全釩液流電池儲(chǔ)能電站在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

全釩液流電池儲(chǔ)能電站在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

電力是促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步和人民生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)今世界發(fā)展主要依靠的是煤炭、石油、天然氣三大傳統(tǒng)化石能源。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,全球化石能源消耗的速度逐年增加,并帶來全球環(huán)境變暖、生態(tài)破壞等嚴(yán)重的環(huán)境問題。化石能源儲(chǔ)量有限,面向未來,世界范圍內(nèi)化石能源資源短缺不可避免,能源資源和能源安全問題將日趨嚴(yán)峻。大力開發(fā)利用可再生能源已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國(guó)調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。風(fēng)能資源是清潔的可再生能源,風(fēng)力發(fā)電是目前可再生能源發(fā)電中技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。積極開發(fā)利用風(fēng)電,對(duì)增加能源供應(yīng)、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少化石能源消耗、減少溫室氣體排放及保護(hù)環(huán)境和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。近年來,風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)得到迅猛發(fā)展。截至2012年底,我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到7532.4萬千瓦,總裝機(jī)容量超過美國(guó)位居世界第一。從遼寧省來看,截止2013年6月底,遼寧省風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到518萬千瓦,同2005年相比,總裝機(jī)容量增長(zhǎng)超過40倍。目前風(fēng)電總裝機(jī)容量占遼寧省電網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)容量的比例超過12%,到2020年,將超過1000萬千瓦。風(fēng)力發(fā)電具有明顯的隨機(jī)性、間歇性和不可控性,風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的快速增長(zhǎng)和大規(guī)模并網(wǎng)給電網(wǎng)調(diào)峰和穩(wěn)定、安全運(yùn)行帶來了巨大壓力,加之中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)主要分布在距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)的地區(qū),電網(wǎng)架構(gòu)相對(duì)薄弱,輸電線路容量有限,外送通道不暢,結(jié)果造成風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)限電現(xiàn)象嚴(yán)重。據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì),2012年全國(guó)棄風(fēng)電量約200億度,較2011年的棄風(fēng)限電規(guī)模增加了1倍,相當(dāng)于損耗660萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤或向大氣排放1000萬噸二氧化碳。風(fēng)電平均利用小時(shí)數(shù)比2011年有所下降,個(gè)別省(區(qū))風(fēng)電利用小時(shí)數(shù)下降到1400h左右,不僅極大地浪費(fèi)了風(fēng)能資源,而且風(fēng)電場(chǎng)收益也呈嚴(yán)重下降趨勢(shì)。特別是在中國(guó)東北、華北、西北地區(qū),大規(guī)模棄風(fēng)限電現(xiàn)象更加頻繁和常態(tài)化。因此,如何改善和調(diào)控風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)功率特性,提高電網(wǎng)側(cè)對(duì)于可再生能源的接納能力,減少限電棄風(fēng),提高可再生能源利用效率是需要解決的重大問題。為此,國(guó)家電網(wǎng)公司中國(guó)電科院分別在2005年和2011年制訂了《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)有功功率變化率進(jìn)行了限定。2011年和2012年,國(guó)家能源局也發(fā)出通知,要求風(fēng)電場(chǎng)具有功率預(yù)測(cè)功能,并明確提出了風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的功率預(yù)測(cè)精度要求。上述強(qiáng)制性規(guī)定的出臺(tái),就是針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電并網(wǎng)功率波動(dòng)較大,且并網(wǎng)功率隨機(jī)性強(qiáng)的現(xiàn)狀而提出的。目的是要求風(fēng)電場(chǎng)提高并網(wǎng)電能質(zhì)量,提高功率預(yù)測(cè)精度,以減小風(fēng)電并網(wǎng)波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響,同時(shí)降低電網(wǎng)調(diào)度側(cè)調(diào)峰壓力。然而,目前風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)精度較差,不能滿足電網(wǎng)調(diào)度側(cè)需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)吸收能量并適時(shí)釋放的特點(diǎn),可有效地平擬風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)功率,配合風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng),改善跟蹤計(jì)劃發(fā)電能力,提高風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的可控性,使風(fēng)電場(chǎng)更加適應(yīng)電力系統(tǒng)調(diào)度的運(yùn)行需要,更可能地作為有效電源來進(jìn)行調(diào)度管理。從而切實(shí)提高電網(wǎng)對(duì)于風(fēng)電的接納能力和降低棄風(fēng)限出力小時(shí)數(shù),提高風(fēng)電資源利用效率,促進(jìn)節(jié)能減排。本文所介紹的5MW/10MW·h全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在國(guó)電龍?jiān)磁P牛石風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi),該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)規(guī)模為49.5MW,儲(chǔ)能系統(tǒng)功率占風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量的比例約為10%。該套儲(chǔ)能系統(tǒng)自2013年2月份并網(wǎng)運(yùn)行,是目前全球范圍內(nèi)投入運(yùn)行的最大規(guī)模的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。其投運(yùn)將為探索儲(chǔ)能系統(tǒng)配套風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行模式和推廣應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)獲得寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累,并必將對(duì)我國(guó)可再生能源發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。1全釩液流電池的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)液流電池是一種化學(xué)儲(chǔ)能電池。與通常蓄電池中活性物質(zhì)被包含在電池的正負(fù)極內(nèi)不同,液流電池的正、負(fù)極氧化還原活性物質(zhì)分別溶解于裝在兩個(gè)儲(chǔ)液罐中的電解質(zhì)溶液里,通過循環(huán)泵推動(dòng)溶液進(jìn)入電堆。電解質(zhì)溶液在電堆中循環(huán)流動(dòng),溶液中的活性物質(zhì)在離子傳導(dǎo)膜兩側(cè)的多孔電極上分別發(fā)生電化學(xué)還原和氧化反應(yīng)。充放電過程中,為保持膜兩側(cè)溶液的電荷平衡,從離子傳導(dǎo)膜一側(cè)向另一側(cè)發(fā)生離子的遷移。不同活性物質(zhì)組合成的電化學(xué)體系具有其特定的反應(yīng)歷程、反應(yīng)產(chǎn)物和遷移離子。液流儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率取決于電池的電極反應(yīng)面積和單電池的節(jié)數(shù),儲(chǔ)能容量則取決于電解質(zhì)溶液的體積和濃度,兩者可單獨(dú)設(shè)計(jì)。全釩液流電池正極電對(duì)為VO2+/VO2+,負(fù)極電對(duì)為V2+/V3+,電池充放電時(shí),在電極表面發(fā)生如下反應(yīng)此電池正極反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位為+1.004V,負(fù)極標(biāo)準(zhǔn)電位為–0.255V,全釩液流電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為1.259V。隨著電解液的濃度及電池的充放電狀態(tài)變化,電解液中VO2+的存在形式會(huì)產(chǎn)生一些變化,從而對(duì)電池正極電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位產(chǎn)生一些影響,實(shí)際使用時(shí)電池的開路電壓一般在1.5~1.6V。相比于其它蓄電池,全釩液流儲(chǔ)能電池具有以下特點(diǎn):(1)安全性好。系統(tǒng)常溫常壓運(yùn)行,電解液無燃燒和爆炸的危險(xiǎn)。(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量大,功率達(dá)數(shù)十千瓦級(jí)到數(shù)百兆瓦級(jí),容量可達(dá)數(shù)百兆瓦時(shí)。而且功率和容量可分別獨(dú)立設(shè)計(jì),可以滿足不同的應(yīng)用需求。(3)充放電循環(huán)性能好,壽命長(zhǎng)。全釩液流儲(chǔ)能電池的活性物質(zhì)存在于液體中,充放電時(shí)無其它電池常有的相變化,電池使用壽命長(zhǎng);而且活性物質(zhì)只有釩離子一種,避免了離子互串而導(dǎo)致的電解液污染問題。(4)可深度放電而不會(huì)對(duì)電池造成損壞。(5)容量可恢復(fù)。(6)釩電解質(zhì)溶液可循環(huán)使用,環(huán)境友好。25儲(chǔ)能系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)5MW/10MW·h電池儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)地點(diǎn)位于國(guó)電龍?jiān)磁P牛石風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)。國(guó)電龍?jiān)瓷蜿柗◣?kù)臥牛石風(fēng)電場(chǎng)安裝了33臺(tái)1500kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為49.5MW。風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)66kV母線接入遼寧電網(wǎng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)功率容量占風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量的比例約為10%。該套儲(chǔ)能系統(tǒng)自2013年2月并網(wǎng)運(yùn)行,是目前全球范圍內(nèi)投入運(yùn)行的最大規(guī)模的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。如圖1、圖2所示。全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括全釩液流單元電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(儲(chǔ)能逆變器PCS)、變壓器和能量管理系統(tǒng)(EMS)。5MW/10MW·h全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。單元儲(chǔ)能系統(tǒng)額定輸出功率為352kW,整套儲(chǔ)能系統(tǒng)由15套可獨(dú)立調(diào)控的352kW單元儲(chǔ)能系統(tǒng)組成。15套單元儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下,既可以實(shí)現(xiàn)單套單元儲(chǔ)能系統(tǒng)的啟停運(yùn)行,也可以實(shí)現(xiàn)整套儲(chǔ)能系統(tǒng)的啟停運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)為在系統(tǒng)運(yùn)行和控制過程中,儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式的優(yōu)化及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。儲(chǔ)能系統(tǒng)室內(nèi)全釩液流電池系統(tǒng)設(shè)備布局如圖3所示。每3套352kW單元電池系統(tǒng)排成一排構(gòu)成1MW電池系統(tǒng),5套1MW電池系統(tǒng)逐排布置構(gòu)成5MW電池系統(tǒng)。直流匯流柜與電池管理系統(tǒng)集中布置成一排,分別與相應(yīng)的電池系統(tǒng)連接。儲(chǔ)能逆變器、初始充電機(jī)和能量管理系統(tǒng)集中布置成一排。儲(chǔ)能逆變器和電池系統(tǒng)及室外變壓器進(jìn)行連接,完成電能的交直流轉(zhuǎn)換和并網(wǎng)充放電,能量管理系統(tǒng)則和電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能逆變器、風(fēng)電場(chǎng)SACDA系統(tǒng)進(jìn)行通訊,根據(jù)功能需求,實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電管理和調(diào)度。儲(chǔ)能系統(tǒng)室房屋土建面積為2200m2,配備有通風(fēng)和溫度智能控制系統(tǒng),能夠保證儲(chǔ)能系統(tǒng)室的通風(fēng)及溫度滿足全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的需求。同時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)室內(nèi)預(yù)留了運(yùn)行維護(hù)通道,以便儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過程中正常的維護(hù)、檢修等空間需求。5MW/10MW·h電池儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖4~圖7所示。5MW/10MW·h全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)基本配置及性能參數(shù)見表1。35mw10wh基于單元h的全鉻液流電池能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1wh單元儲(chǔ)能系統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入風(fēng)電場(chǎng)電氣方案如圖8所示。從圖8中可以看出,每套352kW全釩液流單元電池系統(tǒng)與1臺(tái)352kW儲(chǔ)能逆變器配套使用,形成1套獨(dú)立的352kW/700kW·h單元儲(chǔ)能系統(tǒng)。352kW全釩液流單元電池系統(tǒng)的直流母線通過直流開關(guān)連接在儲(chǔ)能逆變器的直流側(cè)。儲(chǔ)能逆變器可實(shí)現(xiàn)電能的交直流雙向轉(zhuǎn)換,進(jìn)行充放電。每臺(tái)352kW儲(chǔ)能逆變器的交流輸出側(cè)與原邊為雙分裂變壓器的一組繞組相連,變壓器的副邊經(jīng)復(fù)合開關(guān)接入風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)35kV電網(wǎng)。變壓器容量為1650kV·A。儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)能量管理系統(tǒng)的調(diào)度,從風(fēng)電場(chǎng)35kV母線吸收或向35kV母線釋放電能,實(shí)現(xiàn)充放電。儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電和風(fēng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)發(fā)電能量疊加匯集后接入風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器35kV側(cè),通過升壓變壓器升壓至66kV并入電網(wǎng)。3.23全釩液流電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)單元電池系統(tǒng)是一個(gè)或多個(gè)電堆和其它附屬件所組成的獨(dú)立集合體,是構(gòu)成大規(guī)模電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)單元。其主要由以下幾部分組成:一個(gè)或多個(gè)電堆、電解液輸送的系統(tǒng)、電路連接及保護(hù)、監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。5MW/10MW·h全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的基本單元為352kW單元電池系統(tǒng),其基本參數(shù)見表2。352kW/700kW·h單元電池系統(tǒng)由大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所合作開發(fā),具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該單元電池系統(tǒng)通過了國(guó)家能源局組織的國(guó)家級(jí)能源科學(xué)技術(shù)成果鑒定,認(rèn)為352kW/700kW·h單元電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定,已應(yīng)用該單元電池系統(tǒng)建成5MW/10MW·h風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能電站,實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行;成果創(chuàng)新性強(qiáng),能量效率、功率密度及安全性能等技術(shù)指標(biāo)已達(dá)同類產(chǎn)品國(guó)際先進(jìn)水平。電堆是全釩液流電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充放電的核心,是由多個(gè)單電池以疊加形式緊固的、具有多個(gè)管道和統(tǒng)一電流輸出的組合體。5MW/10MW·h全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)所采用的22kW電堆由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所與大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司合作開發(fā)。電堆關(guān)鍵材料和部件如電極、雙極板以及密封件均具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。22kW全釩液流儲(chǔ)能電池電堆技術(shù)通過了國(guó)家能源局組織的國(guó)家級(jí)能源科技成果鑒定,22kW電堆的能量效率、功率密度、循環(huán)壽命及安全性等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到同類產(chǎn)品國(guó)際先進(jìn)水平。其性能參數(shù)見表3。3.3儲(chǔ)能系統(tǒng)作網(wǎng)監(jiān)控5MW/10MW·h全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大的能量管理系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能:控制各單元儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài),顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)以及電池、逆變器參數(shù)設(shè)置;可實(shí)時(shí)查看整套儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等并形成報(bào)表;既可以與風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊聯(lián)系,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)信息進(jìn)行采集,也可以與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行通訊聯(lián)系;具備遠(yuǎn)動(dòng)功能,接受電網(wǎng)側(cè)的調(diào)度,實(shí)現(xiàn)了遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào),對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式及出力進(jìn)行調(diào)整。4能源系統(tǒng)的工作模式和功能在能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下,5MW/10MW·h全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能。4.1風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)總功率變化在平滑風(fēng)電輸出模式下,能量管理系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行的充、放電調(diào)度,可以有效的抑制風(fēng)電場(chǎng)分鐘級(jí)的短期波動(dòng),平滑風(fēng)電場(chǎng)的有功功率的輸出,如圖9所示,圖中藍(lán)色曲線為風(fēng)力發(fā)電實(shí)時(shí)功率,綠色曲線為儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)充放電曲線,紅色曲線為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)總功率變化曲線。分別對(duì)風(fēng)力發(fā)電實(shí)時(shí)功率和并網(wǎng)總功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到兩種情況下的1min有功功率變化值見表4。根據(jù)GB/T19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中風(fēng)電場(chǎng)1min有功功率變化最大限值為5MW。從表4中可以看出,在圖9所示數(shù)據(jù)的時(shí)間段內(nèi),儲(chǔ)能系統(tǒng)未參與平滑之前,風(fēng)電場(chǎng)1min有功功率變化最大值為4.0MW,利用儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑后,風(fēng)電場(chǎng)1min有功功率變化最大值降低至2MW,對(duì)比可以看出風(fēng)電并網(wǎng)總功率平滑程度明顯改善。上述功能的實(shí)現(xiàn),可以有效改善風(fēng)電場(chǎng)因?yàn)楣β什▌?dòng)變化率較高而導(dǎo)致的電網(wǎng)側(cè)的電壓閃變和波動(dòng),改善電能質(zhì)量,提高電網(wǎng)可靠性。4.2風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型參照電網(wǎng)調(diào)度部門對(duì)常規(guī)發(fā)電機(jī)組的調(diào)度模式,向風(fēng)電場(chǎng)下發(fā)計(jì)劃發(fā)電出力曲線有助于提高風(fēng)力發(fā)電廠的可調(diào)度性。但相對(duì)于常規(guī)發(fā)電機(jī)組,風(fēng)電場(chǎng)出力具有較大的波動(dòng)性和隨機(jī)性。即使根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)而制訂的計(jì)劃發(fā)電曲線與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際發(fā)電輸出功率曲線間也存在較大的偏差。在含儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)中,該偏差可通過儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)的吸收和釋放功率進(jìn)行彌補(bǔ)。從圖10可以看出,通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電調(diào)度,風(fēng)電場(chǎng)可以較好的跟蹤完成發(fā)電計(jì)劃。圖中藍(lán)色曲線為風(fēng)力發(fā)電實(shí)時(shí)功率,綠色曲線為儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)充放電曲線,紅色曲線為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)總功率變化曲線。上述功能的實(shí)現(xiàn)可以有效的提高風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的可控性,使得風(fēng)電場(chǎng)更加適應(yīng)電力系統(tǒng)調(diào)度的運(yùn)行需要,可作為有效電源來進(jìn)行調(diào)度管理。從而切實(shí)提高電網(wǎng)對(duì)于風(fēng)