基于锂离子电池技术的城市园区能源规划储能系统研究

基于锂离子电池技术的城市园区能源规划储能系统研究

0储能技术及储能系统成为区域能源格局优化的重要因素分析电力是决定社会进步和经济发展的基础。多年来，石油、煤炭等化石燃料的迅速发展促进了世界的发展，但由此导致的环境污染问题日益严重。化石燃料广泛使用250年以来，大气中CO然而，清洁可再生能源的快速发展随之产生的问题也不容忽视。世界上可再生能源装机总容量已由2006年的10.2亿kW增加到2016年的20.2亿kW，年均增长率约为8%。可再生能源的发电能力是波动的、间歇的、低可控的，很大程度上取决于天气等自然因素。大量的可再生能源难以有效利用，甚至被废弃。根据国家能源局公布的统计，2018年前三季度全国弃风电量损失达222kW·h，弃光电损失达38.8亿kW·h。因此，为适应高容量的可再生能源，应提高电力系统的灵活性。另一方面，由于城市园区终端用户不断增多，社会能耗日益增加。2017年，国内能源消费总量为44.9亿t标准煤(tce)，工业能耗占70%，建筑能耗约占20%，交通能耗约占10%。其中，建筑能耗受空调负荷波动明显，特别是在夏季，空调负荷的急剧增长使得用电负荷不断攀升，部分地区为了应对用电高峰、保证民生，对工业用户采取拉闸限电措施。峰值负荷的持续增长加大了停电的可能性和供电的边际成本。受外来电调峰能力不足、用电峰谷差逐年加大等因素影响，电网调峰矛盾日益突出。为了缓解峰值电力需求，通常使用小容量发电机组(例如天然气发电机组)，然而该类发电机组需要昂贵的运行和维护成本。因此，还需寻找更为合适的调峰方式。提高电力系统灵活性的途径有多种，包括电网扩容升级、储能技术、需求侧响应等。储能技术作为改革未来能源格局的关键技术，是有效协调可再生能源和电网在时间、空间和强度方耦合的关键。目前，储能技术已被视为电网运行过程中的重要组成部分。系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。在区域能源规划中，储能技术包含储电、蓄热、蓄冷(冰)技术。其中，储电技术应用最为广泛。近几十年来，电储能技术的研究和开发一直受到各行各业的重视。目前，电储能技术分为物理储能技术和化学储能技术。其中，物理储能技术包含飞轮储能、压缩空气储能、超导磁储能、抽水储能等;化学储能技术包括锂离子电池、钠离子电池、液流电池、铅酸电池、超级电容器等电池。在多类电池储能技术中，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、效率高等特性，更适合于工程技术应用。南方电网公司于2009年11月启动建设国内第一个兆瓦级电池储能电站，其工程规模为4MW/16MW·h，并已于2011年1月成功并网运行，可实现削峰填谷、调频调压、孤岛运行等功能。国家电网公司于2010年开始建设位于河北省张北县的国家风光储输示范工程。其中，储能系统分别规划安装磷酸铁锂储能装置14MW/63MWh、液流储能装置2MW/8MW·h和钠硫储能装置等。该项目已于2011年12月25日正式投运。1关于离子电池性能的研究1.1峰谷时段与分时电价发改委、电监会等六部委联合印发《电力需求侧管理办法》，并于2011年1月1日起实施，提出了电力需求侧管理工作的十六项管理措施和激励措施。其中提到第十一条中提到:推动并完善峰谷电价制度，鼓励低谷蓄能，支持实施电力需求侧管理。随着《电力需求侧管理办法》的实施，各地区价格主管部门根据当地实际电力需求，陆续制定了峰谷时段与分时电价，将一天24h分为高峰时段、平时段、低谷时段，浙江、福建等地区还设置有2h的尖峰时段。一般而言，依据峰谷时段，储能系统的充放电策略有:一充一放策略(低谷时段蓄电，高峰或尖峰时段放电)，一充两放策略(低谷时段蓄电，两个高峰或尖峰时段放电)，两充两放策略(两个低谷或平时段蓄电，两个高峰或尖峰时段放电)，三充三放策略等。其中，若在尖峰时段(2h)将电池组内的电量全部放电，则至少需要0.5C的充放电倍率，对于锂电池，其性能满足该要求;但对于一般的铅酸电池而言，其充放电倍率不超过0.125C(对应充放电时间8h)，则只能采用一充一放或一充两放策略。1.2在实际有限下，对储能系统电源的功率、容量配置和相关因素进行了研究1.2.1选择10kv电压等级储能系统的位置分别有用户侧与电厂侧，用户侧接入的电压等级一般有:10kV与110kV电压等级如表1所示。若选择10kV电压等级，则可选择接入10kV开闭所或110/10kV变电站二次侧;若选择110kV电压等级，则可选择接入110kV变电站进线端或上一级变电站出线间隔(一般为220kV或330kV变电站)。1.2.2电力辅助服务国家能源局于2017年印发《2017年能源工作指导意见》，其中提出“加强调峰能力建设”。各地区为保障电力系统安全、稳定、优质、经济运行，保证电能质量，先后出台关于电力辅助服务补偿机制方案，其中提到利用蓄电设施在低谷或弃风弃光时段吸收电力，在其他时段释放电力，从而提供调峰服务的交易。福建、宁夏、新疆等地区规定了参与调峰服务的储能设施的充电功率需在10MW及以上，参与调峰持续充电时间在4h及以上，对应容量在40MW·h及以上。2离子电池的技术特性2.1池容量衰减曲线为探究锂离子电池梯级利用的经济性，需对锂离子电池的电池容量衰减曲线进行探究。文献式中，参数B、C、D的拟合数值如表2所示。并且，相较于浅充浅放的使用模式，深充深放的使用模式在电池能量转移总量和能量效率上表现更优。2.2锂电池的充电效率在锂电池的实际应用中，除容量衰减外，还需考虑电池充放电期间，由电池内阻产生的热量所影响电池的实际充放电效率。文献2.3锂电池的充电容量锂离子电池的充放电倍率直接影响充放电电流大小，进而影响充放电效率与容量衰减，并且对储能系统的充放电控制策略起到决定作用。文献3关于电池能量的经济研究3.1收入分析收益分为直接收益和间接收益:直接收益来自于峰谷电价差的售电收益，间接收益来自于配电网线路损耗的降低。3.1.1平台运行结果储能系统的主要收益来自于峰谷电价。设销售的高峰电价为p考虑储能系统的容量衰减，设第一年容量为Q若储能系统使用梯级利用的锂电池组，需根据梯级利用的锂电池容量Q3.1.2配电线路的间接经济效益3.2支出分析3.2.1投资初始成本设储能系统初次建设的容量为Q，储能系统的充放电功率为P，对应充放电时长为x小时，并且Q=P·x。其初投资成本I3.2.2第二投资成本3.2.3空调制冷降温储能系统实际运行中，由于电池内阻发热，需对其进行空调制冷降温，以避免过高的室内温度对电池性能造成影响。设储能系统的充放电功率为P，放电效率与充电效率分别为η4综合能源规划中储能系统的案例研究4.1能源规划和储能系统规划案例地点位于我国西北某市某园区，园区内企业以高端装备制造及新材料产业为主。根据前期调研和走访，发现该园区能源供应方面面临成本高、临配套服务不完善等问题。结合该园区的能源供应现状、未来规划和用能需求预测，充分考虑园区内企业现阶段的供能需求，对该园区进行了能源规划。能源规划中预建设储能系统一座，以提高园区内若干对供电稳定性要求较高企业的供电品质，同时利用峰谷电价差获取运营收益。该能源规划中，预建设规模20MW/80MW·h的储能系统，充放电速率定为0.25C，考虑电池组种类为磷酸锂铁电池组或梯级利用的磷酸锂铁电池组，建设位置临近园区内110/10kV变电站。4.2段/段分布储能系统购电电价依据不同电压等级分时电价如图1和表3所示。高峰时段为8:00～12:00和18:00～22:00，平时段为12:00～18:00，低谷时段为22:00～8:00。该储能系统购电电价采用大工业用户直购电电价，对应110kV的低谷与平时段电价。4.3系统充电效率按照选定的锂电池，具有“一充一放”和“两充两放”两种运行模式的能力;其充电效率约95%，放电效率95%，总系统效率约为90%。(1)一充一放:在低谷时充一次电，在高峰时放一次电;(2)两充两放:在低谷、平时段各充一次电，在两个高峰时段各放一次电。4.4不同充放电深度dod依据电池厂商数据和锂电池性能衰减曲线，每年工作350天，每次充放电深度DOD为100%，则梯级利用电池两充两放寿命为10年，梯级利用电池一充一放寿命为19年;新电池两充两放寿命为13年，新电池一充一放寿命为25年。4.5售电收益与空调运行支出以售电电价为0.6393元/度(对应10kV高峰时段电价)为例，根据电池类型(新电池或梯级利用电池)与充放电方式(一充一放或两充两放)，计算售电收益以及空调运行支出。新电池一充一放，两充两放的售电收益与坚调运行支出数据见表4～5。阶梯利用电池的相关数据见表6～7。4.6静态回收周期假定购电电价不变，改变售电电价，并且改变新电池或梯级利用电池的成本单价，计算锂电池储能系统的静态回收周期。一充一放及两充两放策略下的回收周期详见图2～5。5动态经济模型本文在综合能源规划中通过动力电池梯级利用建设储能系统，分析了锂离子电池和大规模储能系统的技术与经济特性;在案例分析中，对比了新电池与梯级利用电池、一充一放策略和两充两放策略的优劣，并建立了四类情况下峰谷电价差与静态回收周期的经济效益模型。通过对比，梯级利用电池比新电池具有更好的经济性，可缩短25%的回收周期;两充两放策略比一充一放