中國儲能網(wǎng)訊：5月24日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦，200余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十一屆中國國際儲能大會在杭州洲際酒店召開。此次大會主題是“堅守儲能安全底線，推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”。來自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的718家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1952位嘉賓參加了本屆大會，其中88家企業(yè)展示了儲能產(chǎn)品。
在5月26日下午的“新型儲能技術(shù)及應(yīng)用”專場，大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院儲能技術(shù)中心主任、研究員李愛魁分享了主題報告《高功率密度儲能電池技術(shù)及應(yīng)用》。經(jīng)演講人本人授權(quán)同意，小編整理了演講速記，并將速記內(nèi)容分享如下：
李愛魁：感謝組委會給這個機(jī)會，和各位同行交流一下高功率的儲能電池技術(shù)，我講的內(nèi)容都是大家已經(jīng)熟知的，也都來自于網(wǎng)絡(luò)及其他渠道信息，盡管我沒有把文獻(xiàn)列出來。
今天主要匯報一下我在高功率密度電池技術(shù)領(lǐng)域的個人心得，主要講兩部分：第一部分，儲能電池功能需求分析，第二部分，高功率密度儲能電池。
碳達(dá)峰、碳中和目前是所有搞能源的人都非常了解的。如圖所示，截至2020年底，太陽能、風(fēng)能的裝機(jī)有5.3億-5.4億千瓦，規(guī)劃十年后（2030年）要達(dá)到12億千瓦，激進(jìn)一點還可能達(dá)到16億千瓦。如此大的規(guī)模對電力系統(tǒng)里有多大的沖擊，需要多大的變革，各方面都有解讀。
針對以新能源為主的新型電力系統(tǒng)，電源側(cè)的互聯(lián)互濟(jì)和負(fù)荷側(cè)的可預(yù)測可控制，也就是通過能源互聯(lián)網(wǎng)的方式，是應(yīng)對的主要措施。
如此高比例的新能源，最主要的挑戰(zhàn)首先是峰谷差，資源負(fù)荷不匹配導(dǎo)致的區(qū)域性差異就不說了，最主要是光伏巨量裝機(jī)帶來的晝夜電力供給的缺口?，F(xiàn)在我們儲能削峰填谷，是晚上充電，白天放電，顯然以后可能就是白天充電，晚上放電。能源結(jié)構(gòu)的變化會引起電力系統(tǒng)發(fā)生根本性的變化。主要的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在：第一，峰谷差造成的送出通道容量的穩(wěn)定約束，第二，“雙峰”造成的電力系統(tǒng)實時功率平衡需求，第三是“雙高”造成的電力系統(tǒng)的失穩(wěn)風(fēng)險。也就是說未來電力系統(tǒng)穩(wěn)定和電力可靠供給是面對的主要問題。 此外，還有一些特殊的事件，比如說極端天氣，以及人為的破壞，未來可能會成為更高層次的問題。我去年6月份的時候?qū)懥艘黄恼拢痘谛掳踩^的智能電網(wǎng)技術(shù)展望》，主要強(qiáng)調(diào)的就是要考慮非技術(shù)因素的電力安全，如電網(wǎng)強(qiáng)互聯(lián)、電力弱連接，電源黑啟動等一些概念。
因此，我們可以把儲能列為了兩大部分功能：第一，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。就是雙高下的電力平衡，也就是功率的平衡。第二，電力可靠的供給，也就是雙峰下的電量平衡。儲能在電力和電量的價值是不一樣的，由此帶來的儲能價格、儲能的技術(shù)方式的差異性。我們電化學(xué)儲能的高價值在哪里？它的價值來自于響應(yīng)快的特性，這個特性在應(yīng)對雙高電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題方面簡直是不可替代的。因此，儲能系統(tǒng)，特別是電化學(xué)儲能系統(tǒng)，首先要面向電力系統(tǒng)穩(wěn)定的需求，優(yōu)先解決穩(wěn)定問題，再是電量問題。
因為電量平衡可以通過多種方式解決：第一是多方式約束人類用電行為，第二是通過需求側(cè)資源響應(yīng)、虛擬電廠等各個方面去解決。但是 “雙高”下電力系統(tǒng)穩(wěn)定靠現(xiàn)有的靈活性調(diào)節(jié)資源是做不到的，當(dāng)然隨著火電機(jī)組比例下降，現(xiàn)有的靈活性資源也是動態(tài)變化的。因此，不可或缺的，才是最貴的，當(dāng)把電化學(xué)儲能定義為平衡電量時，那么儲能價格就不可能太貴，畢竟電量成本會分?jǐn)偟诫娰M里去，但是如果用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定，那么未來的價值是很大的。
因此，高功率密度的儲能電池，應(yīng)該是電池的一個重要的技術(shù)方向，目前的市場投標(biāo)均是以容量價格核算，引導(dǎo)大家朝能量密度、大容量電芯方向發(fā)展，未來不排除以電力，也就是功率計價，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行的功率，具體時間配置跟應(yīng)用工況和電站自身響應(yīng)能力相關(guān)，不做硬性規(guī)定。
具體哪些電池技術(shù)可以作為高功率密度儲能電池，一些沒有經(jīng)過工程化應(yīng)用驗證的新型電池體系我就不講了，今天還是從鋰離子電池和全釩液流電池的高功率化方向探索。
我多年來一直從事液流電池，而且我看了一下，這次我們大會沒有釩電池的專家來溝通這方面的相關(guān)信息，所以我還是先介紹一下液流電池技術(shù)。釩液流電池開發(fā)的最初目標(biāo)主要是用于長時間尺度調(diào)峰的，因為規(guī)模大、高安全。但實際上液流電池的電堆與電解液，就是電化學(xué)單元和能量單元是獨立分開的，因此液流電池沒有倍率的概念，幾分鐘到幾小時只跟電解液多少有關(guān)，實際上是適合用于功率穩(wěn)定的。剛開始的時候功率單元特別貴，因為是容量計價，當(dāng)初希望用長時間電解液稀釋電堆成本，目前看電堆成本下降極快，數(shù)年內(nèi)接近原來價格的15%，但電解液受資源波動反倒是難以控制，盡管不消耗，但初裝成本和資金成本仍是制約因素。
全釩液流電池的功率密度和成本是負(fù)相關(guān)。（圖示）這是我和國內(nèi)相關(guān)實驗室交流的功率密度過去和未來的發(fā)展趨勢，因此技術(shù)空間還很大，如果未來用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定，較短時間尺度的電解液價格敏感性下降，釩電池能量效率的敏感性也會進(jìn)一步降低。因此，盡管國內(nèi)這兩年因為釩價的波動，造成大家對這塊的關(guān)注度不夠，甚至改用別的電解液體系，但我還是建議大家多多關(guān)注，畢竟也是經(jīng)過大規(guī)模工程化應(yīng)用的技術(shù)路線，任何技術(shù)都在進(jìn)步之中。
接下來是鋰電池，首先是高功率鋰電池并不代表只有電芯，實際上高功率會帶來很多載荷、絕緣、消防以及電工材料等一系列的革新，專門圍繞高功率去做。在它的模組結(jié)構(gòu)上、溫控上，也要給于特殊考慮，盡管內(nèi)阻進(jìn)行了優(yōu)化，高功率就意味著單位時間內(nèi)熱量的釋放要比其他的多一些，如果按照其他的結(jié)構(gòu)，可能會引起熱失控方面的風(fēng)險。
最近幾年我參觀學(xué)習(xí)很多儲能電站的集裝箱溫控風(fēng)道設(shè)計，以及消防安全設(shè)計，我仍然比較認(rèn)可2017年我的鋰電池集裝箱設(shè)計模式（圖示），從熱管控的角度來說還是很適合的。中心思路是把熱量管控起來，通過熱風(fēng)收集，直接把熱氣送給空調(diào)，空調(diào)就會直接啟動，它的制冷效果非常好，而且如果空調(diào)的制冷量不能滿足，這時候還可以通過直接排風(fēng)的方式送出箱外，這種方式提高空調(diào)利用率，由于有熱風(fēng)直排系統(tǒng)，提高了空調(diào)溫度啟動閾值，降低了儲能電站輔助能耗。
一旦我們把它定位在功率型的，那么電化學(xué)秒級的支撐能力就是有價值，可挖掘的，包括分布式穩(wěn)控系統(tǒng)緊急支撐、動態(tài)調(diào)壓，還有包括區(qū)域孤網(wǎng)一次調(diào)頻等。我們現(xiàn)在大電力系統(tǒng)的慣性夠大，因此一次調(diào)頻的時間可以是10秒左右，但是未來隨著雙高加劇，擾動可能就是秒級，甚至是毫秒級。那個時候，系統(tǒng)內(nèi)毫秒級、秒級的支撐，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定就非常有價值。目前，行業(yè)內(nèi)對電池和PCS的秒級支撐是沒有很好研究的。我們2017年做的儲能電站，鋰電池過載能力是150%一分鐘，PCS是120%半小時，150%半分鐘。這就意味著2萬千瓦的電站，在半分鐘之內(nèi)可以支撐3萬千瓦的出力，這為長時間尺度額定功率設(shè)計的電化學(xué)儲能電站，在用于短時間尺度緊急支撐時的過載能力研究提供了實踐依據(jù)。這也提示我們用于功率計價時儲能電站的成本還有很多下降空間，不同時間尺度的電力裝備指標(biāo)體系也有很多變動空間。這對于儲能支撐系統(tǒng)安全穩(wěn)定是非常有利的。這個電站的監(jiān)控室內(nèi)接入了分布式穩(wěn)定系統(tǒng)，為穩(wěn)控系統(tǒng)除了高頻切機(jī)、低頻切荷以外，多了一種運行模式，這是這個電站的一個創(chuàng)新。未來新型的電力系統(tǒng)里，我們的儲能和穩(wěn)定系統(tǒng)的結(jié)合，應(yīng)該是一個必選項。
目前這個電站是處于獨立運行的狀態(tài)，接收分布式穩(wěn)控系統(tǒng)的調(diào)控，沒有穩(wěn)控指令時用于孤網(wǎng)調(diào)頻。課通過主監(jiān)控系統(tǒng)界面手動設(shè)置調(diào)頻死區(qū)，還有上下區(qū)的觸發(fā)頻率、截止頻率、保護(hù)頻率，以及下垂系數(shù)等一系列的運行定值。特別是下垂系數(shù)，既要考慮頻率平滑效果，也要考慮電站自身成本消耗
這是儲能電站投入前后的監(jiān)控界面。對于2萬千瓦的電站，10%左右的出力，也就是2MW，對于一個60萬千瓦的小電網(wǎng)系統(tǒng)，就有很好的平滑作用。這樣就會減少機(jī)組閥門的動作，降低機(jī)組的非停概率，這是機(jī)組DCS系統(tǒng)的頻率曲線。之前的調(diào)試數(shù)據(jù)顯示如果增加K值，平滑效果更好，這里需要平衡機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)和儲能電站，找到二者進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)的性價比平衡點。當(dāng)然這也是未來儲能電站獨立調(diào)頻的難點。大家可能以為運行參數(shù)基于規(guī)則，但規(guī)則基于什么呢，制定規(guī)則的依據(jù)呢，恐怕仍需要研究二者的價值。大家除了等待政策，還需要先行先試，為政策出臺提供理論及實踐依據(jù)。
此圖可以看出儲能電站在穩(wěn)定方面的作用。對于一個60萬千瓦的小電網(wǎng)，有個10萬千瓦的主變脫網(wǎng)，以往儲能電站未投運時基本上就需要切一個5萬千瓦的水電機(jī)組，用于保網(wǎng)內(nèi)主電源火電機(jī)組。那么，這次儲能電站在近300毫秒內(nèi)只是出了1.6萬千瓦，就使火電機(jī)組安全跨越故障，系統(tǒng)頻率也沒有劣化到切除水電機(jī)組的高頻率閾值。
比較遺憾的是，由于多種原因，這個電站一直沒有接入到火電機(jī)組的機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)里，如果接入到機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)里，它對機(jī)組的支撐會更加的精準(zhǔn)，出力也可以量化、考核?，F(xiàn)在電站是無人值守，獨立運行，狀態(tài)及啟?？刂圃陔姀S控制室，調(diào)度有遠(yuǎn)程控制能力，但沒有具體的調(diào)度策略，僅僅是多了一個遠(yuǎn)程監(jiān)控點。通過調(diào)度保護(hù)電網(wǎng)對外聯(lián)絡(luò)點功能一直沒有啟用。
以上是我簡短的介紹，謝謝大家！
