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周錫衛(wèi) 教授《發(fā)電側(cè)儲能技術(shù)應(yīng)用需求與案例解析》

發(fā)布日期:2022-08-30

核心提示:8月22-24日,由國家電投融和元儲、新型儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、風(fēng)光儲百人會、中國風(fēng)光儲網(wǎng)等單位聯(lián)合主辦的2022中國國際光儲充產(chǎn)業(yè)大會(
 光儲充圖片

8月22-24日,由國家電投&融和元儲、新型儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、風(fēng)光儲百人會、中國風(fēng)光儲網(wǎng)等單位聯(lián)合主辦的2022中國國際光儲充產(chǎn)業(yè)大會(簡稱:金磚光儲充論壇)在常州香格里拉大酒店圓滿閉幕。本屆大會設(shè)置“論壇峰會+展示臺展示”,既有企業(yè)細(xì)致入微的分析,也有行業(yè)專家為市場發(fā)展提出的設(shè)想與方案,助力落實(shí)國家提出的“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)要求,積極助力構(gòu)建“雙循環(huán)”新發(fā)展格局。
 
圖片1
 
國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心特聘研究員 周錫衛(wèi)出席論壇并發(fā)表主題演講——《儲能安全是光儲充關(guān)鍵技術(shù)》 。

以下為演講實(shí)錄:
 
周錫衛(wèi):先講一下開會的規(guī)則,希望大家把手機(jī)放到靜音的位置,演講的嘉賓要嚴(yán)格控制演講的時(shí)間,我們已經(jīng)和導(dǎo)播這邊統(tǒng)一了一個(gè)規(guī)則,就是到時(shí)間就自動切到下一位講演嘉賓了。所以,希望每個(gè)嘉賓把自己最精彩的內(nèi)容安排在你的講解時(shí)間段內(nèi),把它講解出來,否則你更多的精彩可能后面會切掉了,所以請各位嘉賓一定要控制好自己的演講時(shí)間。
 
會議正式開始,首先感謝各位嘉賓和同仁在百忙當(dāng)中能夠來到美麗的常州參加這次盛會,我代表大會對大家的到來表示感謝!
 
先有一個(gè)小題目跟大家交流——《儲能安全是光儲充關(guān)鍵技術(shù)》。今天上午很多領(lǐng)導(dǎo)嘉賓從規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)的制定上,專門重點(diǎn)探討了有關(guān)安全的議題,實(shí)際上這次我講的儲能安全這個(gè)“儲能”是針對鋰電池的儲能,它的安全尤為突出。這個(gè)問題不論在國家的技術(shù)規(guī)范,還有標(biāo)準(zhǔn)上,包括電站和儲能系統(tǒng)的管理上,都是非常強(qiáng)調(diào)的一個(gè)問題。
 
中電聯(lián)負(fù)責(zé)國家標(biāo)準(zhǔn)的周處長上午特別強(qiáng)調(diào)了,在這定標(biāo)準(zhǔn)中,其他的問題都可以壓縮或者簡化,但是安全這一塊不能少,沒有安全就談不上經(jīng)濟(jì)性。在保證安全的基礎(chǔ)上再談經(jīng)濟(jì)性,安全就是儲能系統(tǒng)一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)問題。
 
首先講電池儲能技術(shù)優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。
 
電池儲能在儲能系統(tǒng)里面,國家能源局的文件上有一個(gè)劃分,電能儲能有化學(xué)形式、物理形式,最后細(xì)分為機(jī)械的動能和勢能、電磁場能的電場能和磁場能,以及電池儲能和氫儲能,有以上幾個(gè)分類,這個(gè)大家都知道,不多講,時(shí)間比較有限。
 
我們講集中儲能形式,它的特點(diǎn)或者優(yōu)勢和挑戰(zhàn)的地方,主要從這幾個(gè)視角來看。
 
第一,時(shí)長和規(guī)模。電池儲能,它是一個(gè)集成技術(shù)的體現(xiàn),我這張表是和外面公布的有點(diǎn)不一樣,這是我在十幾年電池儲能集成上的工作和研究中的一些體會,我把電池儲能的規(guī)模也寫成了“大”,時(shí)長也是標(biāo)注為比較長的。在這個(gè)上面,以往有一些誤區(qū),電池儲能大家一般都認(rèn)為它顆粒度比較小,每顆電芯的容量比較小,它集成起來以后,時(shí)長適合于4小時(shí)之內(nèi),實(shí)際上我認(rèn)為這是一個(gè)誤區(qū)的地方。
 
為什么這么講?因?yàn)闀r(shí)長越長,它的充放電的倍率越低,鋰電池或者其他的電池倍率越低,它的安全性越好和壽命越長。它不是2小時(shí)或者4小時(shí)的問題,是在整個(gè)系統(tǒng)集成運(yùn)行過程中,是不是更適合電池本身它在儲能運(yùn)行上的一些特點(diǎn),我認(rèn)為在同等情況下,時(shí)長和規(guī)模上可以做大。因?yàn)樵谑淄邥r(shí)和百兆瓦時(shí),都是在Pack級和組串級進(jìn)行管理,如果你把每個(gè)Pack和每個(gè)組串管好了,自然你具備將這個(gè)系統(tǒng)大了的基礎(chǔ),它的安全性和壽命同樣是可以管好的。
 
我們講安全性就不得不講比較有名的北京大紅門“4.16”事故。這個(gè)大家很清楚,不多講,只是提醒大家這個(gè)安全必須重視,這是光儲充一體化的項(xiàng)目,它是交直流微網(wǎng)形式的應(yīng)用項(xiàng)目,開始一年還是比較出名的,很多北京的儲能大會參觀現(xiàn)場,它作為示范來參觀的。第二年上第二期項(xiàng)目的時(shí)候,出現(xiàn)了燃爆。
 
它的一些連接方式和它的擺布方式實(shí)際上有很大的設(shè)計(jì)和集成上的缺陷,我畫了箭頭的地方,那些都是電纜線,就這么堆放在這個(gè)地方。這邊是消防裝置,它是非自動聯(lián)動的一個(gè)裝置,也就是說,它在監(jiān)管和布局上有嚴(yán)重的缺陷。另外,它是通過225串18并的方式,連接的小電芯,10Ah、20Ah這樣的小電芯把它做起來。小電芯做起來的話,如果每顆電芯都管,它的BMS的成本就比較高,所以它并非每個(gè)都管,并起來有一個(gè)很大的問題,就是兩顆以上的電芯并起來,它的電壓位你測到的是同樣的電壓位,如果有一顆電芯已經(jīng)危險(xiǎn)了,實(shí)際上你的檢測電路就檢測不到這顆已經(jīng)有危險(xiǎn)的電芯。這樣的話,很多起火的儲能電池系統(tǒng)在鑒定報(bào)告中有這樣一句話就是“在毫無征兆的情況下,發(fā)生了燃爆”,實(shí)際上不是沒有征兆,而是你沒有把這個(gè)征兆采集到它。
 
我們做過一些實(shí)驗(yàn),電芯從正常的指標(biāo)在運(yùn)行中,如果你給它短路,它會產(chǎn)生燃爆的現(xiàn)象。這個(gè)電芯從正常運(yùn)行指標(biāo)到它起火這一段時(shí)間,基本上是在100多毫秒到300多毫秒,我們做過40Ah和60Ah組串的Pack級的測試,大概是這樣的(情況)。也就是說,現(xiàn)在BMS國家標(biāo)準(zhǔn)是2秒鐘一個(gè)采樣、檢測和控制決策的周期,這個(gè)時(shí)間太長了。但是同樣一顆電芯在溫度測試上,它在5秒鐘之前甚至15秒的時(shí)候,它已經(jīng)和別的電芯有明顯異常的征兆,也就是說如果你是每一顆電芯電壓和溫度都是同時(shí)采樣,就可以提前到幾秒鐘的預(yù)警。現(xiàn)在我們講的熱失控和防止熱失控,還有消防方面的一些方法都很重要,它是防止次生災(zāi)害,防止事故擴(kuò)大的必要措施。
 
現(xiàn)在研究比較少的是怎么樣預(yù)防它著火,能不能提前檢測到和預(yù)防它,這個(gè)非常重要。現(xiàn)在有一些大數(shù)據(jù)處理算法的方式,也有一定的效果,可是它是概率事件的分析處理,在小概率起火的情況下,電化學(xué)反應(yīng)的突變要素往往也是很難判別出來。所以,我們希望用硬件的辦法去檢測每顆電芯實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中的超正常運(yùn)行參數(shù)的異常表征,然后以預(yù)防的形式,可以讓異常的電芯或者這個(gè)組串或者這個(gè)Pack電池包能夠跳開,現(xiàn)在也有一些提出“一簇一管理”、“一包一優(yōu)化”等等,實(shí)際上是從這個(gè)理念上往下做的。
 
這個(gè)事故發(fā)生之后,清華大學(xué)的歐陽明高院士專門受國家能源局委托,對它做了分析和測試,會發(fā)現(xiàn)它的一些問題。電芯的內(nèi)短路通過仿真以后,發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象是過放產(chǎn)生,這是結(jié)論報(bào)告中提到的。
 
現(xiàn)在的問題是,南區(qū)沒有著火會怎么樣?北區(qū)為何燃爆?兩個(gè)區(qū)域之間是燃燒的這一個(gè)沒燃爆,另外一個(gè)燃爆了,現(xiàn)在說的是通過這個(gè)電纜溝的通道可燃?xì)怏w跑過去,這個(gè)可能是要打個(gè)問號的地方。因?yàn)槿紵牡胤剑忻骰鸬牡胤剑@些可燃?xì)怏w不是在燒嗎?是不是把可燃?xì)怏w趕到對方去,對方出現(xiàn)了明火再爆,這個(gè)地方是值得探討的。
 
這是一個(gè)分析的過程,就是怎么樣產(chǎn)生熱失控和燃爆。內(nèi)短路引起熱失控是起主要的(原因),鋰電池?zé)崾Э赝ǔ_€有機(jī)械沖擊、負(fù)級析鋰、正極釋氧等因素,我們發(fā)現(xiàn)短路不論是由過充過放造成的,還是連接過程造成的,都與集成和運(yùn)控運(yùn)維密切相關(guān),實(shí)際上是一個(gè)產(chǎn)生燃爆非常重要的誘因。
 
安全的要素方面是先天上鋰電池就有缺陷,一個(gè)是材料的缺陷,一個(gè)是工藝上的缺陷。
 
環(huán)境是后期設(shè)計(jì)和改善上可以調(diào)整,但是一旦把它固化在一個(gè)系統(tǒng)里,它的一顆電芯在相對位置上,它的溫度、環(huán)境就會有相對固化和影響。
 
在使用上就有操作和維護(hù)兩個(gè)層面,目前的系統(tǒng)很少有動態(tài)維護(hù)的功能。所以我們建議先天的是設(shè)法,盡量改變材料、改變工藝,但是電池一旦買回來了,你就要在位置和溫度以及運(yùn)行管控上下點(diǎn)功夫,如果把它管好或者是在操作和維護(hù)上面,要更加深入地管控它。
 
誘因剛才已經(jīng)講了,不多講,因?yàn)闀r(shí)間比較緊。
 
鋰電池的優(yōu)勢也比較明顯,它的建設(shè)周期快、成本相對較低。比如說和目前水平的壓縮空氣來比較,它現(xiàn)階段成本優(yōu)勢還是有的。另外,效率比較高,電池本身的效率能到90%以上,系統(tǒng)集成以后是82%、83%的樣子。
 
 
它的挑戰(zhàn)點(diǎn)是安全和壽命,壽命和使用過程中的使用方式、維護(hù)方式有很大的關(guān)系。我們講儲能的應(yīng)用技術(shù),今天上午很多人都在講,特別是黃老師那邊把“光儲充”四個(gè)階段如何逐步進(jìn)行推廣,他有一個(gè)比較詳細(xì)的,在這里不多講。
 
作為儲能電站比較大規(guī)模的系統(tǒng),有一個(gè)特點(diǎn)是需要大家關(guān)注的。并網(wǎng)的系統(tǒng)主要是電流源方式,用指令的方式去調(diào)節(jié)功率。它主要適合二次調(diào)頻和調(diào)峰,現(xiàn)在構(gòu)網(wǎng)型的新型電力系統(tǒng)有一次調(diào)頻的能力要求,這時(shí)候需要有電壓源的工作方式,這個(gè)重點(diǎn)是不在電芯,在PCS,能不能多機(jī)以電壓源的方式進(jìn)行自動響應(yīng)和工作,這是非常重要的。微電網(wǎng)在并網(wǎng)的時(shí)候可以用電流源(指令方式),但是在離網(wǎng)的時(shí)候要有電壓源,要有支撐能力,希望大家關(guān)注這一點(diǎn),我們的“光儲充”多數(shù)情況下是并離網(wǎng)的一個(gè)系統(tǒng),沒電的情況下它也要獨(dú)立可以運(yùn)行。
 
這是使用場景,這個(gè)是利用儲能來擴(kuò)容,然后做充電樁的示范。
 
這是移動儲能,做應(yīng)急去保電處理,或者沒有電樁的地方,可以移動到一個(gè)臨時(shí)停車場,比如說開一些集會,原來沒有這么多充電樁,可以用移動的方式進(jìn)行保電充電。
 
我們拿這張圖出來,這是實(shí)際運(yùn)行的。光伏實(shí)際上波動很大,我們可以看到一天的波動有幾十次或者上百次的都超過30%功率的波動,如果你在大負(fù)荷的運(yùn)行,運(yùn)行在這30%的幅度里面,這個(gè)充放電就會很頻繁地去做,雖然你看到一天一充一放,它的波動是在多次充放電,對壽命有一定的影響,特別是光儲一體化設(shè)備影響更為突出。
 
這個(gè)也是光伏和儲能充電之間的關(guān)系,時(shí)間關(guān)系我要快一點(diǎn)。
 
現(xiàn)在的光儲充,實(shí)際上一個(gè)是大電網(wǎng)的架構(gòu)。下面這些虛擬電廠也好、微網(wǎng)也好、光儲充的小系統(tǒng)也好,是掛在不同的配網(wǎng)的基礎(chǔ)上,然后通過上面的Internet網(wǎng)的一個(gè)信息互聯(lián),去統(tǒng)一管理。但是這里有一個(gè)要點(diǎn),就是它的局域性,我們把它控制上的原則叫做“充分自治,受控共享”,也就是說在兩個(gè)子系統(tǒng)之間要按照一定規(guī)則去管控它,但是在一個(gè)子系統(tǒng)里面你要自治調(diào)控,自我平衡。否則一個(gè)大系統(tǒng)如果這樣去做,就像一個(gè)隊(duì)伍一樣,你從軍長管到兵可能很難管,可以管師長、管團(tuán)長這樣下來。
 
這是微網(wǎng)的形式,就不多講。
 
它的解決方案實(shí)際上要考慮電網(wǎng)供電還是儲能支撐,是并網(wǎng)系統(tǒng),還是離網(wǎng)系統(tǒng),從四個(gè)層面去考慮。
 
實(shí)際上光儲充有一些要素,這個(gè)講起來時(shí)間就太多了,我們注重的是一個(gè)頂層設(shè)計(jì),這是最關(guān)鍵的,還有一個(gè)是優(yōu)化配置的問題,才能保證它的安全穩(wěn)定地運(yùn)行。
 
另外一個(gè)重點(diǎn)的地方就是要全壽命地管控,架構(gòu)要柔性化。因?yàn)樗R時(shí)的隨機(jī)調(diào)整變動,特別是帶有汽車充放電特性,它的臨時(shí)性很大,不多講,我的時(shí)間基本上到了。
 
我們講一下它的充電方式可能有多種,但是這四種是比較常見的。一是戶用充電方式,充電里面現(xiàn)在V2G還有互動的方式在里面;另外一個(gè)是集中充電加上靈活配送,這個(gè)是講的換電;還有一個(gè)移動的,電不夠或者沒有充電樁電網(wǎng)接進(jìn)來的時(shí)候,可以用移動的方式,包括擴(kuò)容。
 
總結(jié)一下,絕對安全比較難做到,要靠先天的、本身的,也就是電池本身沒有任何燃燒的可能性的材料,這個(gè)是比較難的。目前現(xiàn)階段或者看得到的近幾年里面還比較難做到,固態(tài)電池會好一些,但是也不能完全杜絕它(燃燒事故)。相對安全是可以做到的,要做到預(yù)防和有效管控,這是有機(jī)會做到的,我們要在這上面多花一點(diǎn)功夫。沒有了安全性就沒有經(jīng)濟(jì)性,只安全不經(jīng)濟(jì),也失去它的價(jià)值。謝謝大家!

 
 
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