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中国电力科学院李相俊:储能技术或影响商业模式 电池储能依赖于能源互联网

放大字体  缩小字体 时间:2017-11-23  来源:电力头条APP  
世纪储能网讯:国家电网公司优秀专家人才、教授级高工、新能源与储能运行控制国家重点实验室、储能与电工新技术研究所、中国电力科学研究院专家...
 国家电网公司优秀专家人才、教授级高工、新能源与储能运行控制国家重点实验室、储能与电工新技术研究所、中国电力科学研究院专家李相俊教授就《大规模电池储能系统控制与应用关键技术及其发展趋势》发表演讲。



 
以下为演讲实录:
 
尊敬的各位领导、专家、朋友们,下午好!因为这次是电动汽车和相关技术论坛,下面我主要还是针对大规模储能来做相关的报告。
 
报告分为五个部分:首先是报告应用的背景,大家都知道随着智能电网提出以后,能源互联网作为一个新的发展方式,从一个比较单向的结构变成了双向互动,这样也带来了很多新的问题,之前没有碰到问题的也能解决。传统意义上储能是不能存储的,现在随着新型的电池储能,储能以后如何应用也是面临着一些新的问题,能源互联网可以进行分布式有效利用。随着IT、信息和通信技术的快速发展,可以通过信息、物理和能源融合形成这样一种分布式分散接入的广域网。
 
这是从全球能源战略发展白皮书的摘录:到了2030年将会实现能源机队的开发和电网的互联,2050年实现洲距的互联。储能其中也会发挥重要的作用,因此纵观现在能源发展不管是局域、区域的互联到全球的互联,储能现在备受大家的关注。
 
这是有一些统计结果,十年来我们风电电网增长了一百倍,但是最近五年间光伏就已经增长了一百倍,说明新能源大规模接入已经成为了第三大主力电源,预计在2030年会超过水电成为第二大主力电源,新能源本身具备发电的随机性和波动性,但是大规模给电网接入也会带来一些安全稳定的运行,作为联合发电的方式也是大家需要关注的。
 
我国预计在2020年非水电的可再生能源将达到2亿千瓦,我们回顾一下全国弃光比例非常多,不管是西北部还是东北部,大家可以通过网上的数据查到。统计数据显示2015年全国气光量接近1100亿千瓦时,有些弃光的时候可以存储和释放,通过这种形可以减少弃光。有些说就不装储能,宁可弃掉也可以比储能带来更大的效益,但储能的成本在逐渐下降,10万千瓦新能源弃电也在应用,将来肯定会作为有效手段,发电的时候也会大规模应用。
 
这是我们国家风光署2011年底投运了将近10兆瓦的储能,2012年到2013年形成了20兆瓦、80兆瓦的储能规模,配合新能源进行跟踪调度计划功能,后面的典型案例当中会有一个介绍。储能电站和大规模储能系统能够有效改善并网新能源的质量,提升电网的安全稳定水平,对促进新能源消纳是有积极作用的。
 
现在广义上的储能有几种类型,我们提到的储能除了抽续之外只是电储能多一些,今天我报告的内容主要是以电池储能的控制应用进行技术发展性的展望。电网有发电、输电、配电、用电等几个方面,“十二五”期间主要是在发电侧做了储能,结合新能源场站波动评议,帮助他们一块跟踪调研,比如辽宁、青海都有一些试点示范应用。输电上还没有大规模应用,因为输电上需要大功率。配电之前有百千瓦级,微网的也有,用户侧从“十三五”开始,国网公司也列了两个分布式储能应用的项目,2017年我们在江苏也有一些储能,用户侧也达到了好几十兆瓦的规模,说明江苏这些省也非常关注储能在用户侧的应用,包括配电侧,这是我们“十三五”发展的一个重要的领域。发电侧也需要继续关注,作为一种新兴技术。
 
我们分析了几种储能类型,除了抽续之外电力储能占的比例还是很多的,包括锂电池、铅酸液、硫钠硫,锂离子电池现在增长的速度还是非常快的,而且也是由于电动汽车的应用都是锂离子系列的电池,所以也反过来带动了这种电池技术的发展,推动了在储能领域的一些应用。这里还有辅助服务和输配电,现在各个领域还是以发电为主,“十二五”期间应用的比例非常大,未来的一两年内分布式的规模会增长得非常快。
 
储能要大规模应用可能有几个关键技术要考虑:因为电池是由一定的单体组成,单体需要组成模块,模块又要进行组串,组串又要进行并联,通过DCAC交换,这样就涉及到储能电池大量的集成技术。原来百千瓦级可能是一个PC就可以了,但是大量集中以后就会有多个并流器,里面涉及到集成、监控和保护。因为电池本身由电力两个部分组成:一部分是变流器,另一部分是电池存储能量。举个例子,我们投入的14兆瓦储能电站当中有接近46个变流器,这样50多个变流器之间需要进行功率的实时控制,还有后面电池不一样的情况下怎样进行能量的优化调度,这就需要进行能量管理。
 
如果储能配合发电侧的话又要结合新能源的波动,还有跟踪调动指定的需求进行优化控制,所以这两个部分的控制应用也是需要解决的关键问题。“十二五”期间我们基本上解决了这个问题,可以实现储能电池快速稳定和可靠的要求。储能设备从单体、模块和系统集成是一个过程,现在我们正在展望的是百兆瓦级的,规模是比现在还要大。举个例子,现在以100兆瓦来说,因为我们常规的储能用的变流器是500千瓦,要有200台PCS,这个规模是相当大的。整站的处理也有要求,这里的监控体系架构需要关注。后面还有这么多的电池,如果要是配容量稍微大一点的话也有数十万或者百万级的数量来管理,这样传统的数据管理方法可能也并不适用,需要新的海量平台的数据管理,这项技术也需要特别关注。
 
这是我们风光用的就业监控方案,1个变压器下面有6台PCS,这是就地监控。如果规模大的话这样的单元会有数十个,又有就地的控制,又有协调的控制,还有整站时间的控制,所以就需要关注控制架构。我们的响应时间是900毫秒,也是完全满足实际应用的要求。这是我们用的监控架构,设备上主要是变流器和电池,这里还有站际监控和协调控制器的调度,就是这样的分层架构。
 
如果是10兆瓦到百兆瓦又有什么问题出现?首先是单体数量到百万级了,现在的HADOOP海量的数据存储技术可以得到应用,不然的话现在数据快速读取存储这些问题还是不可避免的,这么多变流器多并联的时候有些电力电子方面的问题,包括一些相关的导入和稳定性的问题也要考虑。这么大的电池组成百兆瓦的电流,也有一些不一次性出现的概率增大,如何进行预测和管理,实现整个的控制,这也是需要关注的,不然的话无法实现电站的高效准确处理,因为对响应时间也有要求。
 
除了站内的控制之外还要满足新能源的要求,新能源侧也要求具备虚拟同步功能,这样也需要毫秒级的控制,储能还要配合它的虚拟同步进行稳态控制,所以它的控制也是更加复杂的,又有功率又有能量,规模大了以后要求也更多,所以这个方面也需要关注。
 
大家现在比较关注云技术,海量信息可以通过购买私有云和公有云进行数据共享,而且经过几年的运行发现,数据是非常值钱的,电池运行一段时间以后现在怎么变化,这也是业主或者我们投资商非常关注的情况,什么样的运行工况会对它有些影响,寿命是按照什么情况衰减。之前我们做的研究包括学校里面有些实验室,对小规模单体也有几个模块组,有些工况并不是我们电网实际的工况。我们这几年掌握了不同运营工况下的典型储能运行工况,将来我们应该把工况作为实验测试,这个测试才有更大的含金度。将来结合运行工况的数据,还有百万级数量以后数据如何进行存储和将来的应用,这是我们对它的性能评估方面非常重要的一点。
 
经过几年的按照我们也发现,数据采集的精度、颗粒度和存储的频率如何进行优化,这是直接和储能设备投运的成本相关。别看数据存储单元,容量大到一定数量级以后成本也是非常大的,可能到了几年以后也到寿命需要替换了,从这个角度来说,如果我们要合理进行数据存储的话也能够降低一定的运行维护成本。
 
这是我们2016年负责的国家重点研发计划,这里用的是新型锂离子电池,可以实现它的加固集成应用。我们也关注了几个方面:储能配合新能源的虚拟同步机功能,储能如何进行建模,还有进行技术性评价,这和将来的运行模式和商业模式也是相关的。如何进行系统的测试和平台实验搭建,如何进行海量电池特性的评估,如何进行统一的调度,因为到了这样的数量级,以前我们小规模不能发现问题也会应运而生需要解决,还要进行动态一致性和安全控制,因为安全也是至关重要的,电池系统的安全性、经济性和是否能够长寿运行等等。
 
结合这个研究基础,我们需要进行示范验证。考虑的场景是在青海。青海现在有些海西多能示范工程,风电是400,光伏是200,储能是50,光热也会考虑,说明国家也非常重视多能互补、电网储能、光储和储热的研究。因为现在这个工程正在筹备建设期,以后如果有相关成果的话再和大家报告。
 
介绍一些典型的应用案例,简单地介绍一下欧美或者我们周边国家在关注什么。刚刚投运的是锂电池30兆瓦,主要是响应市场的信号,配合市场进行调控,青海格尔木是去年7月份投运的,也是国内首个商业化运行的电站,主要是实现跟踪计划处理。我们风光署2011年投运的,包括锂电池、倩酸和碳酸锂,各种电池都在一个电站当中集成,包括满足电网的应用需求,现在的运行结果确实是满足了电网的应用要求。日本比较关注钠流电池,美国也有一些应用案例,这几类电池是我们有关注的。
 
有些专家可能也看过,总之就是有几个模式:风光组联合发电,60兆瓦、40兆瓦和50兆瓦计划;7月份去年投运的首个青海光缆电站,包括如何进行运行调度,如何实现盈利等等,所以作为一个试点示范,去年投运了,现在运行了一年,状态非常良好,光伏是50兆瓦,储能是15兆瓦和18兆瓦。
 
从十点钟到下午一点钟确实是发光太多了,但是没有实际的需求,弃的光如果用储能的话,下午一点钟到两点钟左右会放,光伏不够的情况下储能可以放电,平均一天就是一个满充一个满放,一天大概有17兆瓦时左右的发电量,当时的光伏电价是0.9元左右。晚上调度不让进行充放,因为不知道充放的话电从哪里来,所以调度也是针对新型的储能方式,我们经过了很多次的讨论,也在指定相关的调度。
 
采查的阶段,当时是有1个月左右,符合高峰期,但是其它的时候用电量不大,只有这段时间把车开过去,可以集中进行供电,这样也可以提高我们的能源利用率,整个就是这样的情况。现在我们的储能还是以集装箱发展的趋势比较明显,总体来说有两个方式:一个是装在我们房间里的储能,另一个是装在集装箱的移动式储能,可以即插即用、实现优化。
 
这是新加的一点内容,就是说电动汽车接入电网以后对电网的影响,确实不是非常深入的,有些研究还没有放进去。我们可以考虑到场景,就是能源互联网、电动汽车很多接入电网的时候,确实是有些研究也发现,会对配电的符合曲线有影响,抵押以后风口差会进一步扩大。这种前提就是没有进行有序控制,如果不加监管和优化控制的话,这个无序的快充可能对电网的影响非常大,所以这个方面也需要更多关注。
 
这个节点要考虑三个充电桩接入的情况下到底会有什么影响,无序充电符合峰谷差更大,但是经过有序充电监管以后可以抑制这个风谷差,完全可以在晚上储能多充点电,白天放电的时候也可以进行优化,这样会尽量减少峰谷差,经过这样的优化调度,可以减少它的网损。
 
我特意摘用了一篇国外的研究论文,就是在7台车上装了GPS,然后对车辆因为数据的采集和存储,看一看到底会有什么影响。这是一个仿真结果,没有充电的情况下峰谷差还不是很大,如果采用了快充,而且是无序的情况下,复合增加就非常快。仿真也代表了一定的典型性,所以说明如何进行充放的优化调度,有序控制是非常必要的。这是结合日活进行分析,发现了这样的规律,感兴趣的话可以看一看这篇文献。
 
对特斯拉的参数,比如单台是多少、充放是多少,包括裂变器和电池包都有,拿过来就可以用。这样的家用储能在我们用了以后,美国有些实时电价,经过电力市场机制盈利的话将来肯定是一个趋势,确实值得我们关注,这个功率可以达到7千瓦左右,而且质保期是10年,也有它的认证。
 
最后对储能技术简单地做一个展望,看一看电池的进展。由于储能的材料和工艺的创新发展,高性能和高安全的载体也在应用,而且储能对应着它的能量密度就会越来越高,这就说明对现在的电网不能忽视,所以这是10多倍了,这么点的体积能够有更多的电能,商业模式可能都会发生变化,而且2030年这样的高性能电池也会投入使用。
 
再从应用的角度来说,“十二五”期间主要是在新能源发电侧的控制,但是“十三五”在送出消纳方面也可以进行优化控制,这是我们必须满足的问题,针对这个需求存在着什么问题?我们提到的集成的问题,因为电池差异性导致如何进行优化的电池管理问题,包括便利电站和其它很多的弃电引起的运行可靠性问题,展开稳态的控制问题,因为通讯和控制响应时间,这是我们不容忽视的,如果数百个单元调动的话通讯架构完全是可以优化的,就是从设备本身的通讯响应时间和网络响应时间,这些都需要优化。
 
安全确实是大家非常关注的,包括电池设计整个生产过程都要重视它的安全问题,包括它的安全边界,还有通过一些预警或者安全隐患的设计处理也要提高它整体的稳定性,需要进一步提升它的自主控制能力。现在我们多关注的技术都可以用到,因为有运行状态的诊断和分析,包括大数据、云技术、物联网和人工智能,所谓的人工智能在有些电池或者状态分析诊断和预警是可以考虑的,可以进行集中和分散,分散接入以后又涉及到分散电源整体接入的信息安全问题,还有控制稳定性问题等等,都是需要关注的。
 
不管是集中还是分布应用,原来可能只考虑新能源,现在又可以配合输电线进行优化控制,又是全生命管理,因为经济问题肯定是不容忽视的,通过全生命周期优化管理也可以降低一些运行维护成本,可以考虑多目标控制和协同控制破解管理方面的科学和技术问题。规模大是一方面,运行一段时间的储能电站,大家也会比较关注退电池的利用,不同寿命阶段的电池多类型应用等等,需要考虑差异性进行优化控制,整体解决它的电池管理、不同程度EMS的问题,最终通过这些方式间接地提高经济性,因为我们延长它的使用寿命,相当于可以减缓性能衰减。
 
之前我们用的规模实际上不太长,但是实际应用下来需要进行综合评估,模拟现场的环境可以提高开发效率,也可以进一步优化我们的控制技术,将我们的大数据信息技术放在我们自己的一亩三分地,真实模拟现场的环境,实现各种算法的优化,所以个人觉得也是需要关注的一点。现在我们需要考虑规划配置都可以通过建模仿真平台实现,个人觉得仿真技术也是非常关键的。通过安防系统改善电网的三道防线,不同的实验尺度如何进行优化控制,这也是不容忽视的。
 
最后是考虑市场机制,不可避免的经济性评估和商业模式都和运行的市场相关,这样如何在不断发展的过程当中充分考虑到这些机制和交易模式,这些都是比较经济性的规划、选址、配置和商业化模式的研究,这些都是非常值得关注的,这些都和规范标准制定和储能技术推广息息相关。
 
我们电科院储能与电工新技术研究所是关注大规模储能技术和新型电科材料超导电力,我们也有CNS实验平台,会做电池、单体和模块测试,并网将来也在关注,我们也在做技术支持相关的。实验室也是挂靠在国家新能源储能国家重点实验室,这是国家电网公司的重点实验室,所以我们所和电科院在这方面还是具备了国家队的能力。张北储能实验基地是2009年建成,多种类型的电池都有,包括梯次利用和碳酸锂,各种主流电池都有,包括铅酸也有,所以我们实验室本身就具备多种类型电池的特性研究、控制和特殊性能分析研究。我们集团联合了电科储能技术有限公司,所以可以进行工程的承包,包括相关的关联设备研发和产业化。其实我们本身的成果也是通过这个公司转化,技术正在推广应用,所以我们有幸在这个平台和在座的厂家或者关注的人士进行技术交流。
 
以上内容根据会议现场整理,并未经过本人确认
 
关键词: 储能电池 储能技术

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