陽光電源股份有限公司南京研究所所長 夏彥輝 出席論壇并發表主題演講——《滿足新型電力系統全方位需求的多元復合儲能關鍵技術》

 

以下為演講實錄：

      報告分為以下四個方面，從起因：新型電力系統對儲能的需求，初探：混合儲能發展的現狀，挑戰：多元復合儲能的幾個關鍵技術。展望：多元復合儲能的發展的前景。

      起源，提出一個觀點，儲能是新型電力系統的剛性需求。

      在雙碳目標下，我國新能源發展呈現跨越式的增長，新能源的裝機在2035年前后預計超過50%，成為裝機的主體，在2050年成為電量主體，建成以新能源為主體的新型電力系統，不同光伏+風電裝機滲透率的情況下，電網對新能源的并網的性能逐步在提高要求，從無支撐、低抗擾、電網友好、暫態響應、主動支撐以及到未來的構網型變流器的要求，實現自主同步、構建電網的功能。

       大規模新能源接入造成不確定性缺電、棄電并存，電力系統調頻調峰備用容量不足、轉動慣量降低，調節能力和抗擾動能力持續下降，甚至出現寬頻振蕩等新型穩定的問題，電力系統的格局呈現出新的形態，帶來一些新的問題和挑戰。

      而儲能能夠有效地解決新能源的波動性、間歇性、隨機性、無慣量支撐這些等等問題，可以說儲能是萬能的。因此，建設新型電力系統需要儲能作為靈活性的調節資源，這里面是舉了從發電側到電網側再到用戶側主要的應用的需求。

      儲能的分類，新型電力系統對儲能的要求的呈現多樣化的需求，從功率、時長、響應時間等各種各樣的需求，主要的儲能形式如左邊圖，比較常見的有超級電容是在一分鐘時間內對應電網一次調頻時間尺度，有它特別適合的場景，飛輪在15分鐘對應的電力系統二次調頻應用場景，有它的統治力，電化學儲能更適合于2-4小時調峰的應用場景，而對于季節性、跨日的儲能目前還沒有成熟的商業模式，未來比較有前景的就是電解水制氫或者是轉換成其他能源形式，比如說液氨、甲烷、乙醇、甲醇等等燃料，我們認為是比較有前景的。

       目前基于單一儲能技術都無法完全兼顧電力系統，從功率密度、能量密度、響應速度、轉化效率、壽命及成本全方位的需求。儲能技術呈現多種類型協同發展的格局。

       左邊圖是反映出來目前市場上主流的儲能元件的缺點，為了形成優勢互補，彌補互相之間的缺點，出現了混合儲能的技術路線，典型的以超級電容和飛輪為代表的功率型再加上以鋰離子、液流電池為代表的能量型混搭的形式，組成混合儲能的技術路線，兼具滿足功率密度、能量密度、響應速度、效率、壽命及成本全方位的需求。給出混合儲能的定義：用兩種及以上性能互補，特別強調性能互補的技術的結合，會具有更好的技術經濟的性能。目前市場上還出現了一種納電+鋰電的混合，不是一個混合儲能的范疇，因為這兩種在性能上基本上趨同，而且鈉電的出現就是為了取代鋰電而誕生的。

        分享一下混合儲能的現狀。

        首先介紹一下政策，從最新的今年1月份十四五發展規劃提出來要推動多元儲能的技術開發，結合系統的應用的需求，推動多種儲能技術的聯合應用，開展復合型儲能的試點示范，這為混合儲能的發展指引了方向。

       在應用領域，從火電廠已經有幾個相應的示范的項目，這兩個火電廠輔助火電調頻就是用鋰電+超容技術路線。

       新能源場合也有一些應用，比如說左邊圖用了三種形式的混搭，飛輪、超容、鋰電，右邊是鋰電+超容，同時滿足調頻調峰應用的需求。

       在電網側，也是有一些相應的混合儲能的應用的項目，包括左邊是用鋰電+超容，右邊是用鋰電+飛輪。

       用戶側也有一些應用，微電網形式，一個是港口岸電都是用電池+超容的技術路線的混搭。

       提出了多元復合儲能的關鍵技術。從三個方面：選型和結構、儲能的監測、運營控制策略，這三個范疇提出七大關鍵技術，一一介紹一下。

       第一，交流側/直流側耦合的技術。

       混合儲能的結構設計需要根據它的特性進行確定，選擇最優拓撲結構方案。目前主流的就是交流側耦合和直流側耦合兩大類。在直流側耦合里面又詳細分為根據它的配不配DC/DC變換環節，分為四小類，分別為：超容配DC/DC不配，鋰電配不配DC/DC，對交流側耦合的特點就相對來說控制比較清晰一些，但是多了一臺PCS，成本會高一些，轉化效率會低一些。直流側耦合，轉化效率高一些，但是控制的復雜度以及耦合的復雜度會更高。設計拓撲結構需要考慮的因素分為三個：

      1、鋰電池的組串的工作電壓以及放電的深度。

      2、超容工作電壓和放電深度。因為超級電容放電的深度和端口的電壓直接相關，這是鋰電池根本的區別，需要重點關注。

      3、PCS直流側工作電壓。

      這三個因素需要統一考慮才能在不同場景下設計出混合儲能下的結構。

      第二，混合儲能優化配置技術。怎么優化配置？

      我們建立了鋰電和超容全生命周期成本模型，針對具體的應用場景和場景的組合，基于博弈論的方法，以經濟效益最優為目標，給出混合儲能類型，功率及容量的配置的方案。

      左邊圖是以調頻應用場景為例，給出來的混合儲能的優化的配置方法。右邊圖是開發一套混合儲能優化配置軟件界面，可以根據一次調頻、二次調頻、平滑風電波動、調峰的需求，根據歷史風電出力波動的曲線、系統頻率波動的曲線輸入以后，就可以輸出來超級電容的功率和容量，以及鋰電池的功率和容量的配置的方案。

      第三，參數辨識和狀態估計。研究混合儲能系統運行狀態與壽命衰減的交互影響機理，提出基于卡爾曼濾波和遞歸最小二乘的自適應參數辨識和狀態估計的方法，建立了系統的運行和狀態評估的預測的模型。

    第四，電池管理BMS/CMS的集成技術。要實現兩種管理系統的協調運行，為混合儲能高效的運行提供更有效地支持。特別強調的是這個不同，就是可以實現超容和鋰電互相之間的主動的均衡，比如說用超級電容做鋰電的主動均衡，當然也可以用鋰電做超級電容的主動均衡，這樣就會簡單很多，而且能夠提高電池的效率。

      第五，混合儲能的能量管理系統，我們取名為HEMS，也是采用三層架構，分別是部署在云端的運行監控系統，就地化部署的邊緣控制器也叫協調控制器，就地端的儲能的變流器，這三層架構實現對混合儲能運行狀況實時監測，優化控制和在線分析。

      第六，運行控制層面。第一個應用場景輔助火電機組進行聯合調頻，混合儲能輔助火電調頻由儲能單元、儲能變流器、變壓器以及相應的配電設施組成，儲能單元采集超級電容和鋰電兩種儲能的技術，共同輔助火電機組完成電網的AGC調頻的指令。左邊是混合儲能在火電廠部署系統的架構，右邊是混合儲能輔助火電調頻相關的控制的策略。

      第七，應用在新能源場站的并網。混合儲能實現了四大功能，輔助調峰、一次調頻、平滑波動、偏差補償。預測精度不夠高，被電網考核，用儲能來補償這一部分偏差，能夠實現比較大的收益。在新能源并網側的解決優勢是能夠實現高收益率，主動限發移峰功能，偏差補償的增益，參與電網調峰調頻輔助服務，能夠實現高利用率，能夠提高儲能的利用的效率，不同的場景，不同的時間段能夠選擇最佳的運營的模式。能夠靈活適配，現在我國電力市場，電能量市場，輔助服務市場各個省的政策不一樣，而且快速的變化當中，甚至每半年更新一次運營交易的策略，解決方案是可以適合全國各地的政策，支持風電光伏儲能等多種電源組合地運行。

      展望多元復合儲能的前景。

      氫能是非常好的儲能的形式，但是目前基于綠電制氫成本比較高，未來能達到度電成本1.5毛以下以后，綠氫非常有競爭力。未來氫能將與電力系統進行深度耦合，從電源側、電網側和復合側，制氫設備和電解水制氫以及氫燃料電池，將深入地嵌入到電力系統中各個環節，以氫為代表的實現液氨或者甲醇這種儲能，可滿足新型電力系統全時間尺度的調節的需求，不要只是定位為長時的儲能。通過在制氫環節，電解槽，制氫電源的功率的調節的變化，能夠實現電網的調頻和調峰，同時又兼顧長時備用的功能，我們認為氫能是未來非常良好的一個儲能的資源。

我的匯報就這些，謝謝！