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叶剑斐:电力储能系统技术成熟度与技术路线评价

作者:中国储能网新闻中心  来源:中国储能网  发布时间:2017-10-17 16:27:38

中国储能网讯:10月12-13日,第五届储能技术在分布式能源与微电网中应用高层研讨会在深圳顺利召开,来自行业协会、科研院所、知名企业的代表超过300名嘉宾到场参会。会议由中国化学与物理电源行业协会、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会联合主办。中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国储能网承办。中天储能科技有限公司副总工程师叶剑斐博士,在会上以“电力储能系统技术成熟度与技术路线评价”为题做了精彩演讲。

演讲全文如下:

在正式开始我的报告之前,先对我的报告做两点说明:1、我今天的报告只关注锂电技术为基础的电力储能。2、解释一下为什么会选择“电力储能系统技术成熟度”这一报告题目。近些年来社会各界对电力储能技术越来越关注,大家会有这样的感觉,整个行业的爆发点离我们越来越近。电力储能其实是一个很宽泛的应用领域,其中有很多细分市场,比如用户侧储能、电网侧储能,那么这些细分市场哪个会率先爆发?要回答这个问题我们就需要审视电力储能技术在各个细分应用领域当中的技术成熟度。

今天的报告分为三部分:1、以中天集团所做的电力储能项目为基础,和大家分享一下我们对电力储能技术成熟度的看法。2、对电力储能技术将来的发展的方向我们评价与判断。3、我们跳出技术层面的讨论,从行业发展的角度来看当前整个行业面临的问题,以及行业真正实现爆发所需要做的事情。

第一部分,中天集团从2013年起布局电力储能领域,到目前为止,我们在建、已建的电力储能项目共计15个,我这边列举了9个典型项目。在用户侧,位于苏州的10MWH储能电站今年9月份正式投运。在南通经济开发区有一个4MWH的储能电站,今年9月份完成了电网公司的验收,目前已可以并网。在南通的河口镇,有一个6MWH的储能电站,目前正在进行系统联调。在发电侧,我们为青海的格尔木光伏电站提供了一套250KW/1MWH的集装箱储能系统,主要用于该光伏电站减少限发。在去年,我们为北京京能集团在延庆的光伏电站提供了一套1.1MWH的储能系统,主要用于平滑光伏输出,该系统去年9月份正式投运。在去年我们还为德国的一个光伏电站提供了一套500度电的储能系统,也是用于平滑光伏的输出。该系统去年11月正式投运。在微电网方面,今年4月份由中天集团承接的国家“863”风光柴储离网型微电网项目通过了国家验收,在这个微电网中配置了250度电的储能系统。今年9月份在南通经济开发区,我们的光储充一体化的微电网正式运营了,微电网中包含了一套1MWH的储能系统。就在现在,在北京的马池口镇,由光伏和储能系统组成的一个可离网的微电网正在调试,其中的储能系统是315度电。

这页PPT是我们在2017年承建的7个项目的现场照片,这些照片在这里我就不一一介绍了,从这些照片可以看出我们的储能项目有站房式,也有集装箱式的。

做了这些项目,自然而然的会问:如何评价一个电力储能系统的好与坏呢?对于用户侧的储能系统,一般都是削峰填谷的运行策略,由于运行工况比较简单,我们可以用三个指标来衡量。第一个指标是电池的充放电深度,很多嘉宾已经在此前的报告中提到过这一指标。这个指标能反映电池技术的高低。它的定义是用户实际可用的储能系统的充电或放电电量,与供应商提供的这套系统的标称电量或者说额定电量的比值,这个比值越高就意味着供应商电池一致性的管控能力越强。第二个指标是系统效率,为便于大家理解,我给大家打个比方。如果一套系统向它充1000度电,放出900度电,那么这个系统的效率就是90%。有人会问充放电相差的100度电去哪了?这个差值就是系统损耗,这个损耗基本上来自于四方面,1、电池的充放电本身有损耗。2、变流器工作有损耗。3、如果在系统当中使用了变压器,变压器将低压升到高压、或从高压变到低压都会有损耗。4、系统中的各种电气联接也会引起损耗。不难发现,系统效率这一指标能够衡量系统整体的设计合理性,能反映整个系统运行的经济效益的高低。第三个衡量指标是系统的故障率,同样的,我们做个比方,比如用户装了一套削峰填谷的系统,计划每天充放电一次,一个月30天,那么按计划应该有30次充放电,如果由于系统故障导致有10天不能进行充放电,那么这个系统的故障率就是10天除以30天,也就是33.3%,大家很容易理解,这个指标反映了储能系统的真实运行成本,以及系统实际的经济效益的好坏。

讲到这里大家可能会有疑问,为什么没有提系统寿命这个指标?在大家的心目中系统寿命是非常重要的,为什么没有提?其实系统寿命已经隐藏在这三个指标当中了,随着系统的使用,电池会有容量衰减,系统的充放电深度自然而然就会减小。随着系统的老化,系统的效率下降。随着系统的使用,系统的故障率也会增加。所以系统的使用寿命其实已经体现在这三个指标当中了。

在这里和大家分享一个理念,电力储能系统的寿命终结不是因为它不能再充放电了,而是由于客户不再愿意使用它了。对于发电侧与微电网中的储能系统,由于它们的使用策略比较复杂,非常遗憾,到目前为止,我们还不能找到比较客观的、完善的评价指标,

这里给大家分享一下,我们储能电站的真实运行数据,在大家的左手边是储能电站的系统原理图。该电站包含电池系统、变流器,以及从315V升到10KV的变压器组成、系统效率的计量点在10KV侧,电池的充放电深度是100%,连续30天储能电站运行的平均系统效率达到87.63%。

讲到这里我们对电力储能技术的成熟度做一总结评价。对于用户侧应用,我们认为电力储能技术已比较成熟,可以进行商业化推广。目前推广的主要难点是投资回报期长,对于超大容量系统,比如10MWH的系统,或者上百MWH的系统,电池一致性的控制仍有一定的难度。在发电侧,储能技术成熟度相对比较低,主要源自于两方面:一是技术路线目前仍然有争议,直流耦合还是交流耦合尚未明确。理论上直流耦合有比较高的整体系统效率,但是就目前而言,直流侧耦合所用的设备比交流侧耦合所用的设备技术成熟度来得略低。盈利模式不清是目前发电侧储能推广面临的另一困难,目前从政策法规上很难找到在发电侧获得储能收益的计算方法。微电网方面,我们认为现在的技术与实际的应用还有比较大的距离。主要的原因在于微电网整体的设计难度以及它的整体管控难度大。

从这里开始,与大家分享一下中天对于电力储能技术今后发展方向的一些看法。先来看电力储能系统的建筑形式,目前有两种建筑形式,站房式和集装箱式。站房式的优点是建筑的质量能够得到保证,所以使用寿命长。这得益于我们国家对于建筑的设计与建造有严格的管理。缺点是投资大,周期长。集装箱式的优点是建设灵活性强,建设周期短,投入相对较少。集装箱式的缺点是质量难以保证。现在用于储能的集装箱都是用运输用的集装箱根据客户的需求进行定制化改造获得的,改造的可靠性验证比较少,而且目前也没有针对储能用集装箱的质量规范和标准。所以集装箱容易出现箱体腐蚀,甚至漏水的情况,对于电池来说,这些都会引起安全隐患。从我们的项目经验来看,由于集装箱的灵活性与低投入,客户比较青睐于集装箱式储能系统。那么如何弥补集装箱质量难以保证这一不足呢?我们向大家推荐混合式,大家在PPT最右边图片中看到的这种,也就是在集装箱上加上雨棚。雨棚可以大大减少集装箱由于质量原因造成的腐蚀,甚至于漏水。此外雨棚还可以降低集装箱内部由于温度控制所需的能耗。夏天的时候大家都会有这样的体会,太阳直射下的汽车其表面的温度以及车内温度都是相当高的,这与集装箱的情况是一样的。有了这样的雨棚,可以减少太阳的照射,降低整个集装箱内部温度控制造成的能耗,对于以10年使用为目标的系统来说,一个40尺的集装箱雨棚的价格在2-3万,总体而言,经济效益是可以被接受的。

中天正在研发第三代集装箱式储能系统,它有三个特点:1、电池装载量大。如果不装载变流器,集装箱的电池装载量达到了1.8MWH。装载变流器的话,电池装载量是1.5MWH。2、设置以远程监控为基础的电池健康管理,或者说是电池均衡管理。3、设置中央管理器,对储能系统的能量、温湿度等进行统一管理。下面给大家做详细介绍。

我们的储能系统走高能量密度路线,目的是为了降本。增加了集装箱的电池装载量就能减少集装箱的使用量。每减少一个集装箱同时也减少了配套的消防系统、空调系统,减少了这个集装箱的运输运费,减少了承载这个集装箱的地基的建设费用,此外,提高了电池的能量密度就能减少用于组成电池包的结构件和电气件的数量,以及电池管理系统的数量,从而降低成本,在这里给大家一个定量的感受,每减少一个40尺的标准集装箱,可以节省约35万元人民币。我们的第三代集装箱使用的是能量密度为140Wh/kg的单体,这是磷酸铁锂体系的,25摄氏度0.5C/1C 100%DOD 条件下,循环寿命大于3000次。

现在来看主动均衡与被动均衡,这是一个比较有争议的话题。被动均衡的优点在于价格低,缺点在于均衡效果差。主动均衡的优点是均衡的效果好,它的缺点是价格高。价格高是由于主动均衡为了对电池的不一致性进行分析和控制引入了大量的硬件和软件。然而,电池的不一致性由很多因素造成。有电芯自身的因素。有电芯间焊接的原因,比如虚焊。也有电池的温度分布不一致的原因。也有可能是电芯的温度数据的采样受到干扰,甚至于采样模块出现故障造成的。因此,主动均衡存在错误均衡的可能。如何保留主动均衡的优势,同时降低其成本及误均衡风险?现在来看我们的解决方案。我们的电池管理系统配备了远程数据上传能力,电池管理系统会将数据定期上传到云平台,供我们的专业人员对数据进行分析。正常情况下开启被动均衡。出现电池一致性异常时,如果判断是电芯损坏,那么我们会进行电芯更换。电芯未损坏情况下,出现较大的一致性偏差,我们会远程启动主动均衡。由于我们利用人工分析,只保留了主动均衡最基本的硬件,因此降低了均衡单元的成本,同时也避免了主动均衡可能造成的误判。

在当前的电力储能系统中一般有三大管理,能量管理、安全消防管理和温湿度管理,目前业内这三大管理基本上是各自独立运行的,我们在储能系统中引入了中央管理器。为了解释其作用这里举一个例子。对于电池温度的感知,最敏感的是电池管理系统,因为它的温度传感器贴在电芯表面。空调也有自己的温度传感器,但是空调的温度传感器放置于电池之外,因此不难发现空调温度的调控与电池温度的变化存在着时间上的滞后。引入中央管理器就可以消除这种滞后。当然中央管理器还有其他作用,由于时间原因这里就不多做介绍了。

最后对于电力储能行业当前存在的问题谈一下我们的看法。当前国内的电力储能行业有很多知名项目,但是他们运行在大众的视野之外,我们对其了解很少。这里举三个例子。南方电网宝清储能电站已运行了6年,但我们很少知道它的真实运行数据。张北储能基地,也是目前世界最大的多种储能技术与新能源发电结合的集中示范基地,很可惜,在网上竟很难找到与它配套的图片。第三个是中国第一个用于调频的储能电站,石景山调频电站,这个电站运行一年半之后停运了,同样的在网上无法找到项目相关照片。这是当前电力储能行业存在的问题。

我们认为,一个行业要换挡加速需要出现明星产品,什么是明星产品?举几个例子,1908年,福特推出T型车,有了这个车之后,汽车才真正进入老百姓的家庭。苹果重新定义了智能手机,现在大家都是使用智能手机。第三个例子是特斯拉,当大家都把电动车定义为家庭的第二辆车,把电动车的续航里程定义在200公里以下的时候,特斯拉推出了能行驶400公里,除了充电时间长之外,其他性能能与传统车媲美的model S。这些就是明星产品。明星产品的出现宣告了技术路线之争已经告一段落,生产工艺和制程体系已经完备。产品的定位和市场需求找到了契合点。目前国内电力储能行业缺少像这样的明星项目来引领我们整个行业。

这就是我的报告。感谢大家!

(本文根据第五届储能技术高层研讨会会议录音整理,未经本人审核,不足之处,请批评指正。)

关键字:中天科技 叶剑斐 电力储能系统

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