李毅山：超级电容器在储能调频辅助服务市场的应用

3月21日，“2018首届全国储能技术在电力调频辅助服务市场中应用高层研讨会”在太原理工大学成功召开。

本次研讨会由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、太原理工大学、深圳市科陆电子科技股份有限公司、广东猛狮新能源科技股份有限公司、浙江南都电源动力股份有限公司、惠州亿纬锂能股份有限公司、浙江超威电力有限公司、成都特隆美储能技术有限公司、山东圣阳电源股份有限公司、阳光电源股份有限公司主办，中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司、北控智慧能源投资有限公司、中天储能科技有限公司、深圳市雄韬电源科技股份有限公司、北京睿能世纪科技有限公司、北京国能伏安节能科技有限公司、烯晶碳能电子科技无锡有限公司、万汇通能源科技有限公司、美国麦克斯威科技有限公司支持，中国储能网承办。

在会议上，麦克斯威（上海）商贸有限公司运营工程部经理李毅山博士发表了题为《超级电容器在储能调频辅助服务市场的应用》的主题演讲，全文内容如下：

李毅山：大家好，今天我要给大家作的报告是关于《超级电容器在储能调频辅助服务市场的应用》。关于储能在电力系统或者电厂调频的应用，今天基本都是在讲电池的，超级电容器在调频上应该怎么用？它的切入点应该是在哪里呢？

这是我今天演讲的第一个主题，这也是基于我个人的理解，还有国内外的项目，超级电容器在调频上要怎么用。第二个我想讲关于超级电容器的特点，因为你要用到调频上，必须要具备它所需要的特点、功能才可以。第三部分介绍和电池的搭配使用，因为超级电容器是功率型的，电池是能量型的，如果我们要获得一个比较完善的系统，有时候要考虑把二者结合起来应用。最后简单介绍一下麦克斯威公司在调频上的案例。

首先是超级电容器在调频上的应用，我们传统上都是用水电、火电来进行调频，但是现在由于环境的因素，这方面的传统机组量在减少，新能源比例在上升。新能源有它的随机性、可控性，对于频率调节来讲，其实是起负的作用。我们怎么解决新能源带来的频率调节的问题？显然我们不好再回到老路，也就是用传统的机组。即便是用传统的机组，传统机组还是有一些局限性，包括它的响应时间、响应速度、匹配精度。至于新能源，我也看到一些风电公司也在考虑怎么进行频率的调节、电压的调节。考虑到新能源像风电、光伏受天气影响很大，他们的体量，所以他们在频率调节上其实能量还是有限的。还有一种方法就是我们今天在讨论的储能设备，其实，储能系统并不是新的东西，我们以前就有用这种抽水蓄能。只不过今天的储能系统种类更多，它的技术比以前有很大的进步。今天王总就列出来，储能系统上有非常非常多的，还有现在各种各样的电池，以及我今天讲的超级电容器。

不同的储能设备的特点是不一样的，我这边给出来这个图纸是给出了功率和能量。不同的储能设备的功率和能量是不一样的。此外，我们还要考虑到其他的特点。比如你的运行温度怎么样，因为像中国的地域跨度是很大的，有的地方是极寒，有的是极热，你能否适应这么大的环境条件呢？还有，你的响应速度是一个很重要的因素。还有，你的效率是否足够高？此外，我们还要再考虑安全性。大家在讲到储能设备，尤其在讲到电池上的应用，一个很重要的因素就是安全性。还有一个因素是成本，你的成本到底多少，价格多少，这些方方面面综合起来都会影响储能系统的选择。并不见得就只有一种电池，或者电池里面的某一类是适合电力系统或者适合调频的应用，我们要综合来看。

讲到调频，可以看到，在不同的阶段，像一次调频和二次调频的时间跨度是不一样的。当然，机组本身还有一个惯性响应，惯性响应的时间会更短。如果是二次调频的话，就会更长的时间。超级电容器在哪里可以用？它是功率型的，如果强制要求在二次调频AGC上使用，我个人认为是不合适的。不论是哪一种方式来进行调频，响应速度是非常重要的，如果能够很快地响应，能够输出大的功率，把频率给恢复，这是最重要的。超级电容器正好具有这样的特点，它是一种大功率的储能设备。所以我个人认为，超级电容器，如果是在调频上面，前几秒钟，甚至一两分钟的时候，超级电容器还是有可能性的，还是可以用在调频上的。

前段时间，我收到澳大利亚的需求，他们说澳大利亚的光伏厂有技术要求，如果你这个光伏厂容量超过5MW的话，就必须要匹配一定的储能设备，它的时间要求其实是很短的，只要求6秒钟，从容量来讲，要求超不过50%。它这个时间很短，但是功率很大。有一个项目刚开始是考虑电池，但是后来他发现，如果用电池的话，成本太高，受不了，所以他后来就联系我们。他当时说得很简单，因为这个对光伏厂的要求是高功率、短时间，这正好是超级电容器的特点。所以他们认为超级电容器在光伏厂频率条件上是非常合适的。这个项目我现在也在评估。

如果超级电容器要用在调频上，如果用在前面短时间的，秒级的，还是有可行性的。包括一些火电厂，如果你的要求是前面几秒钟的高功率响应，也是有可能的。还有上海的洋山深水港，这种场合，超级电容器也是有作为的。

接下来我想介绍一下超级电容器和我们公司的产品，为什么超级电容器可以用在短时间的调频？因为超级电容器更多是一种物理性质的储能，它的充放电都是通过电解离子的移动来实现的。它具备小电阻、大功率的特点。此外，它的寿命很长。我们讲到寿命其实是两点：一种是循环的，另外一种是直流寿命。超级电容器在这两方面的优势都是很明显的。我们讲循环寿命，典型的就是100万次，至于直流寿命典型是10年，但是我们往往做的项目都是15年，20年的也会有。超级电容器的寿命是很长的。它的运行维护相对来讲是比较简单的，你可以把它认为是几乎免维护的产品。我们在超级电容器的应用包括在电力系统上的应用还是有很丰富和可靠的经验的。

这里比较了一下超级电容器的特点会给它带来哪些技术的优势和经济上的优势。如果我们用在大功率、短时间上，其实你需要的超级电容器是比电池少的，这就转化成体积会小、重量也会更少，这些都会带来经济上的好处。他们也有美国的例子，如果我用了超级电容器，可以有效地减少前期的投资成本和后期的运行维护成本。我想提一下运行温度，我们是零下40-65度，这点是可以覆盖中国从南到北的所有区域。

这是我们公司的产品，最左边的是单体，右边的是模块，在储能系统上用的最多的是右下角的48V模块。虽然48V模块现在在市场上用得很多，但是我个人认为，在今天的电力系统里，这个48V买快还不是很合适，因为它的电压还是比较有限制的，它错48V，它的一些保护、监控相对来讲是比较简单的。有可能你在公交车上是可以的，但是如果我把系统做大的话，这样的监控保护就满足不了电力系统大规模的应用。所以，我个人认为，超级电容器如果要用在电力系统上，超过调频，需要往哪方面走？一是单体的电压等级要抬高，单体的单位容量要往上走。同时，我们从模块的角度上也要把电压抬升上去。这两点上去以后，我们可以取得更高的容量、更高的功率密度。

此外，从监控的调度上，或者单体的电压平衡或者保护上也应该再进行改进。从通讯的角度、连接的角度，就会更人性化、更简单。我们希望你做的东西要能够更容易地把它累积起来，能够扩大化、扩展化，这也是我们新产品开发的一个方向。

超级电容器还是要接入到系统当中，这张图就是简单描述了一下超级电容器怎么接入到电网当中。基本上来讲，我们超级电容器要跟PCS接，如果要接到更高电压等级之后，通过变压器接到电网，或者接到电厂上去。对于超级电容器，要有能量管理的系统。对于超级电容器，他自己还要有其他方面的管理。比如你是否需要充电设备、放电设备来维护，是否需要热管理。当你这个规模大了，单体的数量上去了，模块的数量上去了，你怎么保证我里面单体的温升，还要保证单体的温差。这其实是很关键的，尤其是在大规模的应用上。

此外，安全性也是很重要的，包括防火，这也是一个很重要的点。所以说，我们可以看到，当你的规模小和规模大，在用起来的时候，你的系统设计和管理其实是很不一样的。

我这个储能系统除了画超级电容器，还画了一个电池。在某些场合它是大功率、短时间，所以你用超级电容器没有问题。但是有些场合需要的时间比较长，那你超级电容器又做不了，你可以考虑把电容器和电池合在一起。

我简单比较一下超级电容器和电池的区别。虽然说电池种类很多，但是它们都有一些共性，或者说它们跟超级电容器相比，都有一些好的地方和不好的地方。比如它的响应时间（工作时间），超级电容器更多是在秒级或者分钟级，电池可以更长时间运行；运行温度，超级电容器比电池会好；从寿命来讲，无论是直流或者循环，超级电容器都会做得比电池好。如果我们把二者结合起来的话，就可以在功率和能量上面，很好地满足系统的要求。

这里列出来我们公司在超级电容器用在电力系统上的应用。除了我们今天讨论的频率调整，还有一些其他方面的应用，比如像风厂、光伏厂功率输出波动比较大，如果用了超级电容器的话，就可以有效地屏蔽这些快速变化的功率输出。像现在很多工厂，对电能质量要求比较高，他担心会有电压骤降或者电压突破。

如果你要想把这个时间拉长，就可以把电池加进去，我们叫电容器和电池的混合系统。它除了做前面的事以外，还可以把这个时间做得更长、更好。

最后，我介绍一下我们公司，还有我们公司在调频上的应用。我们公司是一家美国公司，它的总部在加州圣地亚哥，成立于1965年，主要是从事超级电容器和高压电容器。因为超级电容器的生产和其他家不一样，所以我们现在还有一个业务，把我们的超级电容器应用到电池上面。这样的好处是能够把电池能量密度提高。这也是我们现在在做的一件事情。

至于我们的业务，除了在电力系统里面，还包括公交车、小汽车、工业系统、电子等等。在超级电容器领域里，麦克斯威是做得最好，但是还有一家做得不错，应该算行业里第二、第三的位置。我们去年收购了一家超级电容器企业。之所以这样做，就是这两家有各自的特点。我们是一个全球的公司，总部在美国，当然在欧洲、中国也有相应的机构，包括工厂。其实我们的单体和模块的组装生产都是在国内。

应用有很多种，像风电、轨道交通。轨道交通里，当这个列车进站和离站的时候，对电网的电压和频率的冲击其实是蛮大的。所以我们也有一个项目是在美国费城的，它是针对于列车的进站、离站对电网的冲击做的一个项目。

这里看两个简单的项目，一个是国外的，一个是国内的。第一个项目是用在光伏厂里面的，因为光伏受到 天气影响大，输出波动会很大，所以当时考虑用超级电容器作为功率输出。此外，他们还想削峰填谷，这个时间比较长，超级电容器没办法做，所以他们用了电池。其实他们的初衷是想纯粹用电池，但是如果用电池的话，成本、体积和重量会太大。后来他们评估了超级电容器和电池，发现前期的投资成本可以减少至少15%，后来他们运行的维护成本估计下来可以减少30%。

第二个例子是国内一个风厂的，也是频率功率的波动，超级电容器用的56V模块，它的功率是1MW，时间是2min。除了超级电容器，他还用到了电池，两种不同类型的电池，都是兆瓦时的级别。超级电容器和电池并不是互不相容的，在很多场合它们其实是可以共存。

今天我的汇报就到这里，大家后续还有什么问题，或者对超级电容器感兴趣，可以跟我联系。谢谢大家！