2019年8月9-10日，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會、西安北大科技園等10余家單位聯(lián)合主辦的“第二屆全國發(fā)電側儲能技術與應用高層研討會”在陜西西安金磐酒店舉行。來自政府主管部門、能源監(jiān)管部門、行業(yè)專家、設計院、新能源發(fā)電業(yè)主單位、電力公司、系統(tǒng)集成商、項目承包商、投融資機構等單位的260余位嘉賓出席了本次研討會。
會議期間，中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司新能源技術部高級工程師朱連峻就“自主安全直流組網儲能技術開發(fā)及工程應用”做主題報告，以下為報告全文。
朱連峻
大家下午好！謝謝主辦方給我們集團VIP的機會，報告里面只有我們一個發(fā)電集團。
我要講直流側光伏電站儲能系統(tǒng)與自主安全直流組網儲能技術。有6個方面：1、背景。2、成果簡介。3、關鍵技術與創(chuàng)新點。4、實際運行數(shù)據(jù)。5、國內外的比較。6、經濟及社會效益。7、自主安全直流組網儲能技術。跟大家交流意見，然后多多合作。
我國未來電力結構，可再生能源電力來源，2017年裝機量，火電是62%，風電和太陽能、水電其他占比30%多，2050年太陽能和風電占到60%。華能集團總裝機1.77億千瓦，其中風光裝機2181萬千瓦，占比12.2%；水電2607萬千瓦，占比14.7%。在目前的五大發(fā)電集團中，華能集團總裝機容量、火電裝機及占比均排名第二；風電、光伏裝機容量排名第三，但占比為倒數(shù)第二，存在能源結構調整的壓力。
電力系統(tǒng)對儲能需求大，可再生能源裝機發(fā)展迅速、供需不均，受天氣因素影響發(fā)電不穩(wěn)定。火電調峰，網側服務需求增加，靈活性不足，備用容量大。要依托儲能和其他形式，比如說儲熱、制氫等等形式解決，這也是集團給我們要求的。我們現(xiàn)在還面臨著一個問題，在30年限基組要進行轉型，有公司跟我聯(lián)系，給他們出了相關方案，希望有一些更好的方案跟我們交流。
這是相關政策，前面專家講的也比較多，按照容量規(guī)劃、電力市場改革、可再生能源、電力輔助和需求類，大家對于這些相關政策比我清楚得多，根據(jù)國家發(fā)改委能源研究所2050高比例可再生能源發(fā)展情景途徑研究里面，2050年可再生發(fā)電量提高到高占比情景的85%，波動性發(fā)電貢獻比率30%到60%，白天光伏發(fā)電量大，電網備用容量持續(xù)減小。《關于促進儲能技術與產業(yè)發(fā)展的指導意見》2019-2020年行動計劃，是四部委共同下發(fā)。
這里面主要圍繞著6點做了詳細分工，里面有相關的責任單位。1、加強先進儲能技術研發(fā)和智能制造升級；2、完善落實促進儲能技術與產業(yè)發(fā)展的政策；3、推進抽水蓄能的發(fā)展；4、推進儲能項目示范和應用；5、推進新年能源汽車動力電池儲能化應用；6、加快推進儲能標準化。
2018年全年，全國光伏發(fā)電1775億千瓦時，棄光總量為54.9億千瓦時。光照資源較好的新疆和甘肅等西北地區(qū)，棄光率仍達到10%以上，現(xiàn)在應該是左右，從官方看是10%左右，從電站來講棄光率應該在10%以上多一些。部分光伏電站，由于電網輸出容量原因，“棄光”比例最高可達50%，光伏電站的經濟損失較為嚴重。我們電站有一些地方還要多，這個是瞬時，不是一直都是這樣。在光伏電站應用儲能技術，可切實解決棄光問題，促進可再生能源消納，也可以實現(xiàn)平滑功率波動、削峰平谷、調頻調壓，是實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模接入電網的重要手段，同時它也是分布式微電網、智能電網系統(tǒng)的重要組成部分，在未來的能源互聯(lián)網中具有舉足輕重的地位。
前面是大概背景，這個是成果簡介，前面科華和上能都已經講了直流，人家做的時間上比我們還要靠后，但是很多東西已經做在我們前面了。我們針對光伏電站棄光嚴重的問題及現(xiàn)有儲能接入技術的弊端，提出了一種光伏電站分布式直流側儲能技術，開發(fā)了基于通訊控制的光伏儲能控制技術，進行了儲能控制系統(tǒng)模擬、25kW/50kWh項目試驗驗證，成果應用于華能格爾木光伏儲能電站1.5MW/3.5MWh示范項目。這里面主要技術優(yōu)勢是降低了儲能成本，提高了儲能效率，提高了安全性和靈活性；解決了儲能系統(tǒng)與光伏電站間接入匹配問題；解決了對MPPT干擾的問題；目前國內最大的直流側光伏儲能電站。
這是我們的研究歷程，從2014年開始，分布式直流側接入光伏儲能技術研發(fā)。普遍適用各種型號的集中式逆變器，不受逆變器型號的限制。核心設備研發(fā)包括光伏儲能控制器、光儲云終端控制器、模塊化DC-DC控制器。然后模擬研究直流側儲能系統(tǒng)放電過程對光伏陣列最大功率跟蹤影響仿真分析。華能青海共和光儲電站25kW/50kWh試驗項目2016年10月投運，華能格爾木1.5MW/3.5MWh 級儲能示范工程建設、安裝、調試與運行。去年新疆哈密做了光儲電站。
關鍵技術1：分布式直流側光伏儲能技術設計。創(chuàng)新點：成本低、效率高、不受電網制約解決了儲能系統(tǒng)與光伏電站間接入匹配的問題。這是我們最開始做的專利，交流側光伏儲能技術問題：需新增升壓變壓器和交流高壓側接入配電設備，電纜用量多，系統(tǒng)投資高；光伏組件和儲能系統(tǒng)之間的功率變換和升降壓環(huán)節(jié)多，儲能效率低；占地面積大，需要規(guī)劃專門場地；如果是原有電站改造，則新增的儲能容量超出了電站原有出線容量，且交流側并網設備涉及到電網報批手續(xù)。
交流側和直流側光伏儲能技術方案比較：優(yōu)勢是：充分利用原光伏逆變器系統(tǒng)的逆變設備，升壓設備以及電纜，設備利用率高，設備投資和占地較少，成本低；光伏組件與電池之間的功率變化環(huán)節(jié)少，儲能效率高； 直流側接入不影響光伏電站原有出線容量，也不涉及到新增并網設備的相關報批，無需并網手續(xù)。
關鍵技術2：基于通訊控制的儲能電池系統(tǒng)控制器技術。那邊是光阻控制器，那邊是云端控制器。創(chuàng)新點：不受逆變器種類限制，無需與逆變器進行交互和通訊；標準化硬件設備，對接簡單化、標準化、實用化；解決了對MPPT干擾的問題；可級連成MWh級大規(guī)模儲能系統(tǒng)。我們已經在往下做的事情，后面我也會做一個簡單介紹。
關鍵技術3：共和25kW/50kWh試驗項目、格爾木1.5MW/3.5MWh直流側儲能系統(tǒng)示范工程。創(chuàng)新點：目前國內最大的直流側光伏儲能電站儲能系統(tǒng)儲能效率~90%；分布式、模塊化、可移動化接入，安全性高，可據(jù)電站棄光變化靈活調整；具有自主知識產權的相關核心設備；大規(guī)模光伏儲能系統(tǒng)技術經濟性驗證；探索到一種發(fā)電側儲能系統(tǒng)商業(yè)化合作新模式，對該類項目的商業(yè)化起到良好的指導意義。這兩個集裝箱3.5兆瓦時，剛才上能、南都都講了。
這是共和25kW/50kWh試驗小型示范項目，這是在格爾木的。這個已經通過電機工程協(xié)會給一個科學技術成果堅定，也有TUV認證，電機工程協(xié)會給的結論是：應用自主安全直流組網儲能技術自主設計、開發(fā)、建設了國內規(guī)模最大，儲能效率最高的3.5MWh直流側光伏儲能示范系統(tǒng)，直流側儲能效率達到95.77%，各項技術經濟指標處于發(fā)電側光伏儲能技術國際先進水平。
這是實際的運行數(shù)據(jù)，共和25kW/50kWh試驗小型示范項目，從系統(tǒng)運營前一天的實際情況。這個是光伏電站的應用證明，下面主要是一個說明：由于配備儲能系統(tǒng)，該光伏陣列在一段時間內可以滿足電力調度需求，在一定程度上解決棄光問題，儲能系統(tǒng)和光伏陣列可以實現(xiàn)協(xié)同運行。
這個是1.5MW/3.5MWh直流側儲能系統(tǒng)示范工程運行情況，是磷酸鐵鋰電池。我們主要用兩個電池：一個是磷酸鐵鋰和鉛酸電池，在示范當中做了實際應用。可以看到在一天之中，儲能系統(tǒng)經歷一次深充深放過程，通過對直流電能表的數(shù)據(jù)采集，該儲能系統(tǒng)當日充電總量為995.47kWh，當日放電總量為934.55kWh，電池充放電時起始和結束的SOC為33.99%和34.02%。經計算，該日儲能系統(tǒng)效率為93.88%。該周期中儲能系統(tǒng)經歷多次深充深放過程，平均日充放電量為841.58 kWh和764.15kWh，平均日儲能系統(tǒng)效率為90.80%。
這是鉛炭電池對比，在一天之中，儲能系統(tǒng)經歷一次較深的充放電過程。以電池充放電時起始和結束的SOC皆為29.6%為計算周期，即上午8:42至20:00時間段內，該儲能系統(tǒng)的充電量為709.8kWh，放電量為590.1kWh，經計算，儲能系統(tǒng)效率為83.09%。同樣，對鉛炭電池儲能系統(tǒng)在一周之內的平均儲能效率進行了估算，該周中儲能系統(tǒng)經歷多次深充深放過程，平均日充放電量為485.45 kWh和560.23kWh，平均日儲能系統(tǒng)效率為86.6%。
這個是技術對比，這個是經濟效率，格爾木光伏電站年增發(fā)電量約135萬度；電費收益135萬元，光伏電站凈收益13.5萬元。這是我們分配標準，10%。華能哈密石城子0.5MW/2 MWh 光儲一體化示范工程，已經開始投運了。這是經濟項目的分析，很多分析我們做的不如大家好，我們在發(fā)電市場中沒有那么激烈。
這是后期在研的儲能技術，清能院自主安全直流組網儲能技術，集團要求我們怎么保證安全，在直流系統(tǒng)上開發(fā)系統(tǒng)，主要是安全性能問題。由于電池模組串聯(lián)，電池模組之間沒有隔離和處置措施，當一個電池模組故障時，如短路、斷路等，會對電路上其他電池的電氣安全造成嚴重影響；由于電池模組本身沒有隔熱和防火裝置，當一個電池模組熱失控發(fā)生起火時，會直接導致相鄰模組燃燒，無法避免，存在嚴重的安全隱患。歐陽明高院士也說了“電池熱失控是電池起火主因，電池系統(tǒng)安全技術將成企業(yè)競爭主戰(zhàn)場”。這里面電池安全切口，我們經過一些相關的論證分析，更多分析覺得，如果起火的話各打50大板，電池、工藝等等都是一些因素，并不是說電池本身的原因。20Ah的電芯熱失控能量約48000J。
系統(tǒng)越大型，故障率越接近百分之百。出現(xiàn)電池故障的概率接近百分之百，出現(xiàn)惡性事件的概率超過5%。高頻高強度使用場景下，幾乎一定出現(xiàn)惡性事件。
首次提出自主安全直流組網技術，電池組不直接并聯(lián)，通過DC-DC變流器達到虛擬并聯(lián)，單組電池故障導致時可迅速切出，安全性較高。這個就是我們的系統(tǒng)，我們通過電池模組，通過DC-DC實現(xiàn)直流連接。通過雙向逆變器，我們這個不叫PCS，因為我們沒有那么多PCS功能，再轉成交流輸出。
電池模組DC-DC控制器研發(fā)，采用小功率模塊化的“積木式”設計開發(fā)了DC-DC控制器模塊；集成了BMS全部功能，可作為電池輸出和管理接口；研究了控制器的集成度、可靠性和耐候性。可以兼容不同類型和不同品級電池模組的獨立充放電管控技術。
通過DC-DC變流器解耦，可大大降低對電池組規(guī)格的要求，兼容不同類型、不同品級和規(guī)格的電池，提高電池間的主動均衡性。針對低成本或低品級電池，優(yōu)化系統(tǒng)分散式控制技術優(yōu)化，提升各電池組協(xié)同運行穩(wěn)定性；根據(jù)負載的工況，調整工作模塊的數(shù)量，確保系統(tǒng)工作在最佳的效率區(qū)間；降低單一電池組性能劣化或故障對其他電池模組影響，提高電池儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和服役壽命。在新能源并網、微電網、用戶側儲能、服務儲能、通信儲能、其他儲能當中都可以應用。 這個是2014年到現(xiàn)在的專利，大概15個，直流側這一塊有15個專利（圖）。
這個是總結：直流組網儲能技術，可解決電池儲能系統(tǒng)存在的較為嚴重的安全性低、一致性不強、效率較低的問題。本研究成果在解決可再生能源限電問題，提升火電調頻能力和安全性，提升電站經濟效益等方面具有重要的推廣價值。成果可應用于光伏、風電消納、微網和火電AGC調頻項目，為電力系統(tǒng)在儲能領域未來的發(fā)展提供技術支撐。
這是我的報告，現(xiàn)在我們集團對于新能源、儲能都有著新需求，包括后期收購也是集團需求，現(xiàn)在我們有英國110瓦時的儲能項目，還有熱廣電，安徽分公司有40兆瓦時，當然還有一些，這些都是我們在深度參與，并且在其中做了一些很關鍵的工作。我現(xiàn)在說這些，大家有什么新的技術可以線下溝通，爭取把這個行業(yè)帶動起來，在發(fā)電側存量很大，還是希望大家一起來發(fā)展，謝謝大家。
內容來源：中國儲能網
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