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科普|磷酸铁锂储能应用实例

科普|磷酸铁锂储能应用实例

  ,是指通过某种介质或设备,把某种形式的能量存储并在未来需要时释放的循环过程,该过程往往伴随着能量的传递和形态的转化。根据不同能量载体,储能形式多种多样,传统的如煤场存煤、储气罐储气、水库存水等,新型的如核电站的核燃料、电池储电、相变蓄热等。

  储能是能源生产与能源消费之间必不可少的“缓冲器”。在能源系统中,由于存在各种不可控的随机因素,能源生产与消费之间总是存在着差异,因此,能源系统要具备调节能力来消除这一些差异。储能的作用,就是在能源系统中提供抵消不可控因素的调节能力,确保能源生产与消费平衡,在保证用能安全的前提下,提升系统整体经济性水平,降低用能成本。

  以电力系统为例,储能能够为电力系统提供毫秒到数天的宽时间尺度上的灵活双向调节能力,并能进行功率、时间双重支撑,改变电能的时空特性,直至改变传统电力系统即发即用、瞬时平衡的属性。也正是由于储能所拥有的这一独特技术特征,其颠覆了源网荷的传统概念,通过在源网荷侧嵌入储能,提高各环节自身的自平衡与自调节能力,改变原有完全依赖大电网区域宏观调配,以供需瞬时平衡为目标的传统运行模式,降低对预测精度的依赖,减少不必要的备用冗余,提升电力系统对于可再次生产的能源和电动汽车等强波动性电源和负荷的接纳能力,从而大幅度的提升电力系统应对局部扰动的灵活性及整体能量输运和分配效率,逐步降低能源生产与消费成本。

  为了促进能源结构的转型升级、实现清洁低碳发展,我国全力发展清洁能源,装机容量占比日益提高,随着清洁能源快速地发展的同时,在电源侧布置储能系统能有效地改善电能质量,我们总结了在电源侧储能电站能轻松实现的多个功能:一是快速响应调频调压;二是平滑功率输出;三是跟踪计划出力;四是削峰填谷。

  储能与风光发电联合应用提升了新能源发电的并网友好性,同时也可参与系统调频/调压等。主要应用模式有:①平滑新能源发电;②跟踪发电计划;③参与站级调频/调压;④削峰填谷。

  2009年,科技部、财政部、国家能源局和国家电网公司联合推出的“金太阳工程”首个重点项目——国家风光储输示范工程落户张北(见图1)。该工程是国家电网公司建设坚强智能电网首批重点工程中唯一的电源项目,总投资额达10亿元。

  张北风光储输示范工程投产后,风光储输示范项目在智能电网的技术框架下,有明确的目的性地进行了新能源并网的难点、重点科技攻关,初步实现了将风、光电源变成优质的绿色电源并接入大电网,大多数都用在平滑风光功率输出、跟踪计划发电、削峰填谷、参与系统频率等功能。

  近期国家能源局公布风电平价上网示范项目名单,13个项目(总计70.7万kW)完成签约,风电平价上网的探索终于迈出了实质性的步伐。几乎在同时,“业精于风”的国际风电巨头Vestas走出了战略转型的重要一步,宣布与Tesla展开风电场储能应用合作,以求降低整体发电成本。苏格兰电力可再次生产的能源公司(ScottishPower Renewables)项目管理主管托尼·甘农(Tony Gannon)在Solar Media 2021年的储能峰会上解释了该公司是如何明智的选择利用其539MW怀特利(Whitelee)风电场的诸多效率的。Whitelee是一个50MW/50MWh的储能项目,该项目将液冷锂离子电池与苏格兰格拉斯哥附近英国最大的陆上风电场进行结合。2019年6月,苏格兰政府批准了该电池计划,2020年7月,逆变器制造商英格泰姆宣布成为电力电子技术提供商,而使用的电池是来自中国制造商宁德时代的磷酸铁锂(LFP)电池。

  光伏储能系统是将光伏发电系统与储能电池系统相结合,主要在电网工作应用中起到负荷调节、存储电量、配合新能源接入、弥补线损、功率补偿、提高电能质量、孤网运行、削峰填谷等作用。通俗来说,可以将储能电站比喻为一个蓄水池,可以把用电低谷期富余的水存储起来,在用电高峰时再拿出来用,这样就减少了电能的浪费;此外储能电站还能减少线损,增加线路和设备的使用寿命。

  储能电站(系统)主要配合光伏并网发电应用,因此,总系统是包括光伏组件阵列、光伏控制器、电池组、电池管理系统(BMS)、逆变器及相应的储能电站联合控制调度系统等在内的发电系统。大容量电池储能系统在电力系统中的应用已有20多年的历史,早期大多数都用在孤立电网的调频、热备用、调压和备份等。太阳能电池板吸收太阳光,产生直流电,经过储能逆变器逆变为市电优先供给家庭负载,再供给蓄电池,充满电后多余电能并入国家电网产生收益,也可根据当地峰谷电差时间设置削峰填谷产生收益。储能技术是构建能源互联网,促进能源新业态发展的核心基础,未来三大新兴起的产业——新能源并网、智能电网、电动汽车的发展瓶颈都指向储能技术,市场潜力巨大。

  储能电站安装在电网侧,由省级电力调度中心进行统一调度,实现调峰、调频、调压、紧急功率支撑等电网侧应用功能,增强电网可调节手段。主要的应用模式有:①紧急功率支撑;②调峰;③调频;④调压。

  华润电力(海丰)有限公司与深圳市科陆电子科技股份有限公司合作的30MW/14.93MWh储能辅助调频项目郑重进入试运行阶段。这是目前国内规模最大的储能调频项目(见图2)。

  图2 科陆-华润电力30MW/14.93MWh储能辅助调频项目(功率最大)

  该项目不仅在装机容量上有了大幅度的提高,也在独立储能电站直调技术上实现关键突破,项目成功试验了独立储能一次调频、二次调频、调峰、自动电压控制、黑启动、备用等功能,为独立储能的运行夯实了技术基础,也展现出科陆在储能调频领域的硬实力。据科陆介绍,该项目采用安全性较高的磷酸铁锂电池为储能元件,应用科陆全新自主开发的PCS群控管理技术和EMS,成功在百万千瓦发电机组分别试验了辅助AGC调频功能、储能系统毫秒级广域直调技术、虚拟同步机技术、调度调峰功能,并首次实现了60台储能逆变器并离网切换、离网并机,电厂保安电源以及黑启动技术,为储能在电力系统的多元化应用打下了坚实基础。

  2020年,世界单体容量最大的电网侧电化学储能电站——江苏昆山储能电站一次性倒送电成功,其采用磷酸铁锂电池方案,以4回35kV线kV侧,有效地弥补了磷酸铁锂储能系统电网侧的空白。昆山储能电站地面积31.4亩,建设规模为110.88MW/193.6MWh,共配置88组预制舱式储能电池,每套储能电池舱容量为1.26MW/2.2MWh。为把项目打造成优质储能工程,平高集团集中优势资源成立项目攻关小组,按照项目总体规划布局方案,提出了设计技术路线,将行业内的高端技术全部应用到工程建设项目中,并与国网江苏省电力公司联合攻关,实现优势互补,重点突破消防灭火、通风等技术难题。为了应对电池面临的消防问题,火灾预警、自动灭火系统和联动控制管理系统首次在磷酸铁锂电池预制舱中配制。其中,自动灭火系统创新地实现了七氟丙烷气体灭火系统和高压细水雾灭火系统的结合,且设置了远程手动控制、自动控制等4种控制模式。

  用户侧/微电网储能大多数都用在促进分布式电源的灵活高效应用,实现对负荷的高可靠供给,并利用峰谷差套利,容量在百千瓦到十兆瓦级。主要的应用模式有:①提高供电可靠性;②保证电能质量;③平抑新能源出力波动;④多种能源互补应用;⑤需求侧响应;⑥峰谷差套利。

  用户侧的储能电站能应用到工商业储能、海岛储能、家用储能、军方储能、偏远地区储能、社区储能、数据中心、校园微网、电动汽车充电站和别的方面。由于市场环境、政策机制、可再次生产的能源以及分布式能源的渗透程度、发展目标等不同,不同的国家对储能的定位、储能发展路径、支持力度和方法不一样,也就造成了分布式储能的应用重点、收益来源、模式以及经济性等存在一定的差异。部分国家分布式储能项目主要使用在分布见表1。

  以工业峰谷电价差普遍在0.7元左右的江苏、广东等经济条件好、优质客户较多的区域为主,项目普遍采用能源管理合同的方式,投资回收期通常在7年以上。主要参与主体包括浙江南都电源动力股份有限公司、江苏中天科技股份有限公司、深圳市科陆电子科技股份有限公司等储能系统供应商,为用户更好的提供从产品供应到运维的一揽子服务。

  在美国,加利福尼亚州是分布式储能应用的代表。加利福尼亚州工商业用户的需量电价高、屋顶光伏渗透率超过20%,以及当地政府为储能项目提供的初装补贴等成为推动用户侧电池储能安装和模式成型的重要的条件。通过借鉴原有分布式光伏的推广模式,分布式储能项目呈现出“租赁”“收益共享”等多元化模式发展路径。另外,近年来,分布式储能聚合模式试验项目也开始在美国得到试验。美国分布式储能市场中参与主体较多,提供的服务也较为多元化,除了常规的储能产品供应、安装及运维等服务,还提供包括贷款、融资、储能资产管理、软件管理与控制等增值服务。

  德国在实施创新电池储能商业模式方面处于领跑者的地位。基于区块链、电力系统2.0(其中一个要素是聚合)等理念,德国成为第一个创建社区储能商业模式以及将储能纳入电费套餐模式的国家。从分布式储能的市场参与主体构成来看,德国本地小型家用储能系统供应商较多,家用储能的市场占有率大多分布在在Sonnen、LG化学、E3/DC、Senec、Solarwatt、Varta等厂商手中。根据EUPD的数据,2017年这一些企业的市场占有率占家用储能市场总额的80%。德国以外的厂商中,除了LG化学,比亚迪股份有限公司、沃太能源股份有限公司、特斯拉也占据一定的家用储能市场份额。

  澳大利亚的商业模式与德国类似。户用储能,主要是小型光储混合系统在分布式储能市场占据非常大的优势地位。由于各州的电价水平、FIT机制、光照条件的不同等,使得家用光储系统的投资回收期在7~12年不等。目前,澳大利亚的分布式储能系统安装商为用户更好的提供的电池产品主要是锂离子电池产品,包括Alpha-ESS、LG化学、Tesla Powerwall 2、Enphase AC Battery、Sonnen Batteries、Pylontech等电池品牌。逆变器产品有Redback、Sungrow、SolaX和Goodwe等品牌。能够准确的看出,澳大利亚用户侧储能市场主要被澳大利亚以外的品牌占据。在澳大利亚,分布式储能项目(主要是家用光储系统)的收益来源较为简单,主要是自发自用光伏电力,节约电费开支,在阿德莱德、堪培拉等个别州/地区,可获得一定的初装补贴,在墨尔本、阿德莱德等地,还有望参与澳大利亚公用事业公司AGL等主导的“虚拟电厂”计划,获得额外收益。

  近两年,储能集装箱开始走入慢慢的变多的场景,如大数据中心、石油平台、油库、煤矿等,超大“充电宝”成为工业界的能量之源。

  国轩高科控股子公司上海国轩舞洋船舶科技有限公司获得国家重点研发计划智能电网技术与装备重点专项2018项目配套的1790kWh集装箱式储能电站订单。

  该项目为“海上多平台互联电力系统的可靠运行关键技术”,由中海油研究总院牵头申报,是中海油系统利用大容量储能技术提高电网稳定性的创新实践,填补了当前大容量储能技术在中海油系统内应用的空白。

  海上油田电网为典型的孤岛电网,与陆地电网没有电气连接。同时海上油田电网电源容量小,负荷容量大,大负荷启动瞬间以及电网故障会造成较大的频率波动。为保证N-1故障情况下电网稳定性,相对少量的储能即可有效提升电力系统调频性能,保持频率稳定。

  在微电网与主电网连接,并网运行时,其电能质量一定要符合国家有关标准,即功率因数、电压不对称、电流谐波畸变率、电压闪降等参数需达到相应值。微电网受本身能源特性影响,使其在无储能系统的情况下没办法保证电能质量,特别是电压稳定性。储能系统通过对系统中的储能变流器控制,起到了稳定电能输出、调节储能系统向微电网输出的有功、无功功率和解决电压骤降/跌落问题的作用。储能系统一方面提升了微电网的电能质量,另一方面为微电网提供部分谐波治理功能。在微电网中,储能系统可以在负荷低谷时存储分布式能源发出的多余电能,在负荷用电高峰时释放电能,从而调节负荷需求。作为微电网中的能量缓冲环节,储能系统是必不可少的,其在满足峰值负荷用电的同时,能够更好的降低发电机组或变压器所需容量。

  储能技术的主要应用方向有:①风力发电与光伏发电互补系统形成的局域网;②风力发电和光伏发电系统的并网电能质量调整;③通信系统中作为不间断电源和应急电能系统;④大规模电力存储和负荷调峰;⑤电动汽车储能装置;⑥国家重要部门的大型后备电源等。

  通常来说,微电网的一般结构由能源流和信息流相互融合而成,分为分布式能源、储能装置、电能变换装置、保护设施和微电网能源管理系统,也可结合实际应用情况做增减。相对于大电网,微电网表现为单一的受控单元,它能够保证用户电能的质量和供电安全,同时也是智能电网及能源互联网的重要组成部分。在微电网运行中,有两种运行模式:并网运行模式和孤岛运行模式。并网运行模式是在外部无故障时,微电网与外部电网处于连接的状态:孤岛运行模式是当外部电网出现故障或者电能质量较差时,微电网通过快速开关可以切断与外电网的连接,进入独立运行的状态,保证微电网内部重要负荷的供电可靠性。在微电网孤岛运行模式时,能量来源于分布式能源和储能电池,当分布式能源的出力小于负荷需求时,就会存在一定的功率缺额,解决功率缺额的方法就是在微电网系统中配备一定容量的储能设备。

  2014年11月11日,国家电网公司对口援建的措勤县微电网示范工程建成投产,该工程集合水电、光伏发电、风电、电池储能、柴油应急发电并网运行,智能调度。其装机量达1400kW,并且建成的三条电源进线kV电网初步形成了检测灵活、供电可靠的县域电网,辐射了县城四条街道和周边村镇的4000多用户。并且,该电网是当时西藏远离大电网中最先进的县域智能微电网(见图3)。

  一部宪法一天平,一盏孤灯一判决,构成一个法官的全部世界。仰观天宇,你目光坚定,将法徽高举头顶,俯身耕耘,你侠骨柔情,把法槌敲得铿锵有力。寒来暑往,你用满腔热忱传递司法为民的温度。田间地头,你用家长里短明辨是非曲直。农家院落里,你用心聆听一孔孔窑洞的陈年往事。

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