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湖南电科院万代:用户侧分布式储能装置研究及应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2021-06-01 浏览:
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中国储能网讯:5月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会主办,200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。本次大会主题是“坚守储能安全底线,推动产业创新发展”。

在5月25日上午的“ 储能系统集成”专场,国网湖南省电力用户侧分布式储能装置研究及应用有限公司电力科学研究院配网技术中心首席工程师万代博士分享了主题报告《用户侧分布式储能装置研究及应用》。经演讲人本人授权同意,小编整理了演讲速记,并将速记内容分享如下:

万代:各位领导、专家,上午好!非常感谢大会提供这样好的机会,我也很荣幸向各位汇报我们的成果和思路。

今天我汇报的题目是《用户侧分布式储能装置研究及应用》,汇报一共分四部分,第一部分是背景与现状,在这里,我首先向大家汇报一下,我们团队是属于电网侧配电专业背景,所以我们考虑相关问题的思路主要是集中在配电网的专业角度,从电网的需求出发的,对于电化学储能以及电池行业等方面的考虑,难免有所不足,请各位专家指正。

随着国家配电网建设改造行动等一系列战略措施的落地,湖南配电网的建设取得了长远的发展和进步,这些首先是值得肯定的。然而随着负荷的快速增长以及分布式电源、电动汽车等分布式资源的大量接入,使配电网建设和运行依然面临两大主要矛盾:一是用户负荷迅速增长及湖南特殊负荷特性与高效精准投资方面的矛盾,二是分布式资源大量接入,与配电网安全、优质供电之间的矛盾

以湖南为例,以及湖南旁边的江西、贵州等区域,其实都存在比较类似的情况,它们在地理位置以及气候环境上都存在一定特殊性。比如对湖南来说,山区占据了全省范围70%以上的地域,对于气候环境方面,属于冬冷夏热的气候特征,2008年的冻雨冰灾还历历在目。因此,不同季节的负荷波动水平非常剧烈,负荷峰谷差位居国网公司前列。同时,湖南还是外出务工的大省,电网负荷水平受到重要节假日引起的人口迁移影响十分明显,一般情况下,湖南大部分农村青年劳动力很多都是在广东等周边发达省份打工,平时村里的用电负荷不高,但是一到过年的时候,所有务工人员全部返乡,负荷增长非常明显。

这是我们2020年对全省的配电变压器过载现状进行的分析,我们发现有76%的配变过载集中在春节前后,而这些配变平均一年的重过载天数仅仅也只有7.75天,平均重过载时长只有62.9个小时。因此,对于湖南来说,重过载与轻载并存的现象非常突出。此外,我们对低电压台区的情况也进行了分析,发现短时性低电压占比达52.81%,仅1月、2月和8月两负荷高峰期间发生的低电压占比就达到了69.41%。由此,我们可以得到结论,大部分的重过载低电压台区是属于季节性、短时性或随机性的问题

对于这种特征的重过载低电压台区,我们传统的解决方案是通过网改进行配变的增容补点,延伸10kV线路,但是这种传统的网改方式是存在一些问题的,比如说有一定固有的建设周期、审批周期。刚才我们也介绍了,湖南山区很多,而大部分的低电压、重过载问题,在春节这些短时期内基本是在山区发生的,往往一座山上,可能只有不到10户人家,而我们延伸10千伏线路要从山脚延伸到山上去,施工难度以及施工周期都是非常大的,所耗费的资金以及安全管理都存在很大的困难。最终的结果就是说我们可能花费了非常大的代价,仅解决了一个配电台区不到一个礼拜的重过载低电压问题。因此,如何经济高效的解决季节性、短时性、随时性的重过载低电压问题,是值得我们思考的。

同时,随着国家层面提出碳达峰、碳中和战略发展目标,对于分布式能源、电动汽车充电设施的建设步伐逐步加快。近几年,电动汽车的数量呈爆发式增长,研究表明,在电动汽车渗透率比较高的情况下,快充负荷将对配电网的安全运行造成严重的影响,这是我们亟待解决的问题

而储能技术和物联网技术的发展,为我们解决这两个矛盾提出了一个新的思路,下面我们来介绍解决方案。第一,是我们刚才提到的配网侧分布式储能技术。总体思路如下,它主要是利用分布式储能灵活机动、响应迅速的特性,通过在配电台区380V的主线并联接入储能装置,通过实时监控台区以及用户侧的负荷、电流、电压等相关的负荷数据,在系统有需要的进行实时就地的功率补充,以此解决相应的重过载问题。解决低电压的问题,一般来说用户低电压是出现在台区的末端,也就是380V主线后端位置,在这种情况下,我们会将储能装置并联接入末端集中低电压用户群前面一点点的位置,通过监测接入点的电压、电流等相关数据,进行就地补充,以此减少主线上因为大负荷电流所产生的压降,以此来解决负荷侧的低电压问题,这点对于山区用户是非常有效的。

下面,我们来介绍配网分布式储能技术所涉及到的两方面关键技术。为了实现分布式储能技术在配网侧的应用,我们现在需要重点攻克两个方面的重点技术:一是储能电池单元及管理单元的标准化、模块化集成技术。为了发挥配网侧储能灵活机动的特点,需要对各功能单元进行模块化、标准化和即插即用设计。根据现场应用需求,灵活拆解电池单元,打造配网移动式充电宝。二是攻克智能化充放电策略。结合台区历史负荷、用户画像分类、区域气候特征、上级电源需求和规划设计等一系列的强相关信息,建立台区负荷的AI智能训练模型。对不同的台区输出差异化控制策略,从而实现储能充放电效率与配网需求的最大适配。

以我们去年开发出来的30kWh配置的装置为例,我们看一下它的结构。这是电池箱,电池是采用了4个76.8V/120Ah模组,重量是360千克,额定电压是307.2V,实际额定电量是36.86KWh,每个储能模组主要是由磷酸铁锂电芯以24串一并的方式构成,含有一个从控BMU,是柜式布置。

下面,介绍第二个关键技术,基于边缘智能的协调控制技术。总体思路如下,我们以配网分布式储能技术为基础,利用台区侧智能终端设备的边缘计算能力,通过与配网储能装置、电动汽车充电桩、分布式电源的实时交互及协调控制,实现台区侧多类型电源及负荷的就地平衡。同时,按照国网公司云、管、边、端的配电物联网总体架构,台区智能终端将数据进一步上送至省级配电信息主站及配电网数据共享中心,通过多个终端与云主站的“云边协同”,还可以进一步实现区域级甚至网络级的能源优化及管理。以上是对于虚拟电厂的实现。

基于边缘智能的协调控制技术,主要涉及到两个技术:一是配电物联网技术。一方面,台区智能终端需要与台区侧储能控制单元、充电桩控制单元、低压智能断路器等“端设备”进行实时交互,实现台区内部能源的优化控制;另一方面,多个台区智能终端之间以及智能终端与云主站之间需要进行实时交互,实现整个配电网络的能源优化。因此,需要构建一个传输实时可靠、交互高效协同的分层分布式物联网通信体系。二是边缘计算技术。以台区智能终端为重要载体,开发可移植性强、适应性高的边缘计算算法,是实现配网侧多种能源及负荷协调优化的关键。

下面,介绍我们的工作进展。

依托国网公司配电网联合实验室,在2020年,我们开发了系列配网用户侧微储能的样机,目前我们主要开发了30KWh和60KWh两款样机。整个装置采用小型化和模块化的设计,由储能电池单元、功率变换单元、中央监控单元以及外辅设备构成。通过将装置并联接入配电低压侧主线,实现对低电压或过载台区进行功率补偿。

下面,来介绍这个装置的几个技术特点第一,模块化设计、即插即用。装置内部采用可灵活调节的电池仓设计,可根据现场实际需求增加或减少电池组数量;同时,多个储能装置支持并联运行,满足大容量情况下的应用需求。装置到达现场后可直接接入配变低压侧使用,无需进行任何配置和调试。第二,部署灵活、响应迅速。与主网固定式的大规模储能站不同,配网储能装置采用小型化和模块化设计,可根据现场需求位置进行快速部署,具有非常好的灵活、机动特性。第三,循环利用、经济环保。我们一台装置可以在不同的地方进行循环利用,这也是它的最大优势之一。由于它的机动特性,它与我们之前所谈到的配备的增容补点,配网储能装置可以根据实际用户以及配电台数需求。比如说今年山区某地存在低电压重过载现象,但是我们知道很多山区用户是在不断处于搬迁的过程,可能近几年搬出来了以后,我们的储能装置也可以跟着一起移动到别的更需要的地方。

未来,当我们装置规模化应用以后,可以在一定程度上补充电能缺口,还可以减少主网的投资,缓解线路的重过载问题。此外,储能装置还可以作为特殊时期的应急保障电源,支撑局部线路,这是我们思考的一些额外装置功能。在这里,这是目前储能装置涉及到的主要应用领域,对于配网储能装置来说,非常适合应用在季节性重过载以及远端用户低电压,还有鱼塘制氧机、加工厂等随机性大负荷所在区域,同时对新能源、电动汽车等冲击性负荷接入的台区,也可以迅速响应。

刚才我们说到这个储能装置在进行规模化应用以后,也可以解决上级电网的一些问题,我们之所以考虑到这个应用场景,主要是因为湖南等欠发达地区与江浙地区发达省份还是有很大区别的,我们主网到配网之间的网架建设,是赶不上我们的负荷增长水平以及负荷迁移的速度。有时候在负荷高峰期出现限电的情况,并不是因为主网缺电,而是主网有电,但在电能传输过程中,某一级的线路、开关或配变这些主设备存在卡脖子现象,使电能没有办法有效地输送到用户侧。在这种情况下,我们在卡脖子设备的后端,将储能装置规模化地并联到电网中,可以很好地解决负荷高峰期电能无法从主网传输到用户这个大问题,也缓解了欠发达地区电网投资资金不够的尴尬处境。

目前,配网用户侧储能装置已经在株洲、娄底和岳阳等地区的不同场景试点运行了14台样机,截至目前,这些装置已经持续运行了一年以上的时间,运行效果还是非常好的。像这张图,它主要解决的就是短时重过载的现象,以及配电出口低电压问题。下面这张图是在娄底的现场,它主要是安装在台区的末端,管住了台区末端一个小的村组,大概有十几户人家,他们长期存在低电压问题,这个台区供电半径达到了1.5公里,最末端的用户电压已经低到140V以下。装上储能装置以后,很好地对后端用户电压进行了提升。

关于装置的研发和应用,也得到了国网公司领导的高度认可和国家能源局、省科技厅等有关部门的关注。

下一步,我们将主要针对以下三个方面开展进一步研究:

第一,继续完善模块化集成技术与智能化控制技术。在保证安全的前提下,将各单元模块进行标准化集成,实现热插拔。同时大量收集台区运行信息,拓展信息渠道,开展训练学习,促进装置的就地智能化运行与少维护特征的实现。

第二,进一步挖掘用户侧储能装置应用场景。目前,配网用户侧储能装置主要是针对单一台区的运行特征来进行调节的,它解决了单一配电台区的短时季节性的重过载低电压问题,将来我们可以将储能装置作为重要场合的应急电源或者关键用户的保障,以及规模化应用以后,进行延缓主网投资,解决区域性的负荷缺口的问题。

第三,加快推进用户侧源网荷储协调控制技术研究。依托国网公司配电网联合实验室,深入研究用户侧储能与分布式电源、电动汽车,研发具备边缘智能和区域自治能力的智能终端设备。

以上是我的汇报,感谢各位专家!

关键字:储能 用户侧 分布式储能

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