2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲能大會在蘇州香格里拉酒店圓滿召開，超過1400位國內(nèi)外嘉賓到場參會。大會共邀請140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產(chǎn)業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會最具價值的聲音。
大會期間，深圳市科陸電子科技股份有限公司技術(shù)總工阮海明在“儲能電站暨微電網(wǎng)專場”，以《大型儲能電廠價值功能探索》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內(nèi)容發(fā)布，以饗讀者。
深圳市科陸電子科技股份有限公司技術(shù)總工 阮海明
阮海明：各位領(lǐng)導(dǎo)，各位技術(shù)專家，各位同仁，各位關(guān)注儲能的同仁們，下午好。我今天給大家講一下儲能在大型的儲能電廠的價值探索。
今天的議題有四個，由于儲能是多能協(xié)同的核心，可以為電網(wǎng)提供安全性和充裕性，我們今天的主題是要講如何提供安全性與充裕性，因為大家可能一直忽略這個問題，這個問題被認(rèn)為是電力里面最后的一個難題。
第二個問題講電池電壓的支撐能力，以及黑啟動能力，以及儲能電廠的全控能力。我們看第一個，儲能電廠AGC的詳解。我們回顧一下從去年的大會上，我跟大家介紹過，儲能在電力的每一個環(huán)節(jié)，都有具體的應(yīng)用，在輸電配電以及用電，各種各樣的應(yīng)用大概有幾十種。盡管現(xiàn)在我們發(fā)電側(cè)已經(jīng)開始啟動了，十幾億的市場，也有國家政策的支持，大家還是認(rèn)為在一個臨界點。我們看自動發(fā)電控制是一個什么意思呢？是發(fā)電機(jī)組在規(guī)定的處理調(diào)整范圍內(nèi)跟蹤電力調(diào)度指令，按照一定的速率進(jìn)行發(fā)電，它涉及到幾個方面，一個是網(wǎng)調(diào)的中心，它的調(diào)度規(guī)則是由兩個文件支持的，一個是華北電網(wǎng)的兩個細(xì)則，在去年出來一個164號文件，上午領(lǐng)導(dǎo)也提到了，這里明確的規(guī)定了電儲能參與調(diào)頻電力的合法地位，與它配套的還有一些鼓勵文件，這些文件也是支撐了目前的發(fā)電的AGC調(diào)頻的市場。
我們以20兆瓦的AGC系統(tǒng)為例來看這個系統(tǒng)的架構(gòu)，從電池以及逆變器上到10千伏，然后上到廠用的母線，然后再上到電網(wǎng)的調(diào)度中心里面去，在這里主要的是電網(wǎng)對電網(wǎng)的機(jī)組有一個指令線，再到電廠里面對儲能系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合分配。
這中間有哪些關(guān)鍵東西要去做呢？作為電廠的調(diào)頻，它有這么四個參數(shù)，第一個是調(diào)節(jié)速率，它要能跟的上，第二個是調(diào)節(jié)精度要能夠跟的上，這是它的個指標(biāo)。這些指標(biāo)原來在電廠的AGC調(diào)頻里面，是極其嚴(yán)厲的一些指標(biāo)，對現(xiàn)行的發(fā)電能力來說非常嚴(yán)厲的。這幾個指標(biāo)的具體計算和解釋權(quán)都是歸電網(wǎng)公司的，他計算的比較復(fù)雜。它是每一天的各次調(diào)節(jié)和平均值，乘上調(diào)節(jié)深度，以及這樣的一個公式計算出來的，核心的四個指標(biāo)都在里面有了。我們說一個具體的過程，這個藍(lán)顏色的線，經(jīng)常上面要你調(diào)，實際的能力是綠顏色的線，你讓它馬上調(diào)到很高，比如它調(diào)20多兆瓦，這么短的時間調(diào)上去是調(diào)不上取得，它是一個緩慢上升的過程。儲能調(diào)節(jié)能夠使它比較快的上去。它是怎么來核算的呢？在T0這個點接收到指令以后開始啟動，因為火電的啟動比較慢。在網(wǎng)調(diào)里面有嚴(yán)格的計算，你跨出來了才算起步了，到這里進(jìn)入它的調(diào)節(jié)時區(qū)，才算你達(dá)標(biāo)了，沒達(dá)到這個之前是不會跟你算錢的。它這樣一過來之后，傳統(tǒng)的這么幾個點就下去了。我們看加上儲能之后，我們就會把這個點大大提前。對于普通的發(fā)電廠，如果他加了儲能的調(diào)頻系統(tǒng)，那它就從一個劣等生一下變成優(yōu)等生，在電網(wǎng)的評價體系里面。歐美各國成功的經(jīng)驗表明，儲能系統(tǒng)具有有效改善電網(wǎng)AGC調(diào)頻的整體控制效率和經(jīng)濟(jì)性，在一定的AGC市場機(jī)制下，以提供AGC服務(wù)為目的的儲能電站通過合理選擇儲能系統(tǒng)的技術(shù)類型、功率和容量等參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)儲能的純商業(yè)化運(yùn)營。它不需要任何的補(bǔ)貼，但是它需要地位的認(rèn)可，需要政府給它一個正規(guī)的地位。
我們剛才說了164號文件就給了它一個地位，所以這個過程我們覺得，這個市場的爆發(fā)還是會很快的。
火電機(jī)組60%的補(bǔ)償費用來自于AGC調(diào)頻，我們按國家1500GW的總裝機(jī)容量來看的話，按1%到5%的調(diào)節(jié)需求，大概就有3、5GW的調(diào)頻需求。
再講第二個儲能電廠的電壓支撐功能。
這里我們要和大家講一些比較枯燥的東西，200多年，100多年以來，當(dāng)時特斯拉跟愛迪生分別發(fā)明了直流電與交流電，后來交流發(fā)電發(fā)起來了要歸功于同步發(fā)電機(jī)的機(jī)制，因為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)制在供需瞬間平衡下能保持電網(wǎng)電壓與頻率的穩(wěn)定。因為電網(wǎng)是一個發(fā)多少用多少，每時每刻每個毫秒都要精確平衡的一個體系，原來它是剛性的，沒有緩沖能力的。原來一兩百年我們的交流電網(wǎng)為什么用的那么好呢？就是因為同步發(fā)電原理。愛迪生的這個機(jī)制優(yōu)于特斯拉當(dāng)年的直流平衡機(jī)制，所以各種各樣的電廠就能夠組網(wǎng)組起來，能夠建成一個大電網(wǎng)。我們看火電發(fā)電廠有這個很龐大的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電也有這個，那我們未來的光伏它有沒有呢？風(fēng)電它有沒有呢？它是由變電器過來的，它目前根本就沒有這個機(jī)制。大家說可再生能源多了之后，這個電網(wǎng)要進(jìn)行消納，有個消納能力的問題，大家現(xiàn)在說棄風(fēng)、棄光就是因為消納的原因，歸根到底就是因為這個原因。
同步發(fā)電機(jī)仔細(xì)研究一下，它其實有五大基本特征，它有空載特性，有短路特性，有負(fù)載特性，有外特性，以及調(diào)整特性。它每一個特性都是它天然的、固有的，由同步發(fā)電機(jī)的物理機(jī)制以及機(jī)械聯(lián)動機(jī)制決定的，這邊的三個特性，我們統(tǒng)稱為基本特性，用于確定發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，大家在驗收發(fā)電廠的時候，都會考察這些特性，看它好不好。運(yùn)行特性用于確定發(fā)電機(jī)的電壓變化率，以及額定勵磁電流。我們把這個平衡的能力歸結(jié)為一個下垂特性和轉(zhuǎn)動慣量的特性。我們得出了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的微分的動力方程，它這里有三種模式，這三種模式里面都有相應(yīng)的下垂特性，它的下垂特性有相位功率，頻率功率，電壓無功，最后這個值里面，前面是個負(fù)號，它自己有一個天然的負(fù)反饋在里面，只要你這個負(fù)載增大了，轉(zhuǎn)速就會調(diào)整，調(diào)整頻率就會穩(wěn)定，所以這樣一個過程決定了我們同步發(fā)電機(jī)能夠在200多年來支持大家一直用的很好。
電壓支撐這里，現(xiàn)今城市的節(jié)能減排，防止霧霾的大政策環(huán)境下，越來越多的城市將電源點遷出了城市，城市內(nèi)的電網(wǎng)平衡日趨嚴(yán)峻。隨著城市的用電量日趨增大，城市區(qū)域內(nèi)的變電設(shè)備總?cè)萘颗c對應(yīng)總符合的比值——容載比持續(xù)降低，這也對用電的可靠性構(gòu)成了挑戰(zhàn)。
儲能系統(tǒng)利用其四象限的全能處理以及下垂控制的功能，可以在不同的電網(wǎng)阻抗下，按照電網(wǎng)阻抗比向電網(wǎng)注入有功和無功勞必須，達(dá)到最好的電壓支撐效果。所以以后分布式的儲能也好，集中式的儲能也好，如果它參與了電網(wǎng)的一些統(tǒng)一的行動，以及相應(yīng)的這些感知，那么它會是很好的電壓的支撐。
第三講一下儲能電廠的黑啟動功能對電網(wǎng)的價值。現(xiàn)在的大停電很少，但是以前的大停電還是相當(dāng)恐怖的，一個很大的城市突然沒有電，現(xiàn)在的社會離開了電，整個城市全部癱瘓。電力系統(tǒng)在設(shè)計網(wǎng)架框架的時候一定會考慮黑啟動的功能，傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃的黑啟動，一般都是用水力發(fā)電的機(jī)組來做的，目前電網(wǎng)的黑啟動整個的恢復(fù)過程有三部分，黑啟動，網(wǎng)架重構(gòu)以及負(fù)荷恢復(fù)。以前取代的電源它是以抽水的方式來做的，但是現(xiàn)在在大城市以及資源緊缺的情況下，抽水的蓄能電站或者水電越來越困難了，越來越遠(yuǎn)離中心的城市，所以要解決電網(wǎng)真正的可靠性，大型的儲能，應(yīng)該會是一個趨勢。因為在一塊不大的地方，我們就可以建功率能量很大的儲能電站，它對這個城市黑啟動有很積極的意義。
在大停電發(fā)生后沒有其他的電源，比如說只有一個儲能或者是抽水蓄能的電站，這種情況下儲能要快速的啟動，必須要能夠找到有效的方法，就是利用儲能系統(tǒng)優(yōu)先啟動，其電氣距離較近、啟動性能較好的火電機(jī)組，替代水電機(jī)組完成后續(xù)恢復(fù)工作，它能啟動一個規(guī)模不大的電廠，這個電廠一啟動再去啟動別的電廠。整個電網(wǎng)恢復(fù)就可以自動的進(jìn)行了，我們看越來越多的就會起來，整個網(wǎng)架就可以重構(gòu)起來。黑啟動的第一發(fā)，原始的這個是非常重要的。
第四，我們講一下儲能群控以及穩(wěn)定性的分析問題。這個也是儲能技術(shù)未來發(fā)展的最核心的問題，和真正解決電力電網(wǎng)的痛點，以及電網(wǎng)的一個需求。黑啟動的整個過程中，有電網(wǎng)設(shè)備的勵磁沖擊是相當(dāng)嚴(yán)重的，在能系統(tǒng)里面如何來實現(xiàn)。這不是簡單的一句話能解決的。
我們認(rèn)為儲能要實現(xiàn)比較大規(guī)模的群控，一定要實現(xiàn)這樣一個公式，它所有的特征在F（N+1）的時候要等于f（N）+f（1）的特征迭代，因為主流的PCS只有20兆瓦，那么要組成一個20兆瓦到200兆瓦的儲能電廠必須要發(fā)展系統(tǒng)的群控技術(shù)。只有儲能電廠超越傳統(tǒng)電廠的基本功能，齊家治才能得到彰顯，它的市場才能得到蓬勃的發(fā)展。我們把這些核心的東西歸結(jié)為這樣幾種，我用儲能功能做出來的系統(tǒng)要比傳統(tǒng)的更優(yōu)，更適合于電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，就達(dá)到了真正的電網(wǎng)的調(diào)配能力，以及它所說的儲能的穩(wěn)定劑也好，優(yōu)化劑也好，也能做到這一部分。
這中間我們還提出了一個虛擬時間常數(shù)的特征，這就是它系統(tǒng)的主力特征。
這個慣性時間常數(shù)是一個什么概念呢？我們做了一個方針，在一個很大區(qū)域的電網(wǎng)里面，比如說做一個400兆瓦的電網(wǎng)突然脫網(wǎng)，脫網(wǎng)了之后它會引起電網(wǎng)頻率的波動，我們對這個系統(tǒng)做仿真的時候做了時間常數(shù)，一個電廠的時間常數(shù)也就是十幾秒的規(guī)模，儲能能夠模擬出的時間常數(shù)就可以很大，因為相對來說它的轉(zhuǎn)換的能量也就是一個兆瓦時的規(guī)模，儲能要實現(xiàn)這個規(guī)模的話是不那么難的。實現(xiàn)常數(shù)越大，它電網(wǎng)的穩(wěn)定性就越好。綠色的線表示如果我們有三個時間常數(shù)，我突然丟掉一個400兆瓦的發(fā)電電源，它的波動反而不是那么大，很快就平穩(wěn)下來了。慣性時間常數(shù)越大，頻率的振福就越小，進(jìn)入穩(wěn)定時間就越短。我這個系統(tǒng)做的越分布，它的時間常數(shù)的累加，對于這個網(wǎng)的穩(wěn)定會越好。
這是我們目前主打的一個產(chǎn)品，是一個4×0.5的群控系統(tǒng)，裝在一個集裝箱內(nèi)，實現(xiàn)了很優(yōu)異的下垂控制特性，具有99%的深度，也支持三相100%的不平衡帶載運(yùn)行。右邊有一些主要的指標(biāo)，它的輸出直接是10千伏，這個是兩兆瓦的系統(tǒng)，你可以把它放在一個單的兩兆瓦的逆變器來使用，它等效的轉(zhuǎn)功動能在0.5兆瓦時，等效的轉(zhuǎn)動慣量在2.1噸/平方米，轉(zhuǎn)動時間常數(shù)在10秒，這樣的系統(tǒng)如果說我20兆瓦那就是10倍，10倍的轉(zhuǎn)動慣量也很可觀了，在可再生能源的并網(wǎng)方面，就能大大的增加它并網(wǎng)的比例。而且這個系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了線性的f（N+1）=f（N）+f（1）的這個特性迭代。在N臺PCS的實現(xiàn)勵磁電流精確的均分，共同承擔(dān)一些硬沖擊。每增加一個過來的時候，它能均等的分?jǐn)?，包括那個斜坡都能均等的分?jǐn)偅覀兛吹竭@個時間，這樣一個系統(tǒng)在離網(wǎng)和并網(wǎng)的系統(tǒng)里面都是相當(dāng)好的，我們看這個曲線，第N個是這樣的，我增加一個的時候，你看它的斜坡相應(yīng)，每個細(xì)節(jié)都會重合上去，這就證明我這個系統(tǒng)是可以無限擴(kuò)充的，可以證明它的這些特性。這樣的話我用這個系統(tǒng)來組更大規(guī)模的儲能電站就相當(dāng)?shù)挠袃?yōu)勢。這是我們已經(jīng)建成的一個9兆瓦的AGC的儲能系統(tǒng)，在某電廠里面。
儲能電站系統(tǒng)里面，作為電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，儲能電廠規(guī)模會越來越大，放到電網(wǎng)里面會關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行，應(yīng)該有完整的工程驗收、交付體系。這里又可以參考的常規(guī)電廠標(biāo)準(zhǔn)，像DLT5437《火力發(fā)電建設(shè)工程啟動試運(yùn)及驗收規(guī)程》，這個里面對發(fā)電廠建成的技術(shù)參數(shù)、指標(biāo)，以及在電網(wǎng)的地位有嚴(yán)格的驗收標(biāo)準(zhǔn)，因為電力是相當(dāng)嚴(yán)格的。首先這個系統(tǒng)建成要有168小時的滿負(fù)荷試運(yùn)以及各種的測試，所以電網(wǎng)里面的系統(tǒng)以及設(shè)備都是相當(dāng)嚴(yán)肅，要求相當(dāng)高的，我們國家的這些電廠的運(yùn)行效率，水平，在世界上都是達(dá)到一流的水平。你像華能的很多電廠，其他國家遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到他們運(yùn)行的水平，包括他們的能效各方面。所以這些東西如果我們國家的儲能電站的發(fā)展，也有這些標(biāo)準(zhǔn)以及體系來支撐的話，我想我們國家的儲能在世界上應(yīng)該會走的后來居上。
作者簡介：
阮海明，國家能源局可再生能源規(guī)?；瘍δ懿⒕W(wǎng)工程實驗室首席科學(xué)家，深圳市科陸電子科技股份有限公司技術(shù)總工，科陸電子儲能事業(yè)部首席技術(shù)官。