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王野:大规模储能电站的技术探讨

   日期:2018-05-22     来源:中国储能网    浏览:1062    评论:0    
核心提示:5月19日,第八届中国国际储能大会在深圳隆重召开, 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地
 5月19日,“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开, 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

北控清洁能源有限公司执行董事、执行总裁王野出席大会开幕式,并以“大规模储能电站的技术探讨”为题发表主题演讲。
 


演讲内容如下:

王野:今天我想以西藏羊易20MWH储能电站案例分析来进行探讨。

储能是可再生能源大比例使用的关键性的支撑技术,也是一个可再生能源替代传统能源的刚需。怎么进入呢?怎么能大规模使用我们的储能技术呢?这里面应该是以一个高效率、低成本的储能技术才能大规模的使用。像当年的光伏电站一样,2009年进入这个行业,光伏电站的造价是每W20、21元,它的电池是13元每W,可是到今天,我们的电池已经到3元以下,系统集成的造价都只有5-6块钱每W。我看着光伏这几年的变化,因为我们一直做光伏产业,为了自己解决光伏电站的风电发电的这种波动性问题,我们公司在2013年、2014年、2015年一直进行储能的研究,我们想自己解决可再生能源的波动性问题。可再生能源也变成安全可靠、低成本的电源,这是我们一直追寻的目标。我现在就羊易20MWH储能电站的案例分析探讨储能电站有什么问题要解决,怎么建成高效、低成本的储能系统。

能源革命储能微电网,这是我们将来说能源革命之终极目标和能源替代的终极目标能源架构体系,这一天我们都希望能见到,就是全世界100%能源来自光伏、风电、氢能燃料等可再生能源。这是我们做的传统能源和集中式新能源的储能供电模式的步骤,首先我们原来的能源是大规模、集中式、长距离的化石燃料为主的供电模式,这个是高损耗,其实我们的长距离的跨越省的供电的高压电网的能耗损耗是很高的。现在往分布式供电模式在走,分布式最重要的问题是波动性,高比例的使用可再生能源、使用分布式,肯定给电网造成很大的可靠性危害,我们用分布式加储能,用多能互补+微电网,当实现新能源+储能度电成本低于传统化石能源的度电成本,微电网群和集中式新能源+储能的形式将爆发式增长。你不要老说绿色、干净,最后还是要讲究成本,你什么时候做到这点。而作为能源革命或者能源替代的关键技术,微电网及微电网群的控制,EMS系统、BMS、PCS系统是能源革命是否成功的关键。实际上就是储能系统集成技术,你怎么做到高效率、低成本。
我现在简单介绍一下北控清洁能源的项目,在西藏嘉天羊易20MWH储能电站,这个电站把大规模储能电站需要解决的问题和我们正在解决,还没有解决的问题给大家报告一下。

西藏嘉天羊易光伏电站位于海拔4700米的拉萨市,储能系统是一套4.5MW/20.7MWH磷酸铁锂和铅炭电池的混合系统,该系统可为电网提供调峰、一次调频、二次调频和AVC调节等多项功能。这个项目可以进行调峰,还可以进行调频和调相的多项功能的组合体。这个系统是按“无人值班、少值职守”的运行功能设计,我们现在采用全智能的控制,可以自动实现对整个系统的控制和能量管理,储能系统配备能量管理系统,这个系统在北京可以进行调控。实际上我们在西藏项目的调试过程中,只要我们的网络是通的,整个调试,除了现场,大部分是在北京进行调试的,而且在运行中很多策略的改变也是可以在北京实现的。拿一个电脑可以坐在这个会议室实现调节。主要功能包括控制羊易光储系统的自动运行,实现系统主要指标的要求。我们可以实现就地和远方遥控两种方式。与光伏电站SCADA,含通信、执行网调的调节指令在里面。提供及时的预警信息和故障报警信息以及储能设备的实时状态信息,为光储互补系统安全运行提供保障,而且提供网调的其他辅助服务。这是它的整个通信系统方案。

我们有以下四点技术优势:1、系统稳定可靠,储能系统自运行以来每天电网稳定提供大约1.5万度电,有时候因为天气情况和其他情况,也有一些变化波动,但是这个是每天24小时之前给电网把我们运行的曲线告诉它了,所以电网这点还是非常满意的。2、系统运行效率很高,储能系统在35KV侧运行效率是85%。我觉得这个还是很难做到的。3、系统响应速度很快。储能系统的响应速度是100毫秒以内,我要进行调频、调相,响应速度是100毫秒之内的。4、多台储能变流器并列技术,18台储能变流器并联、并网稳定运行,是目前世界上最多储能变流器并联运行的项目。这是根据当时的系统运行情况,我们可以灵活变化。而且调节精度可以达到99.5%。

顶层设计,大规模储能系统有不同的应用场景和商业模式,有的储能系统是单一电网调峰,有的储能系统是调峰、调频、调压等多重应用场景的结合,根据不同的项目,大规模储能系统的功率配置和电池配置和选型是完全不同的。羊易电站用一部分锂电池,也用一部分铅炭电池,顶层设计的目标函数除了可靠、安全的运行以外,我还要系统的经济性,要做到最优。约束条件是调峰、调频、调压能力和系统其他要实现的功能,在顶层设计的时候,我们首先要目标定下来,目标是低,系统安全可靠运行,系统要有经济性及如果没有经济性,这个储能系统到哪里都不可能长久,不可能老是指望什么补贴这些东西替代。在这种情况下,储能功率配置要看两点,光伏系统容量和储能容量的配比。储能还有Pack成组的问题,要看充放电电流的大小和BMS均衡电流的大小。储能容量的配制要考虑调峰容量的需求,一二次调频所需要的时间和容量。在整个闭环流程中,我们不断的进行调试,我们首先从BMS开始。

羊易电站的项目采用锂电池+铅炭的方式实现,系统的调频和调峰的功能,锂电池系统主要是参与系统一二次调频,铅炭系统参与电池调峰,降低系统的造价,提高系统的经济性。储能系统在V/F源和PQ源同时并网运行,根据调频、调峰的需求以及各自储能系统SOC的状态,EMS系统下发指令快速切换每个储能系统的工作模式,我们在线自动切换我们的PCS工作模式,达到整个系统既能调峰,又可以在电网需要的时候参与电网的一次和二次调频。这是需要有一个平衡的。大家可以看下面的图,它的通讯,锂电池系统参加调频功能的时候,它直接就下来了。它是根据下去的曲线直接下来,铅炭电池过来的时候,要经过EMS控制,锂电池会用1C、2C的冲放,铅炭电池只可以用0.2,参加调频的时候铅炭电池要转化为V/F源,否则跟不上。这是顶层设计的时候我们考虑了很多的问题。

根据储能系统的顶层规划,储能系统集成需要从最低端的电芯的选型到储能系统配置,包括BMS分时均衡的电池个数、均衡电流大小、集装箱内部热管理系统、PCS工作模式、PCS底端控制逻辑及上层EMS控制策略制定等,进行全方位的把控。一个储能系统,做系统集成的时候,不能偏向某个地方,要从BMS到EMS,由下而上的进行控制策略的设计。羊易电站的Pack设计和集装箱内部管理,使储能系统在最大的充放电背景下,Pack内部电芯最大温度差不超过1度,集装箱内部散热系统设计确保电芯在集装箱内最大温度均衡在2度以内。确保储能系统运行的一致性。储能系统最大的问题是什么?我们原来做汽车的时候,汽车的电芯几十颗、几百颗,大规模的储能系统电芯系统是以万为计,储能系统效率最大的问题是一致性问题。一个是出厂的一致性,一个是运行一段时间的一致性。这是非常难做的。在运行过程中,电流充放不平衡会引起一致性的变化,这是我们在线要进行均衡的,这个均衡的电流数是多大,以至于主动均衡还是被动均衡,被动的均衡不会超过1A,主动均衡2A、5A、10A,怎么计算,还有性价比的问题,这些问题都是我们要考虑的。

BMS面临的挑战,MW储能系统包括数万颗电芯,即便经过严格的筛选,电芯成组后不一致性也会倍增。BMS均衡控制的难度加大。这是我们说的大容量系统。大容量储能系统需要对电芯并联进行容量扩充,我们用8倍还是4倍,如果是40A,用8倍就是320A,然后你的两系充放电是多少一算就知道。这个系统是否能受得了?这些事情都必须考虑。还有检测,如果用4倍,四并和八并,只能知道这八颗电芯出现的问题,不可能知道哪个电芯出现问题,这时候怎么做?电池运行过程中,由于各类因素的影响,导致Pack不同衰减曲线不一致,扩大储能系统内部的不一致性。电池系统是短板效应,不可能用最大效率在运行。这是我们一定要在线解决的问题。

怎么解决问题呢?BMS的均衡技术,它的均衡策略必须和Pack和储能的系统功能参数紧密结合,BMS均衡提高储能系统的充放电的容量,降低系统的短板效应,就是我刚才说的那类。否则你按照最低的那块板子来做,效益不可能有那么高。这里面有几个问题,一是电芯级SOC估算精度,二是电芯级SOH估算精度,三是系统均衡策略制定。系统均衡制订,你要考虑BMU内电芯均衡,也要考虑跨BMU之间的电芯均衡,还要考虑电池簇之间的均衡,不仅是电芯电压的考虑,而是更为全面的电芯电压、SOC、SOH,电芯温度制定出最优均衡策略。我想把我们做的经验反馈给大家,因为这个行业需要大家共同努力。这是面临的问题,也是我们解决的方法,怎么解决,可能没有时间介绍那么细。我们通过人工智能的算法来做我们的均衡策略,上图是原来的电压值,下面是均衡策略后得出的电芯的均衡电芯的波型。这时候就是非常明显。这有什么好处呢?我可以准确找到有问题的电芯进行在线的均衡,把它拉到同一个水平线上。这是我们的专利。

PCS面临的挑战,传统PQ控制方式不足以体现储能系统的灵活性、快速、稳定的电源特性。传统的V/F控制方式难以实现多机并联,电压源的容量和支撑能力的扩充有限,这是我们原来做微网项目上得到的。因为V/F源,当一个孤岛运行的时候,如果说是10MW,没有一个5MWH V/F源做控制,很难控制。多机V/F控制并联方式的环流与储能并网点、连接线路阻抗等密切相关的参数控制难度比较大。但是你不能做到多级并联。比如我们现在谈西藏羊易500千瓦的18台,我们叫预判的技术可以把18台、20台甚至50台都可以并联在一起,这是我们将来取代抽水储能电站非常重要的技术,否则你是没有办法,靠那种500K、1MW、2MW的并联运行不能达到这个目标。现在英国的储能电站要做到300MWH,我们在一个地方的单体要做100MWH、40MWH,这是很重要的技术,都要突破。特别是V/F源的并联运行,这是行业里面共同研究的技术,我们现在是18台,相信未来20台、40台都可以做到,我们现在正在做40台并联技术的研究。

对于大规模的储能系统,PCS多级V/F并联技术一直是业界急需攻克的难题。BCS多级V/F并联技术可以大幅度降低系统造价,简化系统设计,提高系统瞬时反映能力。    西藏羊易电站项目达到18台PCS以V/F并联并网运行(无任何二次通信),该18台PCS可为电网提供一次调频和AVC调节(四象限无缝调节),系统一次调频响应时间约为50毫秒-80毫秒之间,响应精度达到99.5%以上,该系统为大规模化学储能替代传统的抽水蓄能电站打下基础。黑启动:4月11日中午12点40分左右,羊易电站外电网110KV线路故障,站内所有储能逆变器以电压源模式黑启动给电站供电,并投入3MW光伏发电,系统稳定运行到晚上11点,电网恢复运行。此次线路故障验证了大规模储能在电站中的重要性。搞技术的人都知道,这是很难做到的。

我和大家分享这个技术,想对将来大规模储能应用是很有价值的。

这是无缝切换的系统,波形在切换过程中,单项电压的整个波形完全不变,完全没有间断的。这个有什么好处?广泛用在数据中心里面,把UPS有机利用起来,作为储能的调峰或者调频的功能。大家知道数据中心里面的备用电源的电池UPS的容量还是很大的,正常情况都是浮冲,一辈子是用一两次。数据中心对UPS的要求非常高,要求正常的切换中不能有蜂,最好不要有缝,怎么做到这点?这是我们无需PK和切换,直接进行固网运营的模式,这是当时的要求。大家知道,我刚刚老强调PQ和VF源,当你翁PQ源运行,你在调频的时候,数据是跟不上去的。你不可能在100毫秒内马上转换上去。所以这点非常重要,我们当时要求我们能18台VF源同时并联,这个我们给整个电网的调频提供了非常好的保障。我到澳大利亚的时候,人家告诉沃特斯拉是140毫秒上去的时候,进行调频,我说100毫秒内。不信的话,可以试。因为我说这个有底气,我们已经做过这个试验。而且我们的精度在99.5%以上。

这是我们说的更重要的事情,EMS系统,EMS系统要确保系统的连续稳定的运行为第一原则,就是外环,稳定性的控制策略。二是充分利用不同电源的特性,精控储能,充分实现经济性。大家知道在不同的储能项目上,在不同地方上用法完全不一样,比如中国,我的储能是利用晚上的4个小时的低峰电价进行充电,然后到白天进行几个小时的高峰电压进行放电。如果用5个小时,完全可以用0.2进行充放电,用铅炭电池完全足够。如果要加上调频的时候,你这个0.2显然是不够的,所以这时候我们要用2C甚至4C的充放来达到调频的目的。所以像这些事情必须考虑,你用不同的电池种类,用其他的储能种类也好,怎么做到有机的考虑,第一层当然要考虑这个系统的稳定运行。二是要考虑这个系统的经济性,不能告诉我度电成本是8毛、1块钱,没有经济价值,怎么用?我可以告诉大家,这种配备,我们的度电成本是在5毛钱左右,甚至可以做到更低。下一步要优化运行的控制,大家都知道,为什么不断进行优化呢?电池本身的SOC不断变化,复合不断的变化,电源不断的变化。这时候EMS要有自我优化的功能,这是自学习功能。西藏的项目今天运行到什么状态,运行什么状态我都不知道,它不断自己学习、不断调控,使系统从经济上、从稳定上、从自我学习的程度上进行改变,不断的变化。这样才能保证你的系统永远是控制在最优的状况。从分钟谈稳定,从小事谈经济性,从周、月、年做持续性优化。

不是考虑EMS策略一次性放进去就永远不变,不是这样的。因为你的电源在变化,你的电池SOC在变化,电池的各种性能在变化,负荷也在变化,怎么一次性搞定?不可能的。

算法处理我刚才已经说了,这里不再多说。这种算法对PCS工作模式进行切换能保证循环效率的最大化。一方面要解决短板,一方面要使电池的寿命最大化,电池寿命最大化的作用是提高经济性,让你的度电成本降下来。你的控制模式再好上去电池坏了,10%、10%的坏,那就没有办法,这个系统就不是一个好系统。这是我们的整个策略,怎么由下而上上来,怎么进行调度。这些东西在北京都可以做,我们这套系统整个的控制和调配,我们是可以在北京计算机直接调控的。

通过不同EMS控制策略,新能源+储能可以参与电网调频、调峰,并且能够提前24小时对新能源发电出力进行预测,预测精度达到85%以上。高于火电都说了,我们的整个调峰的时候,你给它发电出力的时候,要根据当天的天气情况进行调配,你提前24小时给电网,你给电网的数据应该是很精确的。但实际上你知道,我们的光伏电站做不到,如果没有储能,它怎么做到?它的天气预测,特别是精确到地域的天气预测,它不可能做到那么准。所以说这也是我们要做的,因为我们是加了储能在里面,所以羊易电站的参考火电机组预报方式,为光储系统将提前24小时上报96点的出力曲线,调度可以根据其出力曲线直接进行有功和无功调节,优化电网对光储系统的调度。

我本来想谈微电网及微电网集群控制,时间不够,就不多说。我把羊易电站解决的问题以及怎么解决以及大规模储能电站要解决的问题简单说一下,这个下次找机会说。

未来的发展趋势是以微电网为单元,微电网集群为区域的供电方式,大电网将逐步退至后备电源的地位。由此衍生出虚拟电厂,云端大数据调度平台以及各种AI智能算法、大数据挖掘技术将成为微电网及微电网集群EMS的一个发展方向。

储能技术一定是可再生能源大比例、高比例使用的支撑性技术,我们怎么能够大规模使用我们的储能系统?一定要做到高效率、低成本,但是高效率、低成本怎么做到?有很多工作要做,包括系统集成的控制策略、控制方法,对BMS、PCS以及对EMS各种各样的算法,各种各样的基础研究。这需要我们共同来做到。北控去年做了一点工作,但是离我们的目标差得还很远,希望各位同仁,一方面要替代传统能源,如果我们的调峰、调频还依赖传统能源给我们做,你是不可能替代别人,因为没有这种道理,你一方面喊着用可再生能源替代传统能源,一方面不能调峰、调频,不能调相,你帮我做,这是不可能的。我们自身要在技术上突破解决我们自己的问题,使我们可再生能源实现高比例,甚至完全取代传统能源的愿望,还我们国家蓝天白云,造福子孙万代。谢谢大家!
 
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