科陆电子阮海明：大型储能电厂价值功能探索

    2017年4月24-26日，第七届中国国际储能大会在苏州香格里拉酒店圆满召开，超过1400位国内外嘉宾到场参会。大会共邀请140余位行业专家与企业代表，围绕产业热点话题，发表了一系列精彩演讲，中国储能网将向读者传递本次大会最具价值的声音。

 

    大会期间，深圳市科陆电子科技股份有限公司技术总工阮海明在“储能电站暨微电网专场”，以《大型储能电厂价值功能探索》为题发表演讲，现将演讲主要内容发布，以飨读者。

 

    深圳市科陆电子科技股份有限公司技术总工  阮海明

 

    阮海明：各位领导，各位技术专家，各位同仁，各位关注储能的同仁们，下午好。我今天给大家讲一下储能在大型的储能电厂的价值探索。

 

    今天的议题有四个，由于储能是多能协同的核心，可以为电网提供安全性和充裕性，我们今天的主题是要讲如何提供安全性与充裕性，因为大家可能一直忽略这个问题，这个问题被认为是电力里面最后的一个难题。

 

    第二个问题讲电池电压的支撑能力，以及黑启动能力，以及储能电厂的全控能力。我们看第一个，储能电厂AGC的详解。我们回顾一下从去年的大会上，我跟大家介绍过，储能在电力的每一个环节，都有具体的应用，在输电配电以及用电，各种各样的应用大概有几十种。尽管现在我们发电侧已经开始启动了，十几亿的市场，也有国家政策的支持，大家还是认为在一个临界点。我们看自动发电控制是一个什么意思呢？是发电机组在规定的处理调整范围内跟踪电力调度指令，按照一定的速率进行发电，它涉及到几个方面，一个是网调的中心，它的调度规则是由两个文件支持的，一个是华北电网的两个细则，在去年出来一个164号文件，上午领导也提到了，这里明确的规定了电储能参与调频电力的合法地位，与它配套的还有一些鼓励文件，这些文件也是支撑了目前的发电的AGC调频的市场。

 

    我们以20兆瓦的AGC系统为例来看这个系统的架构，从电池以及逆变器上到10千伏，然后上到厂用的母线，然后再上到电网的调度中心里面去，在这里主要的是电网对电网的机组有一个指令线，再到电厂里面对储能系统进行联合分配。

 

    这中间有哪些关键东西要去做呢？作为电厂的调频，它有这么四个参数，第一个是调节速率，它要能跟的上，第二个是调节精度要能够跟的上，这是它的个指标。这些指标原来在电厂的AGC调频里面，是极其严厉的一些指标，对现行的发电能力来说非常严厉的。这几个指标的具体计算和解释权都是归电网公司的，他计算的比较复杂。它是每一天的各次调节和平均值，乘上调节深度，以及这样的一个公式计算出来的，核心的四个指标都在里面有了。我们说一个具体的过程，这个蓝颜色的线，经常上面要你调，实际的能力是绿颜色的线，你让它马上调到很高，比如它调20多兆瓦，这么短的时间调上去是调不上取得，它是一个缓慢上升的过程。储能调节能够使它比较快的上去。它是怎么来核算的呢？在T0这个点接收到指令以后开始启动，因为火电的启动比较慢。在网调里面有严格的计算，你跨出来了才算起步了，到这里进入它的调节时区，才算你达标了，没达到这个之前是不会跟你算钱的。它这样一过来之后，传统的这么几个点就下去了。我们看加上储能之后，我们就会把这个点大大提前。对于普通的发电厂，如果他加了储能的调频系统，那它就从一个劣等生一下变成优等生，在电网的评价体系里面。欧美各国成功的经验表明，储能系统具有有效改善电网AGC调频的整体控制效率和经济性，在一定的AGC市场机制下，以提供AGC服务为目的的储能电站通过合理选择储能系统的技术类型、功率和容量等参数，能够实现储能的纯商业化运营。它不需要任何的补贴，但是它需要地位的认可，需要政府给它一个正规的地位。

 

    我们刚才说了164号文件就给了它一个地位，所以这个过程我们觉得，这个市场的爆发还是会很快的。

 

    火电机组60%的补偿费用来自于AGC调频，我们按国家1500GW的总装机容量来看的话，按1%到5%的调节需求，大概就有3、5GW的调频需求。

 

    再讲第二个储能电厂的电压支撑功能。

 

    这里我们要和大家讲一些比较枯燥的东西，200多年，100多年以来，当时特斯拉跟爱迪生分别发明了直流电与交流电，后来交流发电发起来了要归功于同步发电机的机制，因为同步发电机的机制在供需瞬间平衡下能保持电网电压与频率的稳定。因为电网是一个发多少用多少，每时每刻每个毫秒都要精确平衡的一个体系，原来它是刚性的，没有缓冲能力的。原来一两百年我们的交流电网为什么用的那么好呢？就是因为同步发电原理。爱迪生的这个机制优于特斯拉当年的直流平衡机制，所以各种各样的电厂就能够组网组起来，能够建成一个大电网。我们看火电发电厂有这个很庞大的汽轮机转子，燃气轮机发电也有这个，那我们未来的光伏它有没有呢？风电它有没有呢？它是由变电器过来的，它目前根本就没有这个机制。大家说可再生能源多了之后，这个电网要进行消纳，有个消纳能力的问题，大家现在说弃风、弃光就是因为消纳的原因，归根到底就是因为这个原因。

 

    同步发电机仔细研究一下，它其实有五大基本特征，它有空载特性，有短路特性，有负载特性，有外特性，以及调整特性。它每一个特性都是它天然的、固有的，由同步发电机的物理机制以及机械联动机制决定的，这边的三个特性，我们统称为基本特性，用于确定发电机的稳态参数，大家在验收发电厂的时候，都会考察这些特性，看它好不好。运行特性用于确定发电机的电压变化率，以及额定励磁电流。我们把这个平衡的能力归结为一个下垂特性和转动惯量的特性。我们得出了传统发电机的微分的动力方程，它这里有三种模式，这三种模式里面都有相应的下垂特性，它的下垂特性有相位功率，频率功率，电压无功，最后这个值里面，前面是个负号，它自己有一个天然的负反馈在里面，只要你这个负载增大了，转速就会调整，调整频率就会稳定，所以这样一个过程决定了我们同步发电机能够在200多年来支持大家一直用的很好。

 

    电压支撑这里，现今城市的节能减排，防止雾霾的大政策环境下，越来越多的城市将电源点迁出了城市，城市内的电网平衡日趋严峻。随着城市的用电量日趋增大，城市区域内的变电设备总容量与对应总符合的比值——容载比持续降低，这也对用电的可靠性构成了挑战。

 

    储能系统利用其四象限的全能处理以及下垂控制的功能，可以在不同的电网阻抗下，按照电网阻抗比向电网注入有功和无功劳必须，达到最好的电压支撑效果。所以以后分布式的储能也好，集中式的储能也好，如果它参与了电网的一些统一的行动，以及相应的这些感知，那么它会是很好的电压的支撑。

 

    第三讲一下储能电厂的黑启动功能对电网的价值。现在的大停电很少，但是以前的大停电还是相当恐怖的，一个很大的城市突然没有电，现在的社会离开了电，整个城市全部瘫痪。电力系统在设计网架框架的时候一定会考虑黑启动的功能，传统的电网规划的黑启动，一般都是用水力发电的机组来做的，目前电网的黑启动整个的恢复过程有三部分，黑启动，网架重构以及负荷恢复。以前取代的电源它是以抽水的方式来做的，但是现在在大城市以及资源紧缺的情况下，抽水的蓄能电站或者水电越来越困难了，越来越远离中心的城市，所以要解决电网真正的可靠性，大型的储能，应该会是一个趋势。因为在一块不大的地方，我们就可以建功率能量很大的储能电站，它对这个城市黑启动有很积极的意义。

 

    在大停电发生后没有其他的电源，比如说只有一个储能或者是抽水蓄能的电站，这种情况下储能要快速的启动，必须要能够找到有效的方法，就是利用储能系统优先启动，其电气距离较近、启动性能较好的火电机组，替代水电机组完成后续恢复工作，它能启动一个规模不大的电厂，这个电厂一启动再去启动别的电厂。整个电网恢复就可以自动的进行了，我们看越来越多的就会起来，整个网架就可以重构起来。黑启动的第一发，原始的这个是非常重要的。

 

    第四，我们讲一下储能群控以及稳定性的分析问题。这个也是储能技术未来发展的最核心的问题，和真正解决电力电网的痛点，以及电网的一个需求。黑启动的整个过程中，有电网设备的励磁冲击是相当严重的，在能系统里面如何来实现。这不是简单的一句话能解决的。

 

    我们认为储能要实现比较大规模的群控，一定要实现这样一个公式，它所有的特征在F（N+1）的时候要等于f（N）+f（1）的特征迭代，因为主流的PCS只有20兆瓦，那么要组成一个20兆瓦到200兆瓦的储能电厂必须要发展系统的群控技术。只有储能电厂超越传统电厂的基本功能，齐家治才能得到彰显，它的市场才能得到蓬勃的发展。我们把这些核心的东西归结为这样几种，我用储能功能做出来的系统要比传统的更优，更适合于电网的调节，就达到了真正的电网的调配能力，以及它所说的储能的稳定剂也好，优化剂也好，也能做到这一部分。

 

    这中间我们还提出了一个虚拟时间常数的特征，这就是它系统的主力特征。

 

    这个惯性时间常数是一个什么概念呢？我们做了一个方针，在一个很大区域的电网里面，比如说做一个400兆瓦的电网突然脱网，脱网了之后它会引起电网频率的波动，我们对这个系统做仿真的时候做了时间常数，一个电厂的时间常数也就是十几秒的规模，储能能够模拟出的时间常数就可以很大，因为相对来说它的转换的能量也就是一个兆瓦时的规模，储能要实现这个规模的话是不那么难的。实现常数越大，它电网的稳定性就越好。绿色的线表示如果我们有三个时间常数，我突然丢掉一个400兆瓦的发电电源，它的波动反而不是那么大，很快就平稳下来了。惯性时间常数越大，频率的振福就越小，进入稳定时间就越短。我这个系统做的越分布，它的时间常数的累加，对于这个网的稳定会越好。

 

    这是我们目前主打的一个产品，是一个4×0.5的群控系统，装在一个集装箱内，实现了很优异的下垂控制特性，具有99%的深度，也支持三相100%的不平衡带载运行。右边有一些主要的指标，它的输出直接是10千伏，这个是两兆瓦的系统，你可以把它放在一个单的两兆瓦的逆变器来使用，它等效的转功动能在0.5兆瓦时，等效的转动惯量在2.1吨/平方米，转动时间常数在10秒，这样的系统如果说我20兆瓦那就是10倍，10倍的转动惯量也很可观了，在可再生能源的并网方面，就能大大的增加它并网的比例。而且这个系统已经实现了线性的f（N+1）=f（N）+f（1）的这个特性迭代。在N台PCS的实现励磁电流精确的均分，共同承担一些硬冲击。每增加一个过来的时候，它能均等的分摊，包括那个斜坡都能均等的分摊，我们看到这个时间，这样一个系统在离网和并网的系统里面都是相当好的，我们看这个曲线，第N个是这样的，我增加一个的时候，你看它的斜坡相应，每个细节都会重合上去，这就证明我这个系统是可以无限扩充的，可以证明它的这些特性。这样的话我用这个系统来组更大规模的储能电站就相当的有优势。这是我们已经建成的一个9兆瓦的AGC的储能系统，在某电厂里面。

 

    储能电站系统里面，作为电网的重要基础设施，储能电厂规模会越来越大，放到电网里面会关系到电网的安全运行，应该有完整的工程验收、交付体系。这里又可以参考的常规电厂标准，像DLT5437《火力发电建设工程启动试运及验收规程》，这个里面对发电厂建成的技术参数、指标，以及在电网的地位有严格的验收标准，因为电力是相当严格的。首先这个系统建成要有168小时的满负荷试运以及各种的测试，所以电网里面的系统以及设备都是相当严肃，要求相当高的，我们国家的这些电厂的运行效率，水平，在世界上都是达到一流的水平。你像华能的很多电厂，其他国家远远无法达到他们运行的水平，包括他们的能效各方面。所以这些东西如果我们国家的储能电站的发展，也有这些标准以及体系来支撑的话，我想我们国家的储能在世界上应该会走的后来居上。

 

    作者简介：

 

    阮海明，国家能源局可再生能源规模化储能并网工程实验室首席科学家，深圳市科陆电子科技股份有限公司技术总工，科陆电子储能事业部首席技术官。