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    許繼電科陳世鋒:青海海西州多能互補集成示范項目50MW/100MWh儲能系統集成技術研究與實踐
    發布時間:2019-05-20 10:36:00
    關鍵詞:儲能鋰電池

    許繼電科陳世鋒:青海海西州多能互補集成示范項目50MW/100MWh儲能系統集成技術研究與實踐

    許繼電科儲能技術有限公司 陳世鋒


    聚焦“技術應用雙創新,規模儲能新起點”,通過組織主題演講、展覽展示、創新大賽、專題研討、項目考察、新品發布、技術交流等多種活動,多維度精準對接全球儲能市場與應用,助力中國儲能企業與國際接軌,為儲能企業搭建與政策制定者、規劃者、電網管理者、電力公司、能源服務商的交流互動平臺。2019年5月18-20日,中關村儲能產業技術聯盟、中國科學院工程熱物理研究所舉辦“ESIE2019儲能國際峰會暨展覽會”,許繼電科儲能技術有限公司陳世鋒在會上發言。


    大家下午好!非常榮幸,也非常感謝曹總的邀請,能跟大家分享一下許繼集團在去年做的兩個典型工程之一,也是我們下半年做的一個50MW,100MWh的項目經驗,跟大家分享一下。


    本次匯報的提綱大概分為這五個方面:


    一、許繼是國內最早涉及儲能項目的幾家單位之一,我們從2010年真正開始有儲能項目的訂單,包括張北一期,張北二期,我們也做了2MW/3MWh的系統。2018年,許繼集團承擔了兩個比較典型的項目,一個是大家都清楚的江蘇鎮江一期的101MW/202MWh的電網側儲能項目,我們主要承擔兩個站的建設項目。另外一個項目是今天所講的多能互補的示范工程,這個項目2018年12月份完成投運,其中風電40萬千瓦,光伏20萬千瓦,光熱是5萬千瓦,儲能5萬千瓦,從整個項目的設計來說,儲能主要還是解決光伏的并網的問題。


    這個項目也是國家能源局首批多能互補的示范工程,也是第一個開建的科技創新工程,這個項目示范效益還是比較大的,因為它是目前最大的一個電源側集中式電化學儲能電站,也是國際上最大的虛擬同步及電化學儲能電站,世界上容量最大的“風光熱儲調荷”虛擬同步機電化學儲能電站。這個項目的意義比較重大,這個項目在設計過程之中也有一些相應的示范性的效果,我們在設計的時候采用模塊化的設計、標準化的設計。


    二、簡單講一下儲能系統的技術路線。


    青海的新能源發展是比較迅速的,新能源在整個電源系統里占比逐年增加,但是大規模的光伏集群的送出和消納是越來越迫切需要解決的一個問題,青海這邊棄風棄光還是比較嚴重的。從整個項目的定位,包括儲能在整個項目中主要有四大功能:


    第一,平滑新能源的波動;


    第二,跟蹤計劃曲線;


    第三,削峰填谷,


    第四,快速下滑控制策略。


    主要實現這四大功能,在儲能容量配置的時候我們也做了一些研究,儲能實際上是解決新能源消納,尤其是光伏并網一系列的問題。所以我們針對青海省的光伏的波動做了一些統計。一分鐘一個點,一天大概1440點,通過統計的分析來看,每10分鐘光伏的波動率超過10%為一個預先設定的目標。不加儲能的話,每10分鐘波動超過10%的概率大概在百分之九點幾,我們根據數據的分析分配配置30兆瓦,40兆瓦,50兆瓦功率的儲能,分別可以把每10分鐘的波動率下降到3.5%,3%和2%。但是在從右下角的曲線可以看,我們功率配置到50兆瓦以上的時候,抑制的效果是趨于平緩的,通過圖的曲線大家可以看得出來。綜合考慮,在配置的時間是在一小時到三小時之間,實際上可以在大部分的時間段可以將光伏的波動率抑制到10%以下,這是從功率的角度來說。


    二,跟蹤計劃曲線。


    儲能和光伏的聯合運行,實際上可以讓光伏的出力可以媲美甚至超過常規電源的出力特性,使得光伏更具有可預測性,可調度性,還有可控性。


    在沒有配置儲能的時候,這也是我們做的一個概率的偏差圖,實際上在偏差在10%以上的概率大概是9.1%,光伏發電實際出力偏差在20%的概率大概在3.5%,在30%以上的概率是1.5%,實際上沒有配置儲能的時候,光伏的跟蹤調度計劃曲線的能力是偏弱的。這是我們在50兆瓦的功力下配置不同容量儲能的時候實際出力跟概率偏差圖,第一個圖是我們配置一小時的儲能容量,實際上10分鐘大于10%的偏差,概率是在3.63%,比沒有配制儲能的百分之九點多下降很多,配置1.5小時的時候,大于10%的概率降到1.89%。配置2小時大于10%的偏差上大概1.21%,在配置2.5小時的時候,偏差大概是在1.2%,從這個趨勢來看,儲能的容量越多,實際上下降的空間也是能很好地輔助光伏跟蹤計劃曲線能力。但是在容量配置一定程度以后,控制偏差不是很明顯的。從前面儲能平滑功率波動包括跟蹤調度曲線的功率來看,我們的配置的越多,抑制波動率的效果越明顯,同樣容量配置越多,抑制效果也是越明顯的。


    綜合考慮配置的功率越大,配置的成本越高,我們配置了50兆瓦,時間是兩小時,這樣可以在大部分的時間段能滿足我們儲能電站四大功能的應用需求。前面主要講儲能容量的配置。


    三、技術方案。


    海西州多能互補示范工程,從整站的設計方式和江蘇的電網側儲能是類似的,采用模塊化的,集裝箱的設置方式。我們在項目的設計和執行過程中,因為這個項目處于青海格爾木,因為當地的氣候條件非常惡劣,當時我們預想有四大問題:


    1.集裝箱的整體運輸和吊裝,從許昌發到格爾木大概1800公里,路途遙遠,路沒有中原的路好,當時設計的時候集裝箱采用整體運輸,在場內把所有的裝置裝置好以后調試完發送到現場,大大減少現場調試的時間。


    2.因為處于高海拔,這是需要考慮的問題。


    3.環境控制,青海溫差比較大,冬天的時候氣溫可以在零下20多度,甚至達到零下30多度,整個環境控制也是做了一些工作,從目前的運行效果來看效果還是比較好的。整個集裝箱內的環境溫度溫差控制在8度以內,室溫和咱在江蘇包括中部地區做的可能稍微偏低一點,溫差可能在20度左右。


    還有一個問題,在設計和現場運行過程中一直在出現的問題,在上個月,也是剛解決,我們考慮到散熱和防風沙這樣的問題。青海那邊,尤其格爾木風沙比較大,我們在做的時候,因為變流器和電池一體化不足,變流器需要散熱,如果我們把通風口設置的很密的話,實際上可以隔絕一部分的風沙,但是對整個環境的散熱是有一個大的問題。如果防風沙的東西越稀的話,隔絕不了風沙,對散熱效果比較好,這里面就存在著一個如何保證環境設計,還有防風沙的問題,這個也是我們解決了很長時間,最后也是解決掉了。


    這是一個集裝箱里1MW/2MWh的儲能單元,右邊這個圖是我們當時集裝箱拍的實物照片,左邊是整個參數。


    變流器在海西州采用4G并聯,可以節省占地面積,降低成本,整個效率最高可以達到98.5%,變流器目前的技術路線也有很多種,像我們通用的是500千瓦的規格,另外一種是采用模塊化的,50千瓦或者更小的規格,并聯組成一種。另外還有一種是采用高壓直掛的,許繼也在做相關的研究,不能說哪技術路線好或者壞,我覺得每種技術路線都有它適合應用的一個場景。


    這是電池箱的設計,我們采用260Ah,每一個電池箱是一并14串。這是電柜的設計,每一個電柜總共有16個電箱,總共228串串聯而成,電壓范圍大概在627-806V之間,左邊是參數。


    另外,均衡性和一致性問題,也是在我們系統設計要重點考慮的一個問題,像我們在海西州一個集裝箱里面總共是2MWh,電芯的個數也是非常多的,如何保證每個電芯的一致性,這是我們系統設計重點考慮的一個問題,目前采用最多的還是主動均衡,均衡電流可以達到5安,效率可以達到80%。這個是每一個最小單元,500兆瓦,1000瓦時的系統圖,這里面總共有6個電池柜,通過直流側并聯組成。


    另外,監控,海西州儲能占的容量比較大,當時我們做五峰山的時候,24MW/48MWh,整站數據量達到將近50萬點,同理推海西州這個項目整個監控的數據點可以達到100萬點以上,這是我們常規的監控系統是無法滿足這樣的應用需求的。所以在這個項目上我們也上了一個大數據的平臺,主要對電池進行一個數據的存儲,包括管理。


    能量管理技術,有幾個需要關注的,第一個百萬點的數據接入,第二個響應時間和響應精度,這里面我們采用關鍵的技術,可以把AGC跟蹤規律的誤差可以控制在5%以內,電壓的控制誤差可以小于1%。我們布置了運維的系統,江蘇的運維第一年是由我們自己運維,在運維的過程中,畢竟我們也不是專業做電池,我們的運維人員對整個系統的運維可能有的時候只是做了一些比如說按調度要求進行定時的充放電或者普通的檢修。但是這里面最關鍵的還是對電池的預警的信息。


    我舉個例子,如果是某一個電池,可能他沒有達到他出現問題的時候,但是實際上電池的一致性,包括可能有些性能會出現一些降低,但是很多的時候可能通過人的巡檢是發現不了的。我們如何把電池的所有的信息,通過大數據的技術,把電池能提前對電池進行預警,一方面可以指導我們的調度或者控制系統去針對不同的電池的特性做一些控制策略的優化。另外一方面,可以跟我們的控制系統提出或者是跟我們的運維人員提出,這個電池可能需要運維了,比如需要補電,或者需要進行維修,很多事情通過人是實現不了的。許繼集團也在做基于大數據的數據電池儲能系統的預警和運維。最終要實現整個電站無人值守或者少人值守的目標。


    這是在海西州監控的一個圖片,右下角是當時我們在場內搭建百萬點數據平臺的場內連條的圖片。這是整個集裝箱,就是一個標準的集裝箱,將變流器和電池都放在里面了,整個集裝箱的利用率還是比較高的。


    最后一點,我想講一下安全,因為從去年開始,包括今年,很多協會里面也都提到一個儲能的安全問題,我覺得安全,從去年包括韓國和國內可能出現一些安全事故,應該對我們整個行業來說不是一個壞事,通過這件事情的突發,可能引起行業內的所有人,包括包括電池廠家,系統集成廠家的重視,因為安全的問題不僅僅是電池廠家一家的問題,我覺得這個問題應該是一個系統的問題,如何把安全從設計到預防,到最終的消防貫穿整個流程里面去?才能達到真正的安全。


    這是我們去年做完兩個典型的項目以后,總結出來安全設計的原則,也不算是原則,是我們的一些新法跟大家分享一下。


    首先,我覺得電池的安全首先從電池的選型包括電池設計開始,我們針對不同的應用要選擇不同類型的電池,相當于從源頭上要控制電池的質量問題。


    第二個,集裝箱的設計,包括環境設計,包括應力設計,包括整個集裝箱里面電池的一致性設計。


    第三個,預警和聯動,包括電池的預警,我們可以基于大數據的分析提前將短版電池發現,提前預警,預警以后和我們的PCS和EMS進行消防的聯動,保證這個電池在出問題的時候能完全的脫離。


    第四個,滅火系統,消防這一塊從去年開始,國內也有很多院所正在研究,包括江蘇這邊已經研究了一些消防的事情,包括中國電科院和中國科技大學也都在做這樣的設計。


    滅火系統的設計有四個方面需要注意一下:


    第一,精確的定位,在一個集裝箱里面不可能是所有的電池都出現問題,總會存在一個短版,我們如何把這個短版的電芯找出來,盡快的把它隔離掉,防止事故的擴大,這個需要我們重點注意。


    第二,滅火介質的選擇,不管是什么都有它可用的方面,我們如何對滅火介質的選擇,還要充分的實驗去驗證。


    第三,快速的響應,當我們發現問題已經定位好了,我們需要消防系統,需要我們的聯動系統快速做出響應。


    第四個,最關鍵的,我們即使把明火撲掉了,電池還存在二次復燃的問題,所以抑制復燃也是需要我們重點關注的。這是我們總結的,不一定對,安全是一個全球性的問題,也是比較難的問題,我覺得大家可以一起探討。


    這是我們當時在選擇海西州項目電池的選擇,當然這個主要針對寧德時代的。首先單體電池必須要通過新國標安全的認證,認證肯定是要通過的。


    第二,電池模組,主要是一些限速和強度,包括里面的熱設計的要求。另外,我們在設計的時候也要預留一些我們對應消防的接口。


    這是電池柜的設計,主要是強度還有熱設計這一塊,時間原因不展開說了。下面是集裝箱的設計,這里面要整體運輸,實際上在里面應力的設計,包括機械的仿真也是比較重要的。另外箱體的防爆設施,防爆門、防爆的開關、防爆的工具,防止集裝箱出現一些問題。另外在集裝箱里面建議設置一些吸壓口,如果電池在失效的過程中會釋放一些氣體出來,如果氣體釋放到一定的程度有可能造成集裝箱的爆炸,所以這里面也要設置一些吸壓口。這是整個集裝箱的熱設計,大家都比較清楚了,熱設計環境控制也是比較重要的。


    下面是預警,實際上預警不光是BMS自己的問題,BMS最先能得到電池的信息,但是預警包括斷開是BMS、PCS還有EMS是聯合聯動的情況。這是聯動,電池BMS、PCS和EMS如何進行聯動。下面還有一些輔控的設計方面,這里面也是借用江蘇這邊的成果,實際上在電池燃燒的時候也會有一些其他的氣體吸出。我們大家可能關注電量數據監測的比較多,但是對非電量數據的監測,包括預警可能會少一點,我建議也會增加一些非電量數據的采集。這是整個消防預警這塊,大家看一下。


    另外,最好能做到定向的精準滅火,當然這里面可能會增加很多的成本,我們最近也在做一件事情,和中國電科院一起聯合做一些電池的整個集裝箱的標準化設計這一塊。上次跟他們交流的時候也提到過這個問題,同樣的我們在安全設計上花了很多的精力,不管從最開始的設計,電池的選型,到成組到模組到最后的消防,如果沒有形成一個標準或者一個規范的話,有可能在市場上會存在不平等的競爭。如果是我們要做到定向精準的滅火或者定向精準的檢測,意味著我們在成本上會投入很多。


    實際上到目前為止,消防的標準,包括安全的標準目前還是沒有的,我們也想在這里呼吁一下,盡快出臺一些消防相應的標準,讓儲能更安全,更有效。我們在系統集成的過程中也更有設計的依據。


    下面是典型案例,這是我們做的一些工程,張北一期,包括張北二期梯次利用的。這個梯次利用是我們自己有一個梯次利用的分選項,自己分選,重組,然后進行集成。


    第三個是我們做的虛擬同步機的工程,也在張北張家口,這是海西州的這個項目的,這是在鎮江做的電網側儲能。這個當時是做的AGC測試的曲線,這是南網的一個微網的項目。


    我要講的大概就是這些,謝謝大家!


    稿件來源: 電池中國網
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