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许继电科陈世锋:青海海西州多能互补集成示范项目50MW/100MWh储能系统集成技术研究与实践

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/5/18 15:54:54  我要投稿  

北极星储能网讯:“储能和光伏的联合运行,实际上可以让光伏的出力可以媲美甚至超过常规电源的出力特性,使得光伏更具有可预测性,可调度性,还有可控性。”

——许继电科储能技术有限公司 陈世锋

聚焦“技术应用双创新,规模储能新起点”,通过组织主题演讲、展览展示、创新大赛、专题研讨、项目考察、新品发布、技术交流等多种活动,多维度精准对接全球储能市场与应用,助力中国储能企业与国际接轨,为储能企业搭建与政策制定者、规划者、电网管理者、电力公司、能源服务商的交流互动平台。2019年5月18-20日,中关村储能产业技术联盟、中国科学院工程热物理研究所举办“ESIE2019储能国际峰会暨展览会”,北极星储能网、电力头条APP全程直播。

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许继电科储能技术有限公司 陈世锋

大家下午好!非常荣幸,也非常感谢曹总的邀请,能跟大家分享一下许继集团在去年做的两个典型工程之一,也是我们下半年做的一个50MW,100MWh的项目经验,跟大家分享一下。

本次汇报的提纲大概分为这五个方面:

一、许继是国内最早涉及储能项目的几家单位之一,我们从2010年真正开始有储能项目的订单,包括张北一期,张北二期,我们也做了2MW/3MWh的系统。2018年,许继集团承担了两个比较典型的项目,一个是大家都清楚的江苏镇江一期的101MW/202MWh的电网侧储能项目,我们主要承担两个站的建设项目。另外一个项目是今天所讲的多能互补的示范工程,这个项目2018年12月份完成投运,其中风电40万千瓦,光伏20万千瓦,光热是5万千瓦,储能5万千瓦,从整个项目的设计来说,储能主要还是解决光伏的并网的问题。

这个项目也是国家能源局首批多能互补的示范工程,也是第一个开建的科技创新工程,这个项目示范效益还是比较大的,因为它是目前最大的一个电源侧集中式电化学储能电站,也是国际上最大的虚拟同步及电化学储能电站,世界上容量最大的“风光热储调荷”虚拟同步机电化学储能电站。这个项目的意义比较重大,这个项目在设计过程之中也有一些相应的示范性的效果,我们在设计的时候采用模块化的设计、标准化的设计。

二、简单讲一下储能系统的技术路线。

青海的新能源发展是比较迅速的,新能源在整个电源系统里占比逐年增加,但是大规模的光伏集群的送出和消纳是越来越迫切需要解决的一个问题,青海这边弃风弃光还是比较严重的。从整个项目的定位,包括储能在整个项目中主要有四大功能:

第一,平滑新能源的波动;

第二,跟踪计划曲线;

第三,削峰填谷,

第四,快速下滑控制策略。

主要实现这四大功能,在储能容量配置的时候我们也做了一些研究,储能实际上是解决新能源消纳,尤其是光伏并网一系列的问题。所以我们针对青海省的光伏的波动做了一些统计。一分钟一个点,一天大概1440点,通过统计的分析来看,每10分钟光伏的波动率超过10%为一个预先设定的目标。不加储能的话,每10分钟波动超过10%的概率大概在百分之九点几,我们根据数据的分析分配配置30兆瓦,40兆瓦,50兆瓦功率的储能,分别可以把每10分钟的波动率下降到3.5%,3%和2%。但是在从右下角的曲线可以看,我们功率配置到50兆瓦以上的时候,抑制的效果是趋于平缓的,通过图的曲线大家可以看得出来。综合考虑,在配置的时间是在一小时到三小时之间,实际上可以在大部分的时间段可以将光伏的波动率抑制到10%以下,这是从功率的角度来说。

二,跟踪计划曲线。

储能和光伏的联合运行,实际上可以让光伏的出力可以媲美甚至超过常规电源的出力特性,使得光伏更具有可预测性,可调度性,还有可控性。

在没有配置储能的时候,这也是我们做的一个概率的偏差图,实际上在偏差在10%以上的概率大概是9.1%,光伏发电实际出力偏差在20%的概率大概在3.5%,在30%以上的概率是1.5%,实际上没有配置储能的时候,光伏的跟踪调度计划曲线的能力是偏弱的。这是我们在50兆瓦的功力下配置不同容量储能的时候实际出力跟概率偏差图,第一个图是我们配置一小时的储能容量,实际上10分钟大于10%的偏差,概率是在3.63%,比没有配制储能的百分之九点多下降很多,配置1.5小时的时候,大于10%的概率降到1.89%。配置2小时大于10%的偏差上大概1.21%,在配置2.5小时的时候,偏差大概是在1.2%,从这个趋势来看,储能的容量越多,实际上下降的空间也是能很好地辅助光伏跟踪计划曲线能力。但是在容量配置一定程度以后,控制偏差不是很明显的。从前面储能平滑功率波动包括跟踪调度曲线的功率来看,我们的配置的越多,抑制波动率的效果越明显,同样容量配置越多,抑制效果也是越明显的。

综合考虑配置的功率越大,配置的成本越高,我们配置了50兆瓦,时间是两小时,这样可以在大部分的时间段能满足我们储能电站四大功能的应用需求。前面主要讲储能容量的配置。

三、技术方案。

海西州多能互补示范工程,从整站的设计方式和江苏的电网侧储能是类似的,采用模块化的,集装箱的设置方式。我们在项目的设计和执行过程中,因为这个项目处于青海格尔木,因为当地的气候条件非常恶劣,当时我们预想有四大问题:

1.集装箱的整体运输和吊装,从许昌发到格尔木大概1800公里,路途遥远,路没有中原的路好,当时设计的时候集装箱采用整体运输,在场内把所有的装置装置好以后调试完发送到现场,大大减少现场调试的时间。

2.因为处于高海拔,这是需要考虑的问题。

3.环境控制,青海温差比较大,冬天的时候气温可以在零下20多度,甚至达到零下30多度,整个环境控制也是做了一些工作,从目前的运行效果来看效果还是比较好的。整个集装箱内的环境温度温差控制在8度以内,室温和咱在江苏包括中部地区做的可能稍微偏低一点,温差可能在20度左右。

还有一个问题,在设计和现场运行过程中一直在出现的问题,在上个月,也是刚解决,我们考虑到散热和防风沙这样的问题。青海那边,尤其格尔木风沙比较大,我们在做的时候,因为变流器和电池一体化不足,变流器需要散热,如果我们把通风口设置的很密的话,实际上可以隔绝一部分的风沙,但是对整个环境的散热是有一个大的问题。如果防风沙的东西越稀的话,隔绝不了风沙,对散热效果比较好,这里面就存在着一个如何保证环境设计,还有防风沙的问题,这个也是我们解决了很长时间,最后也是解决掉了。

这是一个集装箱里1MW/2MWh的储能单元,右边这个图是我们当时集装箱拍的实物照片,左边是整个参数。

变流器在海西州采用4G并联,可以节省占地面积,降低成本,整个效率最高可以达到98.5%,变流器目前的技术路线也有很多种,像我们通用的是500千瓦的规格,另外一种是采用模块化的,50千瓦或者更小的规格,并联组成一种。另外还有一种是采用高压直挂的,许继也在做相关的研究,不能说哪技术路线好或者坏,我觉得每种技术路线都有它适合应用的一个场景。

这是电池箱的设计,我们采用260Ah,每一个电池箱是一并14串。这是电柜的设计,每一个电柜总共有16个电箱,总共228串串联而成,电压范围大概在627-806V之间,左边是参数。

另外,均衡性和一致性问题,也是在我们系统设计要重点考虑的一个问题,像我们在海西州一个集装箱里面总共是2MWh,电芯的个数也是非常多的,如何保证每个电芯的一致性,这是我们系统设计重点考虑的一个问题,目前采用最多的还是主动均衡,均衡电流可以达到5安,效率可以达到80%。这个是每一个最小单元,500兆瓦,1000瓦时的系统图,这里面总共有6个电池柜,通过直流侧并联组成。

另外,监控,海西州储能占的容量比较大,当时我们做五峰山的时候,24MW/48MWh,整站数据量达到将近50万点,同理推海西州这个项目整个监控的数据点可以达到100万点以上,这是我们常规的监控系统是无法满足这样的应用需求的。所以在这个项目上我们也上了一个大数据的平台,主要对电池进行一个数据的存储,包括管理。

能量管理技术,有几个需要关注的,第一个百万点的数据接入,第二个响应时间和响应精度,这里面我们采用关键的技术,可以把AGC跟踪规律的误差可以控制在5%以内,电压的控制误差可以小于1%。我们布置了运维的系统,江苏的运维第一年是由我们自己运维,在运维的过程中,毕竟我们也不是专业做电池,我们的运维人员对整个系统的运维可能有的时候只是做了一些比如说按调度要求进行定时的充放电或者普通的检修。但是这里面最关键的还是对电池的预警的信息。

我举个例子,如果是某一个电池,可能他没有达到他出现问题的时候,但是实际上电池的一致性,包括可能有些性能会出现一些降低,但是很多的时候可能通过人的巡检是发现不了的。我们如何把电池的所有的信息,通过大数据的技术,把电池能提前对电池进行预警,一方面可以指导我们的调度或者控制系统去针对不同的电池的特性做一些控制策略的优化。另外一方面,可以跟我们的控制系统提出或者是跟我们的运维人员提出,这个电池可能需要运维了,比如需要补电,或者需要进行维修,很多事情通过人是实现不了的。许继集团也在做基于大数据的数据电池储能系统的预警和运维。最终要实现整个电站无人值守或者少人值守的目标。

这是在海西州监控的一个图片,右下角是当时我们在场内搭建百万点数据平台的场内连条的图片。这是整个集装箱,就是一个标准的集装箱,将变流器和电池都放在里面了,整个集装箱的利用率还是比较高的。

最后一点,我想讲一下安全,因为从去年开始,包括今年,很多协会里面也都提到一个储能的安全问题,我觉得安全,从去年包括韩国和国内可能出现一些安全事故,应该对我们整个行业来说不是一个坏事,通过这件事情的突发,可能引起行业内的所有人,包括包括电池厂家,系统集成厂家的重视,因为安全的问题不仅仅是电池厂家一家的问题,我觉得这个问题应该是一个系统的问题,如何把安全从设计到预防,到最终的消防贯穿整个流程里面去?才能达到真正的安全。

这是我们去年做完两个典型的项目以后,总结出来安全设计的原则,也不算是原则,是我们的一些新法跟大家分享一下。

首先,我觉得电池的安全首先从电池的选型包括电池设计开始,我们针对不同的应用要选择不同类型的电池,相当于从源头上要控制电池的质量问题。

第二个,集装箱的设计,包括环境设计,包括应力设计,包括整个集装箱里面电池的一致性设计。

第三个,预警和联动,包括电池的预警,我们可以基于大数据的分析提前将短版电池发现,提前预警,预警以后和我们的PCS和EMS进行消防的联动,保证这个电池在出问题的时候能完全的脱离。

第四个,灭火系统,消防这一块从去年开始,国内也有很多院所正在研究,包括江苏这边已经研究了一些消防的事情,包括中国电科院和中国科技大学也都在做这样的设计。

灭火系统的设计有四个方面需要注意一下:

第一,精确的定位,在一个集装箱里面不可能是所有的电池都出现问题,总会存在一个短版,我们如何把这个短版的电芯找出来,尽快的把它隔离掉,防止事故的扩大,这个需要我们重点注意。

第二,灭火介质的选择,不管是什么都有它可用的方面,我们如何对灭火介质的选择,还要充分的实验去验证。

第三,快速的响应,当我们发现问题已经定位好了,我们需要消防系统,需要我们的联动系统快速做出响应。

第四个,最关键的,我们即使把明火扑掉了,电池还存在二次复燃的问题,所以抑制复燃也是需要我们重点关注的。这是我们总结的,不一定对,安全是一个全球性的问题,也是比较难的问题,我觉得大家可以一起探讨。

这是我们当时在选择海西州项目电池的选择,当然这个主要针对宁德时代的。首先单体电池必须要通过新国标安全的认证,认证肯定是要通过的。

第二,电池模组,主要是一些限速和强度,包括里面的热设计的要求。另外,我们在设计的时候也要预留一些我们对应消防的接口。

这是电池柜的设计,主要是强度还有热设计这一块,时间原因不展开说了。下面是集装箱的设计,这里面要整体运输,实际上在里面应力的设计,包括机械的仿真也是比较重要的。另外箱体的防爆设施,防爆门、防爆的开关、防爆的工具,防止集装箱出现一些问题。另外在集装箱里面建议设置一些吸压口,如果电池在失效的过程中会释放一些气体出来,如果气体释放到一定的程度有可能造成集装箱的爆炸,所以这里面也要设置一些吸压口。这是整个集装箱的热设计,大家都比较清楚了,热设计环境控制也是比较重要的。

下面是预警,实际上预警不光是BMS自己的问题,BMS最先能得到电池的信息,但是预警包括断开是BMS、PCS还有EMS是联合联动的情况。这是联动,电池BMS、PCS和EMS如何进行联动。下面还有一些辅控的设计方面,这里面也是借用江苏这边的成果,实际上在电池燃烧的时候也会有一些其他的气体吸出。我们大家可能关注电量数据监测的比较多,但是对非电量数据的监测,包括预警可能会少一点,我建议也会增加一些非电量数据的采集。这是整个消防预警这块,大家看一下。

另外,最好能做到定向的精准灭火,当然这里面可能会增加很多的成本,我们最近也在做一件事情,和中国电科院一起联合做一些电池的整个集装箱的标准化设计这一块。上次跟他们交流的时候也提到过这个问题,同样的我们在安全设计上花了很多的精力,不管从最开始的设计,电池的选型,到成组到模组到最后的消防,如果没有形成一个标准或者一个规范的话,有可能在市场上会存在不平等的竞争。如果是我们要做到定向精准的灭火或者定向精准的检测,意味着我们在成本上会投入很多。

实际上到目前为止,消防的标准,包括安全的标准目前还是没有的,我们也想在这里呼吁一下,尽快出台一些消防相应的标准,让储能更安全,更有效。我们在系统集成的过程中也更有设计的依据。

下面是典型案例,这是我们做的一些工程,张北一期,包括张北二期梯次利用的。这个梯次利用是我们自己有一个梯次利用的分选项,自己分选,重组,然后进行集成。

第三个是我们做的虚拟同步机的工程,也在张北张家口,这是海西州的这个项目的,这是在镇江做的电网侧储能。这个当时是做的AGC测试的曲线,这是南网的一个微网的项目。

我要讲的大概就是这些,谢谢大家!

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