鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2019年07月15日
儲能電站功能及典型應用場景解析
本文介紹了儲能電站的通用定位分類方法及其缺陷;最后提出面向電力全過程的儲能電站典型應用場景分類綜述, 并討論每個場景的評價目標以及通用評價過程。
本文來源:曉說浙電論文 微信公眾號 ID:zjdlbjb
作者:徐 謙1, 孫軼愷1, 劉亮東2, 章堅民2, 張利軍1, 朱國榮1
(1. 國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院, 杭州 310008;2. 杭州電子科技大學 自動化學院, 杭州 310018)
本文引文信息:徐謙, 孫軼愷, 劉亮東等. 儲能電站功能及典型應用場景分析[J]. 浙江電力, 2019, 38(5):3-10.
0 引言
以新能源大規模開發利用為標志、 以再電氣化為根本路徑的新一輪能源革命已在全球范圍內開展。以風電、 光伏為代表的可再生能源占比不斷提升, 給電力系統帶來了諸如系統穩定性、 可靠性和電能質量等諸多挑戰[1]。儲能技術是解決這類問題的有效手段, 通過對電能的存儲和釋放可以為電網運行提供調峰、 調頻、 黑啟動、 需求響應支撐等多種服務, 其快速響應特性大幅提升了傳統電力系統的靈活性、 經濟性和安全性[2]。
我國傳統的儲能電站主要為抽水蓄能電站,一般由電網公司擁有和調度。2017 年3 月國家能源局印發的《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見(征求意見稿)》指出了儲能系統是智能電網、 可再生能源高占比的能源系統與“互聯網+”智慧能源的重要組成部分及關鍵技術, 為我國儲能市場的商業化應用提供了巨大的空間, 儲能電站日益成為現代電力系統的一種新型功能綜合體和可獨立營運的經濟實體, 開始受到高度重視, 同時傳統電力系統規劃、 設計、 運行、 管理等模式將發生巨大改變[3-6], 儲能產業及盈利模式也呈現新的業態[7-8]。
作為電力系統中可獨立承擔功能的儲能電站, 嚴重依賴于儲能的技術成熟度、 工程成熟度和經濟可行性。本文首先通過案例分析, 對未來儲能電站的核心儲能技術成熟度、 工程成熟度進行分析;然后, 介紹儲能電站的通用定位分類方法及其缺陷;最后提出面向電力全過程的儲能電站典型應用場景分類綜述, 并討論每個場景的評價目標以及通用評價過程。
1 基于案例的儲能電站技術及趨勢
根據電能轉化形式和技術成熟性, 儲能電站的儲能技術主要分為4 類:機械儲能、 電磁儲能、電化學儲能、 相變儲能等, 其細分技術見圖1。結合已投運的儲能電站, 對幾類核心儲能技術的技術成熟度、 工程成熟度和應用條件進行分析。
圖1 儲能技術分類
1.1 抽水蓄能
抽水蓄能屬于成熟技術, 對地理條件要求較高。目前投運的天荒坪、 桐柏、 仙居及溪口抽水蓄能電站, 總裝機容量4 580 MW;正在建設的長龍山、 寧海及縉云抽水蓄能電站, 總裝機容量5 500 MW;納入規劃的有衢江、 磐安、 天臺、 桐廬等抽水蓄能電站。具有較多較好站址的抽水蓄能電站, 成為浙江電網的特色。如何發揮抽水蓄能電站在浙江電網的儲能優勢, 是一個值得研究的問題。
1.2 壓縮空氣儲能
CAES 電站主要利用報廢礦井、 洞穴、 海底儲氣罐、 新建儲氣井等可重新利用的空間, 基本不受地理條件限制, 且空氣不會燃燒, 安全系數較高, 壽命較長, 但其能量密度低, 投資成本相對較高[9]。2013 年在廊坊建成國內首套1.5 MW蓄熱式壓縮空氣儲能示范系統。2016 年貴州畢節建成國際首套10 MW 示范系統, 效率達60.2%,是全球目前效率最高的CAES 系統。
1.3 電化學儲能
電化學儲能電站通過化學反應進行電池正負極的充電和放電, 實現能量轉換。傳統電池技術以鉛酸電池為代表, 由于其對環境危害較大, 已逐漸被鋰離子、 鈉硫等性能更高、 更安全環保的電池所替代[10]。
電化學儲能的響應速度較快, 基本不受外部條件干擾, 但投資成本高、 使用壽命有限, 且單體容量有限。隨著技術手段的不斷發展, 電化學儲能正越來越廣泛地應用到各個領域, 尤其是電動汽車和電力系統中[11]。2011 年投產的張北風光儲示范工程, 單站儲能總容量首次達到50 MW,且包含多種電池形態, 如磷酸鐵鋰電池(14 MW/63 MWh)、 液流電池(2 MW/8 MWh)、 鈦酸鋰電池(1 MW/500 kWh)、 鉛酸電池(2 MW/12 MWh)。
1.4 超級電容儲能
超級電容是一種介于傳統電容器和充電電池之間的新型儲能裝置, 具有靈活快速的充放電特性[12]。超級電容儲能的應用目前仍處于探索階段,2017 年國電北鎮儲能型風電場投運了美國Maxwell公司的1 MW×2 min 超級電容儲能項目, 可有效提高風電場的可調、 可控、 可計劃能力, 是國內最早的試點工程。
1.5 發展趨勢
抽水蓄能、 CAES 依賴于一定的地理條件,電化學儲能和超級電容儲能具有能量密度高、 設備性能日益提升、 安裝條件寬泛的優點, 日益成為儲能電站系統的主要形態, 一般由電池、 BMS(電池管理模塊)、 PCS(儲能逆變器)、 調度中心、EMS(能量管理系統)和測控系統組成[8]。
2 儲能電站的一般定位劃分及缺陷
一般將儲能電站或按其在電網中接入位置分為集中式和分布式2 類, 或按其運行特征分為能量型和功率型2 類。
2.1 按在電網接入位置劃分
(1)集中式接入是指儲能電站接入輸電網絡,它將對電力系統主網運行管理和協調調度產生影響。集中式儲能電站, 一般布置或接入35 kV 及以上高壓變電站的10 kV 母線。如江蘇鎮江東部地區(鎮江新區、 丹陽、 揚中)的8 個電化學儲能電站示范工程, 最小單站容量為5 MW/10 MWh,最大單站容量為24 MW/48 MWh, 總容量為101 MW/202 MWh, 總投資7.2 億, 實現了毫秒級響應, 是目前全球功能最全面的儲能電站。
(2)分布式接入是指儲能電站以較小容量接入配電網、 微電網或用戶側, 它僅對本地能源的生產和消費產生影響。分布式儲能系統的推廣,可與就地高滲透率的可再生能源互補, 在解決風電、 光伏出力的不確定性和高波動率上效果顯著。主要應用的儲能技術大多也是電化學儲能,如深圳寶清儲能電站、 浙江南麂島微網示范工程等。江蘇鎮江用戶側儲能項目已建和在建項目22個, 總容量67.50 MW/518 MWh, 總投資近10 億元, 會同集中式儲能電站建設, 江蘇鎮江電網已成為儲能的應用先進區域。
(3)集中式和分布式2 種接入方式, 在市場模式和調度運行等方面存在較大差異, 因此其儲能規劃評估也存在不同[4]:集中式接入方式下, 儲能系統可以提供備用, 減小輸電堵塞, 實現“削峰填谷”, 進行廣域能量管理, 提高系統運行經濟性;分布式接入方式下, 儲能多采用選址不受限的電池儲能, 其主要用于減小配電網運行成本、促進風電光伏消納及延緩電網升級改造等。
2 種接入方式下儲能規劃目標均主要包括系統運行成本與儲能投資總成本最小、 儲能凈收益最大。但2 種接入方式下儲能的成本、 收益構成存在一定差異, 詳見文獻[4]。
2.2 按儲能的運行特征劃分
功率型電站通常需要在相對較短的時間內(幾秒到幾分鐘)實現高功率輸出。適合功率型的儲能技術包括超級電容器、 超導磁和飛輪儲能等。功率型儲能形成優質、 可靠的毫秒級控制響應資源, 為電網提供調峰、 調頻、 備用、 事故應急響應等多種服務, 從而滿足可再生能源消納、電網安全靈活運行的迫切要求, 推動加快大規模源網荷儲友好互動。
能量型電站則具有大容量存儲的特性, 通常能夠進行幾分鐘到幾小時的持續性放電。適合能量型的儲能技術主要包括CAES、 抽水蓄能和大部分電池儲能等[5]。
顯然, 以上2 類分類方法, 對于具體的儲能電站而言過于粗放, 沒有刻畫出日益形成的新能源電力系統對儲能電站多方面的需求特性, 不能反映儲能電站在電力生產、 傳輸、 消費全過程中的特殊地位、 功能以及商業價值。
3 面向電力全過程的儲能電站場景及評價
可再生能源和新能源在現代電力系統的滲透, 覆蓋了電力生產、 傳輸、 消費的全過程, 對發電側、 電網側、 用戶側均產生了巨大影響, 儲能電站在三側均具有典型的應用場景和特殊的技術經濟條件。圖2 是本文歸納的最主要的儲能場景分類情況, 本節將對幾個主要場景下的儲能特性及其發揮的作用進行詳細分析, 并著重對儲能系統評價方法進行綜述。
圖2 儲能典型場景
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