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飞轮-电化学复合型储能技术示范应用研究

作者:中国储能网新闻中心 来源:中核汇能(湖南)新能源有限公司 发布时间:2022-05-25 浏览:

中国储能网讯:摘 要:本文主要探索研究飞轮-电化学复合型储能关键技术示范应用,通过不同模型设计优化分析,控制策略研究,仿真系统调节,开展飞轮-电化学复合储能系统的示范应用,促进新能源消纳和电网运行调控水平的提高。

关键词:复合储能,示范应用,电化学,控制策略,建模,优化。

1. 研究背景

储能是对电力系统调节能力的重要补充,尤其在影响电网安全的频率调节方面,高频次、快响应、大功率的储能技术更是无可替代,而复合型储能系统可以将不同储能技术取长补短,因此,采用复合型储能的电力系统能源储存技术的应用前景十分广阔,未来成长空间可期。

本研究紧跟构建新型电力系统的发展趋势,积极探索飞轮-电化学混合储能的自主产权研发与制造、混合储能系统协调控制技术和能量管理和协调控制装置,从而开展飞轮-电化学复合储能系统的示范应用,实现更加精准快速的进行综合调峰调频控制,促进新能源消纳和电网运行调控水平的提高。

2.飞轮+电化学储能方案分析

储能技术的应用,不仅可以提高常规发电的效率、安全性和经济性,也可以实现可再生能源平滑功率波动、调峰调频,促进可再生能源消纳,是满足可再生能源大规模接入电网的重要手段,同时它也是分布式能源系统、智能电网系统的重要组成部分,在能源互联网中具有举足轻重的地位。储能按能量在存储过程中转化形势的不同进行划分,主要有物理储能(包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能)、电化学储能、电磁储能以及相变储能。按储能技术的特点及适用应用场景,主要分为能量型及功率型。可用于电力调频的储能技术主要是飞轮储能及电化学储能。

一次调频作用于电力系统发生频率事件(负荷突变、机组脱网)初始阶段,对于抑制系统频率偏差、保障电力系统的频率稳定和质量至关重要。一次调频的主要工况特点为频次高、响应速度要求快、调节持续时间短,属于典型的功率型应用场景。储能技术方面,锂电池技术充放电循环寿命约6000次,无法独立支撑一次调频高频次充放电的应用需求,飞轮储能技术循环充放电次数可达100万次,且已有成熟应用案例,是最适合应用于一次调频领域的储能技术。同时,考虑到一次调频高频次常规调节与低频次连续阶跃调节的占比,采用飞轮+电化学储能的混合储能技术,由飞轮系统承担一次调频的绝大部分工况,由电化学储能系统提供容量补充,系统的经济性更佳,也可为电网提供更有力的支撑。

此项研究,可为当前国内外飞轮-电化学混合储能电站从飞轮、电化学等新型储能设备的研发制造、系统组装和集成技术、协调控制技术等创新型理论成果提供具体工程实践,由示范工程产生的运行数据、设计经验、新型设备等,也可提高电网的能源消纳水平和运行水平,推动飞轮储能产业链上下游的发展。

3. 飞轮储能规模化技术研究

3.1、项目整体接入拓扑图


图1:飞轮储能系统接入拓扑图

3.2 磁悬浮飞轮储能系统组成

3.2.1、飞轮本体

飞轮本体是飞轮储能系统中的核心设备,主要由高速电机、飞轮转子、径向轴承、轴向轴承、外壳及真空泵构成。高速电机做为功率元件,可以工作于电动机与发电机两种状态,实现电能与动能的高效转换;飞轮转子做为储能元件,具有较大的转动惯量,通过告诉旋转将电能以动能的形式存储;径向轴承与轴向轴承做为支撑机构,保障了飞轮转子在高速旋转时的稳定与五个自由度的平衡;真空泵做为飞轮本体真空系统的主要设备,使飞轮舱体维持在一定的真空度,减小了飞轮旋转过程中的空气阻力,降低了自身损耗。

3.2.2、飞轮模组

飞轮储能模组是飞轮储能系统的基本组成单元,一个飞轮储能模组由一个飞轮储能装置和一个机侧变流器组成,可实现电能→动能→电能的高效率转换。飞轮储能模组设置有安全保护措施,当检测到飞轮储能装置内部出现电机定子温度、磁轴承温度、机械轴承温度高、真空低、机械位移越限、磁悬浮失效、过压、过流、IGBT温度高故障时,FMS(飞轮管理系统)控制飞轮储能模组停止工作。

3.2.3、飞轮管理系统FMS

飞轮管理系统FMS(FlywheelManageSystem)对飞轮储能阵列(单元)内的飞轮储能模组的电压、电流、SOC,温度、真空、隔离开关,充放电,保护等参数和控制进行管理,同时能通过CAN总线或其他方式与PCS、储能控制系统及EMS系统联机通信,实现对电池进行优化的充放电管理控制。具体的,FMS应具有以下功能:1)数据测量采集、2)数据计算、3)状态参数数据上传、4)故障诊断、5)电气保护、6)电池管理、7)统计功能、8)通讯功能、9)对时功能、10)定值设置功能、11)操作权限管理功能、12)事件记录功能、13)存储功能、14)故障录波15)电磁兼容能力、16)耐湿热性能。

3.2.4、温控系统

飞轮变流器(FCS)、机侧变流器等设备的工作需要维持一定的环境温度以保证其安全正常的工作,温度过高对电力电子器件的寿命影响较大,本方案采用强制风冷温控系统将上述设备工作可能产生的热量带走,从而实现热管理。

3.2.5、火灾探测及自动灭火系统

在飞轮储能系统工作的区域按消防要求,布置一定数量烟感及温感,连接火灾报警控制器,经过火灾报警逻辑设计,联动声光报警装置等,从而实现火灾自动探测与灭火。

3.3飞轮并联控制策略

并联储能飞轮阵列均衡控制策略,用于对多个储能飞轮构成的储能飞轮阵列系统进行充放电的主动控制与储能飞轮转子的悬浮控制。

并联储能飞轮阵列均衡控制策略克服现有储能飞轮阵列充放电控制方法均采用等功率、等转矩或等时间长度充放电控制策略,依据电压直流母线电压的大小来判断充电、放电运行模式,无法确定或预测总的吸收或释放的功率,极易产生误动作。为克服这一缺点,提供基于电压微分电压积为判据的并联储能飞轮阵列均衡控制策略。

并联储能飞轮阵列均衡控制策略,包括储能飞轮、飞轮充放电控制系统、磁轴承控制系统、快速直流断路器、储能飞轮阵列主控制器、CAN总线接口和公共直流母线。

储能飞轮通过飞轮充放电控制系统与直流开关的输入端串联连接,多个储能飞轮以同样方式与连接到公共直流母线构成储能飞轮阵列,飞轮阵列的控制是将储能飞轮阵列主控制器连接到CAN总线接口卡与每个飞轮的充放电控制系统的CAN通讯总线接口,储能飞轮阵列主控制器通过CAN总线接收每个储能飞轮的飞轮充放电控制系统和磁轴承控制系统的数据和状态,并发送控制指令,控制每个储能飞轮的充放电运行和转子悬浮。储能飞轮阵列主控制器通过CAN总线接口卡接收每个储能飞轮的飞轮充放电控制系统和磁轴承控制系统的数据和状态,并发送控制指令,控制每个储能飞轮的充放电运行和转子悬浮。储能飞轮阵列主控制器采用效率最优的电压微分电压积均衡控制策略实现储能飞轮阵列的协调控制,控制系统的算法流程为:

由储能飞轮阵列主控制器检测直流母线电压和每个储能飞轮的当前电量,飞轮阵列主控制器依据基于效率最优的电压微分电压积均衡控制策略确定每台储能飞轮的充/放电功率和充/放电持续时间。储能飞轮阵列主控制器通过CAN总线接口向每个储能飞轮的飞轮充放电控制系统发送指令,同时通过CAN总线接口向每个储能飞轮的快速直流断路器发送闭合指令,储能飞轮进入充电运行状态,并按照基于效率最优的电压微分电压积均衡控制策略进行充放电运行。

图2:飞轮阵列控制示意图

4. 飞轮-电化学复合型储能关键技术及示范应用

飞轮-电化学复合储能关键技术及示范应用分为四个研究内容开展工作,技术路线如下图所示。首先构建储能典型应用场景的多维度特征模型,揭示场景特征量与储能参数和特性需求的函数关系,精准描述应用场景对储能参数和特性的需求;其次,建立飞轮和电化学电池储能的仿真模型,分析飞轮与电池储能的技术和经济特性;接着,研究飞轮与电化学电池储能的协调控制策略,提升混合储能系统的调节性能、运行安全性和经济性;最后,在上述模型与方法基础上,研究飞轮-电化学混合储能协调控制架构、集成方案等实现技术。

图3:技术路线图

4.1、储能典型应用场景多维度特征模型研究

“储能典型应用场景多维度特征模型研究”技术路线如下图所示。

图4:研究内容一技术路线

首先,建立风、光放电及负荷仿真模型,并采用该模型仿真模拟不同应用场景的源、荷特性曲线,并对曲线进行傅里叶变换,得到功率波动频谱图、不平衡功率波动幅度和陡度分布,采用低通滤波的方法分析各个波动频段的功率分布情况,根据该分布特征对储能应用场景进行分类。

其次,分析不同应用场景在供电可靠性、安全性、经济性及工程建设等维度的要求,并基于模糊理论研究各维度指标的量化评价方法,科学描述各类应用场景的特征。

最后,根据提出的应用场景特征参数,构建的典型应用场景模型,采用机器学习方法建立典型应用场景的仿真模型,分析应用场景特征与电力系统运行参数之间的对应关系,揭示场景特征量与储能参数和特性需求的函数关系。

4.2、飞轮与电化学储能建模及调节特性分析

“飞轮与电化学储能建模及调节特性分析”技术路线如下图所示。

图5:研究内容二技术路线图

首先,建立混合储能系统稳态模型。对常见储能方式的优缺点进行分析,获取各储能类型的功率等级、响应时间、转换效率、循环寿命等信息,在此基础上引入了本文所要研究的飞轮-电化学混合储能方式。混合储能系统采用一个较为标准的飞轮储能系统与具备参数可调功能的电化学储能系统进行结合。建立计及不同类型储能的综合能源系统优化运行模型,在运用人工智能算法保障相关预测数据精准性的基础上,通过混合整数线性规划的方法进行求解,对优化结果进行定量的对比分析。

其次,分析飞轮和电化学这两种储能系统在调频与功率控制中的不同特性,通过对飞轮及电化学控制量的计算,包括电压、功率与频率控制模块,建立了较为理想的飞轮-电化学混合储能系统动态模型。对储能系统按照功率平衡、降低功率波动、提高储能系统对新能源发电频率改善以及自动调整出力程度,设计了混合储能系统的网络拓扑结构。当电网侧输出待调量时,调整量频率较高,则采用飞轮优先的策略进行稳定,调整量波动频率较低时,则采用电化学优先的策略进行控制。但如果调整量波动幅度较大,系统则采用电化学对飞轮进行辅助工作,最大程度对扰动量进行控制。

最后,以电力系统功率与频率稳定作为出发点,通过分析储能的成本和效益构成,利用净现值法构建了储能的全寿命周期成本-效益经济模型。考虑飞轮惯性和电池热管理协同控制,降低电池调节深度和频度对寿命影响,基于混合储能系统的全面比较和综合指标体系,利用层次分析法对每个应用场景进行储能选型,对不同场景的特征指标和各类储能的技术经济性进行综合分析。

4.3、飞轮-电化学储能协调控制策略研究

“飞轮-电化学储能协调控制策略研究”的技术路线如下图所示。

图6:研究内容三技术路线图

首先,综合考虑电网中分布式电源的不确定性及不稳定性,分别研究建立分布式光伏及风力发电动态模型。针对功能不同、时间尺度不同的负荷,分别建立区域能源互联网中冷、热负荷、电负荷与气负荷的动态需求模型。在此基础上,面向联合调度运行需求及区域能源互联网运营交易场景,研究建立其网络源荷互补模型,并对各网络中源荷互动情况进行实时预测。

然后,采用抗脉冲平均滤波法平滑输出功率,得到并网功率与混合储能输出功率。之后采用经验模态(EMD)分解混合储能功率,以储能爬坡功率的平均值为依据,分为高频和低频两部分,合理地分配给飞轮储能和电化学,实现二者的功率分配。

其次,在飞轮-电化学混合储能系统进行调频或调功时,尽可能避免电化学出现电流或电压突增或在短时间内频繁切换充放状态,研究电池的热管理控制策略。利用飞轮的惯性优势,使飞轮储能系统跟随系统的功率波动,电池跟随电量波动,研究混合储能模糊协调控制策略。

最后,综合考虑各储能电站剩余调频能力和调频成本,实现区域总调频成本最小,建立储能电站调频功率优化分配模型。考虑电池调节的深度和频度,以储能单元SOC状态最佳为目标,实现各储能单元SOC恢复,建立储能单元SOC优化模型。以上述模型为基础,研究多储能电站调频功率双层优化分配策略。

5. 项目创新点及示范作用

本项目研究内容不仅具有新颖性与创造性,同时具备一定的前瞻性,相应课题的研究成果对于我国储能产业的发展具有重要的理论指导和工程实践意义。

5.1、飞轮储能阵列协调优化控制技术

为了获得更大的储能量、更高的功率及更长的后备时间,可以研制大容量的飞轮储能单元,也可以将多台模块化的飞轮储能单元并联组成飞轮阵列储能系统。然而,单台大容量的飞轮储能单元不仅会带来成本的大幅度提高,而且还可能受到技术条件的限制。相比较而言,飞轮阵列储能系统不仅能降低成本,而且大大简化了研发过程,是能够更好地获得大容量、高功率储能更好的解决方案。以提高飞轮储能阵列系统稳定性、运行效率、动态响应时间为优化目标,以阵列内各单机剩余容量、可输出功率和安全运行范围为约束条件的飞轮储能阵列协调优化控制技术,实现飞轮储能阵列集成系统的并网灵活控制、有功/无功解耦控制、电网故障穿越控制、电网电压及频率支撑控制。

示范作用:

(1)飞轮储能阵列系统模块化架构研究,有利于解决飞轮储能阵列集成的标准化和集群化控制问题,可以提高飞轮储能阵列系统的集成效率和运行效率,从而促进飞轮储能技术在储能市场上的规模化推广及应用。

(2)飞轮储能阵列系统机侧变频-网侧变流多机并联协同控制技术研究,有利于揭示飞轮单元、飞轮阵列与机侧变流器、网侧变频器的机电耦合关系及制约关系,以便于提出优化的多变流器协调控制策略,从而提高飞轮储能阵列系统的稳定性和可靠性。

(3)模块化飞轮储能阵列装置研制,有利于建立飞轮储能阵列系统监测-预警-防护一体化安全体系,形成低成本、高可靠、高能效、模块化的飞轮储能阵列系统设计方案,全面掌握飞轮储能设计及集成核心技术,提高飞轮储能系统集成及安全运行水平。

(4)飞轮储能阵列单元测试技术研究,有利于形成标准化、体系化的飞轮储能试验检测方法和测试条件,从而提高对飞轮储能装置的试验检测能力,为飞轮储能系统的稳定运行保驾护航。

5.2、飞轮储能阵列高频次一次调频控制技术

针对高比例新能源电网短时高频次的一次调频需求,提出MW级飞轮储能阵列参与电网高频次一次调频技术,以提高电网频率稳定性为目标,以飞轮储能可用容量、可输出功率及安全运行范围为约束条件,最大限度提升飞轮储能阵列参与电网一次调频性能。

示范作用:

本课题的研究对于揭示飞轮、电化学储能的技术经济特性,实现不同应用场景下飞轮-电化学储能优化组合及协调控制,全面提升储能系统整体调节性能和运行经济性具有重要意义。

(1)一次调频典型应用场景的分析,有利于明确一次调频场景下,对飞轮系统参数和调节特性的需求,为储能的优化配置提供指导性原则,充分发挥储能的调节性能,提高储能设备的利用效率和系统运行经济性。

(2)储能装置建模及调节特性分析,有利于解决单一储能调节容量不足或响应速度不快的问题,最大程度发挥不同储能装置的调节性能,促进新能源消纳和电网运行调控水平的提高。

(3)飞轮-电化学储能协调控制策略及装置的研发,根据一次调频特性,进行更合理的飞轮系统容量配比分析,最大程度的利用飞轮系统响应高频次的一次调频指令,有利于降低电化学储能调节深度和频度,延长电池使用寿命,提升混合储能系统的运行经济性,促进储能产品的商业化应用,开拓储能产品应用的多元化市场,推动湖北新能源及储能产业的快速发展。

5.3 复合型储能优化控制技术

飞轮储能与电化学储能按一定比例组成的复合储能系统,在电网频率频繁扰动时,由飞轮储能装置承担大部分出力,在飞轮储能装置不能满足要求时,电化学储能在功率或能量上进行补充。这样可以最大限度减少锂电装置的动作次数,提高整体系统使用寿命,降低事故概率。

示范作用:

(1)飞轮-电化学混合储能系统的规划研究,有利于解决不同应用场景下源-网-荷的时空不匹配问题,促进高比例新能源的灵活消纳,提高电网的安全、稳定运行水平,保证供电的电能质量。

(2)飞轮-电化学混合储能系统典型方案设计,有利于形成标准化和模块化设计方案,为飞轮-电化学混合储能系统在全国乃至世界的推广建设提供坚实的理论支撑和实践指导。

(3)飞轮-电化学混合储能系统评估体系及效益分析,有利于建立科学全面公平合理的评价流程,促进飞轮-电化学混合储能工程方案的持续改进,提高业主方混合储能投资决策水平。

(4)飞轮-电化学混合储能示范工程,有利于实现混合储能电站的综合调峰调频辅助服务,助力构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系,带动从材料制备到系统集成全产业链发展,为提升产业发展水平、推动经济社会发展提供新动能。

6. 项目实施意义

通过实时采集光伏场站监测数据自动判断光伏机组当前所处的运行状态和光伏机组特性,通过飞轮储能系统,配合光伏机组优化协调分配整个光伏场站的有功功率输出,进而实现光伏场站的一次调频优化控制。

针对光伏场站储能参与一次调频协调优化的问题,综合考虑储能装置类型选择、储能装置容量配置和优化、储能优化运行控制策略等因素,构建合适的充放电策略。光伏机组联合飞轮储能系统得到总体平滑功率分配指令后,进行内部功率分配得到每个储能单元设备的设定功率。综合考虑储能单元寿命性能指标(总体使用寿命、充放电次数和储能单元额定功率等)的不同,选择合适的优化分配算法以减少成本支出,提高光伏场站功率输出平滑效果。

通过飞轮储能系统的建设,使光伏场站与储能系统得到有机的结合,改善光伏场站的一次调频性能,保证电网频率稳定。对于规模化光伏机组接入区域电网,为电网如何消纳新能源提供新的解决办法。通过飞轮储能系统的建设,可以使光伏机组的一次调频能力显著提升,加快当地社会环境的改变,增加当地的财政收入,提高当地人民的生活质量,促进当地经济发展。

来源:中核汇能(湖南)新能源有限公司

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关键字:飞轮储能

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