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锂离子储能促进微电网升级
作者:帅福得公司 米歇尔•里贝特 吉姆•麦克道尔
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配电输电设备展厅
电力电缆, 电气控制柜, 配电箱, 电抗器, 断路器, ...
帅福得公司说明了集柴油发电机、可再生能源和锂离子储能于一身的微电网,怎样在强化供电安全的同时削减燃料成本和温室气体排放。

全球对微电网需求增长的背后有两个驱动因素:第一,向偏远社区和工业设施提供电源;第二,常规情况下连接到电网的楼宇或设施需要断开连接并独立运行。

通常情况下,运营商依赖的是柴油发电机,但他们现在转向了可再生能源,特别是太阳能光伏设施,从而减少对柴油燃料的依赖。

由于柴油发电机组运行时间较短,所以制订柴油发电和光伏电厂的配套方案可以节省大量的燃油采购、交通、操作和维护方面的成本。

不仅如此,削减温室气体排放将有益于环境保护。

连接到电网的微电网可以离网自主运行,在停电的情况下也能保证连续供电。这种办法普遍用于风暴易发区等电网供电不可靠地区。

离网型微电网一般是为偏远的村庄、工业区和军事基地提供电源。这些地方通常会有发电成本高昂的问题,因为它们完全依赖于柴油燃料,并且会面临燃料供货物流上的难题。

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以太阳能和风能发电的形式为微电网补充可再生能源是越来越有吸引力的选项。太阳能和风能每千瓦时发电成本显著低于柴油发电。但是,由于可再生能源的间歇性质,仍需要柴油发电机组来保证电网的稳定性。

通过采用标准的电力电子技术,光伏发电可占柴油发电机组发电总量的25%,而采用专用的软件可以把光伏发电的占比提高到50%左右。

增设储能系统以后,运营商可以使可再生能源的贡献度最大化,提高光伏电源的占比,并可实现免柴油发电运行。这种方式能节省50%到75%的燃料。作为可选储能技术,锂离子电池系统正在兴起,背后的原因在于它们的能量密度高,可把很高水平的能量存储到较小的封装中。如今,锂离子储能系统实现了兆瓦级储能,而且集成式封装系统能够并行连接,可以提供数兆瓦小时的储能能力。

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从技术和经济观点来看,微电网储能有三个驱动因素

第一个驱动因素,更多地应用光伏发电缩短了发电机组的运行时间。如果没有能量存储,多余的光伏电能可能会损失(或被缩减),然而储能系统却可以存储和备用多余的光伏电能。此外,光伏电池板的电源输出经过了平滑处理,发电机组不再那么高频次地启动和停机去补偿光伏发电的波动性。

其次,柴油发电机组将能够在最大效率下运行,而不是用产能的升降来满足变化的需求。这样,不但降低了运行和维护成本,而且不再需要空转备用。

最后,通过集成能量存储,运营商可以仅在需要支持负载或者为电池充电时运行发电机组。

它的工作方式是什么?

以12MW负载供电的工业微电网为例,一般需要六台额定功率2MW的发电机组供电。针对增加60%到150%的光伏发电(7.5-18MWp)和能量存储的影响,SMA已经实现了建模,可以起到平滑电源和时移的作用。

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增加能量存储可以使微电网友好型SMA范围内的可再生能源贡献度最高

电源平滑化需要可提供20分钟电源的较小储能系统,从而补偿天气条件的变化。在这种情况下,储能系统通过消除对柴油发电机组产能升降的需求,保证了平滑的电源输出并实现了节约。

如果不采用储能系统,运营商借助合并的光伏系统只能实现有限的节省。而电池的引入却有助于实现更为可观的节约效果。实际上,为了实现电源平滑性,与增加电池板相比,中等大小的电池对于优化光伏发电占比是更好的选择。

在这种情况下,供电能力约为系统功率(4.6 MW)40%的电池只需要放电20分钟就足以减少50%的燃料消耗。据估算,采用7.5-11.5MWp的光伏电池板后,每年可节约4百万升的燃料。即使再增加电池功率,也只能实现边际化的燃料节约效果。

在时移应用中,较大功率的电池将可提供2小时的能量存储,这样在白天高峰时间产生的光伏能量就可用于早晚电力需求峰值时段。

在这种模式下,使用的电池功率越大,可集成的光伏电源水平就越高。当增加的光伏电源功率达到18MWp时,就意味着达到了柴油发电机组150%的发电能力。

当在这种典型的系统内运行仅采用光伏和储能方式的微电网时,就有可能每年节省大约1千万升的柴油。由于没有随时有效的空转备用,这种方式的确需要仔细制订系统规模以及精密的电子控制技术。在这种情况下,如果光伏发电能力突然下降,电池必须能够满足全部供电需求。

按照经验法则,如果没有储能系统,当光伏发电占比低于50%时,运营商才能达到理想的燃料节约效果(依据任一时刻由光伏设备供电的负载的比例)。当光伏发电占比达到50-100%之间时采用中等规模的储能系统以及当光伏发电占比超过100%时采用大型储能系统也能达到理想的燃料节约效果。

与现场相关的挑战

实际上,某一现场可能的光伏发电占比和柴油节约量取决于许多变量,包括:负载曲线、光伏发电曲线、环境和经济条件、负载性质以及连接到主干电网(如果存在一个)的可靠性)。

每一现场的负载和光伏发电曲线、系统以及环境和经济限制都存在差异

任何单一的储能系统都不能满足所有现场的需求。每一储能系统必须放到更大范围的系统内进行考量,这就需要确认最优储能系统、光伏系统以及适应性强的控制方面的专门知识,从而节省最多的燃料,最大限度地集成光伏能量并投入最少的成本。帅福得公司通过基于Matlab的高解析度锂离子电池系统的电气和热特性建模促成了这一工艺。这种方法模拟了电池系统的实际行为,同时可以预测充放电操作变化剧烈的应用条件下,电池功率、充电状态和随时间老化的进展情况。

从北极区到赤道区对光伏发电进行集成



在极北地区,一个小型微电网为科尔维尔湖多达150个社区服务,这些社区位于北加拿大北极圈50英里范围内。逐渐老化且不可靠的柴油发电机可满足的峰值负载为150kW,基本负载为30kW。这些社区面临的主要挑战是只能经由一条冰雪覆盖的道路每年运送一次柴油。配电网运营商西北地区电力公司(NTPC)决定新建柴油电厂,并建设50kWp的光伏设备为之配套。

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Saft Intensium® Max应用于西北地区电力公司位于科尔维尔湖的电厂(北加拿大北极圈50英里范围内)

经电网数学模型测算,采用储能系统后,光伏发电能力可提升到140kWp,同时还量化了潜在的燃料节约,从而创造了一个商业案例。帅福得公司已经在一个创新的“低温产品包”内安放了一个Intensium® Max 20M中等功率(1M 20M)电池箱,可提供232kWh的电能,同时还集成了ABB公司出品的200kW功率调节系统。

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位于阿拉斯加州北极圈科策布KEA公司的Saft Intensium® Max+

同样在这个北极区,帅福得公司已经向利策布电力联盟有限公司(KEA,阿拉斯加州科策布市的一家电力合作集团)提供了Intensium® Max+ 20M集成电池箱,含有同样的低温产品包。该城镇未连接到电网或者公路系统,以往依靠柴油发电机提供电力,最近增设了各种风力涡轮机。

如今,通过这个950kWh的储能系统,现有的风力-柴油混合电力系统可以充分发挥潜能,为当地社区提供更加清洁、可靠、廉价的电能。主要优势包括:KEA微电网现在能够控制风力发电的波动,实现多余风能的时移利用,大幅度削减了柴油消耗。

目前,KEA正在进行储能电网架构能力的试运行,实现免柴油发电机运行。

在另一个具有相反极端条件的地方——玻利维亚亚马逊热带雨林内的科维哈镇,Isotron公司已经为世界上最大的光伏-柴油混合微电网部署了储能系统。这个偏远的地区未连接到电网,依靠16MWh柴油发电机和5MWp太阳能光伏设备满足其8MW负载需求,光伏发电占比达62%。

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部署在北玻利维亚科维哈的Saft Intensium® Max产品,这是世界上最大的光伏-柴油混合微电网

电网运营商ENDE (Empresa Nacional de Electricidad)计划扩展供电范围并降低柴油消耗。为此,帅福得公司提供了一套2.2MW储能系统,可提供电能1.2MWh。

自该套储能系统2014年12月试运行以来,运营商关闭了两台发电机组,每年可节省2百万升燃料。

商业案例

当运营商们试图降低运行成本,减少对柴油发电的依赖时,通常会考虑能量存储。与此同时,光伏发电越来越强的成本竞争力也意味着混合发电方案的吸引力与日俱增。

然而,为了说服商业案例的投资人,储能方案必须在实质性的节约和运行优势上提供高投资回报率。同样重要的是,不允许在可靠性和供电质量上有任何折扣。在高度依赖可靠供电的社区内,偏远的微电网稳定的频率和电压尤为关键。

把储能系统纳入光伏-柴油混合方案需要开发商和供应商之间的合作,同时需要很高水平的专门技术,以开发出最佳布局以及每个系统部件的规格。同样重要的是,要了解如何针对现有的柴油发电厂改进储能系统和光伏设备,取得最佳效果。

结论

偏远微电网混合供电方案的驱动因素是不断增强的可再生能源的成本竞争力。

储能系统不但能够优化可再生能源的占比,同时还确保了卓越的运行可靠性和稳定性。

系统规模定制和优化是复杂的,需要运营商、开发商和供应商之间的深度合作。
文章内容仅供参考 (投稿) (2017-3-29)
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