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中科院电工所霍群海:混合储能可兼顾功率性和能量性两种特性

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/8/8 15:40:49  我要投稿  

北极星储能网讯:我们所做的示范工程,原来就选最便宜的铅酸电池,通过配置一些超级电容器,可以介绍蓄电池的配置容量,从全生命周期最后算下来,它的储能成本只有铅酸电池的21.4%,比较经济。

——中国科学院电工研究所霍群海

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“源网荷储协同优化”专场中,中国科学院电工研究所霍群海作“混合储能系统关键技术及其应用”报告。

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中国科学院电工研究所霍群海

各位领导,各位同行,下午好!我是来自中科院电工所的霍群海。下面由我来给大家汇报,前面三个李总讲的都比较好,主要讲了储能的作用,刚才特别是吉林电科院的李总讲了储能电站大概需要两个亿左右的投资。要发挥它的更高性能,能够降低它的成本方面,我们做了一些初步的工作。

我的报告分五个部分,第一个部分介绍一下基本原理及应用需求,储能非常多,主要分析一下混合储能的优势、好处。第二个,讲一下混合储能主要的几种分类方法,分类方法应该说目前还没有一个统一的标准。第三个,汇报一下在实际工程应用中混合储能面临的几个关键的问题,第四个,详细介绍一下这套系统典型的应用案例,或者是中科院电工所在混合储能方面做的一些工作。最后介绍一下结论和建议。

首先我介绍一下混合储能的定义,以及它的特点。混合储能通常我们理解是几种不同类型的储能系统的混合应用,将两种或者多种类型的储能结合在一起形成一个单一的储能系统。它的作用跟刚才讲的应该是差不多的,但是我希望能够以更低的投资,且能达到一个更好的效率。根据国际市场研究机构的定义,把混合系统定义为结合两种及以上的互补操作特性的储能技术的稳定储能系统,下面有一个示例,目前在国内建设的规模普遍都是比较大的。如果只是一种两种,包括风电调峰的储能,投入非常高。如果把这几种经济性比较好的能够结合起来,可以起到很好的平抑风电波动的效果。我想到了我们所的肖建所长曾经做了一个工作,他在中国电网的峰谷差和欧洲以及美国的电网峰谷差做了一个拟合,发现这三个地方的电网用电负荷拟合之后,基本上是一个很平滑的曲线。它类似于储能的作用,这个能不能三方协调,需要国际的沟通,不是一个简单的问题。

下面讲一下为什么要做混合储能?单一的储能很难同时具备效率高、能量密度高、功率密度高、寿命长、成本低、运行维护费用效和环境污染等优点,一个储能是不是成本低就是最优的储能。在容量方面,它的响应时间,不同的储能自身的特点,适用的场合,这个图比较经典。我们在电网里面用大容量的储能,还有一些比较小的,在电动汽车里面用量比较小的这种储能的场合,储能用的系统不一样,做了一个简单的归纳。另外目前业内基本上比较认可的,把储能分成两类,功率性和能量性的储能。功率性的和能量性的在功率密度和能量密度方面基本上是都是错了一个数量级,包括现在在我们所有一个部门也在做这样的工作,能不能把这两种储能的特性集中到一起,这个工作比较难。有一些场合可能是有意义的,刚才讲的三个报告里面,很多时候只提到一种储能。这是一个例子,我们在光伏里面如何能量性的和功率性的储能,能够快速的解决问题。

下面是它大概的三个作用,后面还会有一个详细的介绍。包括在新能源并网方面,需要使用响应速度快、瞬时功率大、持续放电时间长的储能装置,单一的储能可能满足某一方面的特性,但是从整体上看,如果采用这种混合储能,把长时间尺度的和短时间尺度的结合起来,可以起到更好的效果。在微电网方面,后面会有一些具体的案例详细的讲,它也是包括供电质量方面的要求,包括能量管理方面的要求,混合储能可以起到很好的效果,还有电力系统功角稳定方面,不细讲了。

下面介绍一下混合储能的分类,目前是没有一个标准的,是个人的见解,跟大家一起探讨。电池和电池的混合,这有一个案例,一兆瓦的储能里面,电池提供70%、80%的电量,锂电池平抑电力的波动,把电池和电池进行一个混合,起到不同的作用。这是超级电容器和电池,超级电容器的特点,寿命比较长,能够快速大电流充放电。它的特性确实跟锂电池的特性差异还是非常大,超级电容器与部分电池有较好的互补作用,混合储能的典型特点就是互补。也有一个案例,在美国的公用事业商杜克社能源公司安装了一套混合超级电容器。

热储能还有电池的互补,热储能容量可以做的比较大,它的成本可以降的很低。电池的特点,主要是能量密度大,两者结合进行电网调峰可以降低总体成本。这是有一个例子,德国用于频率调频的20兆瓦的混合动力电池+电力热储能的解决方案,成本降低了一半,这个确实是非常可观的。另外还有发展比较好的,像压缩空气、热水蓄能等与电池的混合,也可以起到很好的效果。这是国际市场研究机构做的一个预测,混合储能的市场前景,大概到2026年的时候,混合储能系统容量达到2.1GW。

下面介绍一下工程应用的关键技术,技术想讲三个方面。一个是它的混合储能的电路拓扑及其控制,第二讲管理方言,第三是优化设计,这是几年前的一个工作,现在还有更新的技术出现。在拓扑和控制方面,如果单一的储能,我们目前都相对比较成熟了。但是如果把它混合之后,相当于不同的拓扑非常多,选择的话有一个优化的过程。包括前面不带功率变换电路的混合储能系统,带变换电路的混合储能系统,包括它的控制都是比较复杂的。

下面讲一下混合储能的能量管理,能量管理和我们常规的EMS不太一样。主要是两种混合储能的时候,它的时间长度,区分不同的时间尺度功率波动,进行一个优化,可以起到更好的工作效率。主要是三个具体参数的优化过程几个是最优时间参数,还有调整规则,相当于我们给一个约束,在满足这个约束之后,包括自适应的特征,包括系统损耗的分配,性能的最优,做的一个参数的设计工作。这是基于规则的能量管理方案,设计了一套通用的系统,我们运用这套系统可以做,一个任意选择储能的类型,可以形成一个能量管理。包括关键参数,选多大容量,选多大值,有一些计算方法。

还有就是混合储能系统的优化设计,在满足负载功率需求和它自己不同的储能所能提供的最大能量的约束条件下,做一个系统的整体优化。它做的能量优化的大概的流程,目前这方面的工作还比较多,论文已经非常多,方法也比较多。

下面我介绍一下典型的应用案例,把混合储能用在不同的场合,所起的不同作用。这是日本的一个风力发电场,刚才李主任介绍了在张北用了很多储能,能够通过不同的储能来平抑风电光伏的波动,是国内一个比较早的示范应用的案例。这个项目是风光热储的项目,风电和光热和储能结合起来,形成风光热储多种能源的优化组合配置,有效解决用电高峰和低谷电力输出不平衡的问题,提高能源利用率,优化新能源电力品质,增强电力输出功率的稳定性。

这是电动汽车需要的铅酸蓄电池和超级电容器,铅酸蓄电池特别普及,配置一个超级电容器,能够在加速减速的时候,跟锂电池进行一个配合,起到一个优化的作用。

这是青海的德令哈现代有轨电车的项目,世界上海拔最高的有轨电车超级电容+钛铅酸电池。因为它在高原上,考虑的因素比较多,是超级电容有轨电池的“升级版”。

下面介绍一下混合储能在智能电网,或者在微电网里面的一个具体的应用。这个相对比较好理解一点,因为对一个小网来说,它的稳定性和大电网来说,它的稳定性会差很多。原来最早的研究,像从02年开始做这个工作,做微电网的时候,特别是微电网稳定性,因为储能成本很高,做了很多微电网的示范,它的经济性就没有那么好,阻碍了它的发展。我们做了一个工作,多配一些混合型的储能。铅酸电池还是比较便宜一点,当然铅酸电池也有它自己的缺点。

这是中科院上海高等院做的城市智网项目铅碳电池和超级电容,它的混合储能系统可以实现新能源发电,让它发挥更大的功能,主要目的还是让微电网在投入不是太大的情况下,能够发挥它的最大效用。我们做了两个微电网的示范,一个是在我们主楼做的比较早,另外在延庆区做了另外一个微电网,两个微电网的示范。主要介绍一下里面用的混合储能,里面用了四种储能,包括锂电池,包括超级电容器,还有飞轮储能系统,是我们所自己做的,后来做了三个串联,还有铅酸电池,最早的很多用了铅酸电池,虽然是一个示范项目,但也要考虑它的投入,总体的经济性,算一算这个账。

做的工作包括每年定期我们所做的示范工程,原来就选最便宜的铅酸电池,从全生命周期最后算下来,通过配置一些超级电容器,可以介绍蓄电池的配置容量,从全生命周期,它的储能成本只有铅酸电池的21.4%,比较经济。

这个是我们目前正在做的张家口黄帝城小镇100%可再生能源示范项目,里面用到了目前电力电子路由器,我们做了多类型的混合储能,里面选择了超级电容器和铅酸电池。里面用的还有一些沼气发电,还有一些其他的,它有一些供暖的需求,主要电力来源是风电和光伏,所以整个系统相当于这个网的稳定性就需要靠这个储能来解决。但是要考虑整体的经济性,储能如果要是全配锂电池,也是投入非常大。我们后来设计了混合储能这个方案,里面加一定量的超级电容器,来平抑光伏和风电的波动性。目前的方案主要是用铅酸电池提供的一个总的能量来源,设计了一万度电的储能。

前面介绍了什么是混合储能以及它的应用案例。最后简单总结一下,在很多场合,混合储能正在慢慢成熟。我们所的工作大概也有十年左右了,相关的应用实例也能证明它的实用性,但是国内在做这方面的工作也有很多,但是实际的工程还是偏少。混合储能能带来新的投资机会。我的报告就到这里,谢谢大家。


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