阳光电源股份有限公司南京研究所所长 夏彦辉 出席论坛并发表主题演讲——《满足新型电力系统全方位需求的多元复合储能关键技术》

 

以下为演讲实录：

      报告分为以下四个方面，从起因：新型电力系统对储能的需求，初探：混合储能发展的现状，挑战：多元复合储能的几个关键技术。展望：多元复合储能的发展的前景。

      起源，提出一个观点，储能是新型电力系统的刚性需求。

      在双碳目标下，我国新能源发展呈现跨越式的增长，新能源的装机在2035年前后预计超过50%，成为装机的主体，在2050年成为电量主体，建成以新能源为主体的新型电力系统，不同光伏+风电装机渗透率的情况下，电网对新能源的并网的性能逐步在提高要求，从无支撑、低抗扰、电网友好、暂态响应、主动支撑以及到未来的构网型变流器的要求，实现自主同步、构建电网的功能。

       大规模新能源接入造成不确定性缺电、弃电并存，电力系统调频调峰备用容量不足、转动惯量降低，调节能力和抗扰动能力持续下降，甚至出现宽频振荡等新型稳定的问题，电力系统的格局呈现出新的形态，带来一些新的问题和挑战。

      而储能能够有效地解决新能源的波动性、间歇性、随机性、无惯量支撑这些等等问题，可以说储能是万能的。因此，建设新型电力系统需要储能作为灵活性的调节资源，这里面是举了从发电侧到电网侧再到用户侧主要的应用的需求。

      储能的分类，新型电力系统对储能的要求的呈现多样化的需求，从功率、时长、响应时间等各种各样的需求，主要的储能形式如左边图，比较常见的有超级电容是在一分钟时间内对应电网一次调频时间尺度，有它特别适合的场景，飞轮在15分钟对应的电力系统二次调频应用场景，有它的统治力，电化学储能更适合于2-4小时调峰的应用场景，而对于季节性、跨日的储能目前还没有成熟的商业模式，未来比较有前景的就是电解水制氢或者是转换成其他能源形式，比如说液氨、甲烷、乙醇、甲醇等等燃料，我们认为是比较有前景的。

       目前基于单一储能技术都无法完全兼顾电力系统，从功率密度、能量密度、响应速度、转化效率、寿命及成本全方位的需求。储能技术呈现多种类型协同发展的格局。

       左边图是反映出来目前市场上主流的储能元件的缺点，为了形成优势互补，弥补互相之间的缺点，出现了混合储能的技术路线，典型的以超级电容和飞轮为代表的功率型再加上以锂离子、液流电池为代表的能量型混搭的形式，组成混合储能的技术路线，兼具满足功率密度、能量密度、响应速度、效率、寿命及成本全方位的需求。给出混合储能的定义：用两种及以上性能互补，特别强调性能互补的技术的结合，会具有更好的技术经济的性能。目前市场上还出现了一种纳电+锂电的混合，不是一个混合储能的范畴，因为这两种在性能上基本上趋同，而且钠电的出现就是为了取代锂电而诞生的。

        分享一下混合储能的现状。

        首先介绍一下政策，从最新的今年1月份十四五发展规划提出来要推动多元储能的技术开发，结合系统的应用的需求，推动多种储能技术的联合应用，开展复合型储能的试点示范，这为混合储能的发展指引了方向。

       在应用领域，从火电厂已经有几个相应的示范的项目，这两个火电厂辅助火电调频就是用锂电+超容技术路线。

       新能源场合也有一些应用，比如说左边图用了三种形式的混搭，飞轮、超容、锂电，右边是锂电+超容，同时满足调频调峰应用的需求。

       在电网侧，也是有一些相应的混合储能的应用的项目，包括左边是用锂电+超容，右边是用锂电+飞轮。

       用户侧也有一些应用，微电网形式，一个是港口岸电都是用电池+超容的技术路线的混搭。

       提出了多元复合储能的关键技术。从三个方面：选型和结构、储能的监测、运营控制策略，这三个范畴提出七大关键技术，一一介绍一下。

       第一，交流侧/直流侧耦合的技术。

       混合储能的结构设计需要根据它的特性进行确定，选择最优拓扑结构方案。目前主流的就是交流侧耦合和直流侧耦合两大类。在直流侧耦合里面又详细分为根据它的配不配DC/DC变换环节，分为四小类，分别为：超容配DC/DC不配，锂电配不配DC/DC，对交流侧耦合的特点就相对来说控制比较清晰一些，但是多了一台PCS，成本会高一些，转化效率会低一些。直流侧耦合，转化效率高一些，但是控制的复杂度以及耦合的复杂度会更高。设计拓扑结构需要考虑的因素分为三个：

      1、锂电池的组串的工作电压以及放电的深度。

      2、超容工作电压和放电深度。因为超级电容放电的深度和端口的电压直接相关，这是锂电池根本的区别，需要重点关注。

      3、PCS直流侧工作电压。

      这三个因素需要统一考虑才能在不同场景下设计出混合储能下的结构。

      第二，混合储能优化配置技术。怎么优化配置？

      我们建立了锂电和超容全生命周期成本模型，针对具体的应用场景和场景的组合，基于博弈论的方法，以经济效益最优为目标，给出混合储能类型，功率及容量的配置的方案。

      左边图是以调频应用场景为例，给出来的混合储能的优化的配置方法。右边图是开发一套混合储能优化配置软件界面，可以根据一次调频、二次调频、平滑风电波动、调峰的需求，根据历史风电出力波动的曲线、系统频率波动的曲线输入以后，就可以输出来超级电容的功率和容量，以及锂电池的功率和容量的配置的方案。

      第三，参数辨识和状态估计。研究混合储能系统运行状态与寿命衰减的交互影响机理，提出基于卡尔曼滤波和递归最小二乘的自适应参数辨识和状态估计的方法，建立了系统的运行和状态评估的预测的模型。

    第四，电池管理BMS/CMS的集成技术。要实现两种管理系统的协调运行，为混合储能高效的运行提供更有效地支持。特别强调的是这个不同，就是可以实现超容和锂电互相之间的主动的均衡，比如说用超级电容做锂电的主动均衡，当然也可以用锂电做超级电容的主动均衡，这样就会简单很多，而且能够提高电池的效率。

      第五，混合储能的能量管理系统，我们取名为HEMS，也是采用三层架构，分别是部署在云端的运行监控系统，就地化部署的边缘控制器也叫协调控制器，就地端的储能的变流器，这三层架构实现对混合储能运行状况实时监测，优化控制和在线分析。

      第六，运行控制层面。第一个应用场景辅助火电机组进行联合调频，混合储能辅助火电调频由储能单元、储能变流器、变压器以及相应的配电设施组成，储能单元采集超级电容和锂电两种储能的技术，共同辅助火电机组完成电网的AGC调频的指令。左边是混合储能在火电厂部署系统的架构，右边是混合储能辅助火电调频相关的控制的策略。

      第七，应用在新能源场站的并网。混合储能实现了四大功能，辅助调峰、一次调频、平滑波动、偏差补偿。预测精度不够高，被电网考核，用储能来补偿这一部分偏差，能够实现比较大的收益。在新能源并网侧的解决优势是能够实现高收益率，主动限发移峰功能，偏差补偿的增益，参与电网调峰调频辅助服务，能够实现高利用率，能够提高储能的利用的效率，不同的场景，不同的时间段能够选择最佳的运营的模式。能够灵活适配，现在我国电力市场，电能量市场，辅助服务市场各个省的政策不一样，而且快速的变化当中，甚至每半年更新一次运营交易的策略，解决方案是可以适合全国各地的政策，支持风电光伏储能等多种电源组合地运行。

      展望多元复合储能的前景。

      氢能是非常好的储能的形式，但是目前基于绿电制氢成本比较高，未来能达到度电成本1.5毛以下以后，绿氢非常有竞争力。未来氢能将与电力系统进行深度耦合，从电源侧、电网侧和复合侧，制氢设备和电解水制氢以及氢燃料电池，将深入地嵌入到电力系统中各个环节，以氢为代表的实现液氨或者甲醇这种储能，可满足新型电力系统全时间尺度的调节的需求，不要只是定位为长时的储能。通过在制氢环节，电解槽，制氢电源的功率的调节的变化，能够实现电网的调频和调峰，同时又兼顾长时备用的功能，我们认为氢能是未来非常良好的一个储能的资源。

我的汇报就这些，谢谢！