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世界最大的超级电容-锂电池混合储能电站投入运行，工作原理简介

发布时间：

2026-03-20 00:00

世界最大的超级电容-锂电池混合储能电站投入运行，工作原理简介

据媒体报道，近日全球单体规模最大的 “超级电容+锂电池” 混合储能电站——中电金谷偏关混合储能独立调频电站一期项目，已在山西忻州成功并网。该电站融合了超级电容器与锂电池的优势，调频响应速度比传统火电机组快60倍，全生命周期成本预计比单一锂电池储能电站降低30%。本文将结合该项目，对混合储能电站的工作原理进行简单介绍。

中电金谷偏关混合储能独立调频电站，图：上海隧道工程有限公司（STEC）

超级电容器（SC）与锂离子电池（LIB）相比，存在明显特性差异：超级电容器功率密度更高、响应时间更短、循环寿命更长、每千瓦（kW）单价更低；而锂离子电池能量密度更高、每千瓦时（kWh）单价更低。因此，超级电容器更适合承担秒级时长的调节任务，锂离子电池则更适配分钟级或小时级的调节需求。将二者搭配组成混合储能系统，可充分发挥各自优势，灵活适配各类电力辅助服务场景。

以中电金谷偏关电站为例，该电站配置了58MW/30秒（即功率58MW、持续放电时长30秒）的超级电容器，以及42MW/42MWh的锂离子电池。当接收到调频指令时，超级电容器能在毫秒级时间内快速响应，并承担一次调频任务；锂电池则重点负责二次调频与调峰任务。若仅采用锂电池实现100MW的调节功率，按1C充放电倍率计算，需配备100MWh的锂离子电池——相比中电金谷的混合方案，锂电池配置量要多出138%，储能成本将显著上升。

中电金谷偏关混合储能独立调频电站，图：上海隧道工程有限公司（STEC）

超级电容器的循环寿命超过 100 万次，约为锂电池的100~300倍。让超级电容器承担发生频次较高的一次调频任务，能避免频繁充放电对锂电池造成的不利影响，从而显著延长锂电池的使用寿命。

不过，大量引入超级电容器也会增加储能系统的复杂度：除超级电容器本身的成本外，能源管理系统、DC/DC转换器的成本也会随之上升。因此，需在超级电容器与锂离子电池的占比之间找到平衡点，才能实现电站效益最大化。

资料/图: Y. Kim et. al., IEEE Transactions on Multi-Scale Computing Systems ( Volume: 3, Issue: 1, 01 Jan.-March 2017)

混合储能电站的拓扑结构可分为4类，具体如下图所示。第一类为被动式，其结构是将电池与超级电容器分别串联电阻后，接入储能逆变器的直流侧。这种方式成本最低，但串联的电阻会造成额外能量损耗，且超级电容器的最低工作电压不能低于锂电池的放电截止电压，导致超级电容器的容量利用率较低。

资料/图：Weiwei Shan et. al., Energies 2024, 17, 3481

第二类、第三类为半主动式，分别在超级电容器与逆变器之间、电池与逆变器之间增设一个DC/DC转换器；第四类为主动式，需在电池与逆变器、超级电容器与逆变器之间均设置DC/DC转换器。DC/DC 转换器可实现电池端电压与超级电容器端电压的解耦，有助于提升超级电容器的容量利用率，但会相应增加系统成本。

注：超级电容器的自放电率较高，有资料显示其自放电率可达每日 5%-40%。这种高自放电率是否会对混合储能电站产生影响？目前是否已有低自放电率的超级电容器产品？