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北控智慧能源孙蕾:电化学储能在电力系统的典型应用场景及工程分析

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-06-24 浏览:
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中国储能网讯:6月19—20日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合江苏省电机工程学会、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司等单位联合召开的“第三届全国电网侧暨用户侧储能技术应用高层研讨会”在苏州市太湖假日酒店举行。来自电网公司、设计院、系统集成商、电池生产企业、投融资机构等单位的280余位嘉宾出席了本次研讨会。

会议期间,四川北控清洁能源工程有限公司设计院副院长孙蕾分享了主题报告《电化学储能在电力系统的典型应用场景及工程分析》,以下是演讲全文:

孙蕾:大家好,我是来自北控智慧能源的孙蕾,在公司主要负责储能和设计院方面的业务。本次汇报的题目是《电化学储能在电力系统的典型应用场景及工程分析》。

包括下面几方面内容,是我们站在储能行业的参与者和应用者的角度,对储能技术和它的应用场景、商业模式的理解,分享给大家,和大家共同探讨。

第一部分我们先介绍一下现代电力系统及电化学储能的特征。现代电力系统有哪些特征呢?站在储能的角度我们认为主要有三个方面,第一个方面是电力系统的运行方式,电力系统时刻处于发电与负荷的动态平衡,这种特性决定了电力系统在规划、设计、建设还有调度运行、控制方式上对安全稳定性、经济灵活性有很高的要求,而且随着经济的发展还有特高压电网的建设,国内中东部地区已经形成了受端电网,表现为大容量、大机组、远距离传输,负荷密集这些特征,电网在运行管理过程中的实施平衡难度在不断的增加。

第二,新能源的渗透比例在逐年增高,尤其以风能、太阳能为主的可再生能源,由于其随机波动性和间歇性的特点,其调度控制会更加困难。这里有一个10%的历史数据,是指新能源装机超过10%以后会对电网产生明显的冲击。为什么说这是一个历史数据呢?这个数据体现了我们在新能源发展之初所遇到的新能源被电网接纳和接入系统的一些痛点。但是现在随着新能源技术的发展和我们电网配套措施的完善,这个痛点也在由早期的接纳和接入的问题向现在的消纳和利用的问题在转变。

目前很多区域或者省份的新能源电网配比已经完全超过了10%这样一个比例,但是由于不同的电网架构不同,电源的形式不同,负荷的特点不同,不同的区域电网对新能源的高渗透比例所遇到的困境也是不一样的,以华北电网为例,华北电网目前的调度存在的其中一个问题是早晚高峰调度问题,但是通过风电和光伏的典型的出力曲线我们可以看出来,基本上这两种新能源完美的避开了早晚两个高峰,在这两个时段很难给电网提供有效的电源支撑。但是以西北某省的情况为例,这个省份新能源装机风电和光伏加起来已经超过了40%的比例,但是在有功调节和频率调节方面并没有遇到太大的困难,因为他们同时又很高比例超过40%的水电机组的装机,大家都知道水电机组的调节性能是非常优异的。他们遇到的问题由于网络架构断面的限制导致新能源消纳的问题,同时水电还存在季节性的枯水和水电检修,在这种情况下他们也会面临到调峰的问题。

第三是电力需求,电网的高峰负荷在不断增加,华北、华中、华东电力供需偏紧,部分省份高峰时段需要采取错避峰措施,电网公司必须不断投资输配电设备的投入,导致整体电力资产的利用率偏低。解决这些问题,传统的电网需要进行一些升级甚至变革。

这也带来了电力系统发展的机遇和挑战,我们总结主要包括以下三个方面。

第一,未来可预期的,电能将成为能源消费的绝对主体。

第二,电力系统也在不断的演变,由现在的传统电力系统向智能电网为基础的电力系统,未来以智能电网为核心,能源互联网并且与其他能量、物质、交通信息高度融合的综合性能源系统。

第三,最终电力系统会向着清洁低碳、安全高效的能源体系来转型。

这里就离不开储能这项关键技术,建立了经济高效的大容量储能系统,可以实现用电和发电时空的解耦,可以起到负荷调节作用,在一定程度上可以缓解系统的峰谷差。同时储能系统一旦形成规模,可以有效的延缓电网的建设,提高电网资产的利用效率,改变电力系统的建设模式,从外延的扩张型向内含的增效型来发展,所以我们现在比较关注储能三个方面的关健词,一个是存储的介质、方式和方法,第二是储能系统集成的思路,第三根据我们的需求,储能的控制策略和应用场景。储能为上述的问题提供了一个解决的途径,同时我们也在逐渐构建起新的系统架构和运行的模式。

储能技术的分类,物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能。这是它们的特性表,可能大家都比较熟了,通过典型的额定功率我们可以看出来抽水蓄能现在还是适合大规模建设,依然是现在储能系统的主力军。从比功率来看,超级电容占优势,它的响应速度快,比功率高,所以大部分被用在电能质量的治理和电压暂降的治理方面。从比能量方面来看可以看到锂离子电池是占优的,同时因为锂离子电池的集成化和布点的灵活性,在电力系统储能也得到了广泛的应用。

电化学储能有哪些特点呢?第一个特点还是灵活性与快速性,可以实现有功和无功快速双向调节。以锂离子电池储能系统为例,锂离子储能电池在满充到满放的转换时间是不超过一秒的,如果从设备级来看可以实现毫秒级的转换,是火电机组的50到100倍。这种特性就决定了我们的储能系统可以灵活的参加电力系统的调峰调频调压、备用和需求侧响应的各种场景的应用。

其次电化学储能系统还有个很重要的特点是不受地域的限制,它可以分散布置于电网不同的节点,集成化比较高,系统简单,建设周期短,运输业比较方便。

第二部分我们来看一下电化学储能的发展和应用前景。这是全球市场的发展状况,下一页是国内市场的发展状况,通过这两个情况的展示我们可以看出来,抽水蓄能依然是现在储能发展的主力军,其次是电化学储能,在电化学储能当中锂离子电池的储能也是现在主流的发展方向。

这是我们汇总的2018年的一些明星的项目,我们可以看出来基本上也分为这五类,第一类是新能源厂站侧的储能项目,第二类是微电网的储能项目,第三类是电网侧的储能项目,第四类是用户侧的储能项目,第五类是电源侧电力系统辅助类的储能项目。

第三,我们来一起探讨一下电化学储能典型的应用场景。储能技术是贯穿于电力系统的发电、输电、配电、用电各环节,在不同的环节它们也发挥着不同的作用。根据美国能源部和电科院联合出版的储能手册我们觉得它的分类还是比较合理清晰的,包括批发能源服务、电力系统辅助服务、输电设施服务、配电设施服务、消费侧能源的管理服务,每种服务下面又有不同的分支和应用场景。

在国内电化学储能应用在电源侧主要体现在提高发电机组的效率,当负荷波动的情况下,我们可以很好的保持发电机组的输出稳定,使发电机组运行在一个经济的出力区间,提高机组的效率,降低机组的能耗,减少机组的排放,提高机组综合的发电经济效益。

第二个电源侧的应用场景是优化和可再生能源的并网。目前可再生能源的特性我们刚才也说过还是消纳和利用的限制的问题,如果在可再生能源厂站侧配置储能的话可以提高可再生能源发电输出功率的可控性与电能质量,帮助风电、光伏能够被电网平滑的接入,实现它发电的全额消纳。

电网侧的主要应用场景第一是电网负荷削峰填谷,利用的还是储能系统的功率和能量的时空搬运能力,削峰填谷,一是可以实现峰谷差的套利,第二可以有效缓解负荷高峰期电网供电能力不足的问题,缓解电网的扩建增容的问题。同时我们可以优化电网的负荷特性,提高设备的利用率,最终还是降低传统机组的调峰压力,降低我们的调峰成本。

第二个电网侧应用是参与电力系统的辅助服务。电池储能系统的一次调频容量是水电或者火电容量配置的十分之一到三十分之一,而且系统的负荷跟踪速度可以达到秒级。参加辅助二次调频所需的容量是水电火电机组的二分之一到二十分之一,电池储能系统参与电网的辅助调频可以显著减少系统调频的备用容量,提高机组的利用率,同时可以避免机组频繁的调节造成的损耗,降低机组的运行成本,也可以显著提高整个系统的暂态频率质量。

第三个应用是辅助暂态稳定紧急控制。电池储能电站是一种优质的暂态稳定紧急控制资源,能显著提高电网暂态安全稳定性,如果配置于受端,当受端电压发生波动的情况下可以提供一个紧急的无功支撑,保证受端电压的暂态稳定性,同时它也可以提供一些有功的支撑,在受端受到干扰的情况下可以缓解机组的减速,减少切负荷的量。当它配置于火电机组侧的时候,可以在严重大干扰的时候作为一种负荷去吸收能量,起到电气制动的作用,缓解机组的加速,提高了系统暂态同步的稳定性。

第四个应用是优化分布式发电并网,增强可再生能源的可调度性。大家都知道一些分布式的光伏项目一般都处于负荷的末端,资源的随机性、波动性、间歇性以及一定数量的电力电子设备的接入,会对末端负荷的母线的电压和电能质量产生一些干扰,储能系统的接入会平抑或者是降低这些干扰的发生,同时将我们的储能与分布式作为一个整体的系统配置,在一定程度上可以保障我们的分布式能源在输出功率上可调,从而使整体系统具备一定的可调度性。

用户侧的应用,在用户侧负荷接入电池储能电站,一个是可以削峰填谷,降低用户综合的用电成本,同时可以节省容量投资,确保电能质量,提高用电的可靠性,主要包括三个方面,主动需求响应、改善电能质量、备用电源。

新型的供电网络,微电网。目前主流的微网技术分为并网型的微网和离网型的微网。离网型的微网由于电源的复杂性还有负载的复杂性,所以它的技术难度更高,在我们做规划设计包括我们项目实施过程中我们发现,我们刚才所提到的一些削峰填谷、辅助调频、辅助调压、平滑出力,包括我们研究很多的多级并联在微电网的场景都得到了充分的利用。智能微网我们认为是目前阶段储能系统做到一机多能的集中体现。

绿色交通领域方面将电动汽车的充电站、换电站、储能站和电池梯次利用进行多功能融合。体现在实际项目层面,目前主要是高速公路的快充站,实现了光储充一体化的结合,真正实现了绿色能源和绿色出行。

国外电化学储能一些应用的探索,其中有部分场景在国内还没有商业的应用,但是在全球范围内有一定实践的经验。以澳大利亚特斯拉的项目为例属于典型的电源侧备用管理的应用,芝加哥属于电网侧延缓输变电设施升级的典型应用。意大利这个是一个储能系统的综合应用案例,它可以进行模式的切换,参加一次调频、二次调频、系统备用,减少电网的阻塞,优化潮流分布等多重任务,实现了资产的多重效益。

最后看一下北控公司自己的工程实践。我们选了几个比较典型的项目,包括新能源厂站侧的西藏羊易光储项目,电厂侧辅助调频项目是山西长治储能调频项目,光储充结合的是力信能源镇江产业园的光储充微电网项目,与电力市场结合是我们在澳大利亚南澳洲的Whyalla的光储项目。

先看一下用户侧储能项目,这个项目位于北京的世贸天街,装机容量1.4MW,4.2MWh,已经被朝阳区政府认定为政府重点工作项目,采用削峰填谷的形式,达到商业化的节能用电。

山西长治热电储能联合调频项目,配置9MW,4.5MWh,在项目的执行过程中通过不断的优化系统、优化策略,从而提升我们系统的响应时间、响应速率还有它的精度。目前我们整体系统所达到的调频的性能参数指标基本上与我们投资之前所核算的边界参数指标吻合。同时这个项目在试运行的过程中我们也遇到了一些问题,其中就包括与火电厂大容量负荷互扰的问题,我们也是通过一些策略的调整,消除了电厂对我们储能系统的一些顾虑,同时我们自身的性能也得到了一些提升。

微电网是镇江力信工厂光储充结合的项目,6.55MW的分布式光伏,10MW、40MWh锂电池储能系统和7套充电桩,可以随时参加需求侧的响应。

西藏羊易的储能项目是我们公司目前海拔最高的储能项目,主要采用铅炭电池和磷酸铁锂电池,通过不断的试验与测试,在调峰、调频、备用等多个课题上开展联合研究,为新能源大规模发展以及微网的储能技术的应用做了很多有益的探索。

最后一个是澳洲的Whyally光储项目,包括三期,光伏18MW,一期已经投运,二期和三期也在执行当中。这个项目因为我们在关口容量一直控制在5兆瓦以内,所以我们的光伏电站是一个非调度电站。澳洲的电力市场又是一个电价波动的市场,它会随时存在发生负电价的情况,所以我们会根据电力市场的波动,随时调节我们的新能源出力。未来随着储能系统的完成和我们EMS系统的改造升级,它可以自动的跟踪澳洲市场的电价的变化,来实时调节光伏的出力和储能的出力,并进行功能的切换。

我的汇报到此结束,谢谢大家。

关键字:电化学储能

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