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8月9—10日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計院有限公司、西安北大科技園、中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)組、深圳市科陸電子科技股份有限公司等單位聯(lián)合主辦“第二屆全國發(fā)電側(cè)儲能技術(shù)與應(yīng)用高層研討會”在陜西西安金磐酒店舉行。來自政府主管部門、能源監(jiān)管部門、行業(yè)專家、設(shè)計院、新能源發(fā)電業(yè)主單位、電力公司、系統(tǒng)集成商、項目承包商、投融資機(jī)構(gòu)等單位的260余位嘉賓出席了本次研討會。
廣州智光儲能科技有限公司技術(shù)總監(jiān)郭威先生在主題報告環(huán)節(jié)分享“基于新能源消納需求的高壓儲能技術(shù)研究”，以下為其主要發(fā)言內(nèi)容。
郭威
各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，大家下午好！
今天跟大家分享智光儲能在新能源消納需求的高壓儲能技術(shù)研究。主要包含5個部分：
第一，先介紹一下大概背景，前面背景今天上午已經(jīng)介紹過了，我這里簡單過一下。截止2019年6月底，全國新能源總裝機(jī)高達(dá)3.79億kW，截止到2019年6月，全國光伏發(fā)電裝機(jī)1.86億千瓦。從全國發(fā)電量上來看，左邊是發(fā)電量，右邊是限電量和限電率，裝機(jī)量最大以西北地區(qū)為主，其中新疆特別突出。再看一下風(fēng)電，全國裝機(jī)西北和內(nèi)蒙地區(qū)，包括河北裝機(jī)量非常大，總共裝機(jī)量截止到今年6月份達(dá)到了1.93億千瓦，但是從發(fā)電量上來，左邊是總的發(fā)電量，發(fā)電量很高，因為總裝機(jī)很大。但是限電量和限電率新疆地區(qū)和內(nèi)蒙地區(qū)都是比較高。從下面最近三年曲線上來看，限電率和限電量呈大幅度下降趨勢，但仍保持高位這是我們做新能源儲能消納研究的背景環(huán)境。
第二，介紹一下新能源消納需求，前面很多領(lǐng)導(dǎo)專家做了介紹。我們花了一年多時間跟蹤了多個風(fēng)光電站的運行數(shù)據(jù)，這是一個風(fēng)電場13天的發(fā)電曲線，采樣時間是1分鐘，不發(fā)電的時間剔除掉以后，可以看到波動幅度非常大，這個是50兆風(fēng)電裝機(jī)，從限電功率上來看最大達(dá)到40兆瓦，大部分在10兆瓦一下，這個量非常可怕。如果我們想解決風(fēng)電限電，提高風(fēng)電消納，這就對儲能系統(tǒng)提出了更高要求，儲能功率至少是10兆瓦級的，這個曲線如果拉長的話，這個波動是非常頻繁的，這就要求儲能具有更快的響應(yīng)速度。
風(fēng)電場適配儲能最好有兆瓦級的功率配置，50兆風(fēng)電場至少要做到5兆瓦級才會經(jīng)濟(jì)運行。第二儲能系統(tǒng)要有非?？焖俚捻憫?yīng)能力，響應(yīng)不行，要達(dá)到滿功率的響應(yīng)，調(diào)節(jié)能力要非?？?，最好達(dá)到毫秒級?？刂撇呗詢?yōu)化，要綜合進(jìn)行控制策略優(yōu)化。要求儲能系統(tǒng)有更高的轉(zhuǎn)換效率，因為這些電量最終還是跟儲能系統(tǒng)投資和經(jīng)營效益相互掛鉤，經(jīng)營效率低，儲能投資失去了很多價值。
再舉一個例子，這是一個9天光伏電站的發(fā)電曲線，這是標(biāo)準(zhǔn)饅頭曲線，是晴天的數(shù)據(jù)，這個是非晴天數(shù)據(jù)。其中紅色是調(diào)度AGC指令，綠色是可發(fā)功率。下面曲線做的場站和時發(fā)功率的差值，如果綠色曲線在上面表示儲能可以充電，是限電狀態(tài)，在下面表示儲能可以放電，是不限電狀態(tài)，把這些電量求積分，帶入儲能的功率和容量和SOC、效率、響應(yīng)速度等進(jìn)去，這就是儲能系統(tǒng)解決多少的限電量，這是我們的基本思路。從這個圖上來看，這里是30兆光伏電站曲線圖，但是最大的限電功率達(dá)到了10兆瓦，我們儲能按照30%的功率進(jìn)行配置，這個就太浪費了。但實際上我們可能只會滿足60%到70%的限電需求就可以了，因為我們要追求經(jīng)濟(jì)效益。
綜合光伏電站的數(shù)據(jù)，光伏電站儲能也要求功率非常大，指令可以達(dá)到5~10兆瓦級，但是儲能系統(tǒng)容量配多造成浪費，配少把限電沒有得到很好的解決。因為光伏要根據(jù)負(fù)荷快速變化，如果調(diào)節(jié)速度慢也會影響到儲能的整個收益，儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)能力要求非常的快捷。控制策略也要相應(yīng)的進(jìn)行優(yōu)化，不能把風(fēng)電儲能控制策略在光伏電站直接進(jìn)行套用。最后也是要求能量轉(zhuǎn)換效率比較高一些。
剛才講的是消納需求，限電量的情況。這個是國家能源局西北監(jiān)管局局下發(fā)的關(guān)于新能源電站增加一次調(diào)頻的文件，需要具備一次調(diào)頻。右邊這個是國家能源局2018年下發(fā)的1870標(biāo)準(zhǔn)，有興趣可以研究一下1870標(biāo)準(zhǔn)，其中對新能源廠站一次調(diào)頻，上調(diào)和下調(diào)都做了要求，但是西北監(jiān)管局的文件里面只要求場站需要上調(diào)的能力，儲能系統(tǒng)如果和一次調(diào)頻檢測設(shè)備、功能相互配合起來效果會更好，而且會大幅度降低由于一次調(diào)頻帶來的限電率增加的問題。
第三個需求是功率超發(fā)，綠色是代表場站實發(fā)功率，超發(fā)了，按照西北地區(qū)的細(xì)則要面臨考核，目前20兆光伏電站一個月由于單純超發(fā)功率，一個月大概有10個積分的考核，一分是1000塊錢，一個月有10000多塊錢的考核情況。如果配了儲能，而且快速響應(yīng)過來，這一部分的免考就可以作為儲能收益。下面把超發(fā)功率做了分布測算，在下面羅列出來了，超發(fā)會有這么多，如果配儲能和相應(yīng)速度都一秒之內(nèi)滿功率相應(yīng)，這個超發(fā)功率考核就可以完全減免掉了。
這個是新疆地區(qū)今年5月份按照新版“兩個細(xì)則”考核之后的考核情況，考核最前面都是風(fēng)電場，主要因為風(fēng)力預(yù)測偏差比較大，得到了很多考核。這個是青海省2018年12月到2019年3月份“兩個細(xì)則”考核情況，從這個圖上可以看風(fēng)電也好、光伏也好，考核峰值和占比出現(xiàn)大幅度的上升?？己朔质菑娜ツ?2月份成倍往上增長，那個是光伏，這個是風(fēng)電場的數(shù)據(jù)，可以看到明顯的增長。整個電網(wǎng)和社會用電對新能源場站要求越來越高，對新能源場站提出更高的要求，要求我們在風(fēng)光預(yù)測提出了更高要求，這些要求都可以通過儲能來進(jìn)行進(jìn)一步改善，這個是風(fēng)光功率預(yù)測的需求。
第三個介紹一下基于新能源消納需求的高壓儲能技術(shù)。了解智光的同仁都知道，智光這么多年來一直致力于高壓儲能技術(shù)的研究，我們在行業(yè)里面走在比較另類的路線。這個是高壓儲能系統(tǒng)拓?fù)鋱D，最大特點單機(jī)功率達(dá)到10兆瓦以上，無需并聯(lián)，電壓可以是6到35千伏，因為它沒有很多的小機(jī)并聯(lián)，安裝上可以大幅度減少交流高低壓開關(guān)、保護(hù)、升壓變的數(shù)量。這是10兆瓦高壓儲能和常規(guī)儲能的對比，如果采用高壓儲能10兆瓦只需要一臺就可以解決，而采用常規(guī)500千瓦儲能產(chǎn)品進(jìn)行對比，大概需要20臺低壓儲能，10臺升壓變及保護(hù)監(jiān)測，10臺高壓開關(guān)及保護(hù)，20臺低壓開關(guān)及保護(hù)，相應(yīng)的遙測、遙信也會數(shù)倍于高壓儲能。
減少了大量電池并聯(lián)的問題，今天上午周老師也對這一塊做了很多說明，由于電池大量電芯并聯(lián)的時候，BMS在采集電芯電壓的時候不是采的不是單個電芯的電壓，而是并聯(lián)的所有電芯電壓，我們要降低電芯直接或者間接并聯(lián)的數(shù)量，而采用高壓儲能技術(shù)就可以很好的解決，這個圖上面畫的是兩路電芯并聯(lián)，但在很多情況下可以不用電芯并聯(lián)，單電芯串聯(lián)完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。
減少了電芯并聯(lián)可以避免整個儲能系統(tǒng)的效率，系統(tǒng)的容錯能力會更強(qiáng)一些。因為之前我們公司同事在行業(yè)里面在會議上做過介紹，大家多多少少有一些了解。
第三個高壓儲能技術(shù)做了四級均衡，兩級被動均衡和兩級主動均衡。主動均衡投入之后有什么好處？可用容量更高，效率更高，左邊這個圖是3兆瓦時的儲能系統(tǒng)，電池充電電量最高達(dá)到2888度，這是3兆瓦時的儲能系統(tǒng)。右邊這張圖可以看到，我們投入到主動式均衡之后，系統(tǒng)36個電池簇SOC極值差收斂趨勢，SOC極差低至3%以下，顯著提高系統(tǒng)整套可應(yīng)用容量。我這里不講安裝容量，講使用容量，實際使用容量是多少，才是我們投資者和用戶真正關(guān)心的。
右下角是36個儲能單元運行若干循環(huán)下來之后，整個集裝箱里面分布各個測點的溫度極差，控制在了3攝氏度以內(nèi)，最高溫度和最低溫度控制在3攝氏度以內(nèi)。今天上午有一位專家介紹了，控制在5攝氏度，這是我們設(shè)計跑到的數(shù)據(jù)，歡迎大家可以到現(xiàn)場去考察。
我這里補充一個，為什么講這些？在座電池廠家都知道，電芯在出廠的時候會標(biāo)電池壽命，比如5000次，會有很多的限制條件，比如@25℃，@100%DOD，等，我們把SOC控制一致性更好一些，就不會說運營第一年壞多少電池，第二年再壞多少電池，這種情況可以大幅度減少。溫度控制一致性更好一些，避免了部分電芯過快的衰減。
我們在做新能源電站儲能的時候，穿插一下前面講的內(nèi)容，前面很多專家講的，包括新疆、青海、甘肅，新能源廠家裝多大功率，有些人說10%，有些人說15%，最近新疆這次要求光伏電站裝15%的功率，有一些裝到20%、30%，到底裝多少比較合適？我們花了一年多時間采了好幾個新能源電站，搭了這樣一個模型。從限電數(shù)據(jù)，調(diào)度的目標(biāo)值是以一分鐘為采樣時間，整個生成了這一個電站的模型，把場站一年數(shù)據(jù)代入，和儲能系統(tǒng)主要指標(biāo)，比如響應(yīng)速度，系統(tǒng)效率、安裝容量、可用率，把這些指標(biāo)全部代入，以儲能系統(tǒng)的安裝功率作為輸入變量，我們會得出很多儲能系統(tǒng)的效率數(shù)據(jù)。我們會得到一個曲線，這個曲線頂點位置就是這個項目裝的儲能系統(tǒng)最佳功率，后面我會有一些曲線和數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。對于儲能系統(tǒng)容量配比也是同樣的，以電站為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，搭出電站模型，以電站限電量和限電功率和儲能系統(tǒng)模型，以儲能系統(tǒng)安裝容量作為輸入，可以得到儲能系統(tǒng)的最佳裝機(jī)容量。我們可以看到很多限電，每天限電量都是不同的，功率不同的，時間是不同的，我們怎么樣來得出這樣的結(jié)論，我們把這些數(shù)據(jù)全部帶到模型里面來，我們用儲能系統(tǒng)的電力取得最大收益，取得最小收益，用收益乘以儲能系統(tǒng)的造價會得出下面的曲線，一個是最大值，一個是最小值。這個范圍就是我們這個項目安裝儲能的最佳容量配比，PCS功率也是同樣的算法，從上面這個圖來看，從儲能系統(tǒng)的電池容量來看，配比越高收益越高，但是經(jīng)濟(jì)性是呈下降趨勢的，這是在這塊做的模型，很多新能源電站都可以基于這個大數(shù)據(jù)做分析，得到廠站安裝的容量配比。
介紹一下關(guān)于高壓儲能技術(shù)的幾個疑問解答，很多科研單位對這塊有疑問，我就幾個大家比較關(guān)心的疑問做一個公開答疑。
第一個疑問是高壓儲能方案每相有很多模塊串聯(lián)起來，如果有一個模塊故障了，不管是電池還是PCS故障，那這相就斷了，導(dǎo)致系統(tǒng)缺相而停機(jī)，系統(tǒng)容錯能力太低了。我這樣解答，這是單個PCS的模塊，它所對應(yīng)的電芯和PCS模塊出現(xiàn)了故障，系統(tǒng)會進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，然后逐級把模塊進(jìn)行電池和PCS會從旁路出去，這邊有一個隔離開關(guān)，旁路掉之后，這一邊會隔離出去，這邊電芯、電池和PCS模塊都可以進(jìn)行檢修。每個相有10個模塊，剩下的模塊怎么辦？只需要每一個模塊脈沖寬度適當(dāng)增加，輸出電壓增加10%，整套儲能系統(tǒng)的輸出就會達(dá)到平衡，這是第一個問題的回應(yīng)。
第二個也有人問，高壓儲能系統(tǒng)電池處于高電壓容易有損壞，電池壽命影響儲能系統(tǒng)的壽命，不適合做大功率、大容量的儲能系統(tǒng)。我這里來解釋一下，高壓儲能系統(tǒng)里面的電芯承受的是正常電壓，不是高電壓，把高電位和高電壓兩個概念搞混了，我這里來解釋一下，這個圖大家生活中經(jīng)常見到，鳥在高壓線上為什么沒有被電擊死，因為承受的電壓是這一段導(dǎo)線很小的電壓，所以鳥不會被電擊死，只是處于高電位上。初中物理上講過一個科學(xué)常識，一個人對地完全絕緣，當(dāng)他摸到高電位的時候，他就處于高電位了，好比電芯只是處于高電位，電芯不存在處于高電壓的環(huán)境下影響儲能系統(tǒng)的壽命。高電位不等于高電壓，電芯在里面屬于高點位，但是不是高電壓。高電壓更適合做大功率、大容量的儲能系統(tǒng)。我為什么這么說？我這里思考了很長時間，想到一個自己感覺比較合理的比喻，我這里展示一下，合不合適，在座專家做一個考量。
比如說磚混結(jié)構(gòu)的房子使用了上百年甚至上千年的都沒有問題，住的都是安全的，住了那么多年，但是這種房子建的非常漂亮。單位面積可住宅面積畢竟比較少，所以比較占地方，但是當(dāng)我們在城市里面需要更多的人口居住在固定面積土地上的時候，我們就需要改變一種新的思路，實現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的革新。開創(chuàng)出一個新的儲能結(jié)構(gòu)出來，這個就好比我們要建摩天大樓需要有鋼混結(jié)構(gòu)和鋼架結(jié)構(gòu)，這是我做的比喻，合不合適大家自己斟酌一下。
第三個疑問高壓儲能系統(tǒng)的接地風(fēng)險比較大。本質(zhì)上認(rèn)為高電壓容易發(fā)生絕緣故障，對于不同電壓等級的電力設(shè)備在設(shè)計過程中均采用不同等級的絕緣材料，6KV目前非常成熟，高壓輸電網(wǎng)電壓到了1100千伏，已經(jīng)非常成熟了，并且廣泛使用幾十年的時間，不存在把電壓提升到6千伏、10千伏就容易發(fā)生絕緣故障的問題。
第四個高壓儲能系統(tǒng)更容易發(fā)生人身傷亡？跟剛才的認(rèn)識是一樣的，但是要反觀南方電網(wǎng)和國家電網(wǎng)每年發(fā)布的事故反措?yún)R編，低電壓系統(tǒng)每年更容易發(fā)生人身安全事故，高壓發(fā)生的事故并沒有那么多。
最后花一點時間簡單介紹一下智光儲能科技有限公司， 廣州智光儲能科技有限公司是廣州智光電氣股份有限公司的全資子公司，是智光電氣在綜合能源技術(shù)與服務(wù)戰(zhàn)略發(fā)展方向的重要布局。 智光電氣憑借自身多年電力電子技術(shù)、高電壓技術(shù)、自動化與信息化技術(shù)及智慧能源技術(shù)的研究與應(yīng)用經(jīng)驗，并通過與國內(nèi)電池行業(yè)資深研究團(tuán)隊、科研院所及高校合作，擁有一批在電池PACK技術(shù)研究與生產(chǎn)、BMS、EMS及PCS等領(lǐng)域?qū)I(yè)的研究團(tuán)隊。
智光子公司比較多，目前全資子公司有30多家，這里面只是其中一部分，包括有設(shè)計院和電纜公司、自動化、電機(jī)驅(qū)動。成立這么多年來核心技術(shù)很多，因為我們講儲能，主要核心技術(shù)有三個第一個是電氣控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、高電壓技術(shù)。智光有自己的研發(fā)設(shè)計部門，企業(yè)技術(shù)中心、綜合能源實驗室、博士后工作站、科技企業(yè)孵化器、中試與產(chǎn)業(yè)化。依托于這三個技術(shù)和研發(fā)團(tuán)隊，99年智光成立的時候開發(fā)出自己的第一款高壓電氣控制和電力電子的產(chǎn)品消弧系統(tǒng)，從3.3千伏到35千伏。依托這三個技術(shù)研發(fā)出了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，電壓等級是3.3到10千伏，出口到國外的電壓12千伏都有。第三個還是依托于這三個技術(shù)，高壓固態(tài)軟起動器，實現(xiàn)了3.3千伏到10千伏的產(chǎn)品。第四個是高壓無功發(fā)生器，3.3-35千伏，不通過變壓器，直接掛在電網(wǎng)上的。第五個是高壓儲能系統(tǒng)，3.3-35千伏產(chǎn)品。第六個是高壓船舶安用電源系統(tǒng)，目前在國內(nèi)市場占有率第一。都是依托于三個核心技術(shù)。
我今天分享就到這里，謝謝大家。
原標(biāo)題：郭威：基于新能源消納需求的高壓儲能技術(shù)研究
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