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楚攀:基于储能系统的调频辅助服务的现状、问题和未来

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-03-20 浏览:
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中国储能网讯:2019年3月16日,中国化学与物理电源行业协会储能应用分会与全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国科学院电工研究所储能技术组、科华恒盛股份有限公司四家单位联合主办的“首届全国储能技术与综合能源服务高层研讨会”在福建厦门宸洲洲际酒店召开,来自电力公司、电科院、设计院、系统集成商、地方经信委、投资机构等230余人参加了本次会议。

本次研讨会旨在推动储能与综合能源系统多环节技术与商业模式创新,持续提升客户需求响应能力与业务整体盈利能力。

会议期间,中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司设计总工程师楚攀分享了主旨报告《基于储能系统的调频辅助服务的现状、问题和未来》,以下为报告原文:

楚攀:感谢主办方的邀请,今天给大家汇报一下基于储能系统的调频辅助服务的一些事情。我记得也是去年三月份,我们在太原召开了一次储能调频应用的会议,那时候这个项目比较少,大家对这个比较陌生,过去一年发展在调频领域项目现在看起来比较少,有的是9兆瓦、4.5兆瓦时,或者是18兆瓦,9兆瓦时,现在最大是在广东,在华润,大概的规模是15兆瓦,30兆瓦,有可能也是全世界和火电联合调频的最大项目。

下面给大家汇报一下分工的情况,这是现存的项目的分布,主要在山西地区最多,其次是广东和内蒙,广东排第二,内蒙是第三,其他地区各有一些。 之前科华的领导介绍的鲤江项目,虽然位于湖南,但是其实是向广东电网供电的,它的一些调频服务政策都享受广东电网的政策。

接下来是政策情况,从2014年开始关于调频辅助服务里面,无论调频调峰,或者是调频里面分一次调频二次调频,在东北的最早2014和2016年辅助服务更多针对一次调频,政策非常多,可以看到市场经过2018年发展,2019年还会发展下去。上一页的项目每个看起来少,但是那么多加起来也有将近,包括目的在建的储备项目,我对广东项目不熟悉,其他地方统计不全,有超过300兆瓦时的规模。

随着过去从2016年在北京石景山运营的调频项目以后,陆续遇到一些问题,尤其是经过2017、2018年这两年的运行,问题集中在以下几个方面。最大是安全问题,尤其是大功率充放对寿命影响,还有一个大规模放电的时候,电池能量能不能放出来那么多电,其实对电池是一个考验。第二个影响的安全方面是,频繁充放对整个电池的SOC的影响。主要影响来自哪些?频繁重放SOC很难准确,会导致我们的调度或者控制系统对SOC失控状态,某些状态造成想充电充不进去,想放电放不出来,就不能实现二次调频或者一次调频的功能。还有安全方面的二次消防怎么办?出了事故之后二次消防怎么办,这是目前遇到的难题。基本上广东省所有的调频项目我参与了评审,有些二次消防是直接让人拿着二氧化碳进行,这是害人的。

政策方面,第一国家政策不确定性,另外地区政策不连贯性。尤其是山西省,在2017年之后,2018年调频服务价格一直调低,更多行政方面的。对比广东市场,广东在去年8月份电量的运行,新出来的调频市场,整个价值体制是竞标的情况,类似于股票交易市场,采用是统一价格,最终调整你自己的调节性能,这个相对健康一些。而且广东市场除了已经建成的和正在建的项目,储备的还可能有10到20个这样的项目。另外从整个潜力来说,整个广东市场具备调频性能基础大概有170个,未来的空间非常大。

另外一个市场,市场方面参与调频辅助服务市场主体,基本上只有燃起机组和火电机组,未来独立储能站是不是有可能参加调频服务,我觉得很有可能。因为现在整个广东建设的所有储能调频电站来说,每次我去开评委会,无论是什么评审都会有中调,一般中调人会参与。目前调度方面他们希望能够对储能电站进行直调,未来如果他们这方面在电厂实现直调的话,运行比较好,未来对独立的调频服务电站这是有可能的。

另外一方面辅助服务市场,对于储能能量来说,无论建在发送配送哪个节点,整个电网来说所有人都能受益,但是多人受益投资方只有一个,这也是未来我觉得很多调频项目,很多储能项目持续性比较差的。因为储能相当于一个蓄水池,对于整个电网来说摆脱了刚性的需求,就变成一些柔性,无论蓄水池在哪儿大家都是受益的,多方受益的问题如何解决是我们从业者要关注的问题。

另外电池本体是做辅助服务尤其是调频市场关键的问题。2018年韩国的储能站燃烧或者出事故16起之多大概是本体造成的。国内根据中国电科院的一些检测,国产的电池基本上和世界一流真的还有一定差距,无论性能等方面都有差距,但是我们要迎头赶上。有两家属于第一梯队,我们大部分熟悉的都是第二梯队,电池的选用上对我们做调频辅助服务,尤其是系统服务集成要非常的慎重。

安全稳定可靠这方面,保证SOC,就是SOC的测量非常重要,尤其正在做或者已经有运行经验的做二次调频项目来说,大家可能非常熟悉这中间出了什么问题,SOC的测量大概有五个方法,但是用得最多的是第二个,积分法,最多配合电压。尤其是磷酸铁铝的电池非常频繁,所以说对它的SOC精确的测定很困难。尤其是磷酸铁铝,如果要经常保证它的SOC测量比较准,要完成一个完整的充放,对于我们是调频,尤其是二次调频这个场景来说,比如在山西的调频项目,它的电池每天混合电量大概相当于一个完整的SOC,可能是完整的DOD在七八次。最先投的是广东云浮电厂的一个联合调频项目,目前试运行两三个月,大概一天像SOC的情况可能有十个之多。

在这样的情况下,循环量这么大,而且都是浅充浅放,基本上没有机会对电池进行调运,根据中国电科院的测量统计数据,运行三个月SOC的偏差会达到10%以上,这个偏差难以避免,需要进行矫正才行。所以长期用,一年之后超过30%甚至超过50%,,如果SOC的准确度偏差50%的话,基本上这个储能站不能运行。实际情况也是这样,山西运营的很多调频电站能够连续运行的并不多,很多刚开始三个月运营很好,一天收益七万八万的,但是长期收益的并不多,很多都存在着问题。目前能够连续运行比较好的可能都是一些新建的。

我大概总结了电力市场调频辅助服务的类型和遇到的问题,一次调频,东北电网这边已经有了。一次调频遇到的问题,现在它的收益模式据我所知是罚款的方式,像辽宁电网先罚款,然后再根据发电量和装电量均分,有可能你分到的钱可能比罚款多,这样你就赚了。但是二次调频市场,尤其是广东市场是主要运行,广东市场所有参与调频辅助服务,大家先交份子钱,按照发电量先交份子钱,交完之后分子钱再挨个奖励,其实是奖励优秀者,让大家变得越来越优秀。东北电网出台的政策就是惩罚落后的,也就是说收支平衡没有改造的动力,相比之下广东电网的政策更好,奖励优秀的话,大家会越来越优秀,惩罚落后的大家最后满足几个分就行了。

二次调频的话,像山西、内蒙、广东政策不太一样,广东越来越接近于基于电量交易市场上的政策,像调频的价格也是不断的变动,而且价格的成交方式也是根据每家,比如170多个,大家都去报价,未来5分钟我的需要调频容量是1000兆,大家每家报价有自己的容量,最后累计,价格从低到高排列,累计到1000兆瓦就停了,然后进行价格核算的时候,以报价最高的这家进行核算,前面你的报价虽然低,但是你的进行收益的价格按照最多的价格进行核算,意味着如果你的调频性越好的话,可以报低价排在前面,最后还可以以比较高的核算价格,真是奖励优秀的机组政策。

未来可持续性来说,广东市场是全球最有潜力的,而且广东具备调频市场的AGC的机组有将近170个。另外一个方面,广东省海上风电的发展,大概到了2020年有1200万的装机,计划到2030年广东省有三千万的装机,现在广东省的电负荷也就1.2亿千瓦。所以说到了2030年加上现有的路上风电,还有光伏,可能到那时候广东电量结构大概6千万都是可再生能源发电。随着广东经济的结构转型,它的社会用电量增长到10年之后有可能不会突破2亿千瓦,至少1/3最大电量是由可再生能源供应。这样情况下,我们对调峰调频的需求都是非常大的,未来10年广东市场有可能是辅助服务市场最大的市场。

火电机组灵活运行,现在也是在东三省份比较多,比如要低于30%的负荷,还要你运行,就把多余的电用电蓄热的方式,尤其是热电厂,用电蓄热的方式存起来,通过供热的方式卖出去。是不是也有可能联合运行的时候,就是深度调峰,用小型的压缩空气储能可能也是一种方式。我们仅仅靠储能自己的峰谷差的话,这个模式难以盈利,但是如果作为一种服务盈利点就比较多。

这是调频的需求分析,分析需求的目的是未来采取一个什么样的调频技术,上面的图是采集的全天ACE的变化,中间是采集一天调频需求变化,全天调频需求基本符合正态分布,调度确定调频容量要满足功率的变化。我们采用傅里叶变化的形式对它进行分析,现在把频谱拿出来,高频部分占比比较多。基于此,我分析结果是一个月国内的高频分量,我给它定义每次响应时间小于1分钟,占调频比重大概是23%到36%,如果一天中拿出单独的一个特征典型天,高频分量占30%到40%,储能资源占有适当的比重集客,不必用储能资源完全取代目前的调频机组。现在的调频机组,最近几年见的百万千瓦的超高锂电池机组,本身的调频性能也是不错的,还有调频系统中高频分量占有一定比重,或者比较大的比重时候,我们也会更好的达到调频的效果。

基于此,我们储能技术如何和调频需求灵活运行,有点调峰的感觉。怎么匹配?一次调频是属于机高频的机组,一次调频很多是几秒,十秒,很少超过一分钟,能够适合一次调频的技术可能就是飞轮储能和超级电容,别的基本上跟不上。二次调频,可以把二次调频拆解,有十几秒的,也有一分钟、三分钟、五到十分钟的有。高频需求是飞轮储能超级电容电化学,适应低频需求,电化学肯定没有问题,用到最多的也就是锂电池。对于小型压缩空气储能,有可能这个领域能用到。对于火电机组的稳定运行,虽然现在主要是深度调峰,现在主要市场是在东北、新疆电网需求,本地的负荷消耗不大,但是本地装机又比较大,可再生能源比较多的城市,随着未来我们国家的2050年能源新革命规划,2050年用电量大概需要50%是规划性能源,用电量一半都是非化学能源工业,这样我们的电网还要保证安全稳定运行,对储能的需求非常惊人的。

我之前看一个介绍,为了保证用电量里面有50%是非化石能源的供应,至少装机容量里面80%是可再生能源的装机。对于调频或者调峰的需求非常大,未来不仅仅局限于西北或者东北地区,无论北方、南方的每个电源企业都面临着火电机组要作为主要调节电源的局面,既要参与调频也要参与调峰,甚至是一个深度的调峰,这样给储能带来非常大的市场,而且是持续增长的市场。

为了应对这样的需求,我刚才说了很多未来的成长,这几年大家可能对飞轮储了解不多,但是飞轮储能目前在国内做得公司越来越多,我介绍一下飞轮储能方面的发展。

我先做一个对比,锂离子电池调频电站和飞轮储能调频电站,我们可以从安全性、寿命方面、环境适应性、退役回收方面飞轮储能有很多的优势。飞轮储能的基本原理,能源计算方式,E=1/2Jω平方。J就是你的转入光量,也就是你的业务固定,你的转入光量是永远不变的,ω就是角速度,也就是说只要测出来角速度就是转速,就可以得到我的能量,这样给飞轮储能带来的优势可以精确估算它的SOC。

这是内部的结构图,核心的是磁悬浮轴,里面有一个抽真空的装置,大概是近似于真空的环境中,每分钟的转数接近4万转,使用寿命能够超过20年。这是内部的核心结构,大家可以看一下。

这是目前做的成熟产品,单机输出450千瓦,它能够用15秒,这15秒对我们一次调频非常有用,如果和电化学结合起来,我觉得在二次调频领域也会得到很好的应有。尺寸已经很紧凑了,不到两米高,长宽是76×76CM。

这是未来正在开发的,可以300千瓦输出15分钟的60度电,500千瓦输出15分钟的100度电,还有500千瓦存200度电,未来如果这个储能系列开发出来以后,将在某种程度上接待电化学的一部分功能,我觉得其实不是替代,它跟电化学结合起来,可以把高频分量任务承接过去,这样我的电池就可以不用那么大规律的充放电,对于它的寿命也好,对电池的SOC测评也好,而且更重要的一点,我的飞轮和电化学或者其他应用和电化学组成联合的储能系统时候,我可以用闲置的飞轮吸收电池的电量,让这个电池在闲置的时候进行一个自标定,这样我的SOC可以根据这两者结合起来,不仅带来寿命的问题,更是我对储能系统更精确的把控。

SOC对于电化学储能非常关键。我们都知道江苏电网建了202兆瓦时的电化学储能站,其实我和他们调度交流的时候,他们不太敢怎么用,因为SOC不精确,所以调度非常没有什么信心。而且他们现在也在委托中南大学课题组也在进行研究,SOC对于电化学来说特别重要,尤其是国内来说,我们都用磷酸铁铝,磷酸铁铝相对来说SOC更难精确把控。如果能够联合起来,系统虽然复杂了,反而我们的控制精确了,这是反常识的理论。这是飞轮阵列,既可以用在直流电网,也可以用在交流电网。这是主要核心技术,磁悬浮技术,这个在国内来说很先进,这个磁悬浮技术,飞轮基础上也是一些军转民的运用,最早用在比如说航母测电这块都可能用。

飞轮储能的核心优势,高安全,长寿命,快充放、低成本。为什么说低成本?很多物件除电力电子之后达到寿命之后都会回收,都会存放,要再次利用,因为它是机械储能不存在什么污染。

飞轮储能和铅酸电池,这是在一个UPS领域,比如说我们在一些区域中心,大家认为铅酸电池非常安全,其实不是这样的,也会有事故,虽然比较少。比如说这个银行做的UPS电源出现事故之后,导致经济损失2亿人民币,我们传统的概念来说,我们都觉得铅酸将近两百年,实际情况是,根据统计学的方面得出结论,用飞轮储能做UPS其实更好,目前很多医院、机场,包括应急电源都把飞轮储能做UPS,国外大概有几千套的应用。

在地铁里,飞轮储能更好的应用在地铁里面,回收地铁的制动能量,进站时候能量等出站的时候快速的释放出来,特别适合飞轮储能的应用场景。地铁的车可能也就停一两分钟,飞轮特别不好的地方必须快充快放,如果闲置时间长了能量很快漏掉了,但是在地铁这个场景反而是它最能够发挥优势的地方,而且正好符合它的长寿命。高铁里面也有这个优势,高铁三四百公里的速度停下来,这个能量比地铁大多了,我觉得未来高铁可能也要用到。

这是一个实际的案例,在美国洛杉矶这个项目5年多回收成本,盈利有15年。对于地铁这样的用户至少要运营50年到100年,所以虽然回收期比较长,也是一个非常好的商业模式,目前国内来说沈阳地铁正在做类似的示范项目。

能够利用飞轮储能在应对极高频,或者高频次的需求的时候,让电化学储能应对低级的需求,它们两个结合起来既可以让锂电池不要进行大规模的放电,又可以让它进行更好的标定,两者结合起来我觉得是未来二次调频服务以及一次调频领域非常有竞争力的方案,目前我们在做一些解决方案的实施,包括从系统级到零件级的都有很成熟的供应厂商跟我们配合。设计院我们主要做的是解决方案,我们是寻找最优质的技术,不拒绝任何一个新鲜技术的应用。

这是一个实际的项目,紫色是机组理论调整出力,绿色是机组实际调整出力,蓝色是储能+机组实际调整出力,这是一次调频项目,它的时长是秒级的,加上飞轮储能之后在一次调频里面,虽然负荷不是那么好,但是对于考核标准来说,在一次调频里面已经表现相当好。

未来储能技术的发展趋势,有一个方向就是电池技术在材料方面取得突破性进展,出来一个新型电池,比如说超级什么电池,横扫所有储能领域,有这样的可能性,但是可能小于万分之一。另外一个把各种储能技术综合起来,我在设计院的角色来说不拒绝任何一种储能方式,设计院的特长就是系统集成,我们愿意把各种优势技术集中起来满足多种需求。比如说飞轮+电化学结合起来可以解决一次调频、二次调频,飞轮+电化学+小型压缩空气储能系统,可以把深度调控解决了,可以同时把一次调频、二次调频,深度调控也解决了,飞轮+小型压缩空气储能系统,有可能这两个技术结合起来就可以解决一次二次调频和深度调控,这是未来的发展趋势。

谢谢大家,我今天汇报就这么多。

(本文内容根据录音整理,未经演讲人本人审核)

关键字:飞轮储能  调频

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