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中能建浙江院斯林军:大型储能电站设计案例和关键要素

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2021-06-08 浏览:次
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中国储能网讯:5月24日,由中国化学与物理电源行业协会主办,200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。此次大会主题是“坚守储能安全底线,推动产业创新发展”。来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的718家产业链企业,1952位嘉宾参加了本届大会,其中88家企业展示了储能产品。

在5月25日下午的“ 储能电站规划与设计”专场,中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司设计总工程师斯林军分享了主题报告《大型储能电站设计案例和关键要素》。经演讲人本人授权同意,小编整理了演讲速记,并将速记内容分享如下:

斯林军:我的汇报主要分四方面:储能发展前景,储能电站案例,储能安全性问题,工程设计要点。

在“双碳”宏伟目标确定以后,储能将迎来一个大发展,未来能源的结构肯定是不同于现在这种传统的电力系统结构。国家现在新的能源战略,就是构建以新能源为主体的新型电力系统。未来的能源结构,我们觉得应该是洁能+储能+智能“三能”结合的能源结构。储能是我们未来能源低碳化、清洁化、智能化的基础,是能源变革和能源调整的关键要素,所以说储能未来可期。

储能在我们电力系统里的作用,是无处不在,现在也被喻为第五大要素。未来电力系统的特点是高比例、高弹性、数字化,储能就相当于为我们的电力系统引入了一个时间、空间的要素,必将改变电能的生产、输送和消费同步完成的传统模式,能够实现对电能潮流的双向流动,使我们电网更具有柔性,提高了能源的利用效率,所以它才会喻为电力系统的第五大要素。

这是我们归纳的储能主要应用场景,主要是从电网侧角度出发,所以有一些小的方面也没有归纳,我们觉得总共可以有10个方面。储能无论是电源侧、电网侧还是用户侧,归根到底就是电网侧,最终它就是为电网服务的。

第二部分,储能电站案例。

我分三方面介绍一下我们做的储能案例:第一个案例,用户侧。这个电站是2017年在江苏设计的,5MW/40MWh,铅炭电池系统,双层集装箱的设计,包括40个电池集装箱,2个PCS集装箱和1个集控箱。

第二个案例(电网侧),是在青海格尔木做的美满闵行储能电站,它是国内首个市场化运营电网侧共享储能电站。一期采用32MW/64MWh的磷酸铁锂电池,接受省调度和青海省大数据中心的撮合交易,通过共享方式为光伏企业提供调峰辅助服务,增加光伏消纳和送出。对于储能电站投资方来说,拥有一个比较稳定的商业模式,每天都可以取得一定比例的分成,解决了回报的问题;对青海省电网来说,不需要出一分钱,通过它的凑合交易,反而是有一部分服务收入,就解决了原来最头疼的消纳和送出受阻的问题。

第三个案例,广东红海湾火储联合调频储能。两台660MW机组配套20MW/10MWh储能系统,由10个储能单元组成,采用一拖二形式接入厂用系统。储能系统通过跟踪AGC指令与机组出力,自动补偿机组出力偏差,实现整体AGC快速、精确、调节,响应时间短,调节速率快,精度高。日中标里程达15000MW,交直交能量效率达到88%,所以说每天的收入还是非常可观的。

第四个案例,独立集中式储能。利用电厂退役机组场地、既有线路和设施,建设一座独立电化学储能电站,规模是100MW/200MWh。相当于负荷中心的“抽水蓄能”电站,通过参与发电辅助服务市场,主要为电网提供调峰、调频、调相、备用和需求侧响应等多种电力辅助服务。大家可能也知道,前两天浙江省刚刚发布了一个征求意见稿,也是为第三方储能打开了参与传统发电辅助服务市场的一条道路。这个(独立储能)项目前期一直和能源局沟通,是一个(独立储能电站参与发电辅助服务市场)的敲门砖项目。另外,当时这个项目为什么设计是2小时的容量?额定2小时,真正装机量(却)达1.25倍,实实在在(要求)放出2小时电量。因为从浙江电网或者说从全国电网的典型日负荷曲线来说,午间2小时是最难过去的。特别是天气好的时候,光伏更是大发,这时候整个电网的调节能力是非常差的。还有一个特别提出来的,作为直流故障的紧急频率支撑。浙江省的外来电已达到了40%的份额,(发生)直流线路的单、双级闭锁故障,对整个电网的频率紧急支撑是一个非常大的挑战。

第三部分,储能安全性问题。

随着储能成为我国的新能源战略的重要部分,我们储能的规模不会再像原来一样小打小闹,以后肯定是逐渐向百MW、GW级发展。现在许多能源集团、上市企业以及其它一些国资都开始进入了储能行业。从安全性来看,大家可能对这点也尤为关注。(看图1)北京大红门事件,火灾中甚至发生了爆炸。(图2)这是我们经历过的一个事故案例。事故后分析,起因并不是由电池引起的,而是调试的时候不小心正负极短路引起的火灾事故。(图3)这是一个调频项目事故现场,由于电路设置不合理,接触件老化引起短路,引发了事故。

从以上这些方面,我们可以看出锂电池热失控主要有三个因素:一是外部短路,二是外部高温,三是内部短路。从前面三个案例来说,基本上都是外部短路引起的事故,然后热扩散引起内部高温,(导致)整个系统事故的扩大。事故其实是有一个过程的,首先是防爆膜破裂,再是电解液喷出,最后是燃烧。这(些)是都有过程的,所以前面说大红门(爆炸)事件是毫无征兆发生的,我觉得是不可能的。所有事故都是由点到面,有一个过程。大多数电池火灾首先是内部短路引起的,热量对相邻的电池形成外部高温环境,引发相邻的热失控,导致整个PACK的连锁反应。我们也接触过一些储能事故,觉得许多储能事故(起因),许多时候并不是电池不安全,而是由于设计(缺陷)或者整个系统的架构不合理导致事故的扩大化。所以你说电池有没有危险?电池是肯定有一定的危险。但是你说电池的危险和我们的天然气、氢气哪个危险程度更大?那肯定是天然气或者氢气的危险性更大。但是为什么大家都不怕天然气或者氢气的使用,觉得(日常使用)是正常的,都是可以接受的。那是因为它已拥有一系列标准,有完整的系统设计,它可以把危险控制在可控的范围。我们的储能(项目)风险有没有?肯定有,但是我们只要把储能的风险控制在设计(范围)或者掌控范围之内,还是可以实现正常运行和建设。

第四部分,工程设计要点。

整个储能电站的系统非常简单,一个电池管理系统,再加上PCS(储能变流系统),然后是变配电系统,再加上能量管理系统,辅助的消防和暖通。

从要点上来说,我们首先要选用安全的电池。从电池比较来说,现在各种路线都很多,现在基本上90%以上都用的锂电池。在现有的技术、经济水平下,锂电池还是我们一个不二的选择。当然,也有其它选择,只要应用场景合适,任何电池都是可以得到很好的应用。磷酸铁锂电池本身的结构决定了它的稳定性和安全性,所以现在磷酸铁锂在(储能)电池技术里也是独占鳌头。

磷酸铁锂电池选型的要点,一是要符合标准,二是型式试验检测合格,三是相应的认证。比如说IEC、UN38.3等认证,都是可以作为电池选型里的比较标准。一个电站要安全,电池选型肯定要选好,因为在现在这种一味低价竞争的基础上,买的人没有卖的人精。如果是一味的低价,最后有可能你拿到的电池不一定是通过检测的(合格)电池。

我们觉得除了电池选型以外,其他还要考虑一下电池在模组以及簇结构设计上对防火性能的一些要求。首先,模组和PACK材料需要关注,应该采用耐火的材料。第二,模组和PACK之间应该留有(合理)间距,不能贴的太紧,这样对热管理非常不利。第三,我们要考虑导流和扰流问题。第四,电气柜的设计应该要按照电气柜绝缘和爬电距离(规范要求)设计。

我们觉得BMS十分重要,它是电池的保护神。BMS建议大家采用主动均衡策略。主动均衡以后,可以消除电池模组间的不一致性,提高电池循环次数和运行的安全性。主动均衡和被动均衡的BMS在价格上有10%-20%的差距,但是本身BMS(在整个系统中)占比很小,我觉得这点小钱还是要花的。

在常规三级架构基础上设置BMS数据管理后台,保障数据的采样精度、扫描周期和传输速率,充分挖掘BMS的检测数据,完善BMS的保护功能。同时,在BMS设计上,应该设置温度逐级报警和联锁保护。当温度超过60度的时候,应联锁系统停机,当温度持续升高,可能温度上升速率达到一定值的时候,进一步判断这个电池模组已经热失控,就可以提前预警,赢得处置时间,避免失控的扩大和蔓延。另外,BMS(系统本身)在设计和制造上一定要注意高安全性和高可靠性。

关于容量配置这块,常规把一个应用场景分为用户侧、发电侧和电网侧,其实这都不重要,关键我们要看我们用的到底是0.5C,1C还是2C(充放倍率),这才是与电池使用环境密切相关的。对电池(装机量)来说,我们所见并非所得。虽然我告诉你装了100MWh,但是实际上放出来的电量远远不到了这个值。我们在电量计算的时候,要综合考虑DOD、电池转化效率、PCS转换效率、升压变流效率、线路损耗和站用电损耗等(因素),这样才能避免电池运行在高于设定的倍率标准,确保设备的安全。

站房式储能电站,首先要模块化设置,提高建筑利用率,重点是合理布局、分割电池室和PCS室尺寸,它的难点在于建筑防火设计和消防设计。电池一般采用标准间设计,独立分区,满足防火分区的要求。PCS等变、升压设备要相对集中布置,尽量毗邻相应的电池室布置,以缩短电缆。电池室电缆应该考虑上出线和桥架方式。(同时)我们要充分考虑设备的检修和运输通道,结构设计的时候要考虑静荷载、均布的特点。

预制仓式储能电站这块,我就不多说了,大家要注意与附近的构筑物保持(足够)安全距离。

储能系统电气拓扑这块,我们觉得储能非常适合模块化设计。从簇到单元到堆(模块化设计),来保证电池运行的一致性,控制电池簇并联数量。前面也提到了:为什么出现高压级联的方式,为什么出现模块化PCS的方式,也就是因为这个问题(控制电池簇并联数量)。

在直流保护这块,我就不具体念了,大家注意看一下,大家要重视直流保护的设计。

消防这块,除了常规的火灾报警系统、气体灭火系统,我们也在里面设计了一个二次水喷淋的系统。因为电池着火以后,人员难以靠近,所以建议在电池区域上方设置喷淋头,手动接入外部水源,同时每个区域还要做好防水和排水的收集装置。

这是我们在北京做的一个预制舱簇级防护设计。

暖通这块,我就不具体进一步展开了,因为电池对暖通的设计要求是非常高的。

锂电池非常娇贵,可靠的热管理设计是达到设计寿命的基本保障。暖通设计不仅仅在于环境温度控制,还需要注意气流组织的优化和温度场的均匀分布。

暖通除了空调环境以外,还有通风这块,大家还要注意PCS、变压器(通风设计),一定要注意冷热风不能短路。另外,我们这个站房或者是集装箱,一定要考虑火灾以后关于事故后排风设计。在气体消防和水冷却系统动作后,防止气体聚集导致爆炸。

以上是我的汇报,谢谢大家!

关键字:储能电站

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