风电场配置全钒液流电池储能系统的应用展望.docx

风电场配置全钒液流电池储能系统的应用展望一、 风电场配置储能技术的现实需求1、 由于风能发电受到气候和天气影响，风速的变化给风电机组的出力带来了很大影响，弱风和无风时段出力减小或停机，负荷低谷时段又有可能风速较大，电力系统要求是供需一致，电能消耗和发电量相等，一旦这平衡遭到破坏，轻则电能质量恶化，重则引发停电事故。因此风电的并网问题面临诸多矛盾，成为风电场规模发展的瓶颈。2、 当并网运行的风电机组装机容量比例逐步增加，承担调峰任务的常规电源点无法实现匹配调解时，风电的并网条件或运行条件必然提出均衡发电的要求。这种要求有可能以技术标准的形式提出。对新建的风电机组或已并网的风电机组也有可能区别对待，但此时，即使没有出台峰谷上网电价政策，风电场配置储能系统也变成必要条件3、 从技术层面，储能系统的作用是削峰填谷，能达到平衡电力负荷、改善电能质量的目的。储能已被视为电网运行过程中“采、发、输、配、用、储”六大环节中的重要组成部分。系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜峰谷差，平衡负荷，调整频率，补偿负荷波动，提高系统运行稳定性，更有效地利用电力设备。有风而停机也是一种浪费。无论并网风电还是非并网风电，要达到保证系统安全稳定运行且最大化利用风能这个目标，运用储能装置是必然的选择。4、 北京电网的未来规划根据北京市发改委关于北京调整北京能源结构规划的说明，到；国务院发布能源发展十二五规划，规划中提出电力领域发展的主要任务将在清洁能源的开发利用：积极有序发展水电，安全高效发展核电和快速发展风能等可再生能源，并强调了煤电的清洁高效发展。规划中电力工业主要目标与此前公布的电力工业十二五规划研究报告中内容基本一致：至15 年用电量6.15 亿千瓦时，按此计算，13-15 年用电量复合增速需控制在7.4%以内；非化石能源消费比重提高到11.4%，非化石能源发电装机比重达到30%。5、 官厅风电场限电及电价随着官厅风电场4到8期的建设，风力发电自身所固有的随机性、间歇性特征，决定了其规模化发展必然会对电网安全运行带来显著影响，另外风力发电往往在后半夜进入发电高峰，而此时正是用电低谷，所以弃风现象严重。因此必须要有先进的大容量储能技术做支撑，以稳定风机输出，且能错时发电，提高风力发电机组的利用率。研究表明，如果风电装机占装机总量的比例在10%以内，依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全；但如果所占比例达到20%甚至更高，电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。目前为了减少对电网的冲击，每一台风机需要配备其功率 4%的后备蓄电池。另外还需要大约相当于其功率1%的蓄电池用于紧急情况时收风叶以保护风机。电网对风电输出平稳性的要求已成为风电发展的瓶颈，如果需要平滑风电90%以上的电力输出，需要为风电场配置 20%左右额定功率的储能电池；如果希望风电场还能具有削峰填谷的功能，将需要配备相当于 4050%功率的动态储能电池；如果风机离网发电，则需要更大比例的动态储能电池。根据国家中长期能源规划，风电装机目标为 2020年200GW，.风电实际装机容量比预计的要大得多，截止2014年中国风机累积装机容量已超过83GW，中国风能协会预计 2020年中国风电装机会突破150GWI，将占到全国发电量的10%左右风电产业的快速发展，对电网的运行和控制提出了严峻挑战，大容量储能产品成为解决电网与风电之间矛盾的关键因素。即使按照风电调控最低要求计算，5%的风电储能比例，2020年储能电池的需求就将达到5GW；如果需要平滑 90%以上的风电输出，储能电池的需求还要增加3 倍以上.二、 全钒液流电池的优势1、 常用电池储能装置简介1.3.1 钠硫电池钠硫电池在300的高温环境下工作，其正极活性物质是液态硫；负极活性物质是液态金属钠，中间是多孔性陶瓷隔板。钠硫电池的主要特点是比能量大（是铅酸电池的三倍）、效率高（可达到 80%），循环寿命比铅酸电池长等，适合 10100MW 储能。钠硫电池由于运行温度较高，危险性高于锂电池，其隔膜技术、封装技术、材料匹配技术、电池管理系统难度都非常大，其产业化需要的相关设备欠缺，目前只有日本NGK 成功商业化。NGK的钠硫电池不只是日本一个国家在支持，而是集成了日本、欧洲、北美近半个世纪在钠硫电池上的技术积累，而且过去 20年日本政府一直补贴其产业化，国内在这个技术上还有很长的路要走。1.3.2 锂离子电池锂离子电池的阴极材料为锂金属氧化物，具有高效率、高比能量的特点，并具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。锂离子电池在小型动力上的优势非常明显，但在大规模储能上还属于非常前卫的技术，大规模锂离子电池组合对单电池的控制要求非常高，过充控制有特殊封装要求，价格昂贵。其电池管理系统的成本和难度，锂电池是先做好动力电池，然后才能上升至更大规模应用，虽然目前国内已经有很多 MW级锂电池示范项目，但只是示范应用。目前世界上的能够利用锂离子电池建造 MW 级商业储能电站只有美国的 A123，其储能电站用锂电池生产工艺与普通动力电池是不一样的.国内锂离子电池厂家需要从原材料生产工艺、电池封装工艺、管理系统、相关PCS等各环节有革命性突破，特别是基础材料和后续的应用集成上要下大功夫。1.3.3 铅酸电池铅酸蓄电池的主要特点是采用硫酸做电解液，是用二氧化铅和绒状铅分别作为电池的正极和负极的一种酸性蓄电池，具有成本低、技术成熟、储能容量大等优点，主要应用于电力系统的备载容量、频率控制，不断电系统；缺点是储存比能量低、可充电次数少、制造过程中存在一定污染等。现已有很多国内国际的公司在研发新一代铅酸电池，但如何保证在生产、使用整个过程单电池的一致性，如何制造先进的电池管理系统是一个非常复杂的系统工程，技术难度常大，目前尚没有太大突破。1.3.4 全钒液流电池目前能够选择的储能技术都有局限性，全球100KW10MW的储能市场目前基本上是空白区，流体钒电池正好能适应这样一个规模的储能技术。钒电池拥有三个很明显的技术优势，储能介质是常温水性的，没有起火爆炸危险，其流动性利于热管理；电池充放电状态易于监控；由于储能介质在电池之外的储罐中，单电池一致性很高，系统越大电池管理系统相对成本越低。钒电池虽然商业化进程很短，但关键材料目前除了隔膜以外，其它的关键材料可全部国产化，其加工技术包括关键材料加工技术并没有与众不同的特殊性，国内钒资源优势又很明显，加上终端应用场合对安全性和可控性的要求非常高，虽然比能量较低是其明显的缺点，但在大规模储能场合一定有它的市场，就目前情况来说做为首选的大规模储能技术之一是非常现实的。自 1974年 LawrenceH.thaller提出液流储能电池的概念以来，经过近40多年的研究和发展，流体钒电池储能技术取得了突破性进展。澳大利亚、日本、英国、加拿大、美国、德国等工业发达国家于 20世纪80 年代开始流体钒电池系统的研究，但由于受所处工作环境、人力成本和所在国家的工业格局的制约，对于钒电池的工业化推进是有限的。日本、加拿大、美国等国家均已经建造了兆瓦级示范演示工程。过去日本由于受制于钒资源的制约，不得不暂停流体钒电池商业化，不过近两年日本再次启动流体钒电池的商业化。中国钒资源丰富，目前国内 90%钒是出口的，因此钒电池的商业化对国内钒资源的充分利用非常有利，流体钒电池的钒资源回收非常方便，亦是开发钒电池另一个独特优势。1986年澳大利亚新南威尔士大学制作的全钒液流电池2、 全钒液流电池原理钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。正极电解液由V()和V()离子溶液组成，负极电解液由V()和V()离子溶液组成，电池充电后，正极物质为V()离子溶液，负极为V()离子溶液，电池放电后，正、负极分别为V()和V()离子溶液，电池内部通过H+导电。V()和V()离子在酸性溶液中分别以VO2+离子和VO2+离子形式存在，故钒电池的正负极反应可表述如下：三、 配置全钒液流电池的经济型分析1、 计算储能装置投资收益的边界条件有以下几个：1、 储能系统的初投资（元/KW）2、储能系统运行维修费用 3、储能系统利用率 4、储能系统的初投资应包括：场地与厂方、电能储存与转换设备、充放电监事控制设备三大部分储能设备的配置宜在风场升压站附近集中布置，通过变压器、整流逆变设备和母线连接，厂房占地面积由储能容量和工艺设备确定。对液流电池来说，厂房内要摆放电池模块、电池液体罐、整流逆变设备和控制机柜，估算约在100/MW以1MW/6h的液流电池储能规模计算：投资：（10002000）万+1200万=（22003200）万（兆瓦级市场价格：功率单元1-2万/千瓦，能量单元0.2万/千瓦时）寿命期内的收益：6000kWh90%1（元/kWh)10000（1-5%）=5130万（全钒液流电池循环寿命大于10000次，上网电价1元/度，放电深度90%， 运维系数5%）回收期：（22003200）/（0.513365）=（11.817.1）年（假设每天充放电循环1次）2、争取政策支持。国家基金、电价补贴以辽宁卧牛山为例：（如有）四、 小结目前中国电力市场，储能产业在面临巨大发展机遇的同时，也面临诸多瓶颈，储能产业的发展还需要政府提供有力的政策支持。全钒液流电池储能系统的建设和投运具有重大的应用示范意义。通过实际运行，弥补风电不确定性因素不足，加强对电网的调峰能力，有效控制起风问题。同时掌握并验证大规模储能与风力发电出力的互补机制，开发储能系统与风电场综合能量管理控制技术，优化储能系统的容量配置方案，探索储能系统的应用模式，为储能技术推广应用取得宝贵的数据和经验积累。储