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高倍率儲能系統在AGC調頻中的應用研究
發布時間:2017-05-16        閱讀量:4264        返回列表        去平臺詳情
江衛良:尊敬的各位嘉賓大家上午好!今天我向大家分享的題目是高倍率儲能系統在AGC調頻中的應用。2016年整個儲能產業呈現出良好發展態勢,無論建速度還是各種技術路線上面都是百花齊放的,就是加速的發展。大家都說2016年是中國儲能產業發展的元年,科陸電子是國內最早從事電化學、電池儲能系統研發、推廣和應用的簽寫之一。經過多年的探索和發展,現在即將迎來儲能產業的春天。首先我向大家介紹一下科陸電子在儲能產業方面最新的進展和應該的案例。科陸電子經過多年的布局,將儲能產業作為重點的戰略方向,現在已經形成完整的儲能產業鏈,覆蓋儲能產業的上下游,包括電池、PACK、BMS、PCS、儲能系統集成、儲能電站、商業化的儲能應用云平臺。我們已經形成系列化的儲能產品,提供系統儲能整體解決方案和項目總包的服務。儲能的產品應用領域,包括削峰填谷、調峰調頻輔助服務、微電網、新能源并網接入等。

近幾年我們做了很多儲能方面工程的應用,儲能的累計應用業績超過300MWh。在研發領域,科陸電子進行持續的投入,掌握儲能的核心技術,形成自主知識產權。在儲能領域的專利達到100多項目。

下面介紹一下我們在2016年投運的部分儲能項目。第一是玉門風光儲,電網融合示范項目,這個項目是以儲能技術為核心的,多能互補的綜合示范項目,在去年已經并網運行。第二西藏雙湖的局域網儲能項目,這個項目海拔5000多米,應該是世界上海拔最高的大型儲能電站,解決無序用電問題。第三個是佛山用戶側儲能電站項目,這個是純商業化運用的儲能電站,采用削峰填谷,減少虛量電費,通過儲能云平臺進行遠程監測,可以實時看到每天儲能電站產生的經濟效益。第四非洲某海島光儲能微電網項目,這是離網型的微電網。

通過這些項目我們一直在探索儲能在各個領域的應用價值,怎么樣使儲能大規模的應用?我想通過市場化的手段,我們一直也是渴望,一直呼吁建立一些價格補償機制,來推動儲能產業發展。儲能產業大規模推廣要走市場機制。今天跟大家分享,在這些領域主要是能量型的應用,在電力調頻這個領域,是工業型的應用,這種領域實際上可以走市場化的道路。在沒有補貼的情況下,也能夠持續的發展下去。因為儲能系統響應速度快,可以雙向調解,并且調解精度很高,是一種非常優質的調頻資源,在世界上美國、英國開始進行大規范的應用。



儲能參與AGC調頻領域美國走在前面,在美國儲能已經是大規模應用的調頻市場。美國之所以取得今天這樣一個成功的效果,已經證明儲能的經濟性和安全性各方面得到體現。主要跟它的頂層設計離不開的,2007-2013面美國推出4個法案,第一個法案,解決了儲能參與調離調頻的合法定位的問題。第二個法案明確儲能合理的收益問題。第三法案為儲能在全美范圍的推廣鋪平道路。第四個法案,解決儲能快速并網的檢測問題。有了頂層設計和法律法規的保障,儲能在美國市場進入快速發展時期。



對于我國現在電力市場改革,對于儲能產業的推廣,具有很好借鑒的意義。在我國儲能參與AGC無調頻還處于剛剛起步階段,國內有幾個少數電廠進行試點,其中石景山熱電廠是國內最早儲能參與AGC調頻的一個試點火電廠。在當時沒有法規政策明確規定情況下先行先試,采用儲能和火電機組,聯合調頻的方式,實際應用效果證明它的經濟性非常好,并且在安全性上都是有保障。直到2016年國家能源局發展,《關于促進電儲能參與“三北”地區電力輔助服務補償機制試點工作的通知》,才首次正式明確儲能在電力調頻調峰領域的合法的地位,明確指出在發電側建設儲能設施,可與機組聯合調頻調峰,或者作為獨立主體參與輔助服務市場交易。在我國現階段因為還沒有建立完善的電力輔助服務這么一個市場,沒有這么一個交易機制。所以在現階段,作為我們儲能產業來講,要想往前推進,儲能與機組聯合參與調頻是一種比較現實和可行的選擇。我們不能坐等政策出臺,通過應用,通過的技術的進步,來推動相關的政策向前走。我們通過儲能和火電機的聯合進行調頻,可以在現有市場機制下進行,不用改變現有的結算機制和調度機制。因為我們在調頻領域有相關的細則,當然各個區域對電力輔助管理是不一樣的。我們以華北區域為例,出臺兩個細則。這兩個細則雖然沒有單獨將儲能作為主體進行考核和獎勵,但是我們可以以火電廠為主體,以儲能為輔來調頻,不排斥這種方式。

簡單介紹一下電力系統AGC調頻。AGC主要通過實時調解電網中,調頻電源有功處理,來試試對電網頻率和連接電網功率實施的控制。主要解決區域電網內,短時隨即功率不平衡的問題。在三北地區因為大規模可再生能源并網,風電、光伏這種間接性能源波動性很大,我們需要大量的調頻電源,電機性平衡。在三北地區主要的調頻電源是火電機組,火電機組是慣性系統,從煤、到粉,到燃燒,最后產生蒸汽,反映功力的輸出條件上來,是分鐘級的響應。儲能系統雙向變流控制是電力電子的設備,可以在毫秒級響應。整個儲能系統整體上的響應也是秒級的響應。所以說在這個響應速度,調解速率方面,是具有很大優勢的。

對于一個機組參與AGC調頻,它的性能好壞,實際上我們可以通過量化的指標進行考核,主要包括三個方面指標,第一個調解速率。第二個調解精度。第三個響應時間。我們以這個示意圖為例進行說明。這是一個機組參與AGC調頻的典型的示意圖。機組運行在P1功率狀態,在T0時刻調度發出AGC指令,通過通訊傳輸,最后到機組的響應處理,就是開始功率脫離這個四區,到T1時間,這個時間叫響應時間,從T0到T1。這個機組持續提升的功率,一直達到這個目標的功率值,這個時間就說我們希望這個斜率是越高越好,這就是調解速率。到達目標值附近,我們希望這個功率維持在這個恒定值,盡量是波動性越小越好,這個指標就調解精度。儲能在這里面價值體現,它可以在很快時間內出動調動出令,快速將這個功率提升上去,達到調度的給定值,后期等這個機組功率更上之后,由機組維持這個恒定的功率,直到下一次調度又發指令,進行調解。



對于機組參與AGC調頻是有考核和獎勵機制。考核主要包括兩個方面,一個是AGC可用率的指標,一個是調解的性能指標,包括三個調解的要素。在補償方面有個計算公式,各個區域電網有所不同。考核補償的公式主要包括幾個方面,第一調解深度。第二調解性能指標。第三是經濟補償,就是1個兆瓦多少錢。在華北或者山西各個省份,有所差異。總體上來說,調解深度越高,調解性能指標越高,所獲得收益是越高。通過我們儲能和火電機組進行搭配,可以顯著提高調解性能指標,從而提高收益。所以通過儲能參與火電機組調頻,直接收益提升電廠AGC整體調頻的性能,或者更多經濟補償。間接收益減少機組的設備磨損,降低能耗,同時提高電力系統整體的AGC調頻能力,進一步改善電阻可靠性和和安全性。當然這里面也有一個問題,我們是在現有的市場機制下運行,所有的火電機組,大家都放在儲能,性能都很高,考試都是99、100分,到底去罰誰呢?實際上現在這種機制,從發電集團,左口袋掏到右口袋這么一個過程,做的去補償。這只是當前一種形式,終級目標還是建立電力輔助服務的市場。我們把儲能包括傳統的機組,大家在一個公平的評價上進行競爭,只有那些技術性、經濟性上好,安全性上好,這事樣的技術路線才可以脫穎而出,占領市場。

下面我介紹一下,火電機組和儲能聯合AGC調頻的解決方案。火電機組和AGC進行打捆,聯合調頻的方案,我們需要配一個儲能系統,這個儲能系統是由多個單元組成,每個單元需要有電池系統,PCS雙向變流器、變壓器。多個單元通過儲能AGC的主控單元,進行集中的調控,整個聯合調頻的過程是這樣的,調度中心發出AGC調頻指令,到電廠的遠動設備ITU,ITU向儲能的AGC主動單元和電廠的DCS,轉發這個S指令。儲能AGC主動單元,就根據這個AGC指令,同時協調電廠的處理,來聯合對AGC指令進行響應。



這里面一些主要的設備和關鍵的技術介紹一下。第一個是儲能AGC主控單元,這是主要的儲能系統的指揮大腦,它能實時控制儲能系統功率,和機組協調響應AGC指令,自動調解儲能系統的整體處理,因為儲能系統下面含各個單元,根據各個單元SOC情況,來分配儲能各單元的處理。同時采用雙基雙網的這種熱泵熱方式提高系統的可靠性。這是我們自主研發的一款功率型集裝箱式儲能系統,它的配置是2個兆瓦,1個兆瓦時,采用2C充放電倍率,為什么采用2C的充放電倍率,我們主要考慮安全性、經濟性綜合的考量。整個系統模塊化的設計,這是電池(派克),這是電池價,這是集裝箱系統,整個系統采用搭積木的方式進行組裝,非常方便生產和維護。要實現這么高倍率的儲能系統,功率型的,首先是要有一款適合高倍充放電的電池,我們采用一款60AH的磷酸鐵鋰電池。這款電池具有很好的充放電特性和循環壽命。在90%DOD,2C倍率充放電情況下,循環壽命5400甚至80%的容量。

電池的管理系統BMS也是整個系統核心的技術,我們采用自主研發的BMS系統,采用三級的管理架構,包括BMU,電池包的管理系統,BCMS電池組、BAMS電池堆的管理。BMS系統具備完善的數據采集存儲,上送和實驗記錄功能,具有多重的保護機制,包括電流、電壓、溫度等方面的保護。具備完善的故障診斷和定位的功能。我們采用主動均衡的策略,因為在在這種調頻的功率型應用場景,儲能系統大部分時間工作在一種淺充淺放的狀況。我們建議是每運行一段時間,比如6個月,進行一次維護,通過一件事標定功能,可以對整個功能容量進行重新的標定。

相對于低倍率能量型的儲能系統來講,我們高倍率的功率型的儲能系統,在熱管理上面,是一個非常關鍵的技術。主要考慮以下幾個方面的因素,一個是散熱和保溫的設計。因為鋰電池,它運行的溫度是有一定要求的,溫度過高,或者過低得會影響壽命。在大倍率充放電情況下,因為整個電池發熱量比較高,我們要有足夠的制冷能力。在三北這種地區的應用,很多是在冬季是嚴寒地區,我們要有足夠的保溫能力,我們采用是一款工業型的冷暖空調。可以將集裝箱內的溫度,保持在合理的范圍,合理的設定值,自動進行加熱或者制冷。

第二考量因素就是溫度的一致性設計。在一個集裝箱內有幾千顆電池,每個電池分布在不同的位置,電池之間不可避免的存在溫度差,如果這個溫度差夠高,電池一致性越來越差,最后形成系統的短板。我們采用等量精準送風技術,將風量精確的送到每一個(派克),這樣使整個系統內電池之間的溫差最小化,經過我們實際長時間的測試,在二次背景下運行,我們整個系統,所謂電力之間最大溫度差可以控制在10度以內。

安全性設計,我們采用多重熱保護機制。在系統開始充放電,電池溫度開始上升的時候,我們自動調解正能量的風量,當溫度計上升達到了一級高警值,我們就PCS就降功率運行,達到二級高警,PCS停止功率,如果達到保護值,系統會自動跳閘保護。這種設備的安全和整個系統安全是首要的。

我們基于電廠大量的歷史數據進行仿真計算,這個仿真的主要目的,第一優化儲能協同機組,相應AGC指令的算法。第二確定儲能最佳經濟性配比,計算最大投資回報率。從這個圖上可以看出,藍色是調度計劃指令的曲線,綠色是在沒有儲能參與的情況下,一個響應的曲線,紅色是有儲能參與下一個響應曲線。有了儲能聯合調頻,整個響應的速率和響應時間是提高很多。當然這里面儲能配比越大,功率和容量配的越大,它的響應能力是越好的,KP指標越高,產生收益越高。同時另一方面,如果電池配的越多,系統成本也會越高,到找一個平衡點最佳投資回收期。根據我們對國內一個30萬的火電機組,進行實際的仿真計算。如果在配3.5兆瓦時的儲能系統,投資收益期小于3年。整個儲能系統在正式運行之前,我們需要做系統級的驗證,來模擬運行場景,進行長時間的測試。我們早在2012年科陸電子在國家能源局的支持下,建立可再生能源規模化儲能并網工程實驗室。我們以這個實驗室為依托,建立一個儲能AGC調頻動態模擬實驗系統。這個實驗系統可以模擬真實的應用場景,將現場大量的數據通過虛擬機的方式發送我們這個儲能系統。儲能系統對AGC指令進行響應,可以長時間進行優化運行。經過實際測試,我們這個系統可以在二次背景下長期穩定的運行。整個系統響應時間從主控單位收到AGC指令開始不到一秒鐘。

現在中國儲能在AGC調頻領域是剛剛起步的階段,我在這里借這個機會有幾點建議,做一個呼吁。第一個希望建立一個公開透明的調頻的輔助市場,鼓勵各個市場主體公平參與競爭,引導儲能健康發展。第二方面建立相關的技術標準體系,指導儲能系統設計、制造、安裝、運行等各個環節。第三方面探索多種商業模式,多方來共享收益。科陸電子在儲能領域,也做了大量研究工作,具備成套的解決方案和相應的產品,但是我希望與各位業內同仁一道,為推動我國儲能事業的發展,繼續努力,謝謝大家!

文章來源國際儲能峰會2017暨中國國際儲能技術與應用展覽會上的演講。

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