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东北电力大学李军徽:面向系统调频需求的储能系统优化控制、配置方法和经济性评估

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/8/8 11:19:24  我要投稿  

北极星储能网讯:储能现在面临的挑战,在储能方面关注几个点:储能到底配多少,储能怎么去协调进行控制,还有大规模储能参与辅助服务的话,怎么去管理控制,以及参与辅助服务,成本怎么核算,怎么补偿?

——东北电力大学电气工程学院副教授李军徽

8月7日-8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开。在8月8日分论坛一“风光储创新技术专场”中,东北电力大学电气工程学院副教授李军徽作“面向系统调频需求的储能系统优化控制、配置方法和经济性评估”报告。

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东北电力大学电气工程学院副教授李军徽

感谢大家的聆听,很荣幸受到组委会的邀请,做这样一个报告。我把这个题目做了一些调整,把我的部分工作拿出来向大家做一个汇报,请大家指正。原来的题目是提高风电渗透率的储能系统优化控制和配置,我把这个内容缩减了一下,改成面向系统调频需求的储能系统优化控制、配置方法和经济性评估。

我的报告分这几个部分,一是电力系统发展趋势,第二是大规模储能系技术简介,还有储能技术在电力系统中的应用条,把我们的部分研究成果向大家做一个汇报。

我们知道现在以传统化石能源为主的能源消费方式导致很多问题,比如能源危机,还有生态环境恶化,最近也是造成了全球气候变暖等等一系列问题。现在应对这种气候变化,已经成为全球的巨大挑战。对这样一个问题,咱们国家提出了无碳化能源变革之路,大家知道在19世纪的时候是第一次工业革命,是煤炭驱动的,第二次工业革命是煤炭、石油、天然气驱动的,第三次能源变革是可再生能源,中国政府提出化石能源革命这个概念,承诺在2030年左右二氧化碳的排放达峰,定了三个阶段性的目标,一个就是2020年非化石能源占比达到15%,在2030年达到20%,2050年要提高到60%。高比例可再生能源发展是这一宏伟变革中重要的标志,咱们国家电源装机情况,前面很多专家做了介绍,包括肖老师做了一些分享。咱们国家15年、20年、30年,从风电、太阳能发电,都在显著增长。虽然咱们国家从11年开始,风电装机快速增长,06年《可再生能源法》实施之后,风电爆发式增长,带来电力系统运行很多问题。11年把速度放缓了,现在每年还是在增加。从装机量上,咱们可以看出来,以目前这个趋势,30年的时候,咱们这个风电和光伏的装机容量就超过传统的煤电了。发电量从2030年来说,发电量不会明显超过的,但是在2030年,显著接近我们煤电。

在这样一个形势下,传统以同步发电机为主导的电力系统逐步变为电力电子接口电源为主的电力电子化电力系统,这块不过多展开了。大家知道现在电力系统电力电子化电力系统是国内是一个非常热的话题,也是一个比较有争议的话题。不管如何,现在电力发生一个显著变化,惯性显著降低,抗扰能力减弱,另外发电功率可控性下降,灵活调控资源需求量大。为什么这么说呢?咱们传统火电是可控的,风电如果利用能源这个角度来说,由于可再生能源随机性、波动性,会导致电网调节能力需求增大,调控比较困难。

低惯性电力系统运行安全性如何保障?大家提出了很多方法,包括昨天专家提出可再生能源和火电机组混合系统灵活调节作为重点研发,前天我也参加重点研发的一个评审会,项目组预申报里面提出了一些很新的思路。低惯性电力系统大家都在研究怎么保障安全性,也有从负荷侧入手的,不管怎么样,大家也知道,这几年比较热的热点就是储能。储能是可以双向调整的一个措施手段,储能是目前解决高比例可再生能源一个有效的调节手段。

我简单介绍一下大规模储能分类及适用范围,储能把能量转化出去,急需的时候把能量进行释放。从分类上分发比较多,我这只是一种分法,储热我也做了一些研究,吉林省有一个储热的示范工程,我也参与做一些事。左边是一个分类,简单分四类,不展开了。右边是储能接入电力系统,调节的时候关注的是功率层面的,还有能量层面的调节,往往需求不一样,往往右边的图大家见的很多了,这个分类它的不同属性区,储能应用不同的调节。

下面简单把几十兆瓦级的储能技术原理给大家讲一下,前面这几个不展开了,铅酸电池不展开了。锂电池是电化学电池里面相对来说技术比较成熟的,而且现在能做到大规模可行性比较高的,锂电是非常活跃的。锂电安全性也提高了,相对来说,锂电国内建了很多大型的示范工程。液流电池咱们国家从11年也在推,建了几个示范工程,后面国家973项目也好,重点研发项目也有支撑,但是液流电池成本降不下来,成本是约束储能应用一个主要的地方。液流电池也热过一段时间,但是也有一些问题。抽蓄是很古老的方式,但是它的运行模式是比较成熟的。还有压缩空气,国内很多团队在做这方面的研究。

这是做一个简单判断,抽蓄比较成熟,但是受地理位置限制。除此之外,化学和超级电容器,因为功率大,超级电容器也受一定限制。除此之外,一个是锂电现在发展比较快,有高放电倍率特性,往往大家把锂电作为一个首选的应用。除此之外,这几年推的比较快的铅酸电池,铅酸电池融合了铅酸电池和超级电容器的优点,目前成本也比较低,这几年国内的铅酸电池厂家包括一些研究单位也是很活跃的,包括国内也在推一些示范工程。

这是我整理的比较早,国外的一些示范工程,从国外示范工程里面大家也有很多频率调节方面的示范工程。国内现在远远比国外这些示范工程多多了,我做这个是突出辽宁地区的,第一个是13年法库,他当时建的时候,现在看不太大,但是当时建的话是全世界容量是最大的,是12年投用,13年达到5兆瓦,容量是12兆瓦,当时在全球是液流电池里面容量最大的,是很多国外公司来中国参观学习的一个点。他也是依托了863项目做了很多研究,除此之外,石景山锂电调节示范,除此之外辽宁还在别的地方建了很多电池系统,除了电化学储能之外,有很多储热。咱们国家这几年储能技术方面相关的政策文件发布的也比较多,简单理了理。最关键的是16年国家能源局联合五部委发布的那个文件,以及后期要跟进的几个指导意见,包括今年上半年又出台了几个文件,对储能推动作用是非常大的。因为储能在15年的时候大家就普遍有点悲哀情绪,感觉储能遇到很多成本方面的瓶颈,国家出台这个政策之后,相当于激活了。各个电网公司也出台了一些相应的文件去做支撑。

从文件里面可以看出来储能相关政策推动储能的发展,推动示范应用,另外国家电网公司也推出了一些辅助服务的相关政策,这个不展开讲了。这些政策更进一步激活了储能的发展,尤其在调频和调峰这块,国家对储能的重视日益增强,咱们国家大规模储能系统应用已经成为现实了。下午还有报告,江苏电网公司包括河南电网已经建了百兆瓦级的储能系统,甘肃正在积极筹建。形势一片大好的同时,前两天光明日报出了一篇文章,AGC储能调频,火热市场已现红海隐忧,储能市场是有限的,进入太多了之后,导致分昼的人多了,利益就下降了,下一步到底怎么走?这个确实有点茫然。

储能现在面临的挑战,在储能方面关注几个点:储能到底配多少,储能怎么去协调进行控制,还有大规模储能参与辅助服务的话,怎么去管理控制,以及参与辅助服务,成本怎么核算,怎么补偿?围绕这些重点问题,我今天的报告也是结合之前和国网公司做的一个项目,包括中国电科院,我主要把我自己做的一些工作拿出来跟大家分享一下。当时的工作思路,第一个是根据需求,这个作为基础,从不同角度分析发电特性,分析电力系统调频的方法,第二部分研究配置,配置里面建模型,求配置方法。第三部分是效率评估,最后是为了把自己的成果汇报,做了一个简单的系统。

第一部分是分析不同时空尺度下大规模风电出力滚动特性,结合东北电网的数据,分析不同时间、空间尺度的风电出力波动特性。这个工作我们做的比较早,我们课题组从05年就开始跟踪国内风电发展,参与了国家级的一些项目,算是国内研究风电比较早的高校。我们以前还在风电场做过试验,我们对风电特性这块进行分析。大致思路,取不同容量,不同时间尺度分析,这里面看,随着装机容量增加,风电波动曲线越来越短。风电波动的幅度也变大了,在相同时间尺度下,随着装机容量增加,风电波动的波动量减小。第二个,我们对等效负荷,把风电加入系统之后,带来一个电力系统调节的问题,风电相当于是负的负荷,随着风电装机量增加,等效负荷峰谷差和反调峰天数也随之增大,进而增加了电网调节的困难。负荷低的时间段和负荷高的时间段,根据低谷高峰出现的差异统计定义出来的。

第二小点是调频机理部分,我们对系统进行测试,把某一个节点以风电代替,进一步再代替,紧接着进一步去分析静态频率和动态频率。为了评估影响,我总结了一些指标,有的指标是自己建的,有的是运用现有的。一个是最低频率,这个是描述系统抗扰动能力。还有建立一个向上调频备用容量,还有一次调频调整速度,二次调频调整量,经过这几个指标,对不同的系统仿真可以看出来,从各个指标能看出来,各个指标有普遍降低趋势,风电渗透对系统有显著影响的,导致系统调频负担显著增加。基于东北的电网数据,我们进行了分析,不展开讲了。

第二部分是优化配置的研究,我选择适合调频的类型,建立它的模型,分别去建立目标函数,去做研究。这里面我们做的时候,分别考虑的锂电池,建立它的仿真模型,进行仿真验证。建了液流电池的仿真模型,进行仿真验证。最后建了超级电容器的仿真模型,进行仿真验证,不展开讲了。

优化配置主要是基于高风电渗透系统调频需求,综合考虑电网方与储能方的综合利益,基于电网实际运行数据研究了考虑调频效果及经济性。一个思路就是我们先做需求分析,模拟同步机惯性响应过程,风-储系统需要提供风电额定功率大概4%的备用功率。再一个,我们基于风电储能的特性,设计了风-储系统一次调频及储能响应APC指令的策略,不展开了。这个策略的基础上,搭了一个仿真平台,我们以单机去测试,进行仿真验证。

第三部分是效率评估,对系统有一个分类,有小的波动,还有大的波动。系统频率大家知道,有敏感频率,对系统振荡影响比较显著。我们利用储能,为了评议敏感频率,这是一个工作。再一个工作,我们做了一个储能系统类AGC运行控制方法,左边的图我们考虑储能装到风电出口侧的,这样集中控制,去指挥各个风电场出口侧的储能动作。我们经过分析,如果我们储能以这个为目标,这个储能调节资源是明显的浪费。储能尽量在汇聚的地方去评议,通过电网的需求,再发调控指令做一些评议。我们做了一些对比分析,这个研究成果我们很早就发文章了。

后面大家比较关注的是调频效果,我们考虑收支平衡的目标,建立储能收益模型,大家知道储能成本是比较高的,算收益的话,可能是亏本的。我们反推出来调频补偿,以调频收益反推调频补偿应该是多少。对比了几种储能方式,对比了前面提的锂电池、液流、铅酸电池、超级电容器,当然这个结果,我们近期也在做一个比较系统的研究。这个研究成果跟储能参数、容量成本还有全生命周期是显著相关的,这个结果只能做一个参考。我们近期这个工作还在推进,下半年这个成果应该能公布出来,我们做的是比较系统的。

最后一块是我之前做的一个评估软件,简单展示一下,这是我为了把前面的成果集成。把前面做的需求分析,策略分析,还有效率评估,做了一个界面。软课题不是那么好做,后期大家加了一些软件的东西,另外也主要是把前期研究的成果更好的展示,更好的交流。

时间已经超了,结语简单说一下,我们团队进入新能源领域算是比较早的,在06年的时候就进入光伏领域去做研究。09年的时候开始储能系统方面的研究了,也参与了很多国家的项目,我这个汇报只是我们团队的一部分的介绍,可能有很多不当的地方,请大家批评指正。我自己是东北电力大学的老师,一直从事储能方面的研究,有什么问题大家可以来交流。谢谢大家!


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