某电化学储能电站降低站用电率方案分析

王 晓, 范云鹏, 卞 峰, 韩小岗, 张 霞

(1. 国网山东综合能源服务有限公司, 济南 250001;2. 山东电力工程咨询院有限公司, 济南 250013)

风力发电、光伏发电具有间歇性、随机性等特点,随着其大规模接入电网,会对电网的安全稳定运行产生诸多不利影响。改善风力发电、光伏发电出力特性,提高风力发电、光伏发电的电网友好性和利用率,是实现电力能源低碳化发展亟需解决的问题[1]。储能作为一种可调度资源利用方式,凭借其可充可放的运行特性,成为缓解新能源出力不确定性对电力系统影响的有效途径之一[2]。

据有关统计,截至2022年年底,我国已投运电力储能项目累计装机容量为59.8 GW,占全球累计装机容量的25%。2022年,我国新增投运电力储能项目装机容量达到16.5 GW。其中,抽水蓄能新增装机容量为9.1 GW,新型储能新增装机容量创历史新高,达到7.3 GW/15.9 GW·h。新型储能中,锂离子电池储能占据绝对主导地位,占比达97%[3]。国家能源局政策文件中指出:“到2025年,新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段、具备大规模商业化应用条件;到2030年,新型储能全面市场化发展”[4]。2021年,山东新增新型储能装机容量为540 MW,居全国首位,2022年启动第二批示范项目建设,装机容量为3 100 MW[5]。目前,电化学储能电站正进入快速发展阶段。

现阶段对电化学储能电站的研究主要集中在行业政策、储能成本等方面。裴善鹏等[6]对电力现货市场下独立储能电站盈利模式进行分析。关立等[7]对山东电力现货市场独立储能电站交易结算机制进行分析。文军等[1]和傅旭等[8]对全寿命周期储能成本进行研究。朱寰等[9]对天然气发电和电池储能调峰经济性进行对比分析。但是,针对优化电站运行模式和提升电站运行效率的研究相对较少。

笔者以山东某100 MW/200 MW·h电化学储能电站为研究对象,将降低站用电率、提升综合效率作为研究目标,通过对电站辅机功率和夏季典型日电池舱主要热源进行分析,探究降低站用电率的有效手段,为电化学储能电站的工程设计、运行改造提供参考。

1 储能电站基本情况

1.1 整体建设情况

建设的100 MW/200 MW·h电化学储能电站采用磷酸铁锂电池储能,工程占地约1.79万m2,设置80个储能电池舱和40个变流升压舱。在同一个储能单元的两个电池舱之间设置防火墙,防火墙顶部比电池舱顶部高1.2 m。2022年5月,电站投入商业化运行,运行模式为一充一放,充电时段主要为凌晨及上午用电低谷期,放电时段主要为晚上用电高峰期。电站储能单元配置见图1。

图1 电化学储能单元配置

1.2 电池舱冷却系统

电池舱为40英尺(12.192 m)标准集装箱,长、宽、高分别为12.192 m、2.800 m、2.896 m。电池舱内包含电池柜、控制柜、汇流柜、空调、风道、配电柜、照明系统、储能能量管理单元(EMU)、环境监控系统、视频监控、防雷接地、消防系统等。电池舱采用空调风冷,制冷剂使用R410a。每个电池舱设置4台额定制冷功率为12.5 kW的空调,每台空调的额定输入功率为5.3 kW。

1.3 站用电率

储能电站损耗主要包括储能系统损耗、变配电损耗及站用电损耗。储能系统损耗包括电池充电、能量储存和放电过程的电能损耗,以及功率变换系统的电能损耗;变配电损耗主要为储能系统配套的输变电设备在运行中的电能损耗;站用电损耗为评价周期内维持储能电站运行的监控系统、照明动力及暖通空调设备等运行所需要的电量。该电化学储能电站2022年6月至10月日均站用电率见表1,其中:站用电率为评价周期内储能电站的用电量和下网电量的比值[10]。

表1 2022年6月至10月的日均站用电率

由表1可得:该电化学储能电站2022年6月至9月电站的日均站用电量均超过22 MW·h,站用电率均高于10%;10月电站的日均站用电量最低,为19.68 MW·h,站用电率为9.18%。相比于7月,10月的日均上网电量高11.6%,日均站用电率低2.76个百分点,日均站用电量减少4.07 MW·h,可以得出夏季的站用电量大,站用电率高,具有很大的节能空间。

1.4 主要辅机功率

电站主要辅机情况见表2,所有设备的总功率为2 298.91 kW。电池舱空调装机容量(1 696 kW)占主要辅机装机总容量的73.77%,优化电池舱空调负荷是降低站用电率的关键。

表2 电站主要辅机情况

2 夏季典型日电池舱主要热源

2.1 夏季典型日定义

电池最佳工作温度为25℃,将日平均气温高于25 ℃的日期定义为夏季典型日。夏季典型日内,热量以热传导、热对流、热辐射3种方式从外界传至电池舱。2022年5月至9月电站所处地区日平均气温见表3,6月至8月为夏季典型日。

表3 2022年5月至9月电站所处地区平均气温

2.2 电池舱与外界传热定性分析

以电池舱为研究对象,对夏季典型日电池舱主要热源进行分析,所考虑的传热方式包括热传导、热对流、热辐射[11]。

2.2.1 热传导

电池舱安装在长方形混凝土底座。电池舱与底座间热传导方式为固体间热传导,温度较高的固体把热量传递给与之接触的温度较低的另一固体。由于夏季典型日电池舱平均温度低于混凝土底座温度,因此二者间的热传导热量是从混凝土底座传至电池舱。

2.2.2 热对流

电池舱与所接触空气的对流传热为自然对流,夏季典型日电池舱平均温度低于周围空气温度,因此二者间的热对流热量是从空气传至电池舱。

2.2.3 热辐射

根据斯特藩-玻尔兹曼热辐射定律,黑体辐射力与热力学温度的四次方成正比[11]。为简化考虑,忽略实际物体吸收比、发射率等因素。电池舱平均温度低于周围环境温度,因此夏季典型日热量主要以热辐射形式从周围环境传至电池舱,电池舱吸收大量太阳辐射热量。

2.3 电池舱主要热源占比

2.3.1 电池充放电散热

储能电站在夏季典型日的日均放电量为153.78 MW·h(由表1中6月、7月、8月的日均上网电量按天数进行加权计算得出),电池一次充放电效率为94.5%,经计算得出日均充电量为162.73 kW·h。日充放电量损耗(日均充电量与放电量之差)为8 950.2 kW·h,单个电池舱日均充放电散热量为111.9 kW·h。

2.3.2 电池包和风道引导风扇散热

每个电池舱设置210台电池包风扇,电池包风扇单机功率为19 W,合计功率为3.99 kW。每个电池舱设置90台风道引导风扇,风道引导风扇单机功率为19 W,合计功率为1.71 kW。电池包和风道引导风扇的合计功率为5.7 kW,夏季典型日风扇每天24 h运转,电池包和风道引导风扇的日均耗电量为136.8 kW·h。

电池舱为封闭空间,风扇以内循环方式引导空气将热量从电池等部件传递到空调蒸发器(布置在电池舱内)。以电池舱整体为研究对象,风扇耗电量最终转为热能释放到电池舱内,然后通过空调系统传递到外界环境中。

2.3.3 太阳热辐射

根据SolarGIS软件查询,电站所处地区5月至9月水平面太阳辐射强度见表4,夏季典型日的水平面太阳日均辐射强度为5.023 kW·h/m2。

表4 5月至9月水平面太阳辐射强度

为简化计算,仅考虑电池舱顶面的太阳辐射热量(忽略电池舱侧面),单个电池舱顶面面积为34.14 m2,夏季典型日单个电池舱太阳辐射量约为171.5 kW·h。在夏季典型日,电池舱温度低于周围环境温度。从热辐射总量角度定性分析,电池舱向外界发射的热辐射量低于外界向电池舱发射的热辐射量。为简化计算,此处按二者相等考虑。

2.3.4 电池舱主要热源占比

夏季典型日电池舱三项主要热源合计热量为420.2 kW·h,具体分布见图2,可得太阳热辐射热量占比为40.8%,电池充放电散热量占比为26.6%,风扇散热量占比为32.6%。

图2 夏季典型日电池舱主要热源

电池充放电散热和风扇散热为内部热源,太阳热辐射为外部热源,可以通过遮挡等方式有效减少太阳热辐射。隔离电池舱的太阳热辐射是减少电池舱热源进而降低空调负荷的有效措施。

3 隔离太阳热辐射方案

通过在电池舱防火墙顶部设光伏棚,几乎可以将电池舱的热辐射转移到光伏组件。一方面,电池舱太阳热辐射热量的大幅度减少可显著降低空调负荷,进而减少站用电量;另一方面,光伏组件产生的电能通过逆变器接入站用变压器,可等量替换外网下网电量,从而进一步减少站用电量。在两个方面的综合作用下,可以有效降低站用电率进而实现节能。

3.1 方案设计

3.1.1 光伏支架安装

利用防火墙顶预埋地脚螺栓设置钢结构,在同一储能区域的防火墙间搭设钢梁,用于光伏支架安装。在光伏支架底部设岩棉彩钢板,用于隔绝电池舱和光伏组件。光伏支架钢结构示意图见图3。

图3 光伏支架钢结构示意图

3.1.2 可利用面积和装机容量

电站所处地区的经度为东经117.62°,纬度为北纬36.20°,光伏组件采用31°固定式最佳倾角布置。

为实现光伏组件对电池舱的有效遮挡,如图3所示,在防火墙南侧悬挑2.0 m,防火墙南北方向长度约为16.69 m,全站共有5个储能区,可利用面积为5 991.7 m2。

光伏组件采用550 W功率规格,单片尺寸为2.278 m×1.134 m。同时,考虑遮挡关系,将光伏组件间距设为4.88 m,则光伏组件投影长度为1.95 m。沿南北方向可以布置4排组件,光伏装机容量为660 kW。

3.2 年节电量

3.2.1 年发电量

为简化计算,忽略光伏组件衰减,光伏组件年利用时间按照1 300 h考虑,根据光伏装机容量为660 kW,计算得出年发电量为858 MW·h。

3.2.2 电池舱空调年节电量

5月至9月的太阳辐射强度较高,仅在这段时间内采用空调制冷;考虑防火墙对电池舱顶部的光照遮挡,将光照有效系数取0.8(考虑20%的太阳辐射强度被防火墙遮挡)。5月至9月的年均辐射强度为763.5 kW·h/m2(见表3),单个电池舱顶部面积为34.14 m2,80个电池舱的年辐射量为1 668.2 MW·h。空调制冷系数取铭牌工况下的制冷系数(2.358),计算得出电池舱空调年节电量为707.5 MW·h。

3.2.3 年总节电量

布置光伏组件,不仅可以充分利用光伏的年发电量(858 MW·h),而且可以通过隔离太阳能热辐射降低电池舱空调年用电量(707.5 MW·h)。综合考虑,采用该方案后的年总节电量(将光伏发电量计入)为1565.5 MW·h。

3.3 日均站用电率降低值

由表1计算得出:2022年6月至10月,电站的日均下网电量为209.164 MW·h,日均站用电量为22.518 MW·h,日均站用电率为10.766%。每年按365 d计算,得到日均节电量为4.29 MW·h。

布置光伏组件后的日均站用电率为:

(1)

式中:η为布置光伏组件后的日均站用电率;E1为日均站用电量;E2为日均下网电量;Esaving为日均节电量。

计算得到布置光伏组件后的日均站用电率为8.897%,相比于2022年6月至10月电站的日站用电率(10.766%),在电池舱防火墙顶部布置光伏组件后,电站日均站用电率降低1.87个百分点。

3.4 经济性

3.4.1 计算电价

电力现货市场下,充电时段电价相对较低,放电时段电价相对较高。站用电损耗主要集中在充电时段和放电时段,因而站用电的平均电价高于日均下网综合电价。保守考虑,方案节电量的电价按日均下网综合电价计算。

2022年下半年,电站的日均下网电价为0.201 7元/(kW·h)。一般工商业输配电(35～110 kV)的电价为0.171 7元/(kW·h),政府性基金费用为0.027 2元/(kW·h),发电优购损益分摊、机组启停分摊、保障性电量新增损益分摊等费用按0.020 0元/(kW·h)计算。

山东容量电价基准为0.099 1元/(kW·h)。根据山东省发展和改革委员会关于工商业供电分时电价政策有关事项的通知[12]：夏季中午及下午时段为平段,容量电费系数为1;春季和秋季中午及下午时段为深谷段,容量电费系数为0.1。光伏发电和空调的节电量主要来自于5月至9月的光照强烈且气温高的中午、下午时段。为简化计算,容量电费系数取夏季3个月(6月至8月)和春秋季2个月(5月、9月)的加权平均值(0.4),计算得到容量电价为0.039 64元/(kW·h)。

结合以上各种因素进行考虑,日均下网综合电价为0.460 24元/(kW·h)。

3.4.2 年节电收益

布置光伏组件后的年总节电量为1 565.5 MW·h,计算电价为0.460 24元/(kW·h),年节电收益为72.05万元。

3.4.3 工程静态投资费用及回收期

光伏组件综合单价为4 000元/kW,光伏装机容量为660 kW,投资费用为264万元;100 mm厚岩棉双层压型钢板综合单价为200元/m2,可利用面积为5 991.7 m2,投资费用为119.83万元。工程静态投资费用为383.83万元,年节电收益为72.05万元,工程静态投资回收期约为5.3年。

3.5 计算保守性分析

(1) 在电池舱空调节电量的计算中,未考虑电池舱立面的太阳热辐射,计算节电量低于实际值。

(2) 在电池舱空调节电量计算中,只计算了5月至9月太阳对电池舱顶面的热辐射,未计算其他月份。根据电站冬季实际运行情况,只要电站进行充放电操作,电池舱空调就不需要开启加热功能。其他月份太阳对电池舱的热辐射仍需要空调制冷,这也导致计算节电量低于实际值。

(3) 空调制冷主要运行于夏季正午时段,此时光照强且环境温度高,空调实际运行制冷系数低于铭牌工况的制冷系数(2.358),空调实际耗电量高于计算值,因此计算的空调节电量偏低。

(4) 布置光伏组件后,可以有效降低电池舱区域空气温度,显著减少外界通过热传导、热对流向电池舱传递的热量,电池舱空调用电量会进一步降低。

4 结语

对某100 MW/200 MW·h电化学储能电站的辅机耗功进行梳理,寻找降低站用电率的关键,对夏季典型日电池舱的主要热源进行定量分析,探究降低空调负荷的有效措施,同时对在电池舱防火墙顶部设光伏棚方案的可行性、节能性、经济性进行详细的分析计算。得出的主要结论如下:

(1) 对于电池舱配置风冷空调的该电化学储能电站,电池舱空调装机容量(1 696 kW)占主要辅机装机总容量的73.77%,优化空调负荷是降低站用电率的关键。

(2) 夏季典型日电池舱的主要热源为太阳热辐射、电池充放电散热、风扇散热,有效隔离太阳热辐射是减少电池舱外部热源传热的关键。

(3) 通过采用在防火墙顶部设置光伏组件的方案隔离电池舱太阳热辐射,可以从等量替代厂用电和降低电池舱空调用电两个方面显著减少站用电量。采用550 W组件4排布置方案,光伏装机容量为660 kW,光伏年发电量为858 MW·h,保守计算电池舱空调年节电量为707.5 MW·h,年总节电量为1 565.5 MW·h。

(4) 按2022年6月至10月的电站运行数据计算,隔离太阳热辐射方案可以使电站日均站用电率降低1.87个百分点,日均站用电节电量为4.29 MW·h。

(5) 方案的工程静态投资为383.83万元,年节电收益为72.05万元,静态投资回收期约为5.3年,具有良好的经济性。

在电化学储能电站设计阶段,综合考虑在防火墙顶部设置光伏组件方案,既可以降低站用电率,又可以有效利用厂区面积节省光伏工程投资。同时,该方案可以提升电站运行的经济性和安全性,具有研究推广价值。