國(guó)電投上游黃河水電龐秀嵐：新能源電站儲(chǔ)能設(shè)計(jì)研究與實(shí)證
國(guó)家電投集團(tuán)黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程技術(shù)部 龐秀嵐
2019年5月18-20日，中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟、中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所舉辦“ESIE2019儲(chǔ)能國(guó)際峰會(huì)暨展覽會(huì)”，國(guó)家電投集團(tuán)黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程技術(shù)部 龐秀嵐在會(huì)議上發(fā)言。
我要跟大家分享的內(nèi)容是“新能源電站儲(chǔ)能設(shè)計(jì)研究與實(shí)證”，原先是電網(wǎng)側(cè)研究的比較多，我主要是從電源側(cè)來跟大家分享。主要是依據(jù)黃河公司在兩個(gè)電站實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)和一些實(shí)證性的數(shù)據(jù)和大家來分享。
主要是從以下幾個(gè)方面，首先是光伏風(fēng)電的出力特性的研究、儲(chǔ)能電池特性的研究、光伏電站系統(tǒng)和儲(chǔ)能、系統(tǒng)匹配性的研究，最后有一部分實(shí)證數(shù)據(jù)和大家分享。
黃河公司是一家大型的綜合性能源企業(yè)，主要是擁有水電17座，容量1083萬，光伏是37座，3.8GW，風(fēng)電16組，94萬，還有火電、電解鋁、電子技的多晶硅，光伏的電池組建、遐邇哈姆鎳礦的開發(fā)。黃河公司主要是電力的開發(fā)，新能源、光伏風(fēng)電擁有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、建設(shè)團(tuán)隊(duì)、安裝調(diào)試團(tuán)隊(duì)和運(yùn)維團(tuán)隊(duì)。整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都有自己的專業(yè)隊(duì)伍，所有的實(shí)證性的數(shù)據(jù)都是來源于自己的團(tuán)隊(duì)和自己的電站。
為什么要做實(shí)證性的研究，大家都知道不同發(fā)電系統(tǒng)出力特性和用型特性差距比較大，特別是光伏系統(tǒng)有固定、憑單、斜單、雙伏系統(tǒng)，組建有常見的單晶硅和高效的N型薄膜組件和單面和雙面，他的發(fā)電出力的差異還是比較大的。
另外儲(chǔ)能系統(tǒng)大家也知道行業(yè)里邊有鋰電池、液流電池還有超級(jí)電容還有燃料、鈉硫等等，種類非常的多，它的特性也是差異比較大的。而且同一種技術(shù)不同的廠家的特性也是差距比較大的。儲(chǔ)能裝上去必須滿足四種用型模式：最基本能量的搬移、調(diào)峰調(diào)頻、平滑新能源的出力的波動(dòng)型、跟蹤調(diào)度出力曲線。在這么多種變量、這么多種系統(tǒng)、這么多不同的產(chǎn)品的特性下，發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)如何匹配?如何使電池高效的用型?這是兩個(gè)要解決的問題。
光伏+儲(chǔ)能工程，在四種運(yùn)行模式下開展，不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)，不同的儲(chǔ)能逆變，不同的電池、不同的接入方式的實(shí)證性的對(duì)比。
黃河公司共河有一個(gè)百兆瓦的基地，這里面所有的光伏發(fā)電的技術(shù)都裝有，我們調(diào)用了多年的所有的發(fā)電系統(tǒng)的特性曲線，這個(gè)是給大家展示的是實(shí)際的運(yùn)行曲線，有固定單面、雙面、垂直雙軸、垂直單軸、斜單軸，還有其他的系統(tǒng)等等。
我們對(duì)不同的發(fā)電系統(tǒng)研究完了以后，調(diào)用的我們?cè)谇嗪：Ｎ鳌⒑Ｄ涎b的從2011年開始運(yùn)行所有的光伏電站多年的日用型發(fā)電曲線以后，分析出來總結(jié)出來在不同的典型天氣下的運(yùn)行曲線。下面給大家展示的是多云、晴天、晴轉(zhuǎn)多云、陰天、陰轉(zhuǎn)多云等等天氣，除了晴天以外，其他的天氣波動(dòng)比較大，還有其他的沙塵天氣等等沒有展示出來，海南全晴天175天，海西161天，其他的天氣波動(dòng)性都是比較大的。
全年光伏發(fā)電特性總結(jié)下來：春秋發(fā)電處理比較大，夏天和冬季的時(shí)候相對(duì)低，冬季發(fā)電低是因?yàn)槟莻€(gè)地方溫度是36度，因?yàn)樘?yáng)方位角的問題。夏季因?yàn)榄h(huán)境溫度的影響，反而光伏發(fā)電的出力是低的，因?yàn)闇囟葘?duì)電池組件的發(fā)電影響是比較大的。
下面是風(fēng)電出力特性的研究，青海裝有10萬和45萬的風(fēng)電，分別配有儲(chǔ)能是20MWh和90MWh，在四種不同的運(yùn)行方式下，對(duì)比不同的風(fēng)力的發(fā)電系統(tǒng)和電池的運(yùn)行特性。我們調(diào)用了海西、海南所有運(yùn)行的風(fēng)電的多年的日運(yùn)行特性曲線，這里邊只是給大家展示一部分。
這是2017年一年月平均風(fēng)速，1-5月份風(fēng)速最好，其實(shí)是6-7月份，接下來是8-9月份，10-12月份較低，四季發(fā)電差異比較大。通過季節(jié)性和每日的日出力曲線和發(fā)電量的特性，我們總結(jié)了一年24種典型風(fēng)電廠的日出力曲線，春夏秋冬分別是高出力和高發(fā)電量，高出力的時(shí)候，高發(fā)電量、中發(fā)電量和低發(fā)電量，低出力的時(shí)候，高發(fā)電量、中發(fā)電量和低發(fā)電量我們總結(jié)出來24種典型的日出力曲線。這是24種典型天氣下不同的日發(fā)電出力曲線，大家可以看一下波動(dòng)性還是比較大的。
這是一段典型的天氣的研究，連續(xù)4天大風(fēng)天氣下風(fēng)電的出力特性，相對(duì)來說還是比較平穩(wěn)的。
下面是風(fēng)速變化比較大的時(shí)候的連續(xù)3天的風(fēng)電的出力特性曲線，這個(gè)出力特性在風(fēng)電里面概率是比較高的，正因?yàn)樗牟▌?dòng)性使得風(fēng)電的發(fā)電，儲(chǔ)能的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是難度非常大的。容量如何匹配?控制策略如何制訂，需要很深的研究。假如你做不好的話，可能該充的時(shí)候充不上，該放的時(shí)候放不出來，所以使得儲(chǔ)能系統(tǒng)不會(huì)高效的運(yùn)行。
這是統(tǒng)計(jì)的全年的功率的的概率值，可以從這張表上看一下，高出力的概率實(shí)際上是比較低的，低出力時(shí)概率比較高，當(dāng)然與青海的風(fēng)資源也有關(guān)系。
前面把風(fēng)電和光伏的出力特性研究透了以后，還要研究一下儲(chǔ)能的電池的特性。這張是一個(gè)常規(guī)的，只是展示一下趨勢(shì)，數(shù)字不一定非常準(zhǔn)確。我們研究了鋰電池、液流電池、超級(jí)電容和鉛酸電池。電池的特性還是差距比較大的。
鋰電池：壽命比較短，但是效力是比較高，到90%多。
液流電池：壽命比較長(zhǎng)，但是系統(tǒng)效率基本上是70%多。
超級(jí)電容：壽命很高、效率很高，但是成本非常高。所以還是要綜合形成的從性價(jià)比上進(jìn)行選擇。這是展示的鋰電池和液流電池實(shí)際的出力曲線，差距比較大。
這是氣光電量光伏和儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)研究，首先做的是氣光電量和儲(chǔ)能容量的匹配性的研究，我剛才也介紹，調(diào)用了所有的日出力曲線以后，中午大家都是大發(fā)，早上少發(fā)，晚上不發(fā)，隨著光伏大規(guī)模的投入，中午大家都大發(fā)的時(shí)候必然會(huì)限定，因?yàn)殡娋W(wǎng)是消納不了的。所以我們研究了中午限功率，不是限電量，限功率10%、20%、25、30%、40%的情況下，在不同的發(fā)電光伏的發(fā)電容量下，日受限發(fā)電量和日受限時(shí)長(zhǎng)，整個(gè)統(tǒng)計(jì)分析出來以后，根據(jù)這幾組數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電池的容量和它的充放電的時(shí)間。
這是最后，我們通過前面的分析和研究，最后選定的光伏儲(chǔ)能的技術(shù)參數(shù)。左邊這個(gè)是不同的發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)際上現(xiàn)在常規(guī)整個(gè)這個(gè)行業(yè)里邊性價(jià)比最好的幾組發(fā)電系統(tǒng)，電池類型主要是鋰電池和液流電池，廠家有陽(yáng)光三星、時(shí)代新能源、松下，在不同的限發(fā)功率，20、25、30、40下，電池的容量，每一種系統(tǒng)電池的容量是不一樣的，還有帶小數(shù)點(diǎn)的，這實(shí)際上是我們計(jì)算出來的。
這是集中式儲(chǔ)能也是分液流和鋰電池的幾種性能。風(fēng)電儲(chǔ)能的研究，這是10萬風(fēng)廠的研究，最后通過四種模式下計(jì)算出來一個(gè)理論型的最優(yōu)的容量值，算出來是10MW，13個(gè)小時(shí)是較優(yōu)的，最后選擇從價(jià)格上來說選擇10MW，2個(gè)小時(shí)，就是20MWh，45萬的風(fēng)電，同樣計(jì)算出來是135MWh，最后性價(jià)比考慮2個(gè)小時(shí)，90MWh。
分散布置，分散控制和集中控制，集中控制和集中布置，為什么這么研究?當(dāng)時(shí)110MWh布置下來的，幾十個(gè)足球場(chǎng)那么大，從安全性考慮還是比較大的，所以我們最終選擇了分散布置和集中控制，為什么集中控制?前面講了風(fēng)電的運(yùn)行策略是很難確定的，我們選擇了這種模式的時(shí)候，應(yīng)該是電池可以高效的應(yīng)用起來。
這是后面幾組實(shí)證性的數(shù)據(jù)，液流電池和鋰電池充放電特性曲線的展示，液流是可以100%的充放，鋰電池也可以，但是由于壽命的關(guān)系，還是要嚴(yán)格的按制造廠的要求來。
這是不同倍率的電池的溫度特性的測(cè)試，可以看2C要比1C和0.5C，從溫度和溫差上面都要高一些。
這是幾組不同的天氣下，晴天、陰天、限價(jià)條件下和跟蹤調(diào)度出力曲線，四種模式下實(shí)證的數(shù)據(jù)。最底下的曲線是電池的，有波動(dòng)型和饅頭狀的是光伏的特性曲線。
為什么要這樣實(shí)證形成的去做新能源的儲(chǔ)能?因?yàn)檫\(yùn)行的很少，而且電池的特性在實(shí)驗(yàn)室里邊做的都比較好，但是把它裝在現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)候問題比較多。所以我們總結(jié)分析已用電站的特性，計(jì)算出來理論型的，裝上去以后經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間多年的實(shí)際運(yùn)行反過來再修正，理論性的計(jì)算，最后總結(jié)出來一套數(shù)據(jù)，為整個(gè)新能源光伏風(fēng)電的設(shè)計(jì)，設(shè)備選型、用型等等提供一些實(shí)證性的數(shù)據(jù)。
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