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四川电科院常晓青:储能新技术及新应用研究

   日期:2021-07-14     来源:中国储能网    浏览:1453    评论:0    
7月9-10日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合江苏省电机工程学会、国网江苏省电力公司电力科学研究院、国网四川综合能源服务有限公司、国网浙江综合能源服务有限公司、中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司、中国科学院电工研究所储能技术组等单位共同主办的“第五届全国电网侧暨用户侧储能技术应用高层研讨会”在江苏南通文峰酒店召开。

在本次会议上,国网四川省电力公司电力科学研究院副院长常晓青分享了主题报告《储能新技术及新应用研究》。现在,小编经过授权,将演讲内容整理如下:


常晓青:非常荣幸能够参加这么一个盛会,我开门见山介绍一下我们省级电科院关于储能方向开展的一些研究,取得的一些成果,跟大家分享的主要是以电网的角度看待储能。

现在最热的词是双碳,在双碳背景下,我们国网公司也出台了新能源建设的一些规划,到2021年全国装机是5.34亿千瓦,到2030年将超过12个亿。新能源给电网带来了波动性、随机性、间歇性,对传统电网的影响极大,大家可能都知道我们电网是发供用同步完成,所以我们有别于供水、供气等一些系统,电网的安全稳定、实时平衡和电能质量等等,存在大量需要解决的问题,而储能正好给我们提供了非常好的解决方案。

我们在储能的应用这块,充分认识到储能的特性,第一个是跨时空,在时间尺度可以把低谷、富余时段电力储存下来,在高峰、紧缺的时段应用;在空间尺度,可能通过电网和远方的一些水电、新能源充电,用在负荷中心、枢纽点,作为电网的支撑。

这是我们几个典型的应用,应用在新能源方面,让我们新能源的接入更加得到电网的接纳。

第二是支撑我们的电动汽车、楼宇、家庭,以及分布式能源,支持智能电网方面的应用。另外一个方向,系统的调峰、调频,提高设备利用率,最后还是我们怎么样来满足我们整个电网的发供用的平衡。

这是今天重点想和大家汇报的,就是全功率变速恒频抽水蓄能技术。在抽水蓄能发展上,我们国网公司准备“十四五”要新开工两千万千瓦以上的装机,一千亿元的投资来建设。

今年5月7号,国家发改委发布《关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》,明确了容量电价,电量电价等一些测算依据,将带来抽水蓄能的快速发展。为了提升系统灵活调节能力,抽水蓄能中的变速抽蓄以效率高、转速适应能力好和水泵工况下输入功率可调等优势,作为今后抽蓄发展可能的一个方向。

目前国内还没有成功的变速抽蓄投运,现在河北的丰宁抽蓄,引汉济渭的三河口抽蓄都是变速抽蓄,都是全进口的,而且在建时间也比较长,遇到了一些瓶颈,一些困难。我们是在2018年四川省电力公司牵头国家重点研发计划,分布式光伏与梯级小水电互补联合发电技术研究与工程示范。总共五个子课题:

第一个,四川大学牵头来做容量优化,怎么来匹配,多少光伏,多少新能源,多少水电,它们之间来组成一个互补系统。

第二个,清华大学牵头,互补系统的稳定特性。

第三个,水科院牵头,也是比较关键的,来研制全功率变速恒频可逆式抽水蓄能的5兆瓦机组。

第四个,南瑞牵头,研发梯级水光互补电站联合运行控制的智能调度系统。

第五个,我们省电力公司具体牵头来做一个工程示范。

这中间有一些科技攻关难点,特别是抽蓄这一块。主要是研制全功率变速恒频这个技术装备,关键部件:水泵水轮机、发电电动机、全功率变流器、协同控制器等。

水泵水轮机:主要是解决了满足高效稳定、能量匹配和快速功率调节能力等多目标要求的水力模型技术开发难题,研制了适应发电/电动工况高水头变比的水泵水轮机,预计7月底完成加工制造。水轮机原型最优效率93.7%,水泵原型最优效率91.8%,达到相似发电/电动水头变比下同功率等级最高效率。

发电电动机:攻克发电电动机加工、制造关键技术,解决了满足宽变速范围及快速响应的发电电动机绝缘和电磁技术难点,完成发电电动机真机制造,设计效率最低保证值均为96.5% 。

二、非补燃式压缩空气储能。

上一个世纪,德国工程师提出并在欧美已经有了相应的工程应用,主要的储能过程原理是电能驱动压缩机产生高压空气来存储,释能是储存的高压空气经过天然气补燃的燃烧室来做功发电,这是最基础的原理。它的效率只有20%。

经过了长时间的发展,第二代技术是在燃烧室加了一个余热的回收,所以进一步提高了效率,但还是有天然气补燃。

我们现在的是第三代压缩空气储能系统,无需补燃和零碳排,效率还提升。这个项目是清华大学卢强院士团队提出来并进行了实施,也有非常好的工程示范。卢强院士是我们四川省电力公司院士工作站的在站院士,同时四川电科院也和清华大学开展了多个科技项目合作,有关压缩空气储能应用的一些项目。

清华大学提出非补燃式压缩空气储能的解决方案,它的储能过程:一是通过电动驱动压缩机产生高压空气,同时又有压缩热,把这个压缩热存储。释能过程就是储存的高压空气还要再吸收储存热能来发电。它不需要天然气补燃,是零碳排。它把各个环节的能量损失,力求减少到最小。中间还有一些关键的技术,比如压缩和透平级数,储气库的气密性,供热比例,节流压力参数优化等等,来形成整体的压缩空气储能优化解决方案。

相应的指标,通过三级压缩、两级透平到三级透平,节流压力从3.5兆帕到4.5兆帕,原来基础的没有采用气密性措施,现在增强气密性措施,并且采用了变直径盘绕螺旋管换热器设计,使整体的发电效率由42.25%提升到了52.1%,而且这是长时间的综合工况。我们的综合效率加强供热可以从86.84%提升到92.3%。

三、储能在电网中的应用。

一个是分布式光伏和梯级小水电的项目,我们想实现中长期的电量互补,短期的电力互补,实时的控制互补。有很多人都提到多能互补,风电和光伏,风电夜间有,光伏白天多,它是一种自然条件下的互补。一个大流域的水电几千万,加上风电光伏通过时间、空间上形成一些互补。这里是要实现运行上的,可调度的三个时段的互补。

我就简要做一个介绍,中长期要解决动静态工况下的水光蓄多目标的规划,在短期要响应功率随机波动的智能调度与运行控制,在实时要实现异构多电源的快速协调控制。具体的应用是在四川阿坝小金县,当时选点我是亲自到了现场,我们可以在春厂坝装设一个5兆瓦的抽蓄机组,我们利用春厂坝的上库和下库作为抽蓄的上库和下库,可以看到抚边河和沃日河汇集形成的干流,小金川河干流上抽水抽回来。无意中我们达到了一点,可以增大抽水蓄能的引用水量。

另外,我们在这里建的3级水电厂+5万光伏+5兆瓦的抽蓄,利用的都是原有的大坝,原有的引水隧洞,原有的压力钢管,不增加其他的投资。主要的就是建了一个接近50米的竖井,来建设5兆瓦的抽蓄机组,我就不再做详细的介绍。

怎么应用这个抽蓄机组?我们把周边的5万光伏的波动分为高、低频两个分量,用抽蓄电力电子设备来平抑秒级的波动,用梯级水电来平抑分钟级的波动。将在9月份进入实时的联调。通过仿真计算,以前的波动合格率在86.6%,加上这个联合系统的运行以后,我们波动的合格率达到了100%。另外,我们开发了一套联合运行控制与智能调度系统,现在已经在试运行了,互补系统涉及到中间有四个水电站,有蓄能机组,有光伏。

压缩空气储能也开展了一些工作,首先在源端促进可再生能源的消纳,在用户侧实现多能联产联供,因为压缩空气储能同时还可以供热。在电网侧有多种应用了,调峰、调频、黑启动等等。希望压缩空气储能的机组还能够在电网发挥更大的作用,我们有一个项目,希望利用它来抑制低频振荡。我们进行了一些分析,在它的压缩空气透平机调速环节,我们增加了一些相位补偿和滤波。在振荡过程中,可以输出变化的机械功率起到阻尼作用。

我们做了一个对比,在基础方式、附加阻尼的调相机、压缩空气储能附加阻尼。我们发现最好的效果出现在压缩空气机组的附加阻尼上,达到了3.2%。我们利用这样一个机组可以比较好的来提升抵制低频振荡这样一个问题。

下一步发展,因为我们负荷中心火电机组不再批新项目了,负荷中心电力电量还在发展,还有一些老的火电要关停,所以对电网带来了极大的影响。我们想利用压缩空气储能,首先它可以提供有功,满足功率平衡。其次空心化的最大影响是电压稳定性,电网出现一些大的干扰,短路故障以后电压跌落,但是因为我们没有足够的电源支撑,没有办法加快电压恢复。这是电压稳定破坏一个主要的因素。

加入压缩空气储能机组以后,希望它提供紧急的事故支援。我们在成都电网做了一个仿真,在三座50万站同时接了一个10兆伏安的压缩空气储能。根据仿真的情况来看,我们电压恢复到1个p.u所需要的时间可以加快1秒,也就是说可以明显的改善负荷中心电压稳定的水平。

这是在配电网的应用,这个都比较常规。四川电网2018年的最大负荷是3691万千瓦。2019年来看,超过这个负荷的天数12天,超过3800万6天,超过3900万只有3天。我们为了满足这3天、6天,最多10多天这样极端的高负荷,电网的变电容量,输电容量建设肯定会极大的投入。因此,利用储能来解决这个问题,一方面可以更好的保障可靠供电,另一方面也可以减少电网的投资,提升经济运行的水平。

考虑负荷转供,我们主要和四川大学开展了一些共同的研究,我们建立了双层优化配置的模型,以经济性为目标,上层主要解决区域电网多点布局储能的优化配置问题。下层基于上层的配置,以切负荷成本最小为目标,解决各选址节点储能的优化运行问题。总的来讲,我们考虑了储能协同以后,线路的过载,负荷的损失等等问题都可以得到比较好的解决,这是和配电网的重构结合在一起做的一个项目。

混合储能用于电压暂降的治理。现在大家都知道以新能源为主体的新型电力系统有两个突出特点就是双高,一个是高新能源,一个是高电力电子设备。电力电子设备对电网质量要求就更高,它的高穿、低穿、谐波、暂降等等,都可能会引起电力电子设备的异常和故障。在用电这个层面,半导体制造、汽车的激光焊接和喷涂等等,都对电压质量提出更高的要求。

我们现在面临用户投诉比较多的,已经从有电没电开始转移到电压质量的方面了。电压暂降是我们系统故障或者一些其他的大电机启动等等扰动因素,电压暂时降低,在100毫秒或者是60毫秒以内,怎么恢复起来?这是我们面临的电压暂降问题。

这个地方我们用混合储能,超导磁储能响应快,它的毫秒级响应跟得上,但是它价格比较昂贵,蓄电池储能充电速度相对比较慢,但它价格便宜,可以规模化的实施。两个加起来进行毫秒级功率补偿和后续电能持续的补给,来进行电压暂降的治理。这是通过一些实时的仿真来看,实现扰动后负载电压的全补偿,效果是非常满意的。

四、研究展望。

我们认为变速抽蓄通过常规的水电改造或者扩建来实现,可能是下一步一个重要的发展方向。要解决三个问题:

1、常规水电改扩建变速抽蓄经济性评估。

2、变速抽蓄机组安全可靠运行策略。

3、变速抽蓄机组参与多能互补联合运行与控制。

这是我们变速抽蓄可能的场景。

非补燃式压缩空气储能技术作为一种清洁物理储能技术,零低碳、低成本、高效率、长寿命、多能联产联供。在一些较好的工况下,效率已经可以达到60%。在下一个方向有更多的应用,而且我们现在正在着手研究大规模的应用,它的储气可以利用我们在四川广泛存在的地下盐穴,在井盐治盐结束以后,过去我们要灌水下去。现在利用盐穴来作为储气系统,甚至可以做到什么程度呢?我们刚才说调峰,把低谷的电储能下来。它可以在丰水期储存下来,到枯水期去发。因为这个盐穴足够的大,我们可以用它来进行更长时间尺度的调节。这是压缩空气储能的一个应用,小型的储能装置还有灵活性,可以放在我们想放的任何地方。

我们曾经做了一个工作,在四川西藏联络线外送通道上,它的稳定极限在40万千瓦,如果加上一个10兆伏安的压缩空气储能,通过计算可以提升20%到50万千瓦。根据具体电网做具体的分析计算,也就是说它可以提高外送通道的输送能力。

氢和氢产业链,很多国家、很多地方都有了产业规划,有的也有一些反复,但四川很早就在关注。从水电大量弃水开始就在关注,虽然现在有氢产业规划,但是氢从哪里来?目前看来可以工业化应用最好的方法还是电解水。因为电解水技术上的一些瓶颈,主要是效率上的,还没有得到更大的应用。

最近我们也了解到,德国已经有了高温制氢的工程化应用,效率可以达到80%-90%。如果可能大规模地应用,这会很大程度上改变现有的电动汽车、燃料汽车应用场景。我们觉得氢是一个清洁燃料,同时也是很多化工原料,也是工业生产的一些催化剂。同时,通过质子交换膜、固态氧化物燃料电池等,它还可以形成电氢电作为储能。当它的效率提升到一定水平的时候,也是一个对我们非常有帮助的转变。

虚拟储能系统实际上就是把已经有的储能技术应用+电网负荷控制,比如电动汽车充电可逆,家用电器可调,还有一些工业化的生产用电可控,整个作为一个大的系统来协同、来优化。这将会实现精益化的管控,将来更加方便的电网调节。

我的汇报到这,谢谢大家。 
 

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