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2017年10月24-25日,由中国华能集团清洁能源技术研究院、中关村储能产业技术联盟、中国能源研究会储能专委会联合主办的“2017发电侧储能技术商业化应用论坛”在青海西宁举行。在“发电侧储能项目开发问题探讨”分论坛上,来自甘肃省电力公司、内蒙古电力公司、北京睿能世纪、江苏峰谷源、科陆电子、中天科技以及北京能高等公司的专家及代表做了主题发言。
科陆电子首席科学家、储能事业部战略总监阮海明就“科陆智慧能源之—储能对提升可再生能源渗透率的综合效益研究”进行了主题分享。
各位领导,各位同仁,我介绍一下,谢谢大会给我这个机会。
今天讲的标题是提升可再生能源渗透率,渗透率跟大家达成一个共同的概念,我们现在说的渗透率是指实在的功率,可再生能源实际的功率与总的负荷功率的比,是每时每刻变化的,这个渗透率不是装机容量之比,而是真正的发电量之比。
我跟大家讲它分四个课题。
第一、相应的政策。
第二、整个大风电、大光电的高渗透率情况下,储能的位置。
第三、储能的经济效益评估。
第四、分享两个案例。
第一、储能相关电力政策辅助市场。政策跟市场昨天协会已经讲的很多了,我这里不再重述了。五部委的文件明确了界定储能在智能电网和可再生能源的核心定位。明确指出了我国储能发展的路径和途径,我们国家希望把储能打造成比光伏跟风电更大的一个产业,在世界的能源产业链里面是有一席之地的。
其实,这么大一个体量的东西,至少是昨天有位专家也说了,光伏目前是1万亿的规模,储能肯定不止这个规模。
我们也在想,这么大规模的东西,核心是不是现在这个样子,还是我们现在还没发现的体量,今天把我的研究成果跟大家分享一下,也希望得到业内同仁的批评指正。
这个就不详细讲了,这两个政策一出来之后,各地的配套政策也是纷纷在出台的,国家能源局的也配套了,东北配套了很多政策,山东、广东、甘肃、山西、新疆、福建,大量的在出台关于电力辅助服务政策。
全国电力辅助市场已经大规模的动起来了,现在大风电、大光电已经是常态,对我们国家来说,前面甘肃的专家也说了,一个是常态,再一个是还要继续发展,发展的体量和速度还是很高的。
我们探讨一下,在这里再回顾一下电力系统的发展过程,100多年来,电力系统的稳定,它的基本原理是因为有同步发电机的并网机制。我们回顾一下,因为大家都是这方面的专家,我就不讲这个了,回顾一下,复习一下。
同步发电机的特征有五大特征,这五大特征是保证天生并网的过程是安全的,可以并成很大的网,可以做自动的平衡。它有空载特征,有负载特性,有外特性,有调整特性。这边三个特性是基本特性,我们现在做的并网的东西,如果说是完全跟传统的一样的,那根本不存在并网难的问题,也不存在弃风弃光的问题了,现在的问题是,同步发电机的电网机制完全取决于这个微分方程,所有的量都是负的,我们叫做负反馈的稳定量,这个电网很多加进来的时候,有扰动偏差的时候,自己会调回来,都是一种自动稳定过程。所以我们说的转动惯量和下垂特性,反应在数学上是一个负的反馈量。
这个机组都有参数,大家都是做发电侧的,900兆瓦的汽轮机有实验负荷额定转速,转动惯量,惯性时间常数,转动动能,这些参数都是明确的。这些参数,在电网并网的过程是很严格,也很有效,而且很规范的一个过程。
我一直在想一个问题,如果以后的独立储能电站也同样按照这个方法来做,一是在电网里面的稳定性的地位会大大的提升,再一个,这个标准也会很简单,因为可以完全照传统的这些方式来。
现在大量的以引入风电和光伏的时候,大家一致说的平滑功率、平抑波动,这些过程到底谁来做?因为做这个工作是要成本的,这个工作没有人做会出现现在的并网难的情况,这个在规范和要求里面,实际上是可以提前提出来的。
现在的光伏和风电,特别是我们国家的光伏风电,由于风电是转的,但是由于风电是用变频器控制的,要么是全功率的,要么是双馈的,全功率的是变频器控制的,机组的转动惯量完全被“隐藏”起来了,频率变化过程中,风电机组无转动惯量,这是最致命的问题。
今年科技部的项目(原来叫863项目)里也在提友好型风场,将风电变频器改造成有虚拟转动惯量的,可以提升风场转动惯量的大小,但这也有很大的局限性。
如果做集中储能,集中储能在并网这一侧来装,就是在接入11万前面来装,检测风场出口母线的系统频率作为一个反馈值来控制,在这里对风场做转动惯量的补偿,增加它的时间常数,这个能起到很好的作用。而且这块的投入也不大,这种改造对风场提供了一次调频的功能是有很大的意义的。
我们这里因为大家都是专家,我再复习一下多次调频的过程,电力系统里面,调频按照时间尺度分为秒钟,分钟级,小时级的过程,在大概三个区域,第一个区域,比如说一个大的机组脱网、大的负荷波动的话会产生一个频率跌落,会导致系统频率自然往下掉,而这个网络系统里的机组自身的转动放量能够响应这个频率的变化,自动稳住频率回调了,一次调频就可能达到一个新的稳态,这个和标准有差值,这个稳态要继续做二次调频,这个时候,二次调频就是一个无差的调频,采用AGC的调节,让电网回到正常的频率去。还有三次调频,就是经济性的调度,同时,它是要把整个系统复原,恢复二次调频的储备。
并网稳定,在做接入的时候,大家要算三个东西,一个是频率稳定性,一个是功角稳定性,一个是电压稳定性,每个都要算一遍,算出来就知道储能能不能接入电网,但是因为现在这方面没有标准,所以我们在做接入的时候,这块相当的麻烦。这三个量在国际上已经有明确的要求,比如说北欧地区,都有功率调节的要求,在德国一昂(EON)公司,相当于欧洲的一个最大的发电集团,他们现在也是在朝可再生能源转,它要求100兆瓦的发电厂必须具备一次调频的功能。并且要求一次调频的容量不小于额定容量的2%,在机组频率下垂的时候必须要可调,最重要的一点,要能够持续15分钟,我们在做欧洲项目的时,跟英国的这些调频项目的时候,也都碰到这个问题,要求持续达到15分钟的延续的变化,而且这个是有严格规定的,承诺了之后要响应,不响应,作为一个调频的产品,你就会受到重罚。
加拿大也有这个要求,10兆瓦以上的风电场必须具备下垂特性功率调节能力,而且时间常数,惯量常数都得出来了,3.5秒时间,火电算起来基本在7秒到9秒的时间。这些如果说以后建的风场,甚至是风电电价在平价上网,如果对于风电友好型的电厂,对于它提出这样的要求,储能产业跟着就上去了,可以在这个上面一起发展。
我们看广义的惯量常数做一次调频的过程,如果在一个系统里,一个大的冲击过来,它没有控制的话,就会是这样一个曲线。如果说加上风电的虚拟出来的一个转动放量,在这里的时候会小很多,会大大减小频率的跌落,但是如果有连续过程的时候,因为这个能量用完之后,补充要很长时间,这个二次跌落比一次的还大,造成更大的波动。
如果用上储能,这个波动会很小,相当于自己就把它抑制掉了。时间惯性常数是发电机组的单位容量里储存的动能,这个刚好是个秒数。发电机组的惯性时间常数和调差系数,调差系数在这里,这个细节我不讲了,这两个决定一次调频的响应能力,并不是所有的机组都有权限参与一次调频。
这个因为刚才讲了,我就不讲了,作为AGC的完全是通过3个K值以及调节深度来决定,不同区域的电网公司要求不一样。
这是它的执行过程,大家可以看到,在没有储能的时候,跟有储能的时候,这个值可能相差20、30倍以上,刚才睿能说的调节能力差10到20多倍额就是这个道理。
这块大家可以探讨,现在我们国家的火电机组的增长已经大幅限制了,未来没有太大的增长,但是风电和光伏每年增长50GW,这个要求对每年调频的要求是50GW的需求。
我们以49.5兆瓦来说明经济性,首先说明这个成本数据并不代表科陆的数据,也不代表行业的数据,我只是做仿真跟做模拟的时候必须要一个数据,所以我填了一个数据在里面,这个收益分为三部分,一个是电量收益,一个是调频收益,一个是环保收益,我们把它全年的数据采样全部做下来,按5分钟一个点做下来之后,把电价做了。
这个储能换电量收益有一个量,大概是整个的1/3。
这个是一个调频的收益,调频的收益,政策上还没有支持,如果政策上允许支持,这块的收益也是很高的。综合的收益,在把这三样东西加起来,就是把调频的跟碳税的全部加起来的,它的回收年限是3、4年可以回收。
最后分享一下项目,现在做的这个2兆瓦单元的系统,把这些虚拟阻抗,时间常数全部规范进去了,这也是为了做到了整个储能系统的最高的价值体现,然后由于目前的PCS容量只是500kW到1兆瓦的规模,对发电侧系统要求的是20兆瓦,100兆瓦等更大的规模,这样的线性迭代是我们最大的一个突破,我们把N+1可以拆开来做,可以组成任何大系统了。
这个系统整个出来,对外是一个整体,完全具有这些特征,实现N+1的线性迭代,就可以组成任意一个大的系统,这底下是它的特征响应。
我们在大同做了一个调频项目,它的平均Kp值是5.8,最高达6.1,计划回收时间是3、4年。
这是电池的响应,这个系统做的调节深度很高,对收益是很好的。因为磷酸铁锂电池可以反复的去做,它的一致性也是相当好,运行到现在从来没做过均衡,这是不同的时间的值。
我们还有一个玉门的项目,叫做玉门光储融合项目,总投资是1.8亿,有1800万的储能。这里也是做了相应的风能接入,以及五种控制模式。
储能电站的发展标准建议,储能系统作为一个以后大规模的系统,放在电网里面如果完全是一个电流源,体量大了对电网的安全性反而会构成威胁,必须是电压源,是一个稳定的电源系统,完全可以参考火电的规范标准来做。
发电侧相应的接入标准细节都很少,所以接入的时候很困难,跟电网公司谈的时候,如果没标准,他们就无法去执行有些东西,只能作为示范项目去做,特批,但是江苏省在配电网接入方面很务实的做了一些明确的规定。
谢谢大家!
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