在海拔近3000米的青海省海南藏族自治州生態(tài)太陽能發(fā)電園區(qū)里，一座占地約26畝的儲能電站，似光伏“藍海”中的白色“海浪”，格外醒目。
這是由中國華能集團有限公司青海分公司(以下簡稱“華能青海公司”)投資開發(fā)、中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司(以下簡稱“清能院”)研發(fā)承建的華能海南州150兆瓦/600兆瓦時儲能電站(以下簡稱“海南州儲能電站”)。
海南州儲能電站的35千伏開關站綜合預制艙。(中國華能集團供圖)
儲能是解決清潔能源消納、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、構建高比例清潔能源新型電力系統(tǒng)的關鍵支撐技術。海南州儲能電站采用35千伏高壓直掛儲能技術，日前已順利并網(wǎng)并實現(xiàn)滿功率運行。這是目前全球海拔最高、規(guī)模最大的高壓直掛儲能電站。
高壓直掛儲能技術與傳統(tǒng)儲能技術有什么不同?該技術能夠?qū)δ芟到y(tǒng)帶來哪些改變?在高海拔地區(qū)應用該技術面臨哪些挑戰(zhàn)?讓我們一起探尋海南州儲能電站建設背后的故事。
“電力調(diào)配師”削峰填谷、優(yōu)化電能配置
對于華能青海公司儲能電站電氣專業(yè)工程師朱萬良來說，今年國慶假期的關鍵詞無疑是“忙碌”二字。
高壓直掛儲能交直流一體艙近景。
“海南州儲能電站并網(wǎng)，并不意味著它開始參與電網(wǎng)的調(diào)度運作。9月以來，我們先后進行了8輪次滿功率充放電測試，這是儲能電站正式投運前要完成的重點工作之一。從目前測試結果看，電站運行效果良好，接下來還將對電站的穩(wěn)定性、可靠性等進行測試。”朱萬良告訴記者，該儲能電站高壓直掛儲能系統(tǒng)是華能青海公司目前使用的最大儲能單體設備。為了確保設備安全平穩(wěn)運行，需要開展的并網(wǎng)測試內(nèi)容也比往常多。
據(jù)了解，海南州儲能電站共有78個高壓直掛儲能交直流一體艙和6個并網(wǎng)集裝箱，它們構成了6套高壓直掛儲能系統(tǒng)，具有系統(tǒng)電壓等級高、單機容量大、交直流并聯(lián)數(shù)量少、通訊層級少等特點。每套系統(tǒng)單機容量達25兆瓦/100兆瓦時。這意味著，若按每戶每天使用10度電來計算，6套設備充電一次所儲存的60萬千瓦時電量，可供6萬戶家庭使用1天。
選擇在青海建設高壓直掛儲能電站，與當?shù)靥赜械哪茉捶A賦有關。
青海的太陽能、風能資源得天獨厚，是我國重要的清潔能源生產(chǎn)基地。近年來，當?shù)厍鍧嵞茉窗l(fā)展成效顯著。截至今年6月底，該省電網(wǎng)總裝機容量超5700萬千瓦，其中水電、光伏、光熱、風電等清潔能源年發(fā)電量占比快速提升，成為全國率先實現(xiàn)清潔能源發(fā)電量占比超過50%的省份。
在大力發(fā)展清潔能源的同時，如何應對清潔能源高比例接入給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來的挑戰(zhàn)，成為一道亟待解決的“必答題”。
“挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在清潔能源產(chǎn)銷錯配上。”清能院儲能技術部儲能技術研發(fā)主管成前解釋道，青海清潔能源中光伏占比最高，易呈現(xiàn)出“夏豐冬枯”“晝盈夜虧”的特點，使得電能供應波動明顯，峰谷幅差大。而在電能生產(chǎn)消納上，清潔能源的供需空間不匹配，資源富集區(qū)與用電負荷中心逆向分布，光伏發(fā)電時間也無法完全滿足工業(yè)負荷要求。“海南州儲能電站就像一位‘電力調(diào)配師’，能夠通過加快電網(wǎng)側和電源側儲能建設，有效平抑青海清潔能源發(fā)電供應的波動性和間歇性問題，為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、電力輔助等服務。”
要游刃有余地駕馭青海豐富的清潔能源并非易事，“電力調(diào)配師”必須掌握一些特殊本領才行。
成前告訴記者，海南州儲能電站不僅可實現(xiàn)單機獨立接受電網(wǎng)調(diào)控，還可以在提升電池容量利用率、解決電池并聯(lián)安全問題的基礎上，進一步提升系統(tǒng)效率、響應速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，更適用于未來大規(guī)模儲能電站應用。
新技術讓儲能構型簡化、效率提升、響應提速
以往，行業(yè)內(nèi)普遍采用低壓集中式架構技術路線，即由大量電池單體通過串聯(lián)、并聯(lián)結合的方式，輸出1000—1500伏左右直流電壓，隨后經(jīng)過功率逆變器轉換成交流電，再借助工頻變壓器完成升壓，最終接入電網(wǎng)。海南州儲能電站所采用的35千伏高壓直掛儲能技術，與傳統(tǒng)儲能技術截然不同。
新技術有什么突出優(yōu)勢?華能青海公司儲能電站項目經(jīng)理郝卓龍向記者提起一項紀錄：不到3個月——海南州儲能電站從開工澆筑第一罐混凝土到具備受電條件的時間，創(chuàng)下了全國高海拔地區(qū)儲能電站建設速度的新紀錄。
工作人員正在更換實驗電池包。
“這項紀錄的誕生，得益于高壓直掛儲能技術極大地簡化了大型儲能電站的構建方案。”郝卓龍算了一筆賬，建設一座150兆瓦/600兆瓦時儲能電站，如采用低壓儲能技術，需85—800臺功率逆變設備進行并聯(lián)，不僅系統(tǒng)復雜程度高，且存在低頻或?qū)掝l振蕩風險。要達到同樣容量，只需要6套采用高壓直掛儲能技術的設備，建設速度自然較快。
記者了解到，海南州儲能電站內(nèi)少了用于“升壓”的工頻變壓器，系統(tǒng)效率提升4%—6%，充放循環(huán)平均效率可達91%以上。郝卓龍介紹，對于一座150兆瓦/600兆瓦時的儲能電站而言，儲能效率的這一變化，意味著10年可節(jié)約電費約2500萬元。
不僅如此，高壓直掛儲能技術的應用使海南州儲能電站整體控制架構簡化，可直接響應調(diào)控指令，響應速度快，可實現(xiàn)10毫秒內(nèi)充放電快速響應，靈敏度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)。易于實現(xiàn)構網(wǎng)型儲能，25兆瓦/100兆瓦時的超大單機容量更易構建大容量儲能電站，以提供強勁的電網(wǎng)支撐力。
每一項新技術的誕生，都離不開研發(fā)團隊的辛勤付出，35千伏高壓直掛儲能技術也不例外。從2021年7月開始，清能院就已經(jīng)聯(lián)合相關高校、企業(yè)開始了這項技術的研發(fā)。
儲能電站的核心組件是電池。清能院結合多年的儲能技術研發(fā)和工程項目實踐經(jīng)驗，將如何用好電池作為儲能系統(tǒng)效率、安全性等關鍵指標提升的切入點。
“電池所能儲存的電荷量，會隨著時間的推移和使用次數(shù)的增加不斷減少，這就是電池容量衰減。為了保證輸出功率和容量，傳統(tǒng)儲能技術要串聯(lián)、并聯(lián)大量電池，如此一來不僅會加速容量衰減，還可能因為電芯內(nèi)部參數(shù)差異、電池放電深度不同，影響電池簇間電壓，導致環(huán)流損耗或電芯過充情況的出現(xiàn)。”成前介紹，研發(fā)團隊對電池進行分散式精細化控制，將各電池簇獨立通過功率單元進行逆變，串聯(lián)后直接形成高壓接入電網(wǎng)，即“直掛”。“以功率單元交流側串聯(lián)取代電池并聯(lián)，每個功率單元都具備獨立的控制和管理功能，杜絕了電池簇間環(huán)流，大幅提升儲能系統(tǒng)壽命與投資經(jīng)濟性。”
對電池進行分散式精細化控制只是第一步，受低壓集中式架構的固有限制，傳統(tǒng)儲能技術存在一些不足。比如，工頻變壓器在充放電運行時需要2小時或4小時滿負荷運行，運行工況與配電系統(tǒng)相比更為惡劣，導致故障率升高，也會提高損耗率。同時，低壓集中式架構限制了功率逆變器的單機容量，大量逆變器并聯(lián)，模塊間存在高頻環(huán)流問題和振蕩風險。
為了突破這些限制，成前說研究團隊做了一回“加減法”，通過對系統(tǒng)電磁兼容、絕緣設計、控制方法、故障旁路與容錯控制、系統(tǒng)結構、測試方案等關鍵問題的技術攻關，從設計環(huán)節(jié)取代了工頻變壓器的作用，使低壓自動轉換為高壓。
“安全衛(wèi)士”守護電站安全穩(wěn)定運行
在高海拔缺氧的環(huán)境下建設施工，郝卓龍笑稱“靠的是專業(yè)能力，拼的是意志品質(zhì)”。要幫助海南州儲能電站適應高原天氣條件，需要耐心細致的修正。
絕緣和電氣間隙在保證電器安全中起著重要作用。隨著海拔的升高，空氣密度、安全系數(shù)與抗電磁干擾能力都會隨之變化。
海南州儲能電站全景。
考慮到海南州儲能電站海拔超過了3000米，研發(fā)團隊重點對絕緣和電氣間隙進行了修正，并保留一定裕量，以確保儲能電站在高海拔條件下安全、穩(wěn)定、高效運行。
修正只是確保海南州儲能電站安全穩(wěn)定運行的其中一環(huán)。圍繞安全、穩(wěn)定，研發(fā)團隊還設計了“安全衛(wèi)士”。
首先，高壓直掛儲能技術在安全性能上的優(yōu)勢，提供了高效的控制和保護系統(tǒng)管理，規(guī)避了電池串并聯(lián)的不穩(wěn)定性，并通過電池簇的運行均衡控制避免電池過充過放。
其次，結合電芯發(fā)展趨勢和熱管理技術優(yōu)化，清能院迭代升級了適用于能量密度更高的314安時大電芯液冷系統(tǒng)，能夠保證電池運行溫度始終處于最佳范圍，以進一步提高電池的安全性。
第三，項目采用了多層級的消防系統(tǒng)。除了采用傳統(tǒng)的全氟己酮儲能消防系統(tǒng)，還配備了更適合電池設備的水基壓縮空氣泡沫消防以及站級水消防，筑牢儲能電站安全底線。
值得一提的是，故障旁路與容錯控制的應用，從電力電子層面為儲能電站提供了保障，這也是清能院針對高壓直掛儲能系統(tǒng)專門研制、具有完全自主知識產(chǎn)權的技術。
“以往遇到單個功率變換單元部件故障，可能需要整個系統(tǒng)停機，待排查修復后再重新啟動。有了故障旁路與容錯控制就靈活許多。”成前解釋，故障旁路與容錯控制為電站運行提供一定冗余空間，若只是單個部件故障，會第一時間判斷發(fā)生位置、繞開問題部件以確保整體穩(wěn)定暢通運行。同時進行評估登記，待定期運行維護時進行統(tǒng)一更換。
“高壓直掛儲能技術進一步提升儲能電站安全性，減少運維操作頻次，這對發(fā)展先進儲能、開發(fā)綠色能源、打造清潔能源產(chǎn)業(yè)來說意義重大。”成前說。(中央紀委國家監(jiān)委網(wǎng)站 陳瑤)
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