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郭威:基于新能源消纳需求的高压储能技术研究

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-08-12 浏览:
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中国储能网讯:8月9—10日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司、西安北大科技园、中国科学院电工研究所储能技术组、深圳市科陆电子科技股份有限公司等单位联合主办“第二届全国发电侧储能技术与应用高层研讨会”在陕西西安金磐酒店举行。来自政府主管部门、能源监管部门、行业专家、设计院、新能源发电业主单位、电力公司、系统集成商、项目承包商、投融资机构等单位的260余位嘉宾出席了本次研讨会。 

广州智光储能科技有限公司技术总监郭威先生在主题报告环节分享“基于新能源消纳需求的高压储能技术研究”,以下为其主要发言内容。

郭威

各位领导,各位专家,大家下午好!

今天跟大家分享智光储能在新能源消纳需求的高压储能技术研究。主要包含5个部分:

第一,先介绍一下大概背景,前面背景今天上午已经介绍过了,我这里简单过一下。截止2019年6月底,全国新能源总装机高达3.79亿kW,截止到2019年6月,全国光伏发电装机1.86亿千瓦。从全国发电量上来看,左边是发电量,右边是限电量和限电率,装机量最大以西北地区为主,其中新疆特别突出。再看一下风电,全国装机西北和内蒙地区,包括河北装机量非常大,总共装机量截止到今年6月份达到了1.93亿千瓦,但是从发电量上来,左边是总的发电量,发电量很高,因为总装机很大。但是限电量和限电率新疆地区和内蒙地区都是比较高。从下面最近三年曲线上来看,限电率和限电量呈大幅度下降趋势,但仍保持高位这是我们做新能源储能消纳研究的背景环境。

第二,介绍一下新能源消纳需求,前面很多领导专家做了介绍。我们花了一年多时间跟踪了多个风光电站的运行数据,这是一个风电场13天的发电曲线,采样时间是1分钟,不发电的时间剔除掉以后,可以看到波动幅度非常大,这个是50兆风电装机,从限电功率上来看最大达到40兆瓦,大部分在10兆瓦一下,这个量非常可怕。如果我们想解决风电限电,提高风电消纳,这就对储能系统提出了更高要求,储能功率至少是10兆瓦级的,这个曲线如果拉长的话,这个波动是非常频繁的,这就要求储能具有更快的响应速度。

风电场适配储能最好有兆瓦级的功率配置,50兆风电场至少要做到5兆瓦级才会经济运行。第二储能系统要有非常快速的响应能力,响应不行,要达到满功率的响应,调节能力要非常快,最好达到毫秒级。控制策略优化,要综合进行控制策略优化。要求储能系统有更高的转换效率,因为这些电量最终还是跟储能系统投资和经营效益相互挂钩,经营效率低,储能投资失去了很多价值。

再举一个例子,这是一个9天光伏电站的发电曲线,这是标准馒头曲线,是晴天的数据,这个是非晴天数据。其中红色是调度AGC指令,绿色是可发功率。下面曲线做的场站和时发功率的差值,如果绿色曲线在上面表示储能可以充电,是限电状态,在下面表示储能可以放电,是不限电状态,把这些电量求积分,带入储能的功率和容量和SOC、效率、响应速度等进去,这就是储能系统解决多少的限电量,这是我们的基本思路。从这个图上来看,这里是30兆光伏电站曲线图,但是最大的限电功率达到了10兆瓦,我们储能按照30%的功率进行配置,这个就太浪费了。但实际上我们可能只会满足60%到70%的限电需求就可以了,因为我们要追求经济效益。

综合光伏电站的数据,光伏电站储能也要求功率非常大,指令可以达到5~10兆瓦级,但是储能系统容量配多造成浪费,配少把限电没有得到很好的解决。因为光伏要根据负荷快速变化,如果调节速度慢也会影响到储能的整个收益,储能系统的响应速度和调节能力要求非常的快捷。控制策略也要相应的进行优化,不能把风电储能控制策略在光伏电站直接进行套用。最后也是要求能量转换效率比较高一些。

刚才讲的是消纳需求,限电量的情况。这个是国家能源局西北监管局局下发的关于新能源电站增加一次调频的文件,需要具备一次调频。右边这个是国家能源局2018年下发的1870标准,有兴趣可以研究一下1870标准,其中对新能源厂站一次调频,上调和下调都做了要求,但是西北监管局的文件里面只要求场站需要上调的能力,储能系统如果和一次调频检测设备、功能相互配合起来效果会更好,而且会大幅度降低由于一次调频带来的限电率增加的问题。

第三个需求是功率超发,绿色是代表场站实发功率,超发了,按照西北地区的细则要面临考核,目前20兆光伏电站一个月由于单纯超发功率,一个月大概有10个积分的考核,一分是1000块钱,一个月有10000多块钱的考核情况。如果配了储能,而且快速响应过来,这一部分的免考就可以作为储能收益。下面把超发功率做了分布测算,在下面罗列出来了,超发会有这么多,如果配储能和相应速度都一秒之内满功率相应,这个超发功率考核就可以完全减免掉了。

这个是新疆地区今年5月份按照新版“两个细则”考核之后的考核情况,考核最前面都是风电场,主要因为风力预测偏差比较大,得到了很多考核。这个是青海省2018年12月到2019年3月份“两个细则”考核情况,从这个图上可以看风电也好、光伏也好,考核峰值和占比出现大幅度的上升。考核分是从去年12月份成倍往上增长,那个是光伏,这个是风电场的数据,可以看到明显的增长。整个电网和社会用电对新能源场站要求越来越高,对新能源场站提出更高的要求,要求我们在风光预测提出了更高要求,这些要求都可以通过储能来进行进一步改善,这个是风光功率预测的需求。

第三个介绍一下基于新能源消纳需求的高压储能技术。了解智光的同仁都知道,智光这么多年来一直致力于高压储能技术的研究,我们在行业里面走在比较另类的路线。这个是高压储能系统拓扑图,最大特点单机功率达到10兆瓦以上,无需并联,电压可以是6到35千伏,因为它没有很多的小机并联,安装上可以大幅度减少交流高低压开关、保护、升压变的数量。这是10兆瓦高压储能和常规储能的对比,如果采用高压储能10兆瓦只需要一台就可以解决,而采用常规500千瓦储能产品进行对比,大概需要20台低压储能,10台升压变及保护监测,10台高压开关及保护,20台低压开关及保护,相应的遥测、遥信也会数倍于高压储能。

减少了大量电池并联的问题,今天上午周老师也对这一块做了很多说明,由于电池大量电芯并联的时候,BMS在采集电芯电压的时候不是采的不是单个电芯的电压,而是并联的所有电芯电压,我们要降低电芯直接或者间接并联的数量,而采用高压储能技术就可以很好的解决,这个图上面画的是两路电芯并联,但在很多情况下可以不用电芯并联,单电芯串联完全可以满足系统设计要求。

减少了电芯并联可以避免整个储能系统的效率,系统的容错能力会更强一些。因为之前我们公司同事在行业里面在会议上做过介绍,大家多多少少有一些了解。

第三个高压储能技术做了四级均衡,两级被动均衡和两级主动均衡。主动均衡投入之后有什么好处?可用容量更高,效率更高,左边这个图是3兆瓦时的储能系统,电池充电电量最高达到2888度,这是3兆瓦时的储能系统。右边这张图可以看到,我们投入到主动式均衡之后,系统36个电池簇SOC极值差收敛趋势,SOC极差低至3%以下,显著提高系统整套可应用容量。我这里不讲安装容量,讲使用容量,实际使用容量是多少,才是我们投资者和用户真正关心的。

右下角是36个储能单元运行若干循环下来之后,整个集装箱里面分布各个测点的温度极差,控制在了3摄氏度以内,最高温度和最低温度控制在3摄氏度以内。今天上午有一位专家介绍了,控制在5摄氏度,这是我们设计跑到的数据,欢迎大家可以到现场去考察。

我这里补充一个,为什么讲这些?在座电池厂家都知道,电芯在出厂的时候会标电池寿命,比如5000次,会有很多的限制条件,比如@25℃,@100%DOD,等,我们把SOC控制一致性更好一些,就不会说运营第一年坏多少电池,第二年再坏多少电池,这种情况可以大幅度减少。温度控制一致性更好一些,避免了部分电芯过快的衰减。

我们在做新能源电站储能的时候,穿插一下前面讲的内容,前面很多专家讲的,包括新疆、青海、甘肃,新能源厂家装多大功率,有些人说10%,有些人说15%,最近新疆这次要求光伏电站装15%的功率,有一些装到20%、30%,到底装多少比较合适?我们花了一年多时间采了好几个新能源电站,搭了这样一个模型。从限电数据,调度的目标值是以一分钟为采样时间,整个生成了这一个电站的模型,把场站一年数据代入,和储能系统主要指标,比如响应速度,系统效率、安装容量、可用率,把这些指标全部代入,以储能系统的安装功率作为输入变量,我们会得出很多储能系统的效率数据。我们会得到一个曲线,这个曲线顶点位置就是这个项目装的储能系统最佳功率,后面我会有一些曲线和数据进行说明。对于储能系统容量配比也是同样的,以电站为基础数据,搭出电站模型,以电站限电量和限电功率和储能系统模型,以储能系统安装容量作为输入,可以得到储能系统的最佳装机容量。我们可以看到很多限电,每天限电量都是不同的,功率不同的,时间是不同的,我们怎么样来得出这样的结论,我们把这些数据全部带到模型里面来,我们用储能系统的电力取得最大收益,取得最小收益,用收益乘以储能系统的造价会得出下面的曲线,一个是最大值,一个是最小值。这个范围就是我们这个项目安装储能的最佳容量配比,PCS功率也是同样的算法,从上面这个图来看,从储能系统的电池容量来看,配比越高收益越高,但是经济性是呈下降趋势的,这是在这块做的模型,很多新能源电站都可以基于这个大数据做分析,得到厂站安装的容量配比。

介绍一下关于高压储能技术的几个疑问解答,很多科研单位对这块有疑问,我就几个大家比较关心的疑问做一个公开答疑。

第一个疑问是高压储能方案每相有很多模块串联起来,如果有一个模块故障了,不管是电池还是PCS故障,那这相就断了,导致系统缺相而停机,系统容错能力太低了。我这样解答,这是单个PCS的模块,它所对应的电芯和PCS模块出现了故障,系统会进行进一步的判断,然后逐级把模块进行电池和PCS会从旁路出去,这边有一个隔离开关,旁路掉之后,这一边会隔离出去,这边电芯、电池和PCS模块都可以进行检修。每个相有10个模块,剩下的模块怎么办?只需要每一个模块脉冲宽度适当增加,输出电压增加10%,整套储能系统的输出就会达到平衡,这是第一个问题的回应。

第二个也有人问,高压储能系统电池处于高电压容易有损坏,电池寿命影响储能系统的寿命,不适合做大功率、大容量的储能系统。我这里来解释一下,高压储能系统里面的电芯承受的是正常电压,不是高电压,把高电位和高电压两个概念搞混了,我这里来解释一下,这个图大家生活中经常见到,鸟在高压线上为什么没有被电击死,因为承受的电压是这一段导线很小的电压,所以鸟不会被电击死,只是处于高电位上。初中物理上讲过一个科学常识,一个人对地完全绝缘,当他摸到高电位的时候,他就处于高电位了,好比电芯只是处于高电位,电芯不存在处于高电压的环境下影响储能系统的寿命。高电位不等于高电压,电芯在里面属于高点位,但是不是高电压。高电压更适合做大功率、大容量的储能系统。我为什么这么说?我这里思考了很长时间,想到一个自己感觉比较合理的比喻,我这里展示一下,合不合适,在座专家做一个考量。

比如说砖混结构的房子使用了上百年甚至上千年的都没有问题,住的都是安全的,住了那么多年,但是这种房子建的非常漂亮。单位面积可住宅面积毕竟比较少,所以比较占地方,但是当我们在城市里面需要更多的人口居住在固定面积土地上的时候,我们就需要改变一种新的思路,实现拓扑结构的革新。开创出一个新的储能结构出来,这个就好比我们要建摩天大楼需要有钢混结构和钢架结构,这是我做的比喻,合不合适大家自己斟酌一下。

第三个疑问高压储能系统的接地风险比较大。本质上认为高电压容易发生绝缘故障,对于不同电压等级的电力设备在设计过程中均采用不同等级的绝缘材料,6KV目前非常成熟,高压输电网电压到了1100千伏,已经非常成熟了,并且广泛使用几十年的时间,不存在把电压提升到6千伏、10千伏就容易发生绝缘故障的问题。

第四个高压储能系统更容易发生人身伤亡?跟刚才的认识是一样的,但是要反观南方电网和国家电网每年发布的事故反措汇编,低电压系统每年更容易发生人身安全事故,高压发生的事故并没有那么多。

最后花一点时间简单介绍一下智光储能科技有限公司, 广州智光储能科技有限公司是广州智光电气股份有限公司的全资子公司,是智光电气在综合能源技术与服务战略发展方向的重要布局。 智光电气凭借自身多年电力电子技术、高电压技术、自动化与信息化技术及智慧能源技术的研究与应用经验,并通过与国内电池行业资深研究团队、科研院所及高校合作,拥有一批在电池PACK技术研究与生产、BMS、EMS及PCS等领域专业的研究团队。

智光子公司比较多,目前全资子公司有30多家,这里面只是其中一部分,包括有设计院和电缆公司、自动化、电机驱动。成立这么多年来核心技术很多,因为我们讲储能,主要核心技术有三个第一个是电气控制技术、电力电子技术、高电压技术。智光有自己的研发设计部门,企业技术中心、综合能源实验室、博士后工作站、科技企业孵化器、中试与产业化。依托于这三个技术和研发团队,99年智光成立的时候开发出自己的第一款高压电气控制和电力电子的产品消弧系统,从3.3千伏到35千伏。依托这三个技术研发出了高压变频调速系统,电压等级是3.3到10千伏,出口到国外的电压12千伏都有。第三个还是依托于这三个技术,高压固态软起动器,实现了3.3千伏到10千伏的产品。第四个是高压无功发生器,3.3-35千伏,不通过变压器,直接挂在电网上的。第五个是高压储能系统,3.3-35千伏产品。第六个是高压船舶安用电源系统,目前在国内市场占有率第一。都是依托于三个核心技术。

我今天分享就到这里,谢谢大家。

关键字:智光储能 发电侧储能研讨会

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