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中科院電工所霍群海:混合儲能可兼顧功率性和能量性兩種特性

鉅大LARGE  |  點擊量:1465次  |  2019年08月29日  

我們所做的示范工程,原來就選最便宜的鉛酸電池,通過配置一些超級電容器,可以介紹蓄電池的配置容量,從全生命周期最后算下來,它的儲能成本只有鉛酸電池的21.4%,比較經濟。


——中國科學院電工研究所霍群海


8月7日-8日,由華北電力大學、中國可再生能源學會主辦的“第一屆中國儲能學術論壇暨風光儲創新技術大會”在北京召開。在8月8日分論壇一“源網荷儲協同優化”專場中,中國科學院電工研究所霍群海作“混合儲能系統關鍵技術及其應用”報告。


中國科學院電工研究所霍群海


各位領導,各位同行,下午好!我是來自中科院電工所的霍群海。下面由我來給大家匯報,前面三個李總講的都比較好,主要講了儲能的作用,剛才特別是吉林電科院的李總講了儲能電站大概需要兩個億左右的投資。要發揮它的更高性能,能夠降低它的成本方面,我們做了一些初步的工作。


我的報告分五個部分,第一個部分介紹一下基本原理及應用需求,儲能非常多,主要分析一下混合儲能的優勢、好處。第二個,講一下混合儲能主要的幾種分類方法,分類方法應該說目前還沒有一個統一的標準。第三個,匯報一下在實際工程應用中混合儲能面臨的幾個關鍵的問題,第四個,詳細介紹一下這套系統典型的應用案例,或者是中科院電工所在混合儲能方面做的一些工作。最后介紹一下結論和建議。


首先我介紹一下混合儲能的定義,以及它的特點。混合儲能通常我們理解是幾種不同類型的儲能系統的混合應用,將兩種或者多種類型的儲能結合在一起形成一個單一的儲能系統。它的作用跟剛才講的應該是差不多的,但是我希望能夠以更低的投資,且能達到一個更好的效率。根據國際市場研究機構的定義,把混合系統定義為結合兩種及以上的互補操作特性的儲能技術的穩定儲能系統,下面有一個示例,目前在國內建設的規模普遍都是比較大的。如果只是一種兩種,包括風電調峰的儲能,投入非常高。如果把這幾種經濟性比較好的能夠結合起來,可以起到很好的平抑風電波動的效果。我想到了我們所的肖建所長曾經做了一個工作,他在中國電網的峰谷差和歐洲以及美國的電網峰谷差做了一個擬合,發現這三個地方的電網用電負荷擬合之后,基本上是一個很平滑的曲線。它類似于儲能的作用,這個能不能三方協調,需要國際的溝通,不是一個簡單的問題。


下面講一下為什么要做混合儲能?單一的儲能很難同時具備效率高、能量密度高、功率密度高、壽命長、成本低、運行維護費用效和環境污染等優點,一個儲能是不是成本低就是最優的儲能。在容量方面,它的響應時間,不同的儲能自身的特點,適用的場合,這個圖比較經典。我們在電網里面用大容量的儲能,還有一些比較小的,在電動汽車里面用量比較小的這種儲能的場合,儲能用的系統不一樣,做了一個簡單的歸納。另外目前業內基本上比較認可的,把儲能分成兩類,功率性和能量性的儲能。功率性的和能量性的在功率密度和能量密度方面基本上是都是錯了一個數量級,包括現在在我們所有一個部門也在做這樣的工作,能不能把這兩種儲能的特性集中到一起,這個工作比較難。有一些場合可能是有意義的,剛才講的三個報告里面,很多時候只提到一種儲能。這是一個例子,我們在光伏里面如何能量性的和功率性的儲能,能夠快速的解決問題。


下面是它大概的三個作用,后面還會有一個詳細的介紹。包括在新能源并網方面,需要使用響應速度快、瞬時功率大、持續放電時間長的儲能裝置,單一的儲能可能滿足某一方面的特性,但是從整體上看,如果采用這種混合儲能,把長時間尺度的和短時間尺度的結合起來,可以起到更好的效果。在微電網方面,后面會有一些具體的案例詳細的講,它也是包括供電質量方面的要求,包括能量管理方面的要求,混合儲能可以起到很好的效果,還有電力系統功角穩定方面,不細講了。


下面介紹一下混合儲能的分類,目前是沒有一個標準的,是個人的見解,跟大家一起探討。電池和電池的混合,這有一個案例,一兆瓦的儲能里面,電池提供70%、80%的電量,鋰電池平抑電力的波動,把電池和電池進行一個混合,起到不同的作用。這是超級電容器和電池,超級電容器的特點,壽命比較長,能夠快速大電流充放電。它的特性確實跟鋰電池的特性差異還是非常大,超級電容器與部分電池有較好的互補作用,混合儲能的典型特點就是互補。也有一個案例,在美國的公用事業商杜克社能源公司安裝了一套混合超級電容器。


熱儲能還有電池的互補,熱儲能容量可以做的比較大,它的成本可以降的很低。電池的特點,主要是能量密度大,兩者結合進行電網調峰可以降低總體成本。這是有一個例子,德國用于頻率調頻的20兆瓦的混合動力電池+電力熱儲能的解決方案,成本降低了一半,這個確實是非常可觀的。另外還有發展比較好的,像壓縮空氣、熱水蓄能等與電池的混合,也可以起到很好的效果。這是國際市場研究機構做的一個預測,混合儲能的市場前景,大概到2026年的時候,混合儲能系統容量達到2.1GW。


下面介紹一下工程應用的關鍵技術,技術想講三個方面。一個是它的混合儲能的電路拓撲及其控制,第二講管理方言,第三是優化設計,這是幾年前的一個工作,現在還有更新的技術出現。在拓撲和控制方面,如果單一的儲能,我們目前都相對比較成熟了。但是如果把它混合之后,相當于不同的拓撲非常多,選擇的話有一個優化的過程。包括前面不帶功率變換電路的混合儲能系統,帶變換電路的混合儲能系統,包括它的控制都是比較復雜的。


下面講一下混合儲能的能量管理,能量管理和我們常規的EMS不太一樣。主要是兩種混合儲能的時候,它的時間長度,區分不同的時間尺度功率波動,進行一個優化,可以起到更好的工作效率。主要是三個具體參數的優化過程幾個是最優時間參數,還有調整規則,相當于我們給一個約束,在滿足這個約束之后,包括自適應的特征,包括系統損耗的分配,性能的最優,做的一個參數的設計工作。這是基于規則的能量管理方案,設計了一套通用的系統,我們運用這套系統可以做,一個任意選擇儲能的類型,可以形成一個能量管理。包括關鍵參數,選多大容量,選多大值,有一些計算方法。


還有就是混合儲能系統的優化設計,在滿足負載功率需求和它自己不同的儲能所能提供的最大能量的約束條件下,做一個系統的整體優化。它做的能量優化的大概的流程,目前這方面的工作還比較多,論文已經非常多,方法也比較多。


下面我介紹一下典型的應用案例,把混合儲能用在不同的場合,所起的不同作用。這是日本的一個風力發電場,剛才李主任介紹了在張北用了很多儲能,能夠通過不同的儲能來平抑風電光伏的波動,是國內一個比較早的示范應用的案例。這個項目是風光熱儲的項目,風電和光熱和儲能結合起來,形成風光熱儲多種能源的優化組合配置,有效解決用電高峰和低谷電力輸出不平衡的問題,提高能源利用率,優化新能源電力品質,增強電力輸出功率的穩定性。


這是電動汽車需要的鉛酸蓄電池和超級電容器,鉛酸蓄電池特別普及,配置一個超級電容器,能夠在加速減速的時候,跟鋰電池進行一個配合,起到一個優化的作用。


這是青海的德令哈現代有軌電車的項目,世界上海拔最高的有軌電車超級電容+鈦鉛酸電池。因為它在高原上,考慮的因素比較多,是超級電容有軌電池的“升級版”。


下面介紹一下混合儲能在智能電網,或者在微電網里面的一個具體的應用。這個相對比較好理解一點,因為對一個小網來說,它的穩定性和大電網來說,它的穩定性會差很多。原來最早的研究,像從02年開始做這個工作,做微電網的時候,特別是微電網穩定性,因為儲能成本很高,做了很多微電網的示范,它的經濟性就沒有那么好,阻礙了它的發展。我們做了一個工作,多配一些混合型的儲能。鉛酸電池還是比較便宜一點,當然鉛酸電池也有它自己的缺點。


這是中科院上海高等院做的城市智網項目鉛碳電池和超級電容,它的混合儲能系統可以實現新能源發電,讓它發揮更大的功能,主要目的還是讓微電網在投入不是太大的情況下,能夠發揮它的最大效用。我們做了兩個微電網的示范,一個是在我們主樓做的比較早,另外在延慶區做了另外一個微電網,兩個微電網的示范。主要介紹一下里面用的混合儲能,里面用了四種儲能,包括鋰電池,包括超級電容器,還有飛輪儲能系統,是我們所自己做的,后來做了三個串聯,還有鉛酸電池,最早的很多用了鉛酸電池,雖然是一個示范項目,但也要考慮它的投入,總體的經濟性,算一算這個賬。


做的工作包括每年定期我們所做的示范工程,原來就選最便宜的鉛酸電池,從全生命周期最后算下來,通過配置一些超級電容器,可以介紹蓄電池的配置容量,從全生命周期,它的儲能成本只有鉛酸電池的21.4%,比較經濟。


這個是我們目前正在做的張家口黃帝城小鎮100%可再生能源示范項目,里面用到了目前電力電子路由器,我們做了多類型的混合儲能,里面選擇了超級電容器和鉛酸電池。里面用的還有一些沼氣發電,還有一些其他的,它有一些供暖的需求,主要電力來源是風電和光伏,所以整個系統相當于這個網的穩定性就需要靠這個儲能來解決。但是要考慮整體的經濟性,儲能如果要是全配鋰電池,也是投入非常大。我們后來設計了混合儲能這個方案,里面加一定量的超級電容器,來平抑光伏和風電的波動性。目前的方案主要是用鉛酸電池提供的一個總的能量來源,設計了一萬度電的儲能。


前面介紹了什么是混合儲能以及它的應用案例。最后簡單總結一下,在很多場合,混合儲能正在慢慢成熟。我們所的工作大概也有十年左右了,相關的應用實例也能證明它的實用性,但是國內在做這方面的工作也有很多,但是實際的工程還是偏少。混合儲能能帶來新的投資機會。我的報告就到這里,謝謝大家。




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