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電池儲能技術的原理和特點及主要用途

鉅大LARGE  |  點擊量:5622次  |  2018年07月12日  

摘要
電池儲能作為電能存儲的重要方式,具有功率和能量可根據不同應用需求靈活配置,響應速度快,不受地理資源等外部條件的限制,適合大規模應用和批量化生產等優勢,使得電池儲能在配合集中/分布式新能源并網,電網運行輔助等方面具有不可替代的地位。

6月21日,位于鎮江丹陽的110kV建山儲能電站正式投運,該變電站是鎮江儲能電站重點建設項目之一。


為緩解諫壁電廠燃煤機組退役對鎮江東部地區2018年夏季高峰期間用電的影響,江蘇公司結合電化學儲能電站建設周期短、布點靈活的特點,在鎮江東部地區(鎮江新區、丹陽、揚中)建設全世界最大規模的儲能項目,包括在丹陽地區建設丹陽儲能電站、建山儲能電站,在揚中地區建設新壩儲能電站、長旺儲能電站、三躍儲能電站,在鎮江新區建設大港儲能電站、五峰山儲能電站、北山儲能電站。


該項目電網側總功率為101兆瓦,總容量為202兆瓦時,是世界范圍內最大規模的電池儲能電站項目,在分布式儲能領域的探索實踐具有示范作用,有望在全國儲能產業推廣。該項目建成后,可以為電網運行提供調峰、調頻、備用、黑啟動、需求響應等多種服務,充分發揮電網調峰的作用,促進鎮江地區電網削峰填谷,有效緩解今年夏季鎮江東部電網供電壓力。


據悉,本次投運的建山儲能電站為功率為5兆瓦、電池容量10兆瓦時的儲能電站示范項目。項目占地面積1.8畝,采用全預制艙式布置,通過10千伏電纜線路接入建山變10千伏母線電網側。


另外,作為江蘇電網“源網荷”精準負荷控制系統的重要組成部分,揚中地區的儲能項目還配備智能網荷互動終端、防孤島過程控制系統等設備,可對調度端達到毫秒級響應,實現故障的快速切除。


電池儲能技術介紹


1.電池儲能技術的原理


儲能技術是指通過物理或化學等方法實現對電能的儲存,并在需要時進行釋放的一系列相關技術。一般而言,根據儲存能量的方式不同可將其分類為機械儲能、電磁儲能及電化學儲能。機械儲能又可劃分為抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能。電磁儲能主要包括超導磁儲能和超級電容器儲能。電化學儲能的方式是將電能以化學能形式進行儲存和釋放。目前的電化學儲能主要包括電池和電化學電容器的裝置實現儲能,常用的電池有鉛酸電池、鉛炭電池、鈉硫電池、液流電池、鋰離子電池等。電化學儲能技術具有高效率、應用靈活性、響應速度快等優點逐漸在電力儲能市場占有越來越重要的地位。


表1不同電池性能比較 

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2.電池儲能技術的特點及主要用途


為促進能源產業優化升級,實現清潔低碳發展,近年來,我國大力發展清潔能源,風電、光伏實現跨越式大發展,新能源裝機容量占比日益提高。然而,在清潔能源高速發展的同時,波動性、間歇式新能源的并網給電網從調控運行,安全控制等諸多方面帶來了不利影響,極大地限制了清潔能源的有效利用。電池儲能電站可與分布/集中式新能源發電聯合應用,是解決新能源發電并網問題的有效途徑之一,將隨著新能源發電規模的日益增大以及電池儲能技術的不斷發展,成為支撐我國清潔能源發展戰略的重大關鍵技術。


電池儲能作為電能存儲的重要方式,具有功率和能量可根據不同應用需求靈活配置,響應速度快,不受地理資源等外部條件的限制,適合大規模應用和批量化生產等優勢,使得電池儲能在配合集中/分布式新能源并網,電網運行輔助等方面具有不可替代的地位。


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圖1儲能電池在分布式電源及微電網領域的應用


大規模電池儲能電站在發電側,可作為獨立電站參與電網調頻/調壓、提供備用、削峰填谷,同時也可與可再生能源發電配合提高可再生能源上網電量;在輸電側可作為輸電網投資升級替代方案,延緩電網升級,并為電網提供二次調頻服務;在配電側可延緩配電網的升級改造,提高配電網運行的安全性與經濟性并提升接納分布式電源的能力;在用戶側可通過峰谷價差進行價格套利、參與需求側響應獲取收益。


3.國內外電池儲能技術的應用現狀


目前,世界各國都投入了大量的人力、物力進行大規模電池儲能技術的研究。近年來,國內外連續建成大量規?;碾姵貎δ茈娬?。以美國為代表的西方國家近年來對于大規模電池儲能電站建設的投入巨大,美國在加利福尼亞、賓夕法尼亞等州建立了大量不同儲能形式的儲能電站,其應用涵蓋發電、輔助服務、輸配電、用戶端、分布式發電與微電子工業網、大規??稍偕茉床⒕W等領域,且對不同儲能電站的功能和作用進行了分類和界定,為全世界大規模儲能電站的發展指明了方向。


表2國外大規模電池儲能項目

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國內基于大規模電池儲能技術也開展了大量研究工作,在大規??稍偕茉窗l電基地、輸配電及用戶側以及分布式發電與微電網等領域,已建成了多項示范工程,并開展了儲能系統容量配置、控制策略等多項研究工作,取得了許多研究成果。


國家風光儲輸示范工程是以“電網友好型”新能源發電為目標,是目前世界上規模最大,且集風電、光伏發電、儲能及輸電工程四位一體的可再生能源綜合示范工程。其中,一期工程建設風電98.5MW、光伏發電40MW和儲能裝置20MW(包括14MW/63MWh鋰離子電池和2MW/8MWh全釩液流電池),并配套建設220kV智能變電站一座。通過大規模儲能電站監控系統實現了對多種儲能設備的協調控制和能量管理,具備平抑可再生電源出力波動、輔助可再生電源按計劃曲線出力及調峰填谷等各項功能。


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圖2國家風光儲輸示范工程全景


示范工程儲能電站(一期)設計總裝機容量為20MW,總儲存電量95MWh,目前已經安裝磷酸鐵鋰儲能裝置14MW(共63MWh)和液流儲能裝置2MW(8MWh)。通過大規模電池儲能電站監控系統實現了數十兆瓦級多類型電池儲能電站的系統集成、統一調度及工程應用,解決了電池儲能電站協調控制及能量管理關鍵問題,實現了平滑風光功率輸出、跟蹤計劃發電、參與系統調頻、削峰填谷等高級應用功能,提高了風/光伏電站發電的可預測性、可控性及可調度性。


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圖3國家風光儲輸示范工程電池儲能系統


基于儲能電站的上層能量管理策略可實現風光儲出力互補,從而達到風光儲聯合出力波動率滿足小于7%的系統設計目標,跟蹤發電計劃滿足誤差小于3%的系統設計目標。


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圖4國家風光儲輸示范工程監控界面


4.未來電池儲能電站的應用前景


未來大規模電池儲能系統的發展與應用需要從以下幾個方面重點開展一些工作:


(1)從大規模儲能電池的設計、集成、安裝、運行、監控等生產運行全過程,充分重視電池的安全問題,提出不同類型儲能系統的安全邊界,對可能出現的電池過熱、變形、燃燒、電解液泄露等安全隱患設計具有充分可靠性的安全措施,避免安全生產事故的發生。


(2)充分考慮大規模/超大規模電池儲能系統數量龐大的儲能單元及其網絡拓撲結構的復雜性,提出站域集中管理與子系統分區自治相結合的大規模/超大規模電池儲能電站優化控制架構,從根本上解決各儲能單元差異性與應用目標統一性之間的矛盾,全面提升電池儲能系統的綜合管控能力。


(3)有效利用大數據、云計算、物聯網、人工智能等方法,兼顧歷史和實時運行數據,實現電池儲能系統實時運行狀態診斷與分析,性能衰減與安全預警等,確保大規模集中/分布式電池儲能電站安全、穩定、可靠運行。


(4)針對大規模集中/分布式電池儲能電站與集中/分布式新能源發電聯合應用場景,考慮智能化運行調度、安全穩定控制、全壽命周期管理、多目標控制管理、運行效益最優等多方面需求,提出不同集成架構下的電池儲能電站多目標協同優化控制方法,破解不同形式電池儲能系統能量管理與科學控制的難題。


(5)考慮大規模集中/分布式電池儲能系統可能由不同種類、不同壽命階段的電池儲能單元/梯次利用動力電池儲能單元等混合集成,研究并揭示上述多類型電池儲能電站中不同類型儲能單元健康狀態、性能衰減、充放電倍率的差異特性,分析各電池單元動態連接后的充放電特性,提出針對不同類型電池儲能系統的動態、智能、差異化的充放電控制方法,解決電池優化管理難題。


(6)從電池儲能模塊級、裝置級和系統級等不同層面,研究不同類型大容量電池儲能技術的充放電特性、工況適用性、安全性及經濟性評估方法,掌握先進大容量儲能技術經濟性的量化分析與綜合評估方法,支撐電池儲能技術的深入研究和工程化應用。

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