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大连理工李爱魁:全钒液流电池储能多重应用技术

发布者:【浩博电池资讯】   发布时间:2023-06-29 19:06:58   点击量:404

浩博电池网讯:5月24~26日,由工业和信息化部节能与综合利用司与国家能源局能源节约和科技装备司联合指导,中国化学与物理电源行业协会主办并联合240余家机构共同支持的第十三届中国国际储能大会在杭州召开。


??来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的1011余家产业链供应链企业,5417位嘉宾参加了本届大会,其中245家企业展示了储能产品,可谓盛装出席,涵盖系统集成、电芯、PCS、BMS、集装箱、消防、检测认证等新型储能全产业链。


??5月25日下午,大连理工大学电气工程学院教授、大连市新型电力系统工程中心主任李爱魁受邀在长时储能技术及应用专场分享了主题报告,报告题目为《全钒液流电池储能多重应用技术》。以下是报告主要内容:


??李爱魁:尊敬的各位同行,感谢组委会给我这个机会和各位同事一起交流液流电池储能的相关技术。我2020年来到大连理工大学电气工程学院,从事的工作是储能电站技术,还有之前一直在做的全钒液流电池系统开发,以及锂离子电池储能模块集成应用。储能电站应用技术集中在运维、调用等方面,液流电池技术目前主要是相关测试系统研究和开发。


??首先讲一下为什么要提到液流电池的多重应用。液流电池作为长时储能一直为行业所熟悉,但仍属于电化学储能技术,具有电化学储能自身的特点和功能。这个图片是大家经常用的,构建新型电力系统是以新能源为主体。相对于传统电力系统的潮流单向流动,新型电力系统潮流特点就是双向、互动,还有新能源高占比、电力电子化,以及它的“双峰”模式。去年底的电机工程学报的年会上的相关报告里提到,“30、60”双碳目标的火电机组在后续由主力电源变成调节电源,并不是完全退出历史舞台。新能源达到一定比例后会变成主力电源,这是新型电力系统的发展趋势。在这个发展过程中,对于储能功能及技术要求各有各的理解,但正如国网公司副总经理陈总报告里提到的,储能作为装备技术,仍然遵循装备技术支撑电力系统技术创新,系统技术引导或者指导装备技术的发展规律。储能的功能必须跟系统技术紧密相关,特别是电化学储能,只要服务于电力系统,就需要从电力系统的角度考虑这个问题。


??新型电力系统的发展,具体的特征就是低碳、经济、稳定三个方面,低碳和经济是我们国家基本的战略目标,作为装备技术人员,考虑的事情就是新型装备支撑电力系统的稳定。具体到储能方面,就是从能量型、削峰填谷功能朝电力支撑方面发展,也就是功率能量耦合型、调频和动态调压等方面发展。液流电池储能作为电化学储能,在功能上需要从长时储能向兼顾多重服务延伸,这样才能发挥它的更大价值,具体在应用上除了调峰平滑和跟踪计划曲线之外,还需要对系统惯量、频率、电压等方面提供支撑。装备技术方面,当然是高功率密度、高能量密度、低成本、高安全,这也是对储能的常规和总体要求。


??分析液流电池的多重应用技术,首先了解一下工程上储能电站的应用。储能电站结构包括电池系统、电力电子系统、配电系统、辅电系统等,这些大家都是非常清楚。电力作为一个商品,它与普通商品的区别就在于有物理边界约束。储能应用功能展开一句话就是扩展电力商品的物理约束,一个是电网的边界约束,一个是机组的边界约束,当然现在还包括负荷侧,具体就是源网荷储一体化协调。


??除了作为拓展电力商品物理约束边界之外,针对我国的特高压网架的电网形态,还需要保护大电网稳定,调峰调频之外还有调压,因此液流电池储能需要扩展的应用还有很多。具体到辅助服务,当前阶段如果源网荷协同足够好,按理说储能作为服务型装备也不是特别急迫,但为什么现在大家都作为必备的电力装备来发展,就是因为双高电力系统下源网荷的协调将越来越困难,未雨绸缪。分析了液流电池要服务的对象,按照系统技术指导装备技术的原则,就可以对液流电池储能系统提出一些指标,这个指标除了长时之外,对短时功能也需要进行关注。长时储能也可以兼顾做短时的事情,这块涉及到多重应用控制等问题。


??新能源场站配套液流电池和锂离子电池在国内是同步的,功能主要有平滑新能源出力、跟踪发电计划曲线,以及支撑风电的高低电压穿越,这种功能在2010年起建设的张北风光储输基地都已经验证了。辽宁法库的卧牛石风电场也验证了五兆瓦全钒液流电池储能电站的新能源配套能力。


??国外是直接在城市里面给高效光伏发电配套,实际上是工业厂区内源网荷储一体化项目,效果也比较明显。去年类似的一个六兆瓦液流电池系统,也开始用在国内的厂区内,与风电场联合发电配套应用。储能跟新能源配套,除了AGC和AVC,内部还有一个协调,跟风电机组联合做风电场主动支撑,提高风电厂的灵活性,具体是一次调频还有动态调压,与新能源站内的SVG如何更好的配合,这一块也是很重要。


??这是在大连的一个建设在城市里面的电站,也是百兆瓦级,液流电池技术领域里面当前最大的电站了。说是跟热电厂配套,其实是一个独立的电站,除了调峰,作为电化学储能电站很多功能都具备,后续主要是更有效地参与电力市场。包括调峰,后续有现货市场后,就需要像其他电源一样进行正常的电力市场流程。比如要报价,也就是要投标,我们电化学储能电站未来有非常重要的工作就是投标,而不是等着调用。当前的调峰中计划充放电是最简单的中长期模式,后续可能随着电网及电源结构的变化而变化。


??特别是随着新能源比例的增大,这种定时的或者中长期的比例一定会下降,现货市场的比例会增加,这个时候它的峰谷差和电价特点是完全不一样的。未来储能电站参与调峰不仅需要预测新能源发电,还需要预测电价,进而做日前和其中计划,包括参与市场投标,液流电池储能电站的多重应用技术更加重要。


??大家看一下某省现货市场三个典型日电价情况,有整天电价都是两三毛钱低价的,也有整天电价都是一块多钱高价的,当然也有可能出现大家在中长期中常见峰谷电价曲线。因此参与现货市场调峰的时候如果不预测电价的话,储能电站运行策略没有办法做日前和日中计划,也没有办法报价。这个时候要有很多运行边界,储能电站的度电成本和容量成本是多少才能支撑这个调峰收益,后续调峰的时候应用也是很重要的一块。


??未来“双高”电力系统如果互济能力不强,一定会面临稳定的问题,这个稳定不仅仅是大电网的稳定,将来配电网由于大量的分布式发电,也可能会面临稳定的问题。以一个弱链接的典型区域电网为例,当它有大量的冲击性负荷的时候,它的频率波动非常明显,如果仅靠一个火电机组支撑电网,火电机组运行要不停地进行大幅度出力波动,这种工况对火电机组的运行寿命及能耗是非常不利的。这种情况下通过储能电站一次调频就可助力电网稳定,紧密跟踪电网频率,同时接入电网的分布式稳定系统,在高频切机、低频切荷之前,先调用储能电站。这是火电机组DCS截图,可以看到投入前后电网频率荷火电机组出力都有明显的平滑作用,这还是兼顾了储能电站的运行寿命折损,如果储能电站的惯性及下垂系数更大的话,频率就会更平滑,机组出力也会更稳定,当然这里面有个储能电站荷火电机组折损的性价比平衡问题,目前这个问题还是比较难解决的。


??液流电池如果不是运行在额定功率下,它的效率相比额定功率会有一定的衰减和影响,通过分析前期调研的储能电站辅助火电机组调频的运行数据,发现时间积分的平均负荷率一般在50%以上,因此如果再进行功率分配策略的优化,液流电池辅助火电机组调频是可行的。之前为了降低泵耗,采用功率与变频泵的运行频率联动方式,可能影响响应时间,目前判断控制冗余也是能解决的。充分发挥寿命比较长的优势,参与多重服务提高收益。不能仅仅因为把它定位在长时储能就不干其他方面的事情,这样会对收益,特别是多渠道收益的拓展是一个非常大的损失。


??再提提黑启动,零压黑启动电网是电化学储能电站的一大优势,这个优势可能对于未来高比例电网的安全保障是一个重要的基础。特别是配网的黑启动能力,可能是包括新形势下电力安全的关键措施。目前看到的都是主网保配网模式,后续可能需要配网保主网模式。这种情况下配网的黑启动能力就非常关键,因为有大量的分布式能源和储能在那里,在负荷侧很容易实现源网荷的实时平衡。用5万到10万千瓦级左右的储能电站,黑启动这种35万千瓦的煤电机组或者燃汽轮机,目前来看技术上是没有问题的。


??这是储能电站零压启动220千伏变电站的电网波形,电网建压之后逐步投入电源和负荷,柔性化启动,对于含分布式电源和负荷的电网是非常稳的。


??刚才讲了液流电池的多重辅助服务,也就是液流电池到底能干什么,实际是需要拓展液流电池在整个电力市场中的应用。液流电池孟总和其他同事都讲过了,我就不再赘述了。我对钒液流了解一点,我现在正在做的项目也是钒电解液的相关事情。由于钒电解液体系没有交叉污染问题,所以它的状态恢复和寿命是可保证的。目前面临的问题,第一是综合性能指标及可靠性都需要提高,液流电池产业链与锂电池的相比成熟度还不够,这就造成液流电池本身还有很大的发展空间。


??第二是成本怎么控制,如何度过钒资源的周期,这个问题尤其需要重新审视仅仅用于长时储能工况的局限性,更应该发挥短时储能的应用优势,直白地观点是,如果仅仅定位于性价比不高的长时应用工况,钒资源一旦出现历史上的高周期,大部分的钒电池储能电站可能面临停工。做好储能电站自身的运营和管理,参与多重辅助服务,这块是有空间的。总体来说,不管是性能上,最后到关键技术上,液流电池都有很大的前景发展空间,目前为止没有看到它的天花板。特别是这两年更多技术人员的参与,各个技术路线竞争的同时也在相互借鉴,后续液流电池技术还会有很大的发展。这是我们围绕效率进行的拓扑上的调整。近期我们的主要工作是围绕并网控制、高功率密度电化学系统开发,以及储能电站状态评价等领域开展。在学校成果转化相关工作精神指导下,后续还会进行公司化操作,重点是把储能电站运营得更好。


??谢谢各位同行!


【责任编辑:孟瑾】


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