基本情况
（一）单位介绍
大唐鲁北发电有限责任公司是中国大唐集团公司的三级单位，隶属于大唐山东发电有限公司，公司运营两台 330 MW 燃煤热电联产机组，分别于 2009 年 9 月和 12 月投产，承担滨州地区供电供热任务。鲁北公司调频储能电站于 2024 年 4 月投产，采用超级电容加磷酸铁锂混合储能调频方式，磷酸铁锂电池容量为5 MW/5 MWh，超级电容配置为 4 MW/30S，总功率为 9 MW。
虽储能总功率（9 MW）相较于机组（330 MW）容量较小，但超级电容可精准应对电网高频次、小幅度功率波动，锂电池补充持续调节能力，二者与机组协同后，可使机组调频性能指标完全满足山东电网对 330 MW 机组的调频要求，是基于调频场景的“小容量高性价比”精准配置。
（二）案例背景
近年来，我国新能源装机容量呈现出持续扩大的态势，到2024 年底，中国的新能源发电装机容量已达 14.5 亿千瓦，首次超越了火电的装机容量。新能源发电具有间歇性、波动性和随机性的特点，这使得新能源发电难以稳定地向电网输送电能，易导致电网毫秒级功率波动，进而影响电能质量。
大规模新能源接入电网后，电网的功率波动加剧，给电网的频率稳定和电压调节带来巨大挑战。传统火电、水电调频存在响应速度慢、调节精度低等问题，且频繁调频会损害机组寿命，突破“高安全、高效率、高收益”的调频技术迫在眉睫。基于此，调频储能电站应运而生，其可快速响应频率变化，维持电网稳定，提升电网应对突发事件的灵活性，是能源转型、技术进步、政策支持等多重因素共同推动的结果。
（三）案例概要
本项目是在辅助服务市场化趋势下的提前布局，对电厂进行调频性能升级改造，引入电储能技术与机组联合参与调频辅助服务，对山东电网的 AGC 调频运行产生很好的示范作用。对改善电网运行的可靠安全性，改善电网接纳可再生能源的能力，构建智能电网具有重要意义。
本项目把超级电容储能系统引入电力系统，是“MW 级双电层超级电容+锂电池”混合储能首次应用于火储联合调频中，填补了国内此类应用的空白。其中，双电层超级电容作为超级电容器的主流产品类型，正负极均采用碳电极，依靠双电层机理储能，核心优势包括：响应时间≤20 ms（远快于锂电池的 50—100 ms）、功率密度 500—1000 W/kg（锂电池仅 100-300 W/kg）、循环寿命超 100 万次（锂电池仅 5000—6000 次）、工作温度范围-40℃—60 ℃；锂电池则具备能量密度高（100—150 Wh/kg）、持续放电能力强的特点，二者形成“毫秒级响应+持续能量补给”的协同互补模式，可快速平抑电网高频波动、稳定机组出力，精准匹配火储调频“高安全、长寿命、大功率、快响应”的技术要求。
主要做法与实践
为攻克新能源并网下电网毫秒级高频调频技术空白，本项目聚焦“双电层超级电容-锂电池”混合储能与火电深度融合的核心挑战，将混合调频储能电站成功应用到火电厂二次调频中。
（一）接入电力系统方式
由于储能 6kV 段需要接入 2 台机组的 6 kV 厂用段上，储能6kV 段不宜分段过多，造成 6 kV 开关接线和控制复杂。储能系统接入机组厂用电原理接线图如下：
（二）AGC 控制流程
考虑调节速率、调节精度与响应时间三个因素的综合指标，在联合调频模式下，AGC 辅助调频策略如下，各阶段均体现双电层超级电容与锂电池的协同作用及对电能质量的提升：
1.第一阶段：跃出调节死区阶段
根据 AGC 指令与当前机组功率差值，优先由超级电容（响应时间≤20 ms）快速出力，保证联合功率以 2.31MW 的阶跃跳出动作死区，避免机组因机械响应滞后（＞100 ms）导致的电网频率短暂偏差，将频率波动控制在 ±0.03 Hz 内，保障频率稳定性。
2.第二阶段：响应输出阶段
跳出动作死区后，超级电容维持 1-2 MW 基础功率输出，锂电池按定值斜率（0.5 MW/s）逐步提升出力，二者协同使联合功率持续向 AGC 指令值逼近，直至 AGC 指令值与联合功率值的差值减少到 1 MW 之内。此过程可避免单一储能出力不足导致的调节滞后，进一步将频率偏差压缩至±0.025 Hz。
3.第三阶段：精度维持阶段
AGC 指令值与联合功率值的差值减少到 1 MW 之内后的 5 s内，由超级电容实时跟踪二者差值（补偿精度±0.1 MW），做反向补偿以抵消机组机械惯性带来的功率波动，使电网频率偏差稳定在±0.02 Hz 内；5 s 后，储能有功控制到 0 MW，避免储能冗余运行。
在 AGC 调频的任意阶段，若 AGC 切出信号触发，则停止AGC 功率输出，直至 AGC 切入信号触发。
成效与创新
本项目利用超级电容+电化学储能混合储能方式，尤其是混合储能“毫秒级响应+持续调节”的协同特点，配合火电机组做AGC 调频，可有效缓解由于频繁 AGC 调节造成的火电机组设备疲劳和磨损，能够稳定机组出力。本项目主要基于混合储能调频储能以下优点：
（一）安全性
双电层超级电容通过碳基材料表面形成的物理电荷分离实现，相较于锂电池的化学氧化还原反应，其工作过程无剧烈放热，因此具备本征安全特性和优异的热稳定性。另外混合储能算法优先使用超级电容储能，从而减少了恶劣工况对锂电池的冲击，减少了锂电池热失控的概率，从而提升了整体系统的安全性和减少了维护成本。
（二）优化储能电站的使用寿命
由于大量的小容量频繁调频任务和对锂电池有害的恶劣工况优先由 100 万次循环寿命的超级电容承担，更加合理地延长了电池寿命，4 MW 超级电容+5 MW 锂电池方案更是提升整体储能系统的寿命一倍左右。
小容量是指不大于超容储能配置功率（4 MW）的小脉冲指令，这些小容量指令可能会加剧锂电池枝晶产生而影响电池储能系统寿命。简而言之就是优先使用超级电容来承担调频指令响应，出力不足才用电池或机组跟上，而且要综合考虑调频性能、收益和电池储能系统寿命。能量管理模块会根据历史 AGC 数据并结合机组指标，电池系统参数，超容系统参数等信息，设定一个超容系统和电池系统的最佳能量水平。在实际调频运行过程中，储能系统的充电、放电活动会让实际的能量水平偏离最佳能量水平。能量管理模块会协调机组和储能系统，进行小功率的充电、放电活动，以减小能量偏移，尽量维持储能系统在最佳的能量水平。
传统电池电芯在 5000～6000 次循环，储能系统约 4000～5000 次循环，按照每天约 5 次循环一年约 1500～1800 次，则 3年需更换电池，4 MW 超级电容+5 MW 锂电池方案可提升整体储能使用寿命延长至 6 年左右。
（三）经济效益显著
鉴于技术的发展和国内产业链的成熟，超级电容储能逐步变得经济可行。本项目对比纯电池方案，4 MW 超级电容加 5 MW锂电池方案，按换电池费用算，使用寿命提升 100%相当于节约1600 万（以模组和附件 1.6 元/Wh 算），再加上 Kp 值、中标率、里程的提升可提高整体的火储联调项目的投资收益率。相同供热量下，混合储能投入后，Kp 值从 2.64 提升至 3.52，效果显著。2024 年 4 月前，鲁北电厂 AGC 补偿收益月均 356 万元，投入调频储能电站后，月均 AGC 补偿收益 594 万元，月均增收 238 万元。
总结与建议
山东火储联调项目已经如火如荼开展，本次采用“双电层超级电容+锂电池”混合储能既有技术领先性，又具备安全可靠、寿命长、效益高的优势，既能满足当下调频需求，又能为未来留足应对空间。随着新能源占比的提升，二次调频的需求日益增多。超级电容的高功率特性是应对二次调频的极佳手段，纯电池储能已经难以满足；同时，未来储能参与二次调频的比例增加后，电网大幅提升调频考核值也是有可能的，混合储能极高的调频性能也为未来提升考核预留了充足的空间。
