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张纯岗:储能技术与发电技术结合的探讨

2019-8-13 11:11| 发布者: admin| 查看: 9421| 评论: 0

摘要: 8月9—10日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司、西安北大科技园、中国科学院电工研究所储能技术组、深圳市科陆电子科技股份有限公司等单位联合主办“第二届全国 ...

8月9—10日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司、西安北大科技园、中国科学院电工研究所储能技术组、深圳市科陆电子科技股份有限公司等单位联合主办“第二届全国发电侧储能技术与应用高层研讨会”在陕西西安金磐酒店举行。来自政府主管部门、能源监管部门、行业专家、设计院、新能源发电业主单位、电力公司、系统集成商、项目承包商、投融资机构等单位的260余位嘉宾出席了本次研讨会。

来自中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司新能源工程事业部主任工程师张纯岗发表了“储能技术与发电技术结合的探讨”主题演讲,以下是主要发言内容。

张纯岗

各位领导,专家,大家上午好!

首先非常感谢组委会给我这个机会,就储能和发电侧的结合做汇报。

今天会议的主题是发电侧储能,我汇报题目做了一个扣题“储能技术与发电技术结合”。既然我们讨论发电侧储能,那么我们需要知道:什么是发电技术,发电技术具有哪些特点;储能技术具有什么特点?他们在什么地方具有结合点,下面我从三个方面做汇报。

在汇报之前,我想跟大家一起来回顾一下储能技术的分类。美国SNL实验室,在2010年汇集了储能各个方面的专家,根据一些试验项目,对于储能技术在商业上的应用做了分类,共分为五大部分,17个子项目。这个分类更多集中在储能示范应用,包括了一些特定场景的应用,比如在新能源上。

2013年SNL实验室又和美国农村委员会NRECA对储能系统又进行了分类。在2010年分类基础上,把储能技术变成了五类,但是有18项。与2010年分类方式有一个显著不同是,不再强调特定的应用场景。

对比这两种分类方式,我们发现,对于储能应用有一个演变过程。从针对特定场景分类转移到针对电力系统的需求。2013年的分类更多地向更高层次、更综合的方式发展,向电力系统的需求类别方向发展。如,能量需求,辅助服务,以及发、输、配、送各个环节。

这就给我一个启示,当谈论储能系统的时候,我们是不是应该向更多、更广、更集成的思路看待储能应用。也就是,从如何满足电力系统的需求角度看待储能。我们知道,任何技术都不是突然出现的,是通过继承了以前的技术不断进化过来的。进化的动力就是市场的需求。我们想推广储能,虽然政策的支持是很重要的方面,但单纯依靠政策的支持是不可能长远的。储能的发展同样需要自身的进步,需要在市场中找到与需求的切入点。我今天的汇报将围绕如何在需求上找到切合点,或者说从电力系统本质因素,通过分解的思路,阐述我的想法和观点。我的观点不见得正确,仅是我的思考。

说到发电技术,既然讨论发电侧储能应用,什么是发电?发电技术有哪一些?我这里面做了一张表,把大部分发电应用做了一些统计。共分为利用化石燃料的发电技术和利用可再生能源的发电技术。随着人类对于环境的关注和化石能源枯竭的紧迫性,世界各国,包括我们国家都在控制碳排放。火电厂建设规模在不断的压缩,排放要求越来越严格。天然气更是这样。原来对天然气充满了希望,实际上天然气也的供应也出现了问题。这些因素造成了常规能源形式在走下坡路。相反,以太阳能和风能为代表的可再生能源在蓬勃发展。

我这张表并未将所有的发电型式列全,只是希望通过分析各种发电形式的组成和原理,从技术的本质出发重新认识各种发电技术。希望分析内部和外部需求找到储能系统和发电技术结合点。这里面是基于一个观点:任何一个新技术都是在老技术基础上发展起来。随着技术的发展,新技术不断的涌现,在新的时代,回顾这些老技术的时候可能会发现一些新的东西。因为新技术的出现会使老技术更加完善。比如,电力电子技术和通信技术的发展是综合能源技术得以实施的重要因素。这里就不展开说了。

不管是新能源技术、再生能源技术,都有它各自的特点。由于时间关系,不可能一一加以解剖。现在以风力发电为例,从需求角度分析,或者来解剖一下这种技术。大家知道风力发电通过叶轮来捕捉风能,然后驱动主轴转动,风能转化为机械能,机械能通过齿轮箱的变速带动发电机,利用电磁感应原理进行发电的技术。这里面有几个环节:第一个风能,第二机械能,第三是电能。由于风力发电是从风能向机械能、电能的单向转换方式,这里面涉及到机械能。只要是涉及到机械能的东西都有一个特点:一开始需要大的转矩驱动转动部件,随着转速提高,它这个转距会降低,这是很重要的核心。从风能捕捉角度来说,我们知道发电机出力跟风速成非线性关系,风速比较大的时候发电机出力会快速的上升。当捕风面积增加的时候,发电机出力会成线性增加。由于风是不断变化的,这样就造成了风能转化成机械能的变化,从而风机的转轴的转速在不断的变化,通过电磁感应原理产生的电能也不断变化,主要体现在电压、电流、频率和相角。

当风力发电机和电力系统连接的时候,这两个电力系统之间的主要参数,比如频率、电压一定要一致。风力发电机由于风电变化,造成电参数的变化,这个时候需要有一个AC/DC及DC/AC的转换,使风力发电机产生的电力在频率、电压、相角上与外接系统一致。这里要感谢电力电子技术的飞速发展,使以前不能实现的技术或者不能利用的东西都可以用。风力发电目的尽量吸收风力,这是它的基础。

从外部的角度讲,电力系统要求时刻保持供给和需求,这是电力系统本质的需求。需求和供给要达到平衡,当不平衡时,系统会发生振荡。如果我们把风机接到电力系统,当把电网看作负荷时,可以把风机作为一个源的话,电网需求变化会牵引到风力发电机出力的变化。现在由于风力发电机或者风电不具有全方位调节的能力,就无法满足电力系统的需求。可见,通过对风力发电内部和外部需求特点进行分析,我们发现风力发电还有需要完善的地方。这种完善,要么通过改进风力发电技术,要么借助外部技术加以完善。这样,我们就明确了需求。

说到储能系统,它也是能量转化过程,正如发电技术是以能量转化为主,储能系统也是能量转化过程。发电系统更多是单向转换,而储能是一种双向,可逆的。这里罗列锂电池储能系统的结构图,前面专家已经讲得很多了,我就不再赘述。不过,我有一个体会,储能系统可以被看成浓缩的电力系统。每一个电池或者模组都是一个小的能量体。因此,当我们研究其给外部提供能量服务的时候,都需要关注这个特性。无论是储能系统主体还是其辅助系统。还有一个特点就是储能所具有的电源和负荷的随时互换的特性。

上面把储能和发电技术都做了分析以后,最后落实到怎么去结合。从风力发电的内、外需求来说:内部需求是多吸收风能,提高转换效率,多发电。为了实现这个需求,刚才说到了捕风面积、空气密度和风速。有哪一些可以控制的?捕风面积常用的是大叶片方式实现,在同一个自然条件下不同叶片会造成发电机出力变化。空气密度是天生的,还有一个是风速,风速是不可控的,这些东西看起来和我们结合的储能关系不是很大。但如果对风进行了分析,重新回顾的时候似乎可以找到一些结合点。因为风速是概率性的问题,一年365天所占的风速是不一样的,据统计,在5m/s以下风速占全年50%以上的时间。根据机械转换特点,如果风机能够在正常切入风速之前转起来,当转起来以后就不需要更大的风速了。这个时候如果加一个外力,我们就可以提前让风机去转动。这里储能就可发挥作用。

第二个结合点是从风力发电的波动角度来讲。我们知道可以在变电站侧加装储能来平抑风电场的波动,实现电网的友好性。如果能够让单个风机满足电力因素需求的时候,风力才能真正融入到电力系统里。在风机侧加装储能可以认为是分布式储能,还可以实现风机参与调频。如果能够实现风机个体加装储能,通过物联网技术和区块链技术的结合,通过风场固有的光纤通信网络,风场可以实现虚拟电厂的功能。另外,在风机上加装储能,通过降低大风速时风机的出力,可以有效降低集电线路规格。风机全年在额定风速下运行的时间很低,而且是不连续的。而无论线路设计还是变电站设计都按最大出力来进行设备选择。而最大出力所占用的时间是概率问题,而且是离散的。如果我们把最大出力通过储能降下来,这样运行电流就能下降,直接影响到设备选择,从而降低造价,提高设备的利用效率。

因为准备不是特别充分,这是我们对于储能在发电侧做了一些研究,跟大家做一些分享。这是一个分析的方法,利用这个方法同样可以对燃煤电站、水电站等进行分析。这里就不再一一介绍了。无论储能在源、网、荷哪端展开应用,都需要储能本身技术过硬,加强自身的同事,也要了解和满足场景的需求才好。说的不对的地方欢迎大家批评指正,谢谢。


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