中國儲能網(wǎng)訊：8月24-26日，由深圳市發(fā)展和改革委員會指導(dǎo)，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會與南方科技大學(xué)碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會與新型儲能技術(shù)青年科學(xué)家論壇在深圳召開。此次大會主題是“開拓新質(zhì)生產(chǎn)力，推動儲能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”。
大會主辦方邀請6位院士及100位行業(yè)專家分別從新型儲能系統(tǒng)集成解決方案、長時儲能技術(shù)及應(yīng)用、虛擬電廠、工商業(yè)儲能專場、新型儲能電池、新型儲能與電力市場、智能微電網(wǎng)、儲能標(biāo)準(zhǔn)宣貫、新型儲能技術(shù)青年科學(xué)家論壇等12個專場進(jìn)行充分討論交流。
來自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的500余家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1012位嘉賓參加了本屆大會，其中21家企業(yè)展示了儲能產(chǎn)品解決方案，在線觀眾超過4萬余人觀看了開幕盛況。
本次大會由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會和中國儲能網(wǎng)、中國儲能網(wǎng)聯(lián)合承辦，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會專家委員會提供學(xué)術(shù)支持！
8月24日下午，廣州智光儲能科技有限公司技術(shù)總監(jiān)湯旭受邀在“新型儲能系統(tǒng)集成解決方案專場（上）”分享主題報告，報告題目《構(gòu)網(wǎng)型超大容量級聯(lián)高壓儲能系統(tǒng)》。
湯旭：各位來賓，各位專家，下午好！很榮幸向大家介紹一下我們的單機(jī)百兆瓦級高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)的工程實踐和我們研發(fā)的進(jìn)度。
談到構(gòu)網(wǎng)型儲能，這是一個比較熱門的話題。這個話題怎么來的？主要是由于在新能源滲透率高的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)缺乏足夠的電壓支撐和轉(zhuǎn)動慣量支撐，穩(wěn)定性不足。當(dāng)前風(fēng)光發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)表現(xiàn)為可控電流源特性，被動伴隨式對電網(wǎng)輸入功率，不具備同步機(jī)固有的電壓源特性，難以有效支撐電網(wǎng)電壓。而“雙高”系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和電壓支撐不足，電網(wǎng)對發(fā)電與用電功率不平衡抵抗能力降級，導(dǎo)致電網(wǎng)在事故時頻率崩潰概率增加。
現(xiàn)在已經(jīng)在很多地方開始應(yīng)用構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器。但構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器和傳統(tǒng)儲能變流器相比而言需要更大的功率，更快的控制速度。我們的儲能電站一般由幾十臺儲能變流器并網(wǎng)運(yùn)行的，這些變流器以電網(wǎng)作為同步源進(jìn)行恒流源特性的控制。但如果系統(tǒng)以構(gòu)網(wǎng)變流器形式運(yùn)行，相當(dāng)于有幾十個同步電壓源在同步運(yùn)行，控制過程中非常困難。具備較強(qiáng)構(gòu)網(wǎng)能力的變流器實際是具備較強(qiáng)支撐能力的電壓源。要在系統(tǒng)故障的時候去承受短路電流，并起到支撐作用。所以要具備強(qiáng)維持能力的電壓源才能有效支撐電網(wǎng)。
但現(xiàn)有的儲能變流器單機(jī)一般只做到3MW等級。常見的儲能變流器基本上還是采用低壓結(jié)構(gòu)，比如三電平結(jié)構(gòu)，一般電池堆的電壓在DC1500V左右，對應(yīng)變流器輸出電壓大概在AC690V，這時候如果把功率做到5MW以上等級，電流就非常大，額定電流會超過4000A，電流已經(jīng)超過儲能變流器功率元件的限額。如果還要做構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器，對于變流器的過載要求更高，要求能短時承受3倍額定電流過載。做額定3倍過載時，系統(tǒng)過載能力就要求更高，對于電力電子器件的要求也更高。
電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在做大容量系統(tǒng)的時候，一定是朝著提高電壓等級，降低運(yùn)行電流的方向發(fā)展。我們現(xiàn)在在儲能系統(tǒng)里應(yīng)用的級聯(lián)高壓技術(shù)，把原來的儲能變流器交流電壓等級由原來的690V擴(kuò)展到10kV乃至35kV，這樣單機(jī)容量就可以突破現(xiàn)在的功率限制，直接可以做到單機(jī)25MW、50MW甚至100MW的等級。
關(guān)于具體的方案特點，從功率器件上的選擇上，我們優(yōu)先選擇選擇成熟的IGBT模塊。行業(yè)內(nèi)也有選用IGCT器件作為功率變換器件，但I(xiàn)GCT元件電壓等級已經(jīng)到了4500V，電流也到了4000-5000A以上。這個等級的逆變器件，對應(yīng)的直流電池堆也會做得非常大。有一些用IGCT做的超大容量儲能系統(tǒng)設(shè)計，每一級單元電池堆的單簇電壓要做到直流2000V以上，電池堆內(nèi)并聯(lián)多簇電芯。每電池堆容量達(dá)到幾兆瓦時。相當(dāng)于把很多5MWh的電池集裝箱應(yīng)用到每一個高壓級聯(lián)模塊的直流側(cè)里，然后把PCS交流側(cè)級聯(lián)起來。等于在高壓級聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)用很多低壓并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池簇，這樣就沒有發(fā)揮級聯(lián)高壓系統(tǒng)減少電池并聯(lián)，降低直流側(cè)環(huán)流的特性。而且單個電池堆如果做到2000V以上的電壓，對于電芯的絕緣耐受能力也提出了更高的挑戰(zhàn)。所以我們目前還是使用IGBT模塊。單個電池簇的電壓基本上控制在1000-1500V，如果是在功率小于25MW等級時會考慮全橋星型拓?fù)?。用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，35kV電壓下單機(jī)25MW的功率，系統(tǒng)額定電流可以控制在400A左右，用多個IGBT模塊并聯(lián)方式就可以達(dá)到25~50MW的單機(jī)容量。如果做到單機(jī)百兆瓦級別，可以選擇角接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在目前技術(shù)條件下，可以在工程上實現(xiàn)單機(jī)100MW/200MWh的儲能單機(jī)容量。
儲能系統(tǒng)控制模式采用模擬同步機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子特性以及抑制寬頻振蕩控制模式，來對系統(tǒng)進(jìn)行快速的穩(wěn)定控制以及系統(tǒng)寬頻振蕩抑制。
在系統(tǒng)變流模塊和電池pack設(shè)計中，冷卻方式采用全液冷的模式。因為大容量構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)，整體發(fā)熱量非常大，從電池簇到PCS全部采用全液冷模式，而且整個系統(tǒng)里做了很大的冗余。從電池模組冷板內(nèi)部流道和PCS電力電子元件均流散熱，以及系統(tǒng)流體管道設(shè)計上都做了嚴(yán)格的設(shè)計和仿真，能達(dá)到最佳散熱模式。
具體的系統(tǒng)方案：把原來低壓并聯(lián)的多個電池簇進(jìn)行人為解耦，每一個電池簇對應(yīng)一個單相的PCS單元。當(dāng)前成熟的高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)單機(jī)容量可以做到25MW/50MWh。這樣的系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了很多，我們在國內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)了超過1GWh的35kV高壓直掛儲能電站。更大容量的儲能單機(jī)，可以采用更高直流電壓的電池簇，而且IGBT模塊進(jìn)行多組并聯(lián)后可以把功率做到100MW、200MWh的等級。
下圖這是高壓級聯(lián)全液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由液冷機(jī)組以及高壓級聯(lián)PCS模塊和液冷電池模塊組成電池簇。電池簇最下方是PCS，PCS代替了原來高壓盒的位置。圖的下方是單機(jī)100MWh的系統(tǒng)布置，由一臺并網(wǎng)控制艙加上三相功率換流鏈組成。。
下圖是一個儲能系統(tǒng)在現(xiàn)場的布置，可以由現(xiàn)場升壓站的高壓開關(guān)柜連接到并網(wǎng)控制艙，從并網(wǎng)控制艙連接到35kV三相換流鏈。圖中展示的是25MW、50MWh時的單機(jī)。三套這樣的單機(jī)可以組成150MWh的儲能電站，由三套單機(jī)組成，容量更大的電站可以由更多單機(jī)擴(kuò)展得到。儲能整站的單機(jī)臺套數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的2.5MW PCS單機(jī)組成系統(tǒng)的臺套數(shù)。
高壓級聯(lián)系統(tǒng)的突出優(yōu)勢是響應(yīng)速度非常快，從零功率運(yùn)行到滿功率充電轉(zhuǎn)換時間只需要2.5ms左右，從滿功率充電到滿功率放電大約也在2ms左右。在進(jìn)行各種構(gòu)網(wǎng)型控制方面，就具有非常快的響應(yīng)速度。單機(jī)響應(yīng)與全站響應(yīng)時間基本相等。假如一個100MW、200MWh的儲能電站只有兩套50MW單機(jī)，控制可以從EMS直接連通到PCS的控制，響應(yīng)非?？?。而傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)，假如采用2.5MW或者1.25MW的PCS，100MW的系統(tǒng)里會有幾十臺單機(jī)。幾十臺單機(jī)的控制要從EMS到區(qū)域控制器、協(xié)調(diào)控制器，最后再一級一級下發(fā)到PCS上。響應(yīng)時間會拖得很長，全站響應(yīng)時間會超過100-200ms。很多電力系統(tǒng)的故障過程也只有100-200ms。如果響應(yīng)速度慢，還來不及全站進(jìn)行快速的功率輸出，這個故障可能就已經(jīng)結(jié)束了。要達(dá)到響應(yīng)速度快，達(dá)到真正的構(gòu)網(wǎng)應(yīng)用，還是需要單機(jī)大容量的系統(tǒng)。
單機(jī)百兆瓦級別的構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)：一是效率非常高，可以達(dá)到90%以上的轉(zhuǎn)換效率，二是運(yùn)行特性，可以在控制方式上模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，可以為電力系統(tǒng)提供頻率支撐、慣量支撐。對電網(wǎng)的支撐能力更強(qiáng)，控制難度實現(xiàn)更低。整個站只有幾套PCS系統(tǒng)，控制難度低，而且整站響應(yīng)非?？焖?，更符合電力系統(tǒng)對于構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)的快速響應(yīng)控制要求。
這樣的儲能系統(tǒng)可以應(yīng)用在多種場景下，比如大型發(fā)電廠的火儲聯(lián)合調(diào)頻，大型電網(wǎng)側(cè)獨立儲能電站以及其他工商業(yè)運(yùn)行應(yīng)用，都可以得到很多應(yīng)用場景。它的優(yōu)勢是高效、安全、構(gòu)網(wǎng)支撐能力強(qiáng)、系統(tǒng)簡化。
系統(tǒng)的典型應(yīng)用：第一套商業(yè)應(yīng)用的級聯(lián)高壓儲能系統(tǒng)是應(yīng)用在廣東五沙熱電的火儲調(diào)頻系統(tǒng)里。至今為止在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)以及用戶側(cè)已經(jīng)運(yùn)行了超過2GWH以上的系統(tǒng)。在電網(wǎng)系統(tǒng)、各大發(fā)電集團(tuán)，都得到大量應(yīng)用。
下圖是在新疆運(yùn)行的單機(jī)22.5MW/45MWh的35kV 級聯(lián)高壓儲能系統(tǒng)，，它的結(jié)構(gòu)非常類似于35kV SVG裝置，只是變流器直流側(cè)增加了電池簇，來對直流側(cè)進(jìn)行有功的支撐。該系統(tǒng)運(yùn)行效率也非常高，35kV側(cè)系統(tǒng)充放電效率可以達(dá)到90%以上。這是目前電化學(xué)儲能系統(tǒng)里效率最高的電池儲能系統(tǒng)。
我們在廣東清遠(yuǎn)投運(yùn)的清遠(yuǎn)清城站，是一個400MWh的電網(wǎng)側(cè)獨立儲能電站，主要承擔(dān)廣東電網(wǎng)的新能源消納、及電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)。目前主要運(yùn)行在調(diào)頻工況下。該站運(yùn)行在調(diào)頻模式下，每天的充放累計超過3個循環(huán)，它是由全站10臺單機(jī)20MW/40MWh的儲能系統(tǒng)組成的大型儲能電站。
以上都是我們實現(xiàn)的一些大容量級聯(lián)高壓儲能系統(tǒng)案例（見PPT），像這樣的高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)可以做到單機(jī)功率大，電網(wǎng)支撐能力強(qiáng)。響應(yīng)速度特別快，響應(yīng)調(diào)控時間不超過5ms，通訊控制層級非常少。整個系統(tǒng)可以作為靜止調(diào)相機(jī)使用。系統(tǒng)容量可以設(shè)計到單機(jī)百兆瓦級別，可以具有儲能以及靜止調(diào)相機(jī)的功能，可以有效支持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
今天給大家介紹的內(nèi)容就到這里，感謝大家的聆聽！
