域限制，响应精确度高，能够通过化学反应实现化学能和电能之间的转化，不受卡诺循环限制，转化效率高，在应对不可预测、多变特性、有效缓解电网剧烈波动以及保证电网可靠性等方面更具优势，是除抽水蓄能技术之外最主要的储能技术路线[1]。截至2020年底，中国已投运电化学储能项目累计装机规模达到3262.2 MW，在储能设备积累装机总容量中位居第二[2]。因此，电化学储能技术成为了调峰电厂用以改善电厂调峰能力的关键储能技术之一，尤其在没有水电的地区，主要依靠火电厂与电化学储能技术来调节短时间内的能量不平衡，从而保障电网的稳定运行[3]。
虽然当前国家和地方相继出台了一系列支持储能参与火电厂调峰调频的政策，且火电储能联合调频技术路线不断被业内所认可，但在实际应用过程中还存在着许多亟需解决的关键问题，如由于储能调频执行方案不完整影响调频的有效性和质量[4]，储能系统并网后对机组的短路电流、厂用电安全、谐波等电能质量有所影响[5]，不同调频控制策略和储能系统状态预测方法对火储联合调频的经济性、回报率的影响[6]等。
基于此，文章将在梳理和归纳近年来电化学储能技术在火电厂中的应用进展基础上，对目前电化学储能技术参与火电厂调峰调频过程中存在的问题以及未来研究方向进行分析和展望，为后续火电储能联合调频技术的市场化推广提供理论支撑。
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电化学储能技术在火电厂中的作用主要体现在改善火电厂自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）性能方面。牛阳等[7]对电化学储能技术在参与火电厂AGC性能调节时的情况进行了研究，结果表明，当一个全天参与AGC调频的火电机组中存在单一或混合型储能装置参与辅助调节时，能够有效提高火电厂的AGC性能，将机组的Kp值（调节性能综合评判指标）分别从2.6264提高至4.0266和5.628。
不仅如此，由于燃煤发电机组将一次能源转换成电能需要经历一系列复杂的过程，对有功功率调节响应速度较慢，导致机组在承担AGC调节任务时，制粉系统会出现负载升高、设备磨损严重、发电煤耗增高等一系列问题[8]。因此，有相当一部分电力企业选择火电储能联合调频技术来弥补上述缺陷，具体系统方案如图1所示。在该系统中，当调度控制中心发布调频指令后，储能装置能够通过自身快速充放电来辅助机组完成调频工作。储能装置可直接接入电厂变压器，不会增加机组运行风险。此外，在火电机组进行一次调频时，储能系统可通过快速辅助调频的方式避免机组到达自身调频死区，使频率快速趋于正常值的范围[9]。同时，引进储能系统参加调频还可有效改善火电机组的AGC调节精度，提高机组运行经济性。
Figure 1. Schematic diagram of energy storage participating in auxiliary frequency modulation
通常情况下，火电厂中储能系统应具备以下五个特点：（1）具备高可靠性、高安全性，保障电网/机组在正常或故障工况下的可靠运行，储能系统的运行及投切不影响机组本身正常运行等；（2）较高的充放电响应速度，可满足相关调频应用场景下短时大功率输出需求；（3）高循环寿命，可匹配系统频繁往复充放电需求；（4）高能量利用率，储能系统能量可用率应达到97%以上，整体能量转换效率高于90%；（5）高度集成化，占地面积小[10]。作为同时具备以上前提条件的储能技术之一，以及凭借相对成熟的技术水平，电化学储能技术逐渐被纳入火电厂调频应用场景中。山西省容量为9 MW/4.5 MWh的电网级电储能联合火电调频试点项目于2019年通过了并网性能和火储联合调频测试，实现投运。该项目采用的磷酸铁锂电池技术提高了机组的AGC调节性能，并且显著改善了电网调度能力[11]。华润电力控股有限公司润达电厂于2019年2月实现1号机组和2号机组同时投运AGC，其中储能联合机组的调频性能明显优于机组单独调频，且机组的调节深度得到了明显的提高[8]。莱城电厂在2021年投资建设储能调频电站，利用电化学储能调节速度快、精度高的优势，联合火电机组实时调整发电出力，使得发电侧出力和用户侧负荷达到实时平衡，为电网提供了优质高效的AGC调频辅助服务[10]。
电化学储能技术包括锂离子电池、钠硫电池、铅蓄电池、液流电池等，不同种类的电化学储能的优势特点不同，因此需要针对多样化的火电厂应用需求，对电化学储能技术进行甄别。当前最常见的电化学储能技术及其适用场景如表1所示。其中，锂离子电池具有功率和能量密度高、额定电压高等特点，是高性能的储能设备，适用于调峰调频要求较高的电厂；钠硫电池和铅蓄电池可实现大容量制造，属于能量型储能设备，适用于承担削峰填谷任务的电厂；液流电池得益于特殊的电池结构，具有较高的设计灵活性，且系统自动化程度高，能够根据特定的能量和功率需求进行规划设计，因此可承担电厂的电能储存和深度调峰等任务。此外，锂离子电池与液流电池的成本较高，设计使用时更需要考虑到电厂的生产成本。
化学储能技术分类 技术特点 火电厂中适用场景 参考文献 优势 劣势 锂离子电池 功率和能量密度高，额定电压高，自放电率低，绿色环保 成本高，需要保护电路防止过充或过放，安全性低 调峰调频，平滑功率曲线，削峰填谷 [12]
[13]钠硫电池 容量规模大，能量密度高，充放电效率高，寿命长，运行成本低，维护简单 安全性低，维持运行温度能耗高 削峰填谷等电力储能服务 [14] 铅蓄电池 放电电流大，电压平稳，容量规模大，安全性高，价格低廉 能量密度较小，体积大，不环保，寿命短，自放电大 削峰填谷等电力储能服务 [15]
[16]液流电池 响应速度快，充放电性能好，安全性较高，绿色环保，系统设计灵活性高 能量密度低，运行维护费用高，技术生产不稳定 大容量电能存储，辅助调峰调频 [17] Table 1. Application of electrochemical energy storage technology in thermal power plant projects
自2011年以来，我国电化学储能在火电厂的装机规模不断增加。2017年6月起，能源局发布《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》，大力鼓励先进电化学储能技术的应用与研发。自此电化学储能装机规模急剧增加（如图2所示）。据中关村储能产业技术联盟（China Energy Storage Alliance，CNESA）的数据统计，近期规划或在建的电网侧电化学储能项目的总规模超过1.4 GWh，当前电化学储能技术在火电厂中的应用已处于商业化阶段，预计未来1～2 年电化学储能在火电厂中的应用还将迎来跨越式的发展[18]。
Figure 2. Cumulative installed capacity of electrochemical energy storage in China by 2020
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为完善电化学储能技术在火电厂的应用，需要及时发现其运行过程中的缺陷与瓶颈，并进行有针对性的改善。
火电机组与电化学储能装置联合调频方案的安全性与可靠性不容忽视。电化学储能作为辅助调频装置能够在一定程度上改善火电机组自身调频效率低和运行经济性不佳等问题[19]，但其设备由于充放电频繁、自身性能缺陷以及运营管理不规范等问题，在实际应用中频频出现安全事故[20]。据不完全统计，2011－2021年之间，全球共发生约50起储能电站起火爆炸事故，约一半的储能电站起火爆炸发生在充电或充电后休止中。针对储能电站的安全问题，目前应对措施仍以加大安全检测力度和监管力度为主。通过对其进行安全性能的检测，可以有效避免安全问题的发生。在检测过程中，需要针对储能调频系统对机组的短路电流、厂用电安全、谐波等电能质量的影响进行评估和计算，通过对评估计算数据的分析来判断储能调频系统对机组安全性能的影响。2021年以来，国家发改委、国家能源局和中电联先后针对电化学储能电站制定了新的安全制度设计和技术要求。2021年底，国务院安委会办公室印发《电化学储能电站安全风险隐患专项整治工作方案》，要求对已建成和在建电化学储能电站逐家检查到位，并督促其坚持做好建章立制等长效工作，以此来提升电化学储能电站本质安全水平。
调频方案的确定和执行是影响火电厂利用储能技术辅助调频性能和质量的主要因素。在实践过程中，运用不同的调控方案与储能设备接入方案可以使调频效果出现显著差别。如江苏镇江储能电站对储能机组采取了主动控制策略，充分利用其快速调节优势，解决了用电高峰期电力缺口以及电网平衡控制等问题[21]。当储能设备采用优先调节策略参与调峰时，可将其充放电深度视为调峰深度[22]。若为保证储能设备的使用寿命，以及保证机组运行的经济性，则可考虑优先使用机组进行调节的策略[23]。在储能设备的接入策略方面，母线直接接入方案相比于发电机端接入方案造价更低，安全性更高[19]。因此，一直以来，调峰电厂的控制策略优化研究都是行业内的工作重点，也是当前仍需深入探索的方向之一。
电化学储能设备的发展与应用还受到建设、运行以及维护过程中高成本的限制。结合储能系统运行、充电状态等指标的预测，对火电储能联合系统控制策略进行调整，可以更好地提高系统的经济性。其次，对火电机组深度调峰进行具体分析，也可以提高火电储能联合项目的经济性。例如在常规调峰和深度调峰两个不同调峰过程中，不同的辅助调峰设备所带来的经济性影响也不同，需要选择更具实用性的调控方案和策略，来达到减少调峰成本的目的。王志平等研究发现当机组进行深度调峰时，选择其他类型电源如核电、水电等弃电调峰经济性不佳，此时选用锂离子电池可在成本方面具有较大优势[24]。此外，还可以通过建立需求响应模型，对用户需求量进行分析，采取分时电价来引导用户改变用电行为，从而优化负荷曲线，达到减轻系统调峰压力、减轻储能投资成本的效果。蓄电池的寿命问题也是导致其在火电厂中应用成本高的原因之一。除技术方面外，机组参与调频服务的调节里程和中标价格以及全年参与调频服务的时间也是影响机组经济性的重要因素[25]。因此，基于项目运行边界条件的经济性测算也尤为重要。
除安全问题的改善、运行策略的创新以及运行成本的控制等方面的瓶颈外，蓄电池的合理回收利用也是不可忽视的问题。为解决国内没有系统性的电池回收产业这一现状，国家应制定统一的大容量蓄电池回收标准，引导企业采取科学合理的方法进行回收与再利用。
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伴随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，大量新能源电力嵌入电网，火电机组所承担的调峰调频任务将越来越重，从当前电化学储能技术经济性和容量来看，还不能满足长远的调峰调频需求[26]。因此，电化学储能技术在火电厂中的应用规模势必将在中远期阶段实现稳步攀升，并在规模化应用过程中不断实现使用成本的下降。就目前电化学储能技术及应用发展趋势而言，其主要集中在储能及电源系统的运行控制策略优化、新型高性能储能材料的开发、安全管理规则的完善以及废弃设备回收制度的规范等几个方面。
当电化学储能技术在火电厂中得到规模化的应用时，系统控制策略研究仍然是火电与电化学储能联合调频电厂的工作重点。在火电机组发电侧，电化学储能主要凭借其自身快速精准的充放电控制特性来辅助机组完成调峰调频任务，同时针对具有不同特点的机组与负荷条件，选取如储能调节优先、机组调节优先、储能主动控制等不同的调控策略以及不同类型的电化学储能设备来应对调节需求和控制运行成本。与此同时，结合电化学储能设备充放电状态、循环寿命与容量衰减的调节策略将有助于进一步提高系统技术经济性[27]。
储能材料的发展是电化学储能技术广泛应用的关键。研究表明，开发低成本、原料广泛的电化学储能电极材料来突破核心原材料储备量和高成本的限制，及开发高性能电极材料以解决工作温度、运行安全性等问题已成为储能技术主要的研发方向之一。近年来，上电电力材料实验室[28]针对储能材料进行了系统的研究，开发出了新型聚阴离子正极材料、硫掺杂黑磷-二氧化钛复合负极材料，提高了锂离子电池的倍率性能以及循环稳定性与安全性。Sun等[29]利用生物质废弃物为原材料制备出高稳定性的多孔碳作为电化学电极材料，有效降低了电化学储能设备的材料成本，且生物质废弃物可不受原料开发的限制，同时得到了回收再利用，符合循环经济要求。梁明会等[30]设计并制备了碳包覆锌纳米粒子的复合材料，研究表明使用其作为电极材料可使电池的循环性能得到大幅提高，一定程度上提高了电池安全性，为电化学储能材料的研发提出了新的研究方向。
为保证电化学储能在火电厂中的安全利用，设备的安全管理与清洁回收利用不容忽视。当前是火电与电化学储能联合调频应用的快速发展阶段，同时也是制定安全管理标准，建立健全设备安全管理体系和废弃电池回收体系的重要窗口期。因此，国家及相关主责部门出台相关标准、规则来规范电化学储能系统的运行是保证储能安全、电厂机组安全的必要措施。此外，为保证电化学储能设备废弃后在不污染环境的同时可得到重复利用，应对电池制造工艺予以优化，并且建立健全废弃电池回收体系，引导行业绿色发展[31]。
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文章主要针对电化学储能技术在火电厂的应用现状以及发展趋势进行了梳理，具体结论如下：
1）电化学储能技术与火电厂耦合辅助调峰调频已成为火电调频及储能技术应用的重要研究方向之一。
2）现阶段电化学储能虽然发展迅速，但仍受到运行安全性较差、建设维护成本高以及回收污染难以控制等问题的限制。
3）系统运行控制策略的优化、新型高性能储能材料开发以及储能设备的安全与回收管理等方面将是未来阶段的主要研究方向。
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