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中电工西北院魏远:电化学储能项目设计实践

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2020-10-13 浏览:
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中国储能网讯:9月24—26日,由中国化学与物理电源行业协会联合200余家机构共同支持的第十届中国国际储能大会在深圳鹏瑞莱佛士酒店召开。此次大会主题是“共建储能生态链,开启应用新时代”。 来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的1621人参加了本届大会。本次大会由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国科学院电工研究所储能技术组和中国储能网联合承办。  

在24日下午的“储能电站规划与设计”专场,中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司电控工程技术部高级工程师魏远分享了主题报告《电化学储能项目设计实践》。会务组对发言人的演讲速记做了梳理,方便大家会后交流、学习,以下是速记全文:

魏远:各位同行,各位专家,大家下午好!

我来自中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司,很高兴有这次机会、借助这个平台给大家分享一下我们在储能项目上的一些经验。

我汇报的题目是:多场景电化学储能项目规划与设计实践。

我的汇报主要分以下几部分:储能电站设计实践、储能电站容量规划、储能电站运行控制仿真、西北院设计的储能电站工程。

随着我国新能源的快速发展,储能市场空间是非常广大的,预测近五年内储能的装机会有爆发式增长。右边的饼图,目前在国内储能行业,除了装机容量排在第一位的抽水蓄能电站,电化学储能在其他储能技术中的占比在不断提升。

目前储能技术蓬勃发展,我们总结了储能电站的三个发展特点,第一个特点是容量大型化。目前国内不断涌现出百兆瓦时级别的大容量储能电站。第二个特点是高度集成化,现在储能商通过户外式集装箱系统把储能很多功能基本实现了,是一个高度集成化的系统。第三个特点是应用场景全面化,在新能源的并网、火电调频、电网调峰调频都有广阔的用户前景。

这是目前储能系统里两个主要设备,储能电池和储能PCS的主流参数。以磷酸铁锂电池来介绍,目前市面上主要的电池都是1C为主,要调频也有2C以上的磷酸铁锂电芯。各个厂商的寿命也可以大约5000次,随着价格不断下探。目前储能集装箱系统造价含集装箱和电池每瓦时在1.2-1.6元左右,相比几年前成本已经大幅下降。

第二个主要设备是储能PCS。目前单台储能PCS容量最大能做到3MW,各厂家效率承诺大于98%。储能PCS作为储能并网的关键设备,功能也非常全面。包括有PQ控制、VF控制、虚拟同步机VSG控制、离/并网控制等。目前储能PCS基本支持长期1.1倍过载,短期1.2倍,超短期可以达到1.3倍过载能力。

作为设计单位,我们在设计大型储能电站装备中遇到了一些问题

第一个问题是预制舱式储能电站的布置间距问题,这个问题已经困扰我们很久了。关于储能集装箱之间的防火间距。预制舱能否可以采用双层布置。第二个问题是随着大型储能电站越来越大,系统集装箱数目是很大的,如果是高温地区可能会采用一些水冷方案。这样将近数百个集装箱集成在一起,站用电是不可忽视的量,站用电是否需要设独立站用变,是否可以由集装箱来承担一部分自己的自耗电。第三个是预制舱式储能电站消防系统问题,储能集装箱内一般是带气体消防,但在储能集装箱外储能区域是否设置水消防系统,还没有明确定论。这里列出了中电联一个团体标准,《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》,它对上面几个问题有了比较明确的答复。第一,布置间距,电池预制箱间距不小于3米,如果设防火墙,对防火墙尺寸有一定要求。对于储能的布置方式,建议单层布置,双层布置还有很多问题目前还没有搞清楚。第二,对于大于10MWh的储能电站要设置消防水系统。对于消防给水系统我们设计单位目前还比较困惑,因为国家电网公司有一个企业标准《储能电站设计技术导则》,明确提出当储能系统发生火灾时,不能采用水喷淋方式灭火的。

以上是我们目前遇到的一些问题,希望会后和大家进行深入的探讨。

第二个方面,关于大型储能电站的控制问题。

我们参与了一些国外大型储能电站设计中遇到一些问题,比如以大型光伏电站为例,它包括光伏场、储能系统、无功补偿设备、升压站设备,每一个系统有自己的控制系统,比如储能的EMS,它可以对上接收指令,对下向PCS发送功率分配指令。光伏场有一个智能环网系统,也可以对上接收指令,对下向光伏逆变器分配指令。但这些系统之间如何进行协调控制。我们目前调研国内的储能设备厂商,能够提供上述上层协调控制系统的成熟产品还是比较少的。这一块可能也是我们下一步需要研发的。

这是我们在参与海外储能项目中总结出的一些储能电站标准,包括储能电池、储能中压和低压设备,还有储能消防放火规范,分享给大家(见PPT)。

第二部分,多场景储能电站容量规划。

这个场景主要包括发电侧的新能源、火电,电网侧的储能容量规划方法。

第一个,风电+储能容量规划,对于大规模集成的储能系统,以储能和风电是分别独立采用交流中压电网方案为例。我们通过收集当地的历史风场出力曲线,采用滤波方法,可以模拟出配置储能之后风储联合平滑出力的效果,可以给出不同的储能配置容量和平滑效果之间的关系曲线。

下一个是光伏+储能,采用同样的方法可以对光伏储能平滑效果进行定量的评估。

下一个是火电+储能,左边的图是一个电型的火储联合调频系统拓扑示意图,目前大部分火储联合调频项目是对原有火电厂的技术改造,储能是接入厂用电系统,通过厂用电系统实现并网。火储联合调频有一个评价指标叫KP,有三个分指标:调节速度、响应时间、调节精度。目前全国各省市的电力市场关于KP的计算方法略有差异,以甘肃省《电力辅助服务市场运营规则》计算公式为例,我们对甘肃某火电厂加装储能后调频效果进行定量评估,发现在加装之前KP值在0.5-1之间,加装储能之后调频效果可以达到2-3,效果显著提升。

这是我们总结的关于新能源储能和火电储能配置容量的结论。对于新能源+储能,随着波动率考核要求的提升,储能的功率是逐渐提升的。关于储能配置时长,一般在平滑新能源波动目标下为约为1小时左右,如果需要削峰填谷、调峰能力,要具体结合当地的负荷情况和新能源资源情况进行更精确的评估。关于火储联合调频目前业界通常的配置方法是机组容量的3%,时间是按半小时考虑。比如对于两台60万机组,配置的标准储能容量在18MW/9 MWh左右。

关于火储联合配置,我们有一些建议,配置的具体容量还是要具体结合火电厂历史接收的AGC指令进行细化评估。当条件允许时尽量采用1小时的,这样电芯可以采用1C倍率的电芯,对电池的寿命有很大的帮助,能延长储能系统寿命。

下面这幅图是我们当时收集甘肃某电厂的电网AGC指令,对它的指令功率区间进行分类统计,通过统计数据图可以评估出配置的储能能够覆盖到的AGC指令范围,有一个比较具体的了解。(见PPT)

这是解决电网调峰需求,采用基于电力系统生产模拟的方法,通过建立优化约束条件,目标是使整个区域电网系统的发电成本最低,决策量包括发电机组启停、发电功率、储能需求等,通过建立双层优化的方法,能够给出区域及电网储能容量的规划。这个图是一个仿真图(见PPT)。

另外一点,在我们做规划时,储能的寿命,各种厂商提出的电池循环次数是基于国标的恒功率满充满放循环的指标,但电池在实际运行中是充换电频繁转化,充换电深度不断变化的。频繁充换电下电池使用的寿命如何等效折算到基于国标的标称循环寿命,我们采用了一定的算法优化。根据前面得到的储能容量配置曲线后,采用这种“雨流计数”方法可以把储能的等效循环寿命测算出来,方便我们进行下一步测算整个储能项目的项目投资收益。

第三部分,储能电站运行控制仿真。

为什么要做这件事情,因为做这个仿真可以检验这个储能容量的配置效果,还可以检验控系统制策略与控制效果,通过建立仿真模型可以模拟系统在故障状态下的故障电流、电压等,能够指导储能系统设备选型和方案设计。

这个仿真是以风储联合发电系统为例,这是风机及其控制系统、储能及其空气系统,通过模拟控制策略,最后可以得出仿真结果曲线。比如这两幅图就是风储联合运行在平滑波动和跟踪计划下的两个出力曲线图,通过这个曲线图可以分析出配置的容量到底合不合适。比如在风速什么条件下储能容量是不够的,大概就可以得出比较准确的结论。

这是我们做的一个光储联合发电系统的仿真,可以通过控制储能实现多种运行目标的转换,比如,刚开始时让储能跟踪本地负荷,随后等光伏启动后我们让储能进行平滑出力。

第四部分,介绍一下西北院在储能电站实际已经实施的工程项目。

第一个是鲁能海西州多能互补集成项目,这个项目是2018年12月份全部并网,由400MW风电,200MW光伏,50MW/100MWh储能和50MW/600MWh的光热组成,这个项目是我国第一批多能互补示范项目。这个项目年发电量达到12.6亿千瓦时,每年可以节约标准煤约40万吨。

这是这个项目的全景图,中间发蓝光的是多能互补协调控制中心,旁边是330KV升压站,再这旁边是50MW/100MWh的储能系统,远侧是光伏场,风电厂离这里比较远。

海西项目的储能系统有50个1MW/2MWh储能电池箱+25个储能电压箱组成,采用的是磷酸铁锂电池,电芯是1C倍率,寿命是6000次。

这个项目储能的主要运行目标是比较多的,因为它是一个多能互补项目,首先是平滑风光出力,还可以削峰填谷,储能还可以直接接受当地电网调度,独立参与电网的调峰调频,最后探索多种能源的协调互补控制方式。

第二个项目是我们目前在西藏做的项目,西藏猛狮岗巴县光储项目。这个项目的光伏装机是40MW,储能装机是40MW/5h。

大家可能会问为什么这个项目储能装机和光伏装机是一样的。这跟西藏当地的电网结构相关,在日喀则地区电网比较薄弱,火电机组比较少,主要是新能源,而且它的负荷也比较低。这个项目当时立项之初的原则是白天光伏发电不上网,直接充到电池里,等到晚上其他的光伏场站没有出力,电网用电高峰上来时把电池里的电放出去。根据西藏电力公司关于这个项目的测算,电网承诺晚上存在储能里的电将被全部调出以缓解当地电网晚间的调峰压力,而且对储能电价政策也有支持。这个项目目前正在紧张地安装调试,预计今年10月份或者11月份就可以并网了。

西北院不光在电储能领域,在光热领域也具备很雄厚的设计和研究能力。图片展示的是我们做的几个标志性的太阳能光热发电项目。第一个是八达岭太阳能光热电站,这个项目同时也是国家863计划科研项目、第二个是中控德令哈太阳能光热电站,亚洲地区第一个商业运营太阳能光热项目。第三个努奥三期太阳能光热电站,在摩洛哥,是世界装机容量最大的太阳能光热项目。

最后总结一下,随着国内电网与电源结构的深刻变化,以风电、光伏为代表的新能源肯定未来的发展趋势还是非常好的,储能作为灵活可控的电源,它在未来的市场空间还是非常大的,我们西北院欢迎各位专家、同仁跟我们一起去开发储能市场,把我们的储能项目建设好,谢谢大家!

关键字:储能

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