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中国电科院李官军:中高压大容量储能技术研究

北极星储能网  来源:北极星储能网    2020/8/27 8:54:45  我要投稿  

北极星储能网讯:储能把传统电网功率实时平衡转向电量平衡,使整个电网实现更可控、更稳定。随着大量新能源接入导致快速调频、调峰需求增大,另外整个电化学储能的可靠性、经济性的提升,从我们储能技术储备的角度可预见,单机大容量、高效率、高容量利用率的储能系统是重要的发展方向。

——中国电科院李官军

2020年8月26-28日,由中国能源研究会、中关村管委会、中关村科学城管委会指导,中国能源研究会储能专委会、中关村储能产业技术联盟、中国科学院工程热物理研究所联合主办的“第九届储能国际峰会暨展览会”在北京召开。峰会主题聚焦“聚储能十年之势,创产业十四五新机”,同期举办储能联盟十年纪念论坛。北极星储能网、北极星电力APP对本次峰会进行全程直播。

在8月26日举办的“储能与新基建、新应用、新市场”分论坛上,中国电力科学研究院有限公司主任助理李官军为我们进行了“基于直挂式拓扑结构中高压大容量储能技术研究”主题演讲。

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中国电力科学研究院有限公司主任助理李官军

李官军:我的报告简单分为以下几个部分:第一部分是简单介绍一下大容量规范化储能建设背景;第二部分介绍低压和高压储能技术对比;第三部分介绍项目里面的设计和控制技术,我们做高压储能电池,技术难度都是在做集成;最后是对中高压大容量储能的展望。

现在大家说的新基建、特高压,5G、城际铁路、新能源充电桩、大数据,还有人工智能这一块,从我们电网公司角度来说,是对我们整个电力系统的一个需求增大了,同时对我们供电可靠性,供电质量都提出新的挑战,当然也是我们后面发展的一个方向。

另外一个就是我们大规模储能,这个背景基于一个新能源消纳提出来的,包括现在国家以及很多地方也先后出台了很多政策,包括要求风电场配置储能,现在5%到20%都有;从功率上来看,已经是在10兆瓦级,从容量上的话2小时到4小时不等。

随着新能源占比在2030年、2050年,到那时可以说我们电网以新能源为主的一个阶段,这个时候我们整个电网的安全稳定对大规模储能需求肯定越来越大。

储能把传统电网功率实时平衡转向电量平衡,使整个电网实现更可控、更稳定。随着大量新能源接入导致快速调频、调峰需求增大,另外整个电化学储能的可靠性、经济性的提升,从我们储能技术储备的角度可预见,单机大容量、高效率、高容量利用率的储能系统是重要的发展方向。

第二部分简单介绍一下我们现在的储能技术对比。

现在储能集成的方式主要有两种,一种是低压储能通过变压器升压方式,另外一种国内好几家单位在关注的,也在是我们现在讲的中压直挂拓扑,低压储能的扩容是通过单机并联,通过变压器直接升压接入中高压电网;而直挂式储能一种串联拓扑结构,交流电流都是一样的,是串联扩容方式。

储能系统主要由电池、PCS,EMS及其他辅助部分组成的;这个图片我们现在正在参与的江苏昆山的101MW储能电站,全球最大的一个储能站,这里有176个PCS构成;如果通过直挂式功率做到10兆瓦甚至更大,我们整个系统实现百兆瓦级由几台变流器就可以做到,那个时候系统响应速度更快,在电网黑启动有很大的技术优势。

从一个储能系统集成商角度来看,也从用户的角度来看,大家关注的点,无非就是我们这个系统安不安全,另外一个我们可靠性怎么样,最后我觉得在这两个基础上,我们再去谈整个经济性才有意义。

低压集成方式,比较多是500kVA、630kVAPCS,通过并联,接入升压变压器;而直挂式储能的拓扑,优点在与整个系统,是由一个中心去控制的,动态响应要比低压要高很多。从直挂式储能测试结果,可以做到两毫秒,提高一个数量级。从转化效率,整个储能系统损耗,主要就是我们电池的损耗,还有变流器、电缆、变压器的损耗,从10千伏点并网点看,相对低压高到大概2个点左右。

下面就是从技术优势的进行对比,因为我们现在低压相对技术成熟,现在包括国内好多在做;但中高压直挂式大家还是在不停的探索,后面主要关键节点后面再阐述一下。刚才说的损耗的问题,整个我们变压器差不多一个点。这个从调度层面看,下一个指令,100多台变流器,要达到一致性很难,我们可能就几台一个并联,整个的一个响应的一个速度还有一致性精度这块都有一些优势。多机并联怎么防止环流的问题,台数少这块整个控制起来的难度就要小很多。另外从安全性和容量利用率来看,安全性大家都很关心,另外我们涉及投资能量利用角度来看;左边现在低压的常规的集成方式,先并联然后串联最后再并联的一个方式来集成,我们现在一个标准可能是2.2兆瓦大概就是这种方式,也有先串联再并联的方式,还有就是我们这次主要交流直挂式储能系统。

归结一下,采用直挂式储能拓扑使整个系统效率得到了提升;能量均衡使系统利用率得到提升,整个设备可以把单机做到几兆,数十兆的能力。简单介绍一下我们研制的过程,中压直挂式储能,绝缘的问题,和空间利用率本身是一个矛盾,这个里面怎么在有限的空间下实现我们装更大容量的电池,第二个能量均衡,怎么把这么多电池串联起来的容量利用率做高的问题。

第三冗余性,如何来实现我们一个在线运维,因为从电网公司也非常关心这一块,涉及到系统可靠性的问题。

第四,整个系统的热设计方面怎么来实现我们簇间一致性,全景分析这块主要工作,监测下面所有单体的信息,怎么来实现我们整个系统的一个有效评估,包括我们的故障定位,哪个单体有故障。当时做了几种电池的选型,我们都做了一些评估,最后我们选择考虑经济性和后面的发展还是选了锂电池。这是我们设计直挂式储能效果图,包括三个电池舱和一个控制舱组成。整个系统今年1月17号并网。这是所有的单体信息观测,这边是我们的控制功能,在里面包括我们要展示的技术,前面提到的冗余黑启动;重点介绍一下,这块实现我们刚才说的评估,整个系统的评估,我们可以监测,深充放次数,浅充放次数,以及SOC一致性,功能模块里面的电流、温度、电压这块的一致性的评估。

我们还做一个安全评估,任何一个压差温差电流出现偏差的时候都会从监控上面都能看到;可以看到整个箱温差每一处控制的温度,每簇温度控制3度,整个箱控制在10度,整个电池SOC控制在3%以内,然后这是我们整个系统充放电,大概是1.2到1.3毫秒,我们实现两兆瓦转换,可以实现对电网互动的一个响应。

冗余我们做了两种方案,一种是用反并联IGBT,还有接触器的方式;在效率方面,在1MW以上功率段,测出来的效率都是大于99%。整个系统的循环效率也是大于90%的。

后面直挂式储能,在标准、安全性、一致性方面也会陆陆续续的去推动这方面的工作,才能在储能行业得到有效应用。

最后我简单介绍一下我们直挂式储能的技术路线,大家关注十千伏以上还能做到多高,容量功率的边界多大,包括还有没有新的应用模式。这是十兆瓦/二十兆瓦的方案,12个功率舱加上1个控制舱,关于电压等级,到35千伏不适合做集装箱,这是我们当时做的35千伏的一些方案。

最后就是简单说一下,就是我们的一个认识,以后电网肯定是交流直流都有,多种电压等级,源-网-荷互动的能源互联网;储能的肯定会是集中式也有分布式,直挂式的应用前景还是十分一个广阔的,同时的话还有很多技术包括我们刚才提的安全性、容量利用率等等技术需要我们不停的在实践中去完善。谢谢。

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