中國儲能網訊：8月24-26日，由深圳市發(fā)展和改革委員會指導，中國化學與物理電源行業(yè)協會與南方科技大學碳中和能源研究院聯合主辦，100余家機構共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會與新型儲能技術青年科學家論壇在深圳召開。此次大會主題是“開拓新質生產力，推動儲能產業(yè)高質量發(fā)展”。
大會主辦方邀請6位院士及100位行業(yè)專家分別從新型儲能系統(tǒng)集成解決方案、長時儲能技術及應用、虛擬電廠、工商業(yè)儲能專場、新型儲能電池、新型儲能與電力市場、智能微電網、儲能標準宣貫、新型儲能技術青年科學家論壇等12個專場進行充分討論交流。
來自行業(yè)主管機構、國內外駐華機構、科研單位、電網企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構等不同領域的500余家產業(yè)鏈企業(yè)，1012位嘉賓參加了本屆大會，其中21家企業(yè)展示了儲能產品解決方案，在線觀眾超過4萬余人觀看了開幕盛況。
本次大會由中國化學與物理電源行業(yè)協會儲能應用分會和中國儲能網、中國儲能網聯合承辦，中國化學與物理電源行業(yè)協會儲能應用分會專家委員會提供學術支持！
8月24日下午，廣州智光儲能科技有限公司技術總監(jiān)湯旭受邀在“新型儲能系統(tǒng)集成解決方案專場（上）”分享主題報告，報告題目《構網型超大容量級聯高壓儲能系統(tǒng)》。
湯旭：各位來賓，各位專家，下午好！很榮幸向大家介紹一下我們的單機百兆瓦級高壓級聯儲能系統(tǒng)的工程實踐和我們研發(fā)的進度。
談到構網型儲能，這是一個比較熱門的話題。這個話題怎么來的？主要是由于在新能源滲透率高的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)缺乏足夠的電壓支撐和轉動慣量支撐，穩(wěn)定性不足。當前風光發(fā)電并網技術表現為可控電流源特性，被動伴隨式對電網輸入功率，不具備同步機固有的電壓源特性，難以有效支撐電網電壓。而“雙高”系統(tǒng)轉動慣量和電壓支撐不足，電網對發(fā)電與用電功率不平衡抵抗能力降級，導致電網在事故時頻率崩潰概率增加。
現在已經在很多地方開始應用構網型儲能變流器。但構網型儲能變流器和傳統(tǒng)儲能變流器相比而言需要更大的功率，更快的控制速度。我們的儲能電站一般由幾十臺儲能變流器并網運行的，這些變流器以電網作為同步源進行恒流源特性的控制。但如果系統(tǒng)以構網變流器形式運行，相當于有幾十個同步電壓源在同步運行，控制過程中非常困難。具備較強構網能力的變流器實際是具備較強支撐能力的電壓源。要在系統(tǒng)故障的時候去承受短路電流，并起到支撐作用。所以要具備強維持能力的電壓源才能有效支撐電網。
但現有的儲能變流器單機一般只做到3MW等級。常見的儲能變流器基本上還是采用低壓結構，比如三電平結構，一般電池堆的電壓在DC1500V左右，對應變流器輸出電壓大概在AC690V，這時候如果把功率做到5MW以上等級，電流就非常大，額定電流會超過4000A，電流已經超過儲能變流器功率元件的限額。如果還要做構網型儲能變流器，對于變流器的過載要求更高，要求能短時承受3倍額定電流過載。做額定3倍過載時，系統(tǒng)過載能力就要求更高，對于電力電子器件的要求也更高。
電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在做大容量系統(tǒng)的時候，一定是朝著提高電壓等級，降低運行電流的方向發(fā)展。我們現在在儲能系統(tǒng)里應用的級聯高壓技術，把原來的儲能變流器交流電壓等級由原來的690V擴展到10kV乃至35kV，這樣單機容量就可以突破現在的功率限制，直接可以做到單機25MW、50MW甚至100MW的等級。
關于具體的方案特點，從功率器件上的選擇上，我們優(yōu)先選擇選擇成熟的IGBT模塊。行業(yè)內也有選用IGCT器件作為功率變換器件，但IGCT元件電壓等級已經到了4500V，電流也到了4000-5000A以上。這個等級的逆變器件，對應的直流電池堆也會做得非常大。有一些用IGCT做的超大容量儲能系統(tǒng)設計，每一級單元電池堆的單簇電壓要做到直流2000V以上，電池堆內并聯多簇電芯。每電池堆容量達到幾兆瓦時。相當于把很多5MWh的電池集裝箱應用到每一個高壓級聯模塊的直流側里，然后把PCS交流側級聯起來。等于在高壓級聯系統(tǒng)中應用很多低壓并聯結構的電池簇，這樣就沒有發(fā)揮級聯高壓系統(tǒng)減少電池并聯，降低直流側環(huán)流的特性。而且單個電池堆如果做到2000V以上的電壓，對于電芯的絕緣耐受能力也提出了更高的挑戰(zhàn)。所以我們目前還是使用IGBT模塊。單個電池簇的電壓基本上控制在1000-1500V，如果是在功率小于25MW等級時會考慮全橋星型拓撲。用星型拓撲結構，35kV電壓下單機25MW的功率，系統(tǒng)額定電流可以控制在400A左右，用多個IGBT模塊并聯方式就可以達到25~50MW的單機容量。如果做到單機百兆瓦級別，可以選擇角接拓撲結構。在目前技術條件下，可以在工程上實現單機100MW/200MWh的儲能單機容量。
儲能系統(tǒng)控制模式采用模擬同步機的內轉子特性以及抑制寬頻振蕩控制模式，來對系統(tǒng)進行快速的穩(wěn)定控制以及系統(tǒng)寬頻振蕩抑制。
在系統(tǒng)變流模塊和電池pack設計中，冷卻方式采用全液冷的模式。因為大容量構網型儲能系統(tǒng)，整體發(fā)熱量非常大，從電池簇到PCS全部采用全液冷模式，而且整個系統(tǒng)里做了很大的冗余。從電池模組冷板內部流道和PCS電力電子元件均流散熱，以及系統(tǒng)流體管道設計上都做了嚴格的設計和仿真，能達到最佳散熱模式。
具體的系統(tǒng)方案：把原來低壓并聯的多個電池簇進行人為解耦，每一個電池簇對應一個單相的PCS單元。當前成熟的高壓級聯儲能系統(tǒng)單機容量可以做到25MW/50MWh。這樣的系統(tǒng)已經運行了很多，我們在國內已經投運了超過1GWh的35kV高壓直掛儲能電站。更大容量的儲能單機，可以采用更高直流電壓的電池簇，而且IGBT模塊進行多組并聯后可以把功率做到100MW、200MWh的等級。
下圖這是高壓級聯全液冷系統(tǒng)的結構，由液冷機組以及高壓級聯PCS模塊和液冷電池模塊組成電池簇。電池簇最下方是PCS，PCS代替了原來高壓盒的位置。圖的下方是單機100MWh的系統(tǒng)布置，由一臺并網控制艙加上三相功率換流鏈組成。。
下圖是一個儲能系統(tǒng)在現場的布置，可以由現場升壓站的高壓開關柜連接到并網控制艙，從并網控制艙連接到35kV三相換流鏈。圖中展示的是25MW、50MWh時的單機。三套這樣的單機可以組成150MWh的儲能電站，由三套單機組成，容量更大的電站可以由更多單機擴展得到。儲能整站的單機臺套數遠遠小于現有的2.5MW PCS單機組成系統(tǒng)的臺套數。
高壓級聯系統(tǒng)的突出優(yōu)勢是響應速度非?？?，從零功率運行到滿功率充電轉換時間只需要2.5ms左右，從滿功率充電到滿功率放電大約也在2ms左右。在進行各種構網型控制方面，就具有非?？斓捻憫俣取螜C響應與全站響應時間基本相等。假如一個100MW、200MWh的儲能電站只有兩套50MW單機，控制可以從EMS直接連通到PCS的控制，響應非常快。而傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)，假如采用2.5MW或者1.25MW的PCS，100MW的系統(tǒng)里會有幾十臺單機。幾十臺單機的控制要從EMS到區(qū)域控制器、協調控制器，最后再一級一級下發(fā)到PCS上。響應時間會拖得很長，全站響應時間會超過100-200ms。很多電力系統(tǒng)的故障過程也只有100-200ms。如果響應速度慢，還來不及全站進行快速的功率輸出，這個故障可能就已經結束了。要達到響應速度快，達到真正的構網應用，還是需要單機大容量的系統(tǒng)。
單機百兆瓦級別的構網型儲能系統(tǒng)：一是效率非常高，可以達到90%以上的轉換效率，二是運行特性，可以在控制方式上模擬同步發(fā)電機的運行特性，可以為電力系統(tǒng)提供頻率支撐、慣量支撐。對電網的支撐能力更強，控制難度實現更低。整個站只有幾套PCS系統(tǒng)，控制難度低，而且整站響應非?？焖?，更符合電力系統(tǒng)對于構網型儲能系統(tǒng)的快速響應控制要求。
這樣的儲能系統(tǒng)可以應用在多種場景下，比如大型發(fā)電廠的火儲聯合調頻，大型電網側獨立儲能電站以及其他工商業(yè)運行應用，都可以得到很多應用場景。它的優(yōu)勢是高效、安全、構網支撐能力強、系統(tǒng)簡化。
系統(tǒng)的典型應用：第一套商業(yè)應用的級聯高壓儲能系統(tǒng)是應用在廣東五沙熱電的火儲調頻系統(tǒng)里。至今為止在發(fā)電側、電網側以及用戶側已經運行了超過2GWH以上的系統(tǒng)。在電網系統(tǒng)、各大發(fā)電集團，都得到大量應用。
下圖是在新疆運行的單機22.5MW/45MWh的35kV 級聯高壓儲能系統(tǒng)，，它的結構非常類似于35kV SVG裝置，只是變流器直流側增加了電池簇，來對直流側進行有功的支撐。該系統(tǒng)運行效率也非常高，35kV側系統(tǒng)充放電效率可以達到90%以上。這是目前電化學儲能系統(tǒng)里效率最高的電池儲能系統(tǒng)。
我們在廣東清遠投運的清遠清城站，是一個400MWh的電網側獨立儲能電站，主要承擔廣東電網的新能源消納、及電網調頻服務。目前主要運行在調頻工況下。該站運行在調頻模式下，每天的充放累計超過3個循環(huán)，它是由全站10臺單機20MW/40MWh的儲能系統(tǒng)組成的大型儲能電站。
以上都是我們實現的一些大容量級聯高壓儲能系統(tǒng)案例（見PPT），像這樣的高壓級聯儲能系統(tǒng)可以做到單機功率大，電網支撐能力強。響應速度特別快，響應調控時間不超過5ms，通訊控制層級非常少。整個系統(tǒng)可以作為靜止調相機使用。系統(tǒng)容量可以設計到單機百兆瓦級別，可以具有儲能以及靜止調相機的功能，可以有效支持電網的穩(wěn)定運行。
今天給大家介紹的內容就到這里，感謝大家的聆聽！
