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中能建江苏院姜华:电网侧电网储能设计关键技术分析
发布时间:2019-08-14 10:46

储能具有良好的毫秒级快速、稳定、精准的充放电调节特性,是扩大源网荷储系统响应规模,提高江苏电网抵御事故水平的重要手段。

——中国能源建设江苏院综合能源公司项目经理姜华

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,中国能源建设江苏院综合能源公司项目经理姜华作“电网侧电网储能设计关键技术分析”报告。

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中国能源建设江苏院综合能源公司项目经理姜华

各位老师,各位朋友,大家好!我是中国能源建设江苏院的姜华,下面我给大家汇报一下我们院在电网侧电池储能设计方面的一些经验。说到电网侧,它的储能电站在电网侧、用户侧、发电侧,它的整个设计理念是一样的,电网侧有一个特点,电网侧它的建设规模比较大,系统的集成监控它的要求比较高。第二个,电网侧它的建设规模比较大,对系统的安全、稳定性这块要求也是比较高的。

我今天的汇报主要从下面四点展开,第一个就是设计标准,第二个是电站设计的一些要点,第三个是案例的一些分析,第四个就是相关的一些建议。因为前面我们各位老师对集成包括电池的一些选型分析做过详细的介绍,我下面主要从江苏电网的储能,包括江苏电网新能源这边最新的政策,跟大家分享一下。后面结合一个典型案例,给大家做一个分享。

第一个是储能的应用场景,大家都比较熟悉,一个是用户,一个是电网,第三个是发电,发电包括常规电源和新能源。从它的用户侧给大家说一下,用户最关心的主要是三个方面,第一个是安全性,第二个是用户容量的增容,第三是用户特别在江苏那边,目前参与了电网的辅助服务,特别是江苏电网夏季是用电高峰,江苏储能电站参与了一些电网的辅助服务,获得了一定的收益。

电网侧这边最关心的一个点就是安全,国网公司提出了一个新的理念,就是放大物联,就是协调控制,实现电力、信息、业务的整合。发电侧包括常规电源,有一些调峰调频的辅助服务。我给大家汇报一下政策上的一些变化,首先江苏电网今年用电高峰,大家也知道,已经达到了1.07亿千瓦,这个体量是相当大的。江苏电网售价电网,主要的电源是火电,根据江苏能源局的政策要求,到2020年达到一个顶峰,火电不会再增加规模。以前像燃气电网这边也受制于气源包括价格的问题,推进力度比较慢。接下来江苏这边的电力需求主要通过两方面,第一个就是储能,第二块就是新能源,包括光伏、风电,现在基本上都是国内最大规模的。现在光伏风电的装机容量应该是2000万千瓦以上,到2020年要达到5000万千瓦,这个体量是相当大的。现在江苏这边主要推进的是海上风电,前天、昨天参加了两个项目的会议,比较有意思。一个是电网公司的会议,电网公司大家也了解政策,去年电网侧储能是一个爆发式增长,电化学储能不计入输配电成本,储能有一个暂缓。昨天参加了另外一个会议,是国内五大发电集团之一的一个发电集团,他在江苏海上风电在南通、盐城,配套20%的电化学储能。接下来的增长点可能是在新能源侧。

介绍一下储能相关的一些政策,最近有一个政策,就是电化学储能参与电力市场辅助服务的一个政策,能源局的政策也明确提出了,要促进电化学储能参与电网的一些辅助服务。现在特别是像风电这一块,在江苏那边政策还不是很明朗。主要是省能源局、经信委对储能电价有一些考核,对电压、发电区间、包括调度响应有一些考核,接下来在这块会有一些相应的政策。这是国家发改委《关于促进我国储能技术与产业发展的指导意见》。

我介绍一下设计的一些标准,标准是规范储能行业发展的一个前提,从储能行业无序发展到有序发展,政策标准的制定是必不可少的。第一个国标是2014年编制的一个规范,熟悉这个规范的专家也了解,因为当时是广东、深圳储能电站依托于那个项目,开展的一些研究。当时储能作为一个新兴事物,很多公司不是很了解。这个规范今年也在修订,从14年到18年,现在大量的行标、企标都在制定过程中。

接下来介绍一下储能电站设计的一些要点,接入主要是跟电压等级,储能电站的功率、接入点网架结构等确定。接入方式一般采用专线接入公网、用户变配电站等几种方式,刚才几位介绍了,不展开。

电气主接线应该根据储能电站的电压等级、规划容量、线路和变压器连接元件总数、储能单元设备特点等条件确定,并应满足供电可靠、运行灵活性、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等要求,储能电站一般采用线路变压器组、单母线、单母线分段、桥形接线等简单接线方式。

储能电站总平布置需要根据储能电池类型、站址条件、应用场景、建设工期等条件确定,在满足安全、安装、运维等要求下选用集约化布置方式。布置需要考虑周边构筑物的安全防火距离,在江苏用地比较紧张的地方,我们采用了一些比较集约化的布置方式。

还有储能电站计算机监控系统设计,储能电站的监控系统根据它的规模,主要分为三类,第一个是简易型的,主要是千瓦级别的,主要是针对千瓦级储能电站。第二类是标准型的,是面向千瓦至兆瓦级的储能电站,一般会有一个优化调度的功能。第三类是层次型的,是面向兆瓦级大型储能电站,一般采用分层分布式结构,由站控层和间隔层组成。

介绍一下储能电站信息的特点,一个集装箱容量按200兆瓦时考虑,它的信息量大概在90万这个量级。在江苏来说,对相关的便电设施进行数据采集,现在江苏有南京、苏州两个地级市达到这个量级,大量级的数据给我们储能系统的信息处理、上传,包括它的运维,都提出了更高的要求。现在我们采用大数据的方式,构建储能信息的系统,实时对电压温度、信号进行采集,采集之后,上传到一个专用的平台上面,再设置一套系统,对刚才采集的信息进行分析。大概每半个小时往调度那边上传,第二套系统因为它的信息量特别大,对存储要求也比较多,基本上每半个小时对前面的数据进行覆盖。运维这方面,因为储能电站大家知道,是由大量的电芯进行串并联组成的一个系统。大量的电芯的系统对运维人员提出了极高的要求,运维人员当后台系统某一个电芯发生故障的时候,如何能快速的找到那个舱,把它的故障进行隔离,阻止故障的扩大,也要构建一个储能的运维系统。这边是基于大数据,包括一些智能终端,二维码一些手段,给每个舱一个身份证。通过GPS,能快速的到达故障的对应的电池的那个位置。

接下来结合一个典型的案例分析给大家做一些分享,去年江苏电网建设了规模最大的储能电站,南京、苏州都有一个,在国际国内规模都是最大的。

接下来介绍电网侧储能发展的背景,第一个是加快源网荷储系统升级,保障电网运行安全。随着特高压一交三直工程落点江苏,江苏电网区外来电规模不断增加,强直弱交结构带来的安全风险日益显现,存在直流近区交流电网故障导致直流闭锁或直流系统故障等造成大功率缺失的风险,严重影响电网安全稳定运行。储能具有良好的毫秒级快速、稳定、精准的充放电调节特性,是扩大源网荷储系统响应规模,提高江苏电网抵御事故水平的重要手段。

第二是促进新能源消纳,服务能源绿色转型。储能充电可以辅助调峰,减少峰谷差。储能放电可以作为调峰电源,支撑负荷尖峰。可以缓解局部重要重载的受电断面压力,通过调节储能在充分方法电功率,可以实现对受电断面功率的灵活控制,储能可以作为解决重要受电断面越限问题的备选方案。

江苏电网储能电站有一个背景,去年是有三台33万的机组停了以后,新建了一个燃气电站,造成了有一个20万的电力缺口。去年4月份的时候,江苏电网也想了很多办法,看看能不能从区外调运,包括交流负荷,最后确定还是增加电网侧的储能。现在储能电站比较常规的一个运维是用于二次调频。

这个储能电站现在为止,运行了一周年,去年建设,时间比较紧,对储能电站的一些特性掌握的也不太多。我们也做一个经验的总结,给大家做一些分享。储能系统包括电流系统、BMS、PCS等等组成的一个系统。储能电站通过一个电芯的串并联,形成电池模组,多个模块串联形成电池簇。我们现在提出的储能优化方案,就是把它的电池舱达到2.8米宽。电芯大家何以看到,上面的接线,之前国内发生一个事故,就是因为接线人员的失误,造成电池系统的短路。现在我们提出的一个方案就是江苏这边做了一个结构性的防止反接的结构性的预防措施。第三个就是电芯的容量,我们国内电池厂家也比较多,电池这块国内也没有一个现行的规范,对它的一些容量,包括它的一些尺寸进行规定。电芯的容量现在从国内据我们了解,从二三十安时到270安时都有,这样的话,就会导致一个问题。如果过小的话,就会导致串并联的个数比较多,对电池的安全,包括电池的一致性带来一些问题。我们现在江苏这边对它的要求是80安时以上,80安时也就兼顾了很多电池厂商的一些特点。第四个就是电池舱,我们现在可以把它做成单波的形式,在灾害性天气的时候也会造成故障的隐患。电池舱内的暖风、消防,暖风刚才有老师也介绍过了,不展开。消防这边,我们根据江苏的一些特点,也提出了新的消防方式,也不展开了。

这边是电池舱的集成布置,江苏的储能电站从去年4月份有设想,到7月份建成,也就两个月的时间。真正的建设时间可能两个月都不到,这么短的周期,采用的预制舱的方式,它的占地面积非常大。我们提出了一个新的布局方式,主要有两个方式。第一个方式就是两个舱之间加一个防火墙,因为电池舱之间为什么要隔一段距离?一个是考虑它的设备检修、安装的问题,还有考虑安全的问题。我们在两个舱中间加一个防火墙,减少占地的面积,促进集约化的建设。第二个是采用双层叠加的方案,采用更小规模的舱,20尺,然后叠加做的一个方案。

下面我重点介绍一下消防,江苏专门做了一个课题,针对磷酸铁锂的属性,磷酸铁锂电池相对三元,包括其他的电池,最主要的特征就是安全。但安全也不是绝对的,对电网侧的话,必须要做到万无一失。所以我们现在构建了两套消防方案,第一个系统是在舱体内增加一氧化碳、氢气、燃气的探测,根据我们做的一些试验,磷酸铁锂电池会在热失控的时候有一些氢气、一氧化碳的吸出。加装一氧化碳、氢气可燃气体的探测手段,并接入到BMS系统和火警报警系统,起到一个预防的功能。当可燃气体发生报警的时候,把空调关闭,疏散舱体内的一些可燃气体,我们把空调关掉。这是镇江第一批次的储能电站的形式,给大家分享一下我们现在是怎么做的。第一个就是提高储能电池PSC的容量,镇江一个舱是两兆瓦时,现在我们第二批次把集装箱的容量提高到22兆瓦时,PCS由500千瓦提高到630千瓦。第二个是我们一期是采用两个PCS接一个变压器的形式,我们本期采用的是14个PCS接入一台进线柜,实现协调运行。包括阳光的一些技术,可以做到六个PCS接入到变压器的技术。

这一块是关于SVG侧,我们新上的储能电站这边不上SVG了,这边是通过PCS,来实现对储能电站的支撑。PCS如何对它进行协调管理,这边主要通过PCS的协调控制器来实现的。

今天是我们储能电站的监控系统,主要是通过分层分区的结构形式。我们储能电站这边根据实时信号和非实时信号或分区的形式,向调度那边上传相应的信息。分层架构包括站控层、间隔层,除了储能系统,还包括其他的一些设施,包括往调度上传,都要有一些调度的边缘协议。我们现在采用统一的形式,主要是两种形式,一个是104,第二个是185。这块是关于储能电站的辅助控制系统和消防,消防给各位专家做了介绍。我们整个储能电站有一个核心的考核指标,是它的效率,这个效率不是对电池系统来说的,主要是对并网点充放电的效率。如何提高并网点充放电的效率呢?主要是两个方面,第一个是设备本身,包括储能电池,包括PCS,包括变压器以及交流设备,对我们储能系统,电池这边充放电的效率,目前可以提升到93%以上。这是规范的要求,像我们有些厂家可能已经做的非常好了。PCS,像我们阳光刚才介绍了,这边最高效率已经能够达到99%。一个是充放电系统的效率提升,第二个负荷的降低,储能电站一个主要的负荷就是空调,在电池舱要设置空调,保证整个系统运行的高效、安全。要建立一个高效、均衡温度的控制系统,提高电池舱的稳定运行。

我们储能电站是怎么实现的呢?储能系统直接言最大能力满放,充放电转换时间小于100ms。第二个是恢复,1s后监控系统接管PCS,五分钟内收到网负终端复归命令,恢复执行之前的状态。

这边设计要点简单介绍一下,从储能的工具,储能的容量,储能的模式,先确定下来,确定我们储能电站建设的要点。这是我们设计的步骤,简单介绍一下,根据电量,确定储能电站的规模容量。

最后一块就是相关的建议,简单给大家介绍一下。储能电站根据它的工程特点,我们一般是采用标准化、工厂化、智能化的储能电站设计方案。对舱体的尺寸、结构包括一些辅助设施,实现整体的采购设计。这块是对火灾系统进行实时的设置、采集、上传。我的汇报就到此结束。谢谢大家!

主持人:我们一上午的风光储创新技术专场从风电和光伏的接入情况,设备制造还有集成等方面进行了介绍,感谢六位专家的精心准备和分享,感谢大家一上午专心的聆听。今天上午的会议到此结束。下午会场还在这里,中国电科院电工所储能系统集成与配置技术研究室主任李建林主持。谢谢大家!

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