赵玉仲，孙国斌，陈 曈，罗庆宏，周玉梅

（1.天津华电福源热电有限公司，天津 301799；2.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

燃气发电机组主要以天然气为发电燃料，具有运行安全性好、综合效益高、污染物排放少等优点。但随着“双碳”目标的不断推进，电力系统中的风力发电、光伏发电等新能源发电机组得到迅速发展，装机规模正逐年提高。大量的新能源机组接入电网，会影响电网的安全稳定运行。

储能技术是指通过特殊的装置或物理介质，将不同形式的能量通过不同方式进行存储，在需要时进行利用的技术的统称。现在常把储能技术分为5 种，即机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能和化学储能，每种不同的储能技术又包含多种相应的技术设备。

储能系统的接入，能够有效解决新能源机组大规模并网给燃气发电机组造成的一系列问题，让燃气机组能够更好地发挥自身优势，为新型电力系统服务。本文将选取目前已经成熟或在未来有望成为主要调节方式的储能技术，通过对技术特点进行分析，并结合应用案例，为燃气机组中新型储能的应用提供思路。

1 适合燃汽机组的储能技术简介

1.1 锂离子电池

锂离子电池是电化学储能技术的一种，其工作原理是锂离子在正极和负极之间移动来进行工作，具有能量密度高、响应速度快、自放电率低、环境友好、循环次数多、使用寿命长等优点，按照正极材料的不同分为磷酸铁锂电池、三元锂离子电池、锰酸锂电池等。目前锂离子电池储能项目数量、装机容量在电化学储能中占比最大，且增长幅度最快，是近几年发展最快的电化学储能技术。

从锂离子电池行业运行情况来看，中国锂离子电池行业以深化供给侧结构性改革为主线，加快提升产业供应链现代化水平，全行业实现持续快速增长，先进产品供给能力不断提高。据工信部数据显示，2021年中国锂离子电池出货量达到324 GW·h，同比增长了106%。

在众多锂离子电池技术路线中，磷酸铁锂相较于其他电池正极材料，具有安全性高、稳定性强、循环寿命长等优点。基于上述特点，锂离子电池储能在电源侧、用户侧、电网侧领域的主要应用场景分别为：发电侧储能应用于光储电站、风储电站、AGC（Automatic Generation Control）调频电站，用户侧储能应用于光储充电站、家庭储能、备用电源等，电网储能应用于变电站储能、虚拟发电厂、调峰/调频等场景。鉴于燃气发电机组对电池安全性、循环寿命和成本要求较高，磷酸铁锂电池是现阶段各类锂离子电池中最适合用于储能的技术，目前已投建和在建的锂电储能项目中大多也都采用这一技术。

1.2 飞轮储能

飞轮储能是将能量以飞轮转动动能的形式来进行存储，其工作原理是当系统外部有多余电能时，通过飞轮电动机将电能转化为机械能进行存储；当系统外部需要更多电能支持时，将之前飞轮储存的机械能重新转化为电能供给到外部负载。与众多储能方式相比，飞轮储能技术因其经济优势，多应用于电能质量改善和调频项目，其放电时间为分秒级，总投资大约是锂离子电池储能的75%，年化循环（按1 000 次/年计）成本约为锂电的50%。

目前全球大约有上万套基于飞轮储能的大功率绿色电源，并已安全运行上千万小时。飞轮储能系统在储能容量、自放电率等方面还需要进一步提升。飞轮储能目前更适合电网调频、小型孤岛电网调频、电网安全稳定控制及电能质量治理等。随着飞轮储能单体并联技术及超导磁悬浮技术的成熟，逐步克服了目前储能容量低、自放电率高等缺点，未来将逐步应用于新能源电网储能中。

1.3 压缩空气

基于燃气轮机的传统压缩空气储能，其技术已非常成熟，已经实现大规模商业化应用，具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环多等优点。但由于传统压缩空气发电系统需要补燃，即系统需要在气体膨胀发电前燃烧天然气，产生一定的排放，因此不可避免地存在环境污染问题。为了将压缩空气储能的能量转换效率提高，改善传统压缩空气储能技术依靠补燃的缺点，诞生了多种新型压缩空气储能方式。根据压缩空气储能系统是否同其他热力循环系统耦合，可以分为传统压缩空气储能系统、压缩空气储能燃气轮机耦合系统、压缩空气储能-燃气蒸汽联合循环耦合系统、压缩空气储能内燃机耦合系统、压缩空气储能制冷循环耦合系统和压缩空气储能可再生能源耦合系统等。

1.4 超级电容器

超级电容器虽然同样利用了电化学原理，但与传统的电池和电容器不同，是一种介于二者之间的新型储能技术，其特点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。自20 世纪90 年代以来，经过几十年的发展，超级电容器已经成为趋于成熟的产品，也逐渐在电动车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等多场景下实现应用，并逐步展现其优势。无论在小容量的特殊储能场景，还是在大规模的电力系统中应用，无论是超级电容器单独储能，还是与储能电池或燃料电池搭配耦合使用，超级电容器都能够将它响应快、使用时间长等独特的优越性展示出来。

2 储能系统在燃机中的应用方式

2.1 储能系统辅助重型燃机黑启动与调频

目前，国家电投珠海横琴热电有限公司厂内建有2台390 MW 级燃气-蒸汽联合循环机组。机组布置采用一拖一的多轴方式，每台机组均包含1 台GE 公司9F系列低NOx重型燃气轮机发电机组，并搭配1 台余热锅炉与汽轮发电机组。该电厂为燃气轮机配备了20 MW/20 MW·h 电池储能系统，是世界首例采用电化学储能系统实现F 级重型燃机黑启动的项目，也是国内首例燃机储能调频项目[1]。

辅助AGC 调频储能系统一般按照如下原则进行配置：根据机组实际出力曲线，按照机组功率的2%～5%进行储能配置，电池的容量在功率基础上按照实际情况配置0.5～1 h。辅助黑启动配置储能系统需要按实际统计的黑启动必需厂用电功率，并充分考虑黑启动过程中所消耗的电量，通过统计实际发生的黑启动案例，一般所需功率为机组功率的3%～8%，此过程燃汽机组启动过程大约为30 min。因此从功率及容量配置的角度分析，辅助调频与黑启动2 种应用方式配置要求基本一致，可以用一套储能系统来满足2 种需求。综合考虑，该项目电池储能系统选择2 0 M W/20 MW·h[2]。

该电厂在接入储能系统后，需要黑启动时过程如下：在接入电网时如产生故障，燃机主变、汽机主变全部停止工作，并且厂用电发生中断；此时储能系统启动运行，提供机组重启所需的电力来源，以零起升压的方式，重新恢复所启动机组的厂用电。储能系统作为机组黑启动电源时，应保证具备工频零起升压恢复厂用电功能，并且应当适应机组启动及并网过程中负荷冲击的能力。

2.2 超级电容器提升微型燃气轮机功率动态响应

文献[3]提出了基于超级电容储能的微型燃气轮机发电系统功率平衡控制方法。针对传统微燃机发电系统输出功率调节响应时间长的问题，提出了一种新型控制方法，即冲击补偿的瞬时功率快速控制方法。通过微型燃气轮机发电机组自身功率响应预测瞬时补偿功率控制算法，以及超级电容器储能单元特殊的高功率动态响应能力，可以有效弥补微燃气轮机的低输出功率动态响应问题，使发电机组能够实时处于瞬时功率平衡状态，有效保证直流母线电压处于平稳状态，有效增强微型燃气轮机发电系统对冲击性负载的适应能力。文献[3]根据微燃机功率输出特性，提出了上述控制策略，通过超级电容器提升后的微型燃气轮机组，响应速度明显提升、功率分配速度加快且更加均衡。

该课题组通过建模仿真，验证了超级电容器储能系统中瞬时功率补偿控制策略的有效性和正确性[4]。结果表明，冲击补偿功率传输具有“高频通过、低频阻止”的高通特性，通过解决补偿环节的高功率动态响应弥补微燃机输出功率低动态响应的问题，使系统能够确保处于实时的瞬时功率平衡状态，使直流母线电压维持在平稳状态。

2.3 压缩空气储能耦合燃机促进新能源消纳

文献[5]针对燃气轮机在工作时压气机会消耗自身功率的问题，提出一种燃机发电系统，能够自由切换工作模式，其特点是可以根据不同的工作状态，在压气储能模式、储能发电模式与常规发电模式之间自动切换。通过压缩空气储能系统与燃气轮机发电机组的循环耦合，将过剩的机械能通过压缩空气的方式储存在压缩空气罐中，转换为空气内能。当燃气轮机工作时，将罐中的空气释放，使得压缩空气膨胀做功，部分代替压气机工作，从而有效提高系统的机械功输出。整个系统利用压缩空气的缓冲作用，实现能量形式上的“削峰填谷”调节，可以提升能源系统的稳定性，提供能源系统的可靠性保障，在今后的分布式能源系统建设中，有望成为典型的示范工程案例。

不同于现有其他技术，压缩空气储能与燃机的耦合具有明显的优点，具体如下：①系统的压气机与同步电机、燃气透平和同步电机之间的连接方式，分别采用与二者相契合的离合器，可显著提高发电系统变化的灵活性；②上述离合器的采用，可以实现压缩空气-燃机系统的多模式切换，能够满足机组在不同工作状态下的模式切换要求，相比传统燃气机组，耦合系统具有更广泛的使用范围；③使用同步电机取代原有的发电机，可以实现双向工作，既能够发挥其电动机功能，又可以将它作为发电机使用；④若外部提供高压气源，燃气轮机只带动同步电机做功，可以大大节省压气机的做功，与之前的能耗相比，可以节省2/3左右的能源消耗。

2.4 “风光燃储”工业园区运营模式

以“风光燃储”综合能源供应的工业园区为研究对象，文献[6]提出了一种考虑并网模式下，储能多种运行模式的“风光燃储”容量优化配置方法。通过对储能系统不同作用下的研究与分析，探讨了储能系统在满足不同运营模式情况下，各自的充放电策略和容量的配置原则，并以系统年均成本最小为目标，建立了包含“风光燃储”在内的优化配置模型。

文献[6]以中国东部地区某工业园区作为研究对象，利用园区内各项设备参数与用户侧负荷数据，对2种储能运营模式下的“风光燃储”系统，以及单一的燃机冷热电三联供系统进行容量优化配置，并对优化后的配置结果进行比对和进一步分析。相对于传统的单一型燃机三联供系统，“风光燃储”综合能源供应系统包含了多种能源供应方式，使其系统具有更低的年均投资使用成本和更优越的经济性。“风光燃储”系统中加入了风力发电和光伏发电设备，因此配置燃机的容量比单一燃机的冷热电三联供系统要小。而在储能的配置上，考虑到储能系统的单位成本较高，综合投资成本与收益的最优解，2 种运营模式下配置的储能系统功率和容量都偏小。

3 结束语

在当前“碳中和、碳达峰”目标的引领下，发电端正经历着一场变革，中国规划建设以新能源为主体的新型电力系统，长期来看，风电和光伏为代表的新能源将成为主力电源。为了平滑新能源输出，增加新能源消纳能力，新能储能技术的快速发展为新型电力系统打开了新思路。在发电侧，可以充分利用储能技术的快速响应速率优势，在进行辅助动态运行时提高发电机组的效率，减少碳排放；同时，避免动态运行对机组寿命的损害，减少设备维护和更换设备的费用；此外，储能还可以降低或延缓对新建发电机组容量的需求。

目前，国内已有多项储能辅助燃气发电机组的示范应用项目，锂离子电池、飞轮储能、压缩空气储能、超级电容器等多种新型储能技术各展拳脚，发挥各自的储能特性，配合燃机机组，通过优势互补更好地实现了燃气机组黑启动、调频、调峰、功率动态响应等功能。在对各项技术的深入研究下，未来必将会有越来越多存量及增量燃气发电机组配合新型储能技术，为构建中国新型电力系统贡献一份力量。