陳昆燦
(中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司,福州 350003)
近年來, 國內(nèi)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目越來越多,根據(jù)國網(wǎng)公司2019年1 號文件,年度首位重點(diǎn)工作是推動(dòng)電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合, 著力構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)。 承載電力流的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)與承載數(shù)據(jù)流的泛在電力物聯(lián)網(wǎng),相輔相成、融合發(fā)展,形成強(qiáng)大的價(jià)值創(chuàng)造平臺,共同構(gòu)成能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流“三流合一”的能源互聯(lián)網(wǎng)。由此,國網(wǎng)公司進(jìn)一步提出了變電站、充換電站(儲(chǔ)能站)和數(shù)據(jù)中心站“三站合一”的實(shí)施方案。 儲(chǔ)能作為其中一項(xiàng)主要業(yè)務(wù),不僅可以保證數(shù)據(jù)中心供電可靠性,還可以起到電網(wǎng)削峰填谷等作用。
目前電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目應(yīng)用剛剛起步, 國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還未頒布相關(guān)的規(guī)模配置原則, 本文基于統(tǒng)計(jì)方法,對電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能站的充放電功率、充放電時(shí)間等規(guī)模配置進(jìn)行分析測算, 以便為后續(xù)三站合一項(xiàng)目儲(chǔ)能規(guī)模選擇提供參考。
目前我國電化學(xué)儲(chǔ)能電池較為主流的技術(shù)路線有鉛酸/鉛碳電池、鋰離子電池、液流電池等[1-2],各電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有不同的特點(diǎn),具體如下:
鉛酸/鉛碳電池:技術(shù)成熟,使用安全穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便。 但該類電池突出缺點(diǎn)是能量密度低,深度、快速、大功率放電時(shí),可用容量下降[3-4]。
鋰離子電池:充放電效率高,能量密度高,循環(huán)壽命較好。但鋰離子電池生產(chǎn)成本較高、不耐過充過放、安全性需進(jìn)一步提高。
液流電池:具有循環(huán)壽命長、充放電特性良好、電池荷電狀態(tài)準(zhǔn)確可控等優(yōu)勢。 但是液流電池儲(chǔ)能密度偏低, 導(dǎo)致體積很大, 另外電池系統(tǒng)增加的管道、泵、閥、換熱器等輔助部件也一定程度上影響其可靠性。
可見,鋰離子電池(特別是磷酸鐵鋰電池)在能量密度、充放電次數(shù)方面優(yōu)勢較為明顯,更能符合電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能需求。 液流電池循環(huán)壽命長,但占地大,目前國內(nèi)主要應(yīng)用在北方地區(qū)(如在建的大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站)。
2018年以來,我國在電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目(含分布式、集中式)驟然爆發(fā),其中,至2018年底江蘇、河南兩省已建的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)模達(dá)到201.8 MW/327.8 MW·h(電池均采用磷酸鐵鋰電池),2019年湖南長沙、江蘇南京、福建泉州等地也已陸續(xù)開工建設(shè)百兆瓦級電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目。 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能正從技術(shù)角度出發(fā),尋求市場化商業(yè)價(jià)值,電網(wǎng)側(cè)也勢必會(huì)在未來一段時(shí)間內(nèi)成為我國儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域[5-6]。
電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能站的一個(gè)主要作用是削峰填谷,并希望它達(dá)到的理想效果是將變電站波動(dòng)的負(fù)荷曲線調(diào)整成一條幾近平穩(wěn)的負(fù)荷曲線, 本文電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模研究主要基于以下基本前提:
1)僅針對存在下網(wǎng)負(fù)荷(或少量上網(wǎng)負(fù)荷)的變電站。
2)變電站最高負(fù)載率在60%以上,在削峰填谷的同時(shí),也一定程度上減輕了變壓器降壓壓力。
3)變電站負(fù)荷特性曲線應(yīng)與所在省市負(fù)荷曲線一致或近似一致。
4)儲(chǔ)能電站考慮采用磷酸鐵鋰電池,系統(tǒng)充放電轉(zhuǎn)換效率按90%。
5)儲(chǔ)能系統(tǒng)考慮接入變電站10 kV 及以下電壓等級。
6)現(xiàn)階段大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能還處于示范階段。
本文從儲(chǔ)能規(guī)模的利用率以及最大限度滿足電網(wǎng)側(cè)需求兩個(gè)角度出發(fā),考慮了3 種儲(chǔ)能規(guī)模(包括能量、功率規(guī)模)配置原則。
3.1.1 能量配置原則一
1)統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)(一年365 天)的逐日每一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段的功率高于(或低于)當(dāng)天平均功率得到正功率差(或負(fù)功率差),并結(jié)合該功率差所持續(xù)的時(shí)間段,計(jì)算得出該時(shí)間段的可放電(或可充電)能量,進(jìn)而累加得出當(dāng)天總的可放電(或可充電)能量,本文以下簡稱“能量偏差”。
2)設(shè)定連續(xù)若干個(gè)能量偏差區(qū)間,計(jì)算在各區(qū)間的概率分布。
3)選擇能量偏差區(qū)間概率較大對應(yīng)的平均能量偏差作為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量配置依據(jù)。
3.1.2 能量配置原則二
1)統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)(一年365 天)的逐日能量偏差。
2)統(tǒng)計(jì)大于等于某一充/放電能量的總概率K能量。
3)選擇一定的 K能量值、對應(yīng)的充/放電能量(計(jì)及充放電轉(zhuǎn)換效率)作為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量配置依據(jù)。考慮到目前大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)還處于發(fā)展階段, 大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、 安全性等問題還有待進(jìn)一步驗(yàn)證,K能量值按 90%以上選取。
3.1.3 能量配置原則三
1)統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)(一年365 天)的逐日能量偏差。
2)求每日能量偏差的中心值(均值)和標(biāo)準(zhǔn)差。
3)根據(jù)正態(tài)分布的“3σ”原則,把每日的能量偏差看作隨機(jī)變量,把區(qū)間(μ-3σ,μ+3σ)看作是隨機(jī)變量實(shí)際可能的取值區(qū)間, 進(jìn)而作為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量配置依據(jù)。
3.2.1 功率配置原則一
1)統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)(一年365 天)的逐日最高/最低負(fù)荷與當(dāng)日平均負(fù)荷之差的最大值MAX(Pmax-Pave,Pave-Pmin),本文以下簡稱“負(fù)荷偏差”。
2)設(shè)定連續(xù)若干個(gè)負(fù)荷偏差區(qū)間,計(jì)算在各區(qū)間的概率分布。
3)選擇負(fù)荷偏差區(qū)間概率較大對應(yīng)的平均負(fù)荷偏差作為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置依據(jù)。
3.2.2 功率配置原則二
1)統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)(一年365 天)的逐日負(fù)荷偏差。
2)統(tǒng)計(jì)大于等于某一負(fù)荷偏差的概率K功率。
3) 選擇一定的K功率值對應(yīng)的負(fù)荷偏差作為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置依據(jù)。 考慮到目前大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)還處于發(fā)展階段,大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性等問題還有待進(jìn)一步驗(yàn)證[7],K功率值按 90%以上選取。
3.2.3 功率配置原則三
1)統(tǒng)計(jì)全部天數(shù)(一年365 天)的逐日負(fù)荷偏差。
2)求每日負(fù)荷偏差的中心值(均值)和標(biāo)準(zhǔn)差。
3)根據(jù)正態(tài)分布的“3σ”原則,把每日的負(fù)荷偏差看作隨機(jī)變量,把區(qū)間(μ-3σ,μ+3σ)看作是隨機(jī)變量實(shí)際可能的取值區(qū)間, 進(jìn)而作為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置依據(jù)[8]。
配置原則一、 二主要是從儲(chǔ)能規(guī)模的利用率方面考慮, 配置原則三則從最大限度滿足電網(wǎng)側(cè)需求面考慮。
結(jié)合 《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源〔2017〕1701 號)提出的“十三五”期間儲(chǔ)能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡,“十四五” 期間儲(chǔ)能項(xiàng)目廣泛應(yīng)用, 實(shí)現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?;l(fā)展轉(zhuǎn)變,考慮到目前儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展成熟度,建議近期儲(chǔ)能規(guī)模配置宜采用原則一、二,中遠(yuǎn)期在占地等條件允許下儲(chǔ)能規(guī)模配置可按原則三預(yù)留。
本文選取某省南部地區(qū)部分最高負(fù)載率大于60%的10 座典型220kV 變電站,按照上一節(jié)提出 3 種配置原則,分別測算各變電站配置儲(chǔ)能規(guī)模,包括能量規(guī)模、功率規(guī)模以及充放電時(shí)間,測算結(jié)果如表1所示。
經(jīng)測算,各原則下,各變電站儲(chǔ)能能量配置結(jié)果為:
1)按配置原則一,各變電站儲(chǔ)能能量配置規(guī)模主要集中在100~500 MW·h,占所在變電站日最高用電量的2%~10%,均值約5%。
2)按配置原則二,K能量值取90%,各變電站儲(chǔ)能能量配置規(guī)模主要集中在100~300 MW·h,占所在變電站日最高用電量的2%~5%,均值約4%。
3)按配置原則三,各變電站儲(chǔ)能能量配置規(guī)模主要集中在250~900 MW·h,占所在變電站日最高用電量的7%~14%,均值約10%。
經(jīng)測算,各原則下,各變電站儲(chǔ)能功率配置結(jié)果為:
1)按配置原則一,各變電站儲(chǔ)能功率配置規(guī)模主要集中在20~70 MW,占所在變電站年最高負(fù)荷的12%~21%,均值約17%。
2)按配置原則二,K功率值取90%,各變電站儲(chǔ)能功率配置規(guī)模主要集中在15~45 MW,占所在變電站年最高負(fù)荷的8%~15%,均值約12%。
3)按配置原則三,各變電站儲(chǔ)能功率配置規(guī)模主要集中在40~120 MW, 占所在變電站年最高負(fù)荷的22%~41%,均值約30%。
經(jīng)測算,各原則下,各變電站儲(chǔ)能充放電時(shí)間結(jié)果為:
1)按配置原則一,各變電站儲(chǔ)能充放電時(shí)間在3~10 h。
2)按配置原則二,各變電站儲(chǔ)能充放電時(shí)間在6~7 h。
3)按配置原則三,各變電站儲(chǔ)能充放電時(shí)間在5~8 h。
考慮到大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)還處于示范階段, 現(xiàn)階段儲(chǔ)能功率建議取所在變電站最高負(fù)荷的12%左右,并結(jié)合國內(nèi)儲(chǔ)能電池參數(shù)情況,為節(jié)省投資,充放電時(shí)間建議取3~4 h。隨著大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的提升和應(yīng)用的成熟,在占地等條件具備情況下,遠(yuǎn)期規(guī)??砂此谧冸娬咀罡哓?fù)荷的30%左右預(yù)留, 充放電時(shí)間仍建議取3~4 h。
表1 各配置原則下的變電站配置儲(chǔ)能規(guī)模匯總
另外,為節(jié)省占地及投資成本,本文電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站建議通過10 kV 及以下電壓等級接入,若220 kV變電站站址周邊位置、間隔等受限,也可考慮分散接入其供電的110 kV 變電站10 kV 側(cè)。
針對用于削峰填谷的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站, 本文提出3 種規(guī)模配置原則, 通過舉例分析多個(gè)變電站負(fù)荷數(shù)據(jù),得出了電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模(包括能量、功率、充放電時(shí)間)與所在變電站負(fù)荷、電量的關(guān)聯(lián)性,并提出本期、遠(yuǎn)景電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站規(guī)模的選取辦法。
本文旨在提出電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模配置的思路與方法,由于不同地方、不同用電性質(zhì)等的負(fù)荷曲線特性指標(biāo)不太一樣, 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能規(guī)模仍需結(jié)合具體地區(qū)變電站進(jìn)一步分析后確定。