柯圣舟
(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,福建 福州350012)
儲(chǔ)能技術(shù)作為能源互聯(lián)網(wǎng)4大關(guān)鍵技術(shù)之一,可以通過(guò)給能量增加時(shí)間變量的方式,促進(jìn)電網(wǎng)發(fā)展模式的根本性變革。儲(chǔ)能技術(shù)將現(xiàn)有電力系統(tǒng)的“源+網(wǎng)+荷”結(jié)構(gòu)變革為“源+網(wǎng)+荷+儲(chǔ)”結(jié)構(gòu),使電力系統(tǒng)變得更加“柔性”和“智能”,既可以平抑大規(guī)模清潔能源發(fā)電接入電網(wǎng)帶來(lái)的波動(dòng)性,又可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及靈活性[1]。
近年來(lái),多地電網(wǎng)在夏季負(fù)荷高峰時(shí)段,出現(xiàn)了不同程度的供電緊張問(wèn)題。儲(chǔ)能由于可實(shí)時(shí)調(diào)整充放電功率和充放電狀態(tài),因此建設(shè)在電網(wǎng)側(cè)可具備兩倍于自身裝機(jī)容量的調(diào)峰能力。規(guī)?;渲煤螅商峁└咝У南鞣逄罟确?wù),有效緩解局部電網(wǎng)供電壓力,延緩配電網(wǎng)投資建設(shè)。
美國(guó)、德國(guó)以及英國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家電力市場(chǎng)建設(shè)較為成熟,儲(chǔ)能應(yīng)用主要集中在可再生能源并網(wǎng)和電力輔助服務(wù)市場(chǎng)(調(diào)峰、一次調(diào)頻),如美國(guó)的SDG&E Escondido 30 MW/120 MWh儲(chǔ)能電站。2016年澳大利亞發(fā)生一系列停電事件,增強(qiáng)了全澳對(duì)能源安全的重視程度,因此澳洲大力發(fā)展電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能作為事故后應(yīng)急功率支撐,現(xiàn)已收到初步成效,如南澳州的特斯拉100 MW/129 MW·h投運(yùn)后成功阻止了該地區(qū)一次潛在的由機(jī)組脫網(wǎng)引起的頻率下降事故。受福島事件影響,日本大力發(fā)展可再生能源,通過(guò)配置輸配網(wǎng)儲(chǔ)能,促進(jìn)風(fēng)光資源消納,從而滿足電網(wǎng)供需平衡。
江蘇鎮(zhèn)江101 MW/202 MW·h儲(chǔ)能電站是迄今已建成的世界最大規(guī)模電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目,分散在鎮(zhèn)江地區(qū)8個(gè)儲(chǔ)能電站,有效緩解了2018年夏季因電廠退役引起的鎮(zhèn)江東部電網(wǎng)的供電壓力。進(jìn)入10月以來(lái),電站主要按調(diào)頻方式運(yùn)行,兼顧事故備用、黑啟動(dòng)以及需求響應(yīng)等多種功能。山東電工、許繼集團(tuán)以及江蘇綜合能源公司作為項(xiàng)目的總包商,投資7.5億元,采用經(jīng)營(yíng)性租賃投資模式。近期,江蘇公司啟動(dòng)了第二批電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目合計(jì)4×105kW。項(xiàng)目由平高集團(tuán)投資,計(jì)劃于2019年底前實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目整體投運(yùn)。江蘇公司計(jì)劃每年新投運(yùn)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模在5×105kW左右,待儲(chǔ)能技術(shù)取得突破性進(jìn)展后將進(jìn)一步擴(kuò)大投運(yùn)規(guī)模。重點(diǎn)考慮在特高壓直流落點(diǎn)近區(qū)、可再生能源高滲透率地區(qū)、省會(huì)城市以及負(fù)荷密度較高地區(qū)布局。
山西陽(yáng)光電廠9 MW/4.5 MW·h儲(chǔ)能電站的功能定位是火電聯(lián)合調(diào)頻,參加電力輔助服務(wù)市場(chǎng)交易。山西省火電機(jī)組比重較高雖然水電等調(diào)頻資源嚴(yán)重不足,但是政府制定的調(diào)頻交易補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)高,因此山西電源側(cè)儲(chǔ)能發(fā)展較快。需要注意而是,山西部分電廠儲(chǔ)能在電池系統(tǒng)、防火設(shè)計(jì)以及運(yùn)維管理方面均存在問(wèn)題,存在火災(zāi)隱患,如山西京玉電廠2017年連續(xù)發(fā)生兩次儲(chǔ)能系統(tǒng)起火爆炸事故。
河南100.8 MW/125.8 MW·h電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站已于2018年底并網(wǎng)投運(yùn),分散在鄭州和洛陽(yáng)等9個(gè)地市的16個(gè)儲(chǔ)能電站。該項(xiàng)目為河南省特高壓交直流故障提供快速功率支援,豐富電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻手段,提高能源利用綜合收益。
湖南長(zhǎng)沙120 MW/240 MW·h電池儲(chǔ)能電站由湖南綜合能源服務(wù)公司投資8.2億建成。一期60 MW/120 MW·h已于2019年1月27日投運(yùn),分散在長(zhǎng)沙3座220 kV變電站內(nèi)。功能定位是緩解長(zhǎng)沙地區(qū)局部高峰期供電壓力,提升新能源供電穩(wěn)定性,提高祁韶直流特高壓輸送能力。
此外,國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的上海公司和浙江公司等也都有推進(jìn)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目的計(jì)劃。
在福建省沿海重點(diǎn)城市福州、廈門以及泉州等城市的高密度負(fù)荷區(qū)域、電網(wǎng)卡脖子區(qū)域以及沿海風(fēng)電匯集站等區(qū)域進(jìn)行選址踏勘與布點(diǎn)工作。通信交互層面通過(guò)調(diào)度通信網(wǎng)互聯(lián)互通,統(tǒng)一由省調(diào)進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行。
2.2.1 儲(chǔ)能站布置方案
儲(chǔ)能系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),根據(jù)需要在每個(gè)變電站配置1個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能單元。安裝單元以容量為1.2 MW的儲(chǔ)能電池集裝箱串接1臺(tái)容量為1.25 MVA的變壓器組成。儲(chǔ)能單元由4個(gè)安裝單元并聯(lián)接入1個(gè)兩進(jìn)四出的環(huán)網(wǎng)柜構(gòu)成,其容量為4.8 MW。1個(gè)儲(chǔ)能單元(4.8 MW)占地約600 m2。
2.2.2 儲(chǔ)能單元平面布置
根據(jù)儲(chǔ)能單元戶外艙體式布置型式,結(jié)合設(shè)備艙體外形尺寸,考慮到變電站空余土地,初步設(shè)計(jì)出一個(gè)布置方案,如圖1所示。
由圖1可知,儲(chǔ)能單元的布置應(yīng)結(jié)合變電站的實(shí)際空地情況,可以適當(dāng)調(diào)整10 kV環(huán)網(wǎng)柜和變壓器,另外需計(jì)列足夠的電纜數(shù)量。
圖1 單個(gè)儲(chǔ)能單元(4.8 MW)平面布置圖
2.2.3 接入系統(tǒng)電氣接線
儲(chǔ)能電池模塊作為電流源直接接入到相應(yīng)變電站(220 kV/110 kV站)的10 kV出線間隔,如圖2所示。
圖2 儲(chǔ)能接入系統(tǒng)電氣接線示意圖
儲(chǔ)能互聯(lián)網(wǎng)綜合運(yùn)行平臺(tái)由能量管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器、電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池本體以及通信網(wǎng)絡(luò)組成。為了控制儲(chǔ)能電站的有功功率,要求儲(chǔ)能電站站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具備遠(yuǎn)方自動(dòng)控制功能。即儲(chǔ)能電站站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備接收并自動(dòng)執(zhí)行調(diào)度部門遠(yuǎn)方發(fā)送的有功功率控制信號(hào)的功能,確保儲(chǔ)能電站最大有功功率值和有功功率變化值不超過(guò)電網(wǎng)調(diào)度部門的給定值。儲(chǔ)能電站的AGC功能應(yīng)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與調(diào)度端EMS系統(tǒng)通信,不單獨(dú)配置AGC的接口及通道[2,3]。
儲(chǔ)能電站按照每天“低谷時(shí)段充電、高峰時(shí)段放電”和“平時(shí)段充電、高峰時(shí)段放電”兩個(gè)充放電循環(huán)運(yùn)行。
2.4.1 第一階段充電
每天23:00~次日7:00(用電低谷時(shí)段)系統(tǒng)工作于充電狀態(tài)。以恒定功率244 kW進(jìn)行充電,3 h可將配置的732 kWh電池充滿,如果提前充滿則系統(tǒng)停機(jī)。每天7:00~8:30,PCS自動(dòng)調(diào)節(jié),如第一階段未充滿,則繼續(xù)充電。
2.4.2 第一階段放電
每天8:30~11:30(用電高峰時(shí)段)系統(tǒng)工作于放電狀態(tài)。放電功率根據(jù)智能采集模塊的負(fù)荷總功率實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果配變負(fù)荷≥244 kW,PCS以最大功率放電,如果配變負(fù)荷<244 kW,PCS提供負(fù)荷當(dāng)前的實(shí)時(shí)功率。
2.4.3 第二階段充電
每天11:30~14:30(用電平時(shí)段)系統(tǒng)工作于充電狀態(tài)。充電功率為244 kW,3 h內(nèi)可充電732 kWh。如果提前充滿,則系統(tǒng)停機(jī)。
2.4.4 第二階段放電
每天14:30~17:30(用電峰時(shí))系統(tǒng)工作于放電狀態(tài),放電功率根據(jù)智能采樣模塊的負(fù)荷總功率實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié),如果配變負(fù)荷≥244 kW,PCS以最大功率放電,如果配變負(fù)荷<244kW,PCS提供負(fù)荷當(dāng)前的實(shí)時(shí)功率。每天17:30~23:00,PCS自動(dòng)調(diào)節(jié),若未放完,剩余電量考慮在晚高峰(19:00~21:00點(diǎn))繼續(xù)放電。
儲(chǔ)能互聯(lián)網(wǎng)綜合運(yùn)行平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)由省調(diào)平臺(tái)、各地的儲(chǔ)能子站、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)構(gòu)成。其中,現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池和控制端之間的通信。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制,形成網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)和即時(shí)連接,實(shí)現(xiàn)交互式數(shù)據(jù)聚合,并選擇合理現(xiàn)場(chǎng)總線[4]。
利用儲(chǔ)能布點(diǎn)靈活的特點(diǎn),將儲(chǔ)能電站分布式布置于城市各區(qū)域,解決正常運(yùn)行時(shí)局部電網(wǎng)的差異化需求。同時(shí)將這些功能定位差異的分布式儲(chǔ)能電站通過(guò)電網(wǎng)互聯(lián),服從省調(diào)調(diào)度,必要時(shí)作為事故下大電網(wǎng)的緊急控制和黑啟動(dòng)電源,或參與系統(tǒng)調(diào)峰等輔助服務(wù)市場(chǎng)交易,發(fā)揮“電力海綿”作用,提升重點(diǎn)城市電網(wǎng)防災(zāi)抗災(zāi)能力[5]。功能定位主要包括以下幾點(diǎn)。
目前,福建沿海城市中心區(qū)電網(wǎng)局部卡脖子問(wèn)題迫在眉睫。通過(guò)在部分變電站布置一定容量?jī)?chǔ)能電站,可緩解迎峰度夏期間因短時(shí)尖峰負(fù)荷引起的設(shè)備重過(guò)載問(wèn)題。
福建是臺(tái)風(fēng)、地震以及冰凍等自然災(zāi)害高發(fā)地區(qū)。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能可在災(zāi)害發(fā)生時(shí)期作為城市(如廈門)保底電網(wǎng)的應(yīng)急控制和黑啟動(dòng)電源,提升電網(wǎng)防災(zāi)抗災(zāi)能力。
就福建省而言,隨著峰谷差逐年增大,核電和風(fēng)電等清潔能源大幅擠占火電機(jī)組出力空間?;痣姍C(jī)組在調(diào)節(jié)空間受限情況下還需承擔(dān)調(diào)峰任務(wù),極大影響了火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。而電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能可發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻以及調(diào)壓的作用,從輔助服務(wù)市場(chǎng)獲取相應(yīng)收益。
目前,福建省海上風(fēng)電步入一個(gè)快速發(fā)展的階段,海上風(fēng)電規(guī)劃遠(yuǎn)期總裝機(jī)容量將達(dá)到13 300 MW。未來(lái)幾年,福建海上風(fēng)電消納存在以下兩方面問(wèn)題。一方面是福建海上風(fēng)電多為大規(guī)模和集中式注入電網(wǎng)末端,而并網(wǎng)點(diǎn)所在的末端網(wǎng)架結(jié)構(gòu)通常較為薄弱。另一方面為滿足海上風(fēng)電消納需要,需配套加強(qiáng)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。但沿海線路走廊緊缺,建設(shè)難度日益加大,影響風(fēng)電送出工程的及時(shí)投產(chǎn)。若在靠近風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)布置儲(chǔ)能,可減少盛風(fēng)期風(fēng)電外送尖峰潮流,在一定程度上緩解未來(lái)風(fēng)電送出受限問(wèn)題,并可平滑風(fēng)電出力,提升風(fēng)電并網(wǎng)友好性。
儲(chǔ)能作為毫秒級(jí)響應(yīng)電源,發(fā)揮比常規(guī)火電調(diào)頻速度快30倍的優(yōu)勢(shì),可在暫態(tài)時(shí)間尺度為系統(tǒng)提供緊急功率支撐。此外,若儲(chǔ)能配套的并網(wǎng)逆變器采取合適的控制策略,即虛擬同步機(jī)技術(shù),可使儲(chǔ)能具備傳統(tǒng)電廠同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)外特性,為未來(lái)電力電子化的電網(wǎng)提供虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,從而提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平。
此外,福建省某些海島遠(yuǎn)離陸地,與電網(wǎng)無(wú)電氣聯(lián)系,負(fù)荷由島內(nèi)微網(wǎng)孤立運(yùn)行供電。這種情況下,使用光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)替代柴油發(fā)電機(jī),可大幅度降低居民用電成本。
電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)可以充分發(fā)揮其靈活的四象限出力調(diào)節(jié)能力,廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)以及用戶側(cè),為充分消納清潔能源、保障電網(wǎng)安全以及平抑負(fù)荷波動(dòng)和分布式電源并網(wǎng)等提供支撐。此外,由于電化學(xué)儲(chǔ)能相對(duì)其他電源規(guī)模較小而成本較高,因此化零為整聚合分布式儲(chǔ)能資源和構(gòu)建省級(jí)重點(diǎn)城市儲(chǔ)能互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)較好的選擇,對(duì)解決電網(wǎng)迎峰度夏期個(gè)別變電站短時(shí)重過(guò)載,或由主網(wǎng)工程配套送出線路建設(shè)困難導(dǎo)致下級(jí)變電站重載,事故下大電網(wǎng)緊急控制和黑啟動(dòng)電源等問(wèn)題具有積極應(yīng)用前景。