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z储能知识介
一、储能的定义与意义储能是通过介质或设备把能量存储起来,在需要时再释放出来的过程,是一种电网供需平衡技术传统刚性电力系统电能源一荷瞬时动态平衡的法则越来越难以为继,未来电力系统必须具备足够的“柔性”以适应高比例可再生能源的新常态在这一转变过程中,储能因其具有将电能的生产和消费从时间和空间上分隔开来的能力,成为未来高比例可再生能源电力系统的关键支撑技术之一新能源在电力系统中的占比低于时,现有的调峰电厂20%(燃气、水力发电厂)可应付间歇性新能源供电波动;但大于这个比例时,就需要用到供需平衡技术,包括储能、需求侧管理、电网互联储能可很好地解决可再生能源引入的挑战,因此在新型电力系统中具有重要地位一方面,可解决风光出力高峰与负荷高峰错配的难题,通过削峰填谷,增加谷负荷以促进可再生能源的消纳,减少峰负荷以延缓容量投资需求另一方面,可解决风光出力随机性和波动性带来的频率稳定难题,尤其是电化学等响应速度较快的新型储能,能提供调频服务提高电网可靠性
二、储能技术的分类储能技术主要分为热储能、电储能、氢储能三大类,其中电储能技术又可进一步划分为)电化学储能;)电磁储能;)机械储能123此外,提高电池的一致性,选用安全高效的热管理系统,抑制电池的温升,嵌入泡沫金属、包覆相变材料实现电池被动式冷却等也是未来提高电池应用安全性的重点其次是以监控和预防为主的主动安全在储能电站的主动安全方面,应该基于数字化技术提高监控、运维水平,实时监控整体电站的硬件状态,在异常故障时做到实时通知,提高故障诊断的准确率和自动化处理效率,做好系统安全状态的早期预警,避免电池从出现故障发展到热失控的状7^5o电池管理系统对电池组实施数据监测和故障诊断,进行动态管理跟BMS动力电池的相比,储能电池在硬件逻辑结构、通信协议、管理BMS BMS系统参数等方面存在差异,其对响应速度、数据处理能力、均衡管理能力提出了更高的要求现有储能电池技术上普遍存在的三大问题是BMS首先,虽然已经在监测电池的温度和电压,测不到、测不准的问题普BMS遍存在由于采集的电压和温度都是电芯外部的参数,无法获取电池内部的真实温度,因而无法准确计算电池的真实状态,如电池容量、衰减率等,电动汽车以及储能电站的燃烧爆炸事故,其实都可以通过预先获知电池内部的温度,而提前判断电池热失控实现保护,但是由于温度采样的延时和温度梯度的影响,使得在热失控已经发生后系统才给出警告和保护,为时已晚此外,现有的储能电池管理系统需要通过采样点、线束采集电压、温度等参数,大量的采样点、线束,以及线束连结的接插件,将产生很多故障隐患当线束老化、破损或受到挤压,也容易产生漏电等问题另外,对电池管理系统而言,其实现均衡管理的能力很重要,均衡的目的是使的电池组可放容量最大化,目前储能电池管理系统通用的均衡技术为被动均衡电化学储能包括锂离子电池、铅蓄电池、钠硫电池、液流电池电磁储能包括超级电容、超导存储等机械能储能包括水力发电、抽水蓄能、固体重力储能,以及通过高速旋转的飞轮的动能储能的飞轮储能、压缩空气储能热储能包括熔融盐储能和储冷机械储能的基本原理是电网低谷时利用过剩电力,将作为液态能量媒介的水从低标高的水库抽到高标高的水库,电网峰荷时高标高的水库中的水回流岛下水库,推动水轮发电机发电氢储能或合成天然气储能是指利用氢或合成天然气作为二次能源的载体利用待弃掉的风电制氢,通过电解水将水分解为氢气和氧气,从而获得氢以后可直接用氢作为能量的载体,再将氢与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷),以合成天然气作为另一种二次能量载体
三、储能技术的性能比较和应用选择储能技术种类繁多,他们的特点各异实际应用时,要根据各种储能技术的特点以及对优缺点进行综合比较来选择适当的技术供选择的主要特征包括;;
①能量密度()
②功率密度()
③响应时间kWhorMWh kWorMW;()
④储能效率(充放电效率);
⑤设备寿命(年)或充放-ms,-s,-minute电次数;
⑥技术成熟度;
⑦经济因素(投资成本、运行和维护费用);
⑧安全和环境方面的考虑、储能技术在电力行业的应用场景储能在电力行业的三大应用环节为电源侧、电网侧、用户侧,具体提供的功能和价值为)实时功率平衡(功1率价值);)提高系统容量系数(容量价值);)能量吞吐和转移(能量23价值)一般而言,放电时间为秒至分钟级的储能技术,常常是功率型的,比如超级电容器、超导储能、飞轮储能,可用于和提高电能质量、调频;放电UPS时间为分钟至小时级的一般为容量型的,如轮储能、各种电池等,可用于电源转换;放电时间为小时至天级的一般为能量型的,如液流电池、抽水蓄能、压缩空气、氢储能等,目前应用最广泛的大型抽水蓄能可以解决天级的储能要求,要满足周和月级的储能需求要依靠其他种类储能手段,如氢和合成天然气
五、各种储能技术的优缺点分析锂离子电池的综合表现最好,使用场景最多;而与之相对,互补性最强的就是氢储能,它可以应用于锂离子电池无法使用的季节性调峰领域,对于缓解目前极端气候所带来的季节性用电紧张问题产生重要作用同时,氢储能与超级电容也有非常强的互补性,尤其是超级电容在提高电能质量、平滑新能源出力、调频方面具有其它技术所不具备的显著优势,但其大规模应用的最大阻碍还是使用成本,因此宁愿退而求其次,使用更加经济的锂离子电池方案
六、电化学储能系统构成、电池1目前主流的蓄电池储能为锂电池、钠离子电池、液流电池:)锂电池1优势是能力密度高、污染低、转换效率高、循环寿命长,但随着原材料价格的飙升,影响成本下降,且稳定性不足、容易出现安全问题,需要专门的消防和温控公司进行监控维护,进一步增加了使用成本目前磷酸铁锂的度电成本在之间)钠离子电池2钠离子相对锂电池而言,更加稳定安全、摩尔导电率更高,成本更低(约)30%,但缺点是能量密度低,长期稳定性不足比较适宜大型集中储能电站用于日间调频)液流电池3主要是铀液流电池,优点是长期稳定性高、安全,循环使用寿命高(可达次)、充放电效率高、容量可增加、电解液可循环使用缺点12000-14000是能量密度很低、能量转换效率较低、放电时间长(最高可达小时)
8、电池管理系统2BMS的原材料是、线束、继电器与机壳基本工作原理是采集传BMS ICMCU感器提供的电流、电压、温度等电池工作参数,从而对电池的工作情况进行分析,估算其剩余电量,决定是否启动保护电路或进行均衡;电池工作状态可通过显示屏显示,也可以与上位机进行通信,从而实现远程监控BMS主要由主控单元、从控单元、信息采集单元、信息传输及显示单元等组成在硬件设计过程中,为达成产品的高可靠性和安全性,在各功能区需要选择、等被动保护器件以保护电子电路在复杂电磁环境中的功能和PPTC FUSE安全在锂离子电池系统中,需要对电池组进行数据监测和故障诊断,以便BMS对电池进行动态管理,并将这些数据上传至控制器,便于进行控制策略的选取与实施,实现电能的高效利用,保持电池性能良好,同时起到延长电池循环使用寿命的作用一般来说,要实现单体电池电压电流检测、电量BMS计算、均衡管理等九大功能其中单体电池电压监测的目的主要在于通过压差判断电池的差异性以及检测单体的运行状态除此以外,电池组的总电压仍需要单独测试以备继电器的诊断其中温度的测量对于电池组工作状态的评估具有重大意义,包含单体电池的温度测量和电池组流体温度监测电池组中温度传感器的放置位置以及使用个数,对温度测量影响较大,此外,不同温度区间对于模块的精度要求BMS也有不同,一般涉及到分级管理的概念另外单体电池估算是中的重点和难点目前最常采用的估算方法SOC BMS是安时积分法和开路电压标定法通过建立电池模型和大量数据的采集,将实际数据与计算数据进行比较,是目前的主流做法电池均衡是另一难点,实质上是通过人为干预的方法使电池组内的所BMS有电池综合新能趋于一致常见的均衡技术分为被动均衡和主动均衡采用主动均衡技术时单体电池一般外加电路,利用能量补充或者能量转DC/DC移的方式实现电池均衡的目的,在充电及放电过程中实现均衡;被动均衡是通过外接电阻将能量较高的电池消耗至设定值主动均衡对电压采集精度要求较高,电路结构也较复杂被动均衡虽然结构简单,但其只能在电池充电时实现均衡的效果,能量利用率较低相比而言,由于主动均衡技术能量利用率较高,充放电时都可以达到电池均衡的效果,因而是未来的发展方向此外,均衡技术与电池种类也有一定的关系,一般认为更加适合主动均LFP衡,三元电池者适合被动均衡、逆变器3PCS储能变流器是连接于储能电池和交流电网之间的电力转换设备,也可PCS以称为逆变器其主要功能是实现直流电与交流电的转换由于电池的充放电都必须是直流电,但是电网系统所使用大多数交流电,绝大部分家用电器等也是以交流电为标准进行设计,因此无论是工业储能还是户用储能,都必须解决直流电和交流电的转换问题,也就是必须安装逆变器而且,由于储能电池需要不断充电、放电,所以必须能够双向变流除此之外,还承PCS担着在电网和储能系统间精确快速地调节电压、频率、功率,实现恒功率恒流充放电以及平滑波动性电源输出的任务因此,虽然逆变器的成本在储能电池总成本中只占但却是必不可少的一部分10%-20%,目前储能逆变器市场的龙头基本也是光伏逆变器的老玩家,如阳光电源、固德威、锦浪科技等值得注意的是,逆变器的技术门槛不算很高,因此哪怕是新玩家,只要拥有足够的品牌效应和销售渠道,就可以在短期内通过堆积资源快速实现扩张、能量管理系统4EMS能源管理系统是用于储能项目的系统监控、功率控制及能量管理的监EMS控系统,实现对储能电站和的集中监控,统一操作、维护、检修BMS PCS和管理,实现故障的快速切除、在负荷高峰时缓解电网压力、降低电网运行成本、提高经济效益实现的主要功能包括)系统总览实时数据采集和监控-额定功率、EMS1额定容量、运行数据、状态分析、历史数据;)监视与控制充放电情况、2多个储能单元的事故汇总、充放电实时曲线、日中计划曲线、日内超短期曲线;)日前计划充放电计划维护-一充一放、两充两放、一充两放,历3史计划查询;)报警查询目前系统存在的主要问题()监测内4EMS1容不充分监测方法较为单一,没有充分挖掘不同类型电池特性进行针对性的(数据采集与状态监测,导致监测内容不充分)电站响应时间慢监控架2构不合理,无法满足毫秒至分钟级不同时间尺度的控制需求,致使电站响应时间慢,无法达到考核标准管控手段不科学控制方法较为简单,没有形成包含储能设备全寿命周期3管理的功率调节与能量管理的优化算法,造成管控手段不科学分析结果不全面监控数据缺乏统筹管理,没有形成运行数据的全过程、4系统性规划与管控,使得分析结果不全面,运维检修缺乏大数据支撑
七、电化学储能系统的安全性问题特斯拉的在过去不到一年半的时间里,已经发生了两次火灾:Megapack年月日,澳大利亚维多利亚州的维多利亚储能电站着火;年20217302022月日,位于美国加州蒙特利县的埃尔克霍恩变电站发生火灾920目前叩系统每个单元的储能容量为额定功率为Meg ack
3.9MWh,在埃尔克霍恩电站中,储能系统的总容量为兆瓦
1.9MWo Megapack
182.5截至目前,全球总共发生了多起电化学储能火灾事故,大部分储能电池60使用的是三元锂电池,事故发生时段主要在设备调试阶段和充放电后的休止中电化学储能的安全是一个系统性问题导致电化学储能电站起火的原因很多,包括电池、电气设备本身的质量问题,也包括系统保护措施设计的不完备,和以及等系统之间的控制及保护功能协调性差等,施工过PCS BMSEMS程中出现的质量问题、运行和维护管理不当等均也是储能电站起火的原因其中,电池本身的热失控,以及电池模块和系统的热失控扩散,是行业目前关注的焦点电池热失控的初始力量主要来自于电池充放电循环的热量积累,如果热量不能及时导出,就会使系统的温度升高,诱发初始反应即电池负极表面的SEI膜分解,继而会诱发主控反应,即隔膜产生大量焦耳热后导致的系列反应,包括电解液的分解、电解液与正极的反应等据了解,电池热失控一般的原因有内因和外因,内因包括电池老化,例如极化导致内阻增大,锂金属沉积刺穿隔膜,内部杂质刺穿隔膜;外因包括意外事故引发电池机械结构损伤,电池局部受热、电池过充过放、过压、外短路等因此,未来电化学储能电站的安全管理应覆盖全生命周期,构建本体安全、主动安全、消防防御三重防线首先,电池安全是电化学储能的本体安全要从电池材料和结构本身来预防电池热失控,电解液、隔膜、正极材料的改进很重要电解液方面,要研发难燃和不燃的电解液,例如固态电解液,同时保证电解液的电化学性能跟原位电解液基本一致正极材料方面,由于正极材料分解会发生大量氧气,与电解液反应,因此需要对正极材料掺杂材料或者进行包裹处理,提升金属氧化物的稳定性隔膜方面,目前电池隔膜熔化温度在摄氏度之间,120-140隔膜一旦熔化电池瞬间会形成内短路,因此要发展耐高温的隔膜,例如有机隔膜和无机陶瓷隔膜。