某電化學(xué)儲(chǔ)能電站降低站用電率方案分析

王 曉, 范云鵬, 卞 峰, 韓小崗, 張 霞

(1. 國(guó)網(wǎng)山東綜合能源服務(wù)有限公司, 濟(jì)南 250001;2. 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰? 濟(jì)南 250013)

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電具有間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn),隨著其大規(guī)模接入電網(wǎng),會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生諸多不利影響。改善風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電出力特性,提高風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的電網(wǎng)友好性和利用率,是實(shí)現(xiàn)電力能源低碳化發(fā)展亟需解決的問題[1]。儲(chǔ)能作為一種可調(diào)度資源利用方式,憑借其可充可放的運(yùn)行特性,成為緩解新能源出力不確定性對(duì)電力系統(tǒng)影響的有效途徑之一[2]。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì),截至2022年年底,我國(guó)已投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)容量為59.8 GW,占全球累計(jì)裝機(jī)容量的25%。2022年,我國(guó)新增投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)容量達(dá)到16.5 GW。其中,抽水蓄能新增裝機(jī)容量為9.1 GW,新型儲(chǔ)能新增裝機(jī)容量創(chuàng)歷史新高,達(dá)到7.3 GW/15.9 GW·h。新型儲(chǔ)能中,鋰離子電池儲(chǔ)能占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位,占比達(dá)97%[3]。國(guó)家能源局政策文件中指出:“到2025年,新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)模化發(fā)展階段、具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件;到2030年,新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展”[4]。2021年,山東新增新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量為540 MW,居全國(guó)首位,2022年啟動(dòng)第二批示范項(xiàng)目建設(shè),裝機(jī)容量為3 100 MW[5]。目前,電化學(xué)儲(chǔ)能電站正進(jìn)入快速發(fā)展階段。

現(xiàn)階段對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的研究主要集中在行業(yè)政策、儲(chǔ)能成本等方面。裴善鵬等[6]對(duì)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)下獨(dú)立儲(chǔ)能電站盈利模式進(jìn)行分析。關(guān)立等[7]對(duì)山東電力現(xiàn)貨市場(chǎng)獨(dú)立儲(chǔ)能電站交易結(jié)算機(jī)制進(jìn)行分析。文軍等[1]和傅旭等[8]對(duì)全壽命周期儲(chǔ)能成本進(jìn)行研究。朱寰等[9]對(duì)天然氣發(fā)電和電池儲(chǔ)能調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。但是,針對(duì)優(yōu)化電站運(yùn)行模式和提升電站運(yùn)行效率的研究相對(duì)較少。

筆者以山東某100 MW/200 MW·h電化學(xué)儲(chǔ)能電站為研究對(duì)象,將降低站用電率、提升綜合效率作為研究目標(biāo),通過對(duì)電站輔機(jī)功率和夏季典型日電池艙主要熱源進(jìn)行分析,探究降低站用電率的有效手段,為電化學(xué)儲(chǔ)能電站的工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行改造提供參考。

1 儲(chǔ)能電站基本情況

1.1 整體建設(shè)情況

建設(shè)的100 MW/200 MW·h電化學(xué)儲(chǔ)能電站采用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能,工程占地約1.79萬m2,設(shè)置80個(gè)儲(chǔ)能電池艙和40個(gè)變流升壓艙。在同一個(gè)儲(chǔ)能單元的兩個(gè)電池艙之間設(shè)置防火墻,防火墻頂部比電池艙頂部高1.2 m。2022年5月,電站投入商業(yè)化運(yùn)行,運(yùn)行模式為一充一放,充電時(shí)段主要為凌晨及上午用電低谷期,放電時(shí)段主要為晚上用電高峰期。電站儲(chǔ)能單元配置見圖1。

圖1 電化學(xué)儲(chǔ)能單元配置

1.2 電池艙冷卻系統(tǒng)

電池艙為40英尺(12.192 m)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱,長(zhǎng)、寬、高分別為12.192 m、2.800 m、2.896 m。電池艙內(nèi)包含電池柜、控制柜、匯流柜、空調(diào)、風(fēng)道、配電柜、照明系統(tǒng)、儲(chǔ)能能量管理單元(EMU)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、防雷接地、消防系統(tǒng)等。電池艙采用空調(diào)風(fēng)冷,制冷劑使用R410a。每個(gè)電池艙設(shè)置4臺(tái)額定制冷功率為12.5 kW的空調(diào),每臺(tái)空調(diào)的額定輸入功率為5.3 kW。

1.3 站用電率

儲(chǔ)能電站損耗主要包括儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗、變配電損耗及站用電損耗。儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗包括電池充電、能量?jī)?chǔ)存和放電過程的電能損耗,以及功率變換系統(tǒng)的電能損耗;變配電損耗主要為儲(chǔ)能系統(tǒng)配套的輸變電設(shè)備在運(yùn)行中的電能損耗;站用電損耗為評(píng)價(jià)周期內(nèi)維持儲(chǔ)能電站運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)、照明動(dòng)力及暖通空調(diào)設(shè)備等運(yùn)行所需要的電量。該電化學(xué)儲(chǔ)能電站2022年6月至10月日均站用電率見表1,其中:站用電率為評(píng)價(jià)周期內(nèi)儲(chǔ)能電站的用電量和下網(wǎng)電量的比值[10]。

表1 2022年6月至10月的日均站用電率

由表1可得:該電化學(xué)儲(chǔ)能電站2022年6月至9月電站的日均站用電量均超過22 MW·h,站用電率均高于10%;10月電站的日均站用電量最低,為19.68 MW·h,站用電率為9.18%。相比于7月,10月的日均上網(wǎng)電量高11.6%,日均站用電率低2.76個(gè)百分點(diǎn),日均站用電量減少4.07 MW·h,可以得出夏季的站用電量大,站用電率高,具有很大的節(jié)能空間。

1.4 主要輔機(jī)功率

電站主要輔機(jī)情況見表2,所有設(shè)備的總功率為2 298.91 kW。電池艙空調(diào)裝機(jī)容量(1 696 kW)占主要輔機(jī)裝機(jī)總?cè)萘康?3.77%,優(yōu)化電池艙空調(diào)負(fù)荷是降低站用電率的關(guān)鍵。

表2 電站主要輔機(jī)情況

2 夏季典型日電池艙主要熱源

2.1 夏季典型日定義

電池最佳工作溫度為25℃,將日平均氣溫高于25 ℃的日期定義為夏季典型日。夏季典型日內(nèi),熱量以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3種方式從外界傳至電池艙。2022年5月至9月電站所處地區(qū)日平均氣溫見表3,6月至8月為夏季典型日。

表3 2022年5月至9月電站所處地區(qū)平均氣溫

2.2 電池艙與外界傳熱定性分析

以電池艙為研究對(duì)象,對(duì)夏季典型日電池艙主要熱源進(jìn)行分析,所考慮的傳熱方式包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射[11]。

2.2.1 熱傳導(dǎo)

電池艙安裝在長(zhǎng)方形混凝土底座。電池艙與底座間熱傳導(dǎo)方式為固體間熱傳導(dǎo),溫度較高的固體把熱量傳遞給與之接觸的溫度較低的另一固體。由于夏季典型日電池艙平均溫度低于混凝土底座溫度,因此二者間的熱傳導(dǎo)熱量是從混凝土底座傳至電池艙。

2.2.2 熱對(duì)流

電池艙與所接觸空氣的對(duì)流傳熱為自然對(duì)流,夏季典型日電池艙平均溫度低于周圍空氣溫度,因此二者間的熱對(duì)流熱量是從空氣傳至電池艙。

2.2.3 熱輻射

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼熱輻射定律,黑體輻射力與熱力學(xué)溫度的四次方成正比[11]。為簡(jiǎn)化考慮,忽略實(shí)際物體吸收比、發(fā)射率等因素。電池艙平均溫度低于周圍環(huán)境溫度,因此夏季典型日熱量主要以熱輻射形式從周圍環(huán)境傳至電池艙,電池艙吸收大量太陽(yáng)輻射熱量。

2.3 電池艙主要熱源占比

2.3.1 電池充放電散熱

儲(chǔ)能電站在夏季典型日的日均放電量為153.78 MW·h(由表1中6月、7月、8月的日均上網(wǎng)電量按天數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得出),電池一次充放電效率為94.5%,經(jīng)計(jì)算得出日均充電量為162.73 kW·h。日充放電量損耗(日均充電量與放電量之差)為8 950.2 kW·h,單個(gè)電池艙日均充放電散熱量為111.9 kW·h。

2.3.2 電池包和風(fēng)道引導(dǎo)風(fēng)扇散熱

每個(gè)電池艙設(shè)置210臺(tái)電池包風(fēng)扇,電池包風(fēng)扇單機(jī)功率為19 W,合計(jì)功率為3.99 kW。每個(gè)電池艙設(shè)置90臺(tái)風(fēng)道引導(dǎo)風(fēng)扇,風(fēng)道引導(dǎo)風(fēng)扇單機(jī)功率為19 W,合計(jì)功率為1.71 kW。電池包和風(fēng)道引導(dǎo)風(fēng)扇的合計(jì)功率為5.7 kW,夏季典型日風(fēng)扇每天24 h運(yùn)轉(zhuǎn),電池包和風(fēng)道引導(dǎo)風(fēng)扇的日均耗電量為136.8 kW·h。

電池艙為封閉空間,風(fēng)扇以內(nèi)循環(huán)方式引導(dǎo)空氣將熱量從電池等部件傳遞到空調(diào)蒸發(fā)器(布置在電池艙內(nèi))。以電池艙整體為研究對(duì)象,風(fēng)扇耗電量最終轉(zhuǎn)為熱能釋放到電池艙內(nèi),然后通過空調(diào)系統(tǒng)傳遞到外界環(huán)境中。

2.3.3 太陽(yáng)熱輻射

根據(jù)SolarGIS軟件查詢,電站所處地區(qū)5月至9月水平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度見表4,夏季典型日的水平面太陽(yáng)日均輻射強(qiáng)度為5.023 kW·h/m2。

表4 5月至9月水平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

為簡(jiǎn)化計(jì)算,僅考慮電池艙頂面的太陽(yáng)輻射熱量(忽略電池艙側(cè)面),單個(gè)電池艙頂面面積為34.14 m2,夏季典型日單個(gè)電池艙太陽(yáng)輻射量約為171.5 kW·h。在夏季典型日,電池艙溫度低于周圍環(huán)境溫度。從熱輻射總量角度定性分析,電池艙向外界發(fā)射的熱輻射量低于外界向電池艙發(fā)射的熱輻射量。為簡(jiǎn)化計(jì)算,此處按二者相等考慮。

2.3.4 電池艙主要熱源占比

夏季典型日電池艙三項(xiàng)主要熱源合計(jì)熱量為420.2 kW·h,具體分布見圖2,可得太陽(yáng)熱輻射熱量占比為40.8%,電池充放電散熱量占比為26.6%,風(fēng)扇散熱量占比為32.6%。

圖2 夏季典型日電池艙主要熱源

電池充放電散熱和風(fēng)扇散熱為內(nèi)部熱源,太陽(yáng)熱輻射為外部熱源,可以通過遮擋等方式有效減少太陽(yáng)熱輻射。隔離電池艙的太陽(yáng)熱輻射是減少電池艙熱源進(jìn)而降低空調(diào)負(fù)荷的有效措施。

3 隔離太陽(yáng)熱輻射方案

通過在電池艙防火墻頂部設(shè)光伏棚,幾乎可以將電池艙的熱輻射轉(zhuǎn)移到光伏組件。一方面,電池艙太陽(yáng)熱輻射熱量的大幅度減少可顯著降低空調(diào)負(fù)荷,進(jìn)而減少站用電量;另一方面,光伏組件產(chǎn)生的電能通過逆變器接入站用變壓器,可等量替換外網(wǎng)下網(wǎng)電量,從而進(jìn)一步減少站用電量。在兩個(gè)方面的綜合作用下,可以有效降低站用電率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3.1 方案設(shè)計(jì)

3.1.1 光伏支架安裝

利用防火墻頂預(yù)埋地腳螺栓設(shè)置鋼結(jié)構(gòu),在同一儲(chǔ)能區(qū)域的防火墻間搭設(shè)鋼梁,用于光伏支架安裝。在光伏支架底部設(shè)巖棉彩鋼板,用于隔絕電池艙和光伏組件。光伏支架鋼結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 光伏支架鋼結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 可利用面積和裝機(jī)容量

電站所處地區(qū)的經(jīng)度為東經(jīng)117.62°,緯度為北緯36.20°,光伏組件采用31°固定式最佳傾角布置。

為實(shí)現(xiàn)光伏組件對(duì)電池艙的有效遮擋,如圖3所示,在防火墻南側(cè)懸挑2.0 m,防火墻南北方向長(zhǎng)度約為16.69 m,全站共有5個(gè)儲(chǔ)能區(qū),可利用面積為5 991.7 m2。

光伏組件采用550 W功率規(guī)格,單片尺寸為2.278 m×1.134 m。同時(shí),考慮遮擋關(guān)系,將光伏組件間距設(shè)為4.88 m,則光伏組件投影長(zhǎng)度為1.95 m。沿南北方向可以布置4排組件,光伏裝機(jī)容量為660 kW。

3.2 年節(jié)電量

3.2.1 年發(fā)電量

為簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略光伏組件衰減,光伏組件年利用時(shí)間按照1 300 h考慮,根據(jù)光伏裝機(jī)容量為660 kW,計(jì)算得出年發(fā)電量為858 MW·h。

3.2.2 電池艙空調(diào)年節(jié)電量

5月至9月的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高,僅在這段時(shí)間內(nèi)采用空調(diào)制冷;考慮防火墻對(duì)電池艙頂部的光照遮擋,將光照有效系數(shù)取0.8(考慮20%的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度被防火墻遮擋)。5月至9月的年均輻射強(qiáng)度為763.5 kW·h/m2(見表3),單個(gè)電池艙頂部面積為34.14 m2,80個(gè)電池艙的年輻射量為1 668.2 MW·h。空調(diào)制冷系數(shù)取銘牌工況下的制冷系數(shù)(2.358),計(jì)算得出電池艙空調(diào)年節(jié)電量為707.5 MW·h。

3.2.3 年總節(jié)電量

布置光伏組件,不僅可以充分利用光伏的年發(fā)電量(858 MW·h),而且可以通過隔離太陽(yáng)能熱輻射降低電池艙空調(diào)年用電量(707.5 MW·h)。綜合考慮,采用該方案后的年總節(jié)電量(將光伏發(fā)電量計(jì)入)為1565.5 MW·h。

3.3 日均站用電率降低值

由表1計(jì)算得出:2022年6月至10月,電站的日均下網(wǎng)電量為209.164 MW·h,日均站用電量為22.518 MW·h,日均站用電率為10.766%。每年按365 d計(jì)算,得到日均節(jié)電量為4.29 MW·h。

布置光伏組件后的日均站用電率為:

(1)

式中:η為布置光伏組件后的日均站用電率;E1為日均站用電量;E2為日均下網(wǎng)電量;Esaving為日均節(jié)電量。

計(jì)算得到布置光伏組件后的日均站用電率為8.897%,相比于2022年6月至10月電站的日站用電率(10.766%),在電池艙防火墻頂部布置光伏組件后,電站日均站用電率降低1.87個(gè)百分點(diǎn)。

3.4 經(jīng)濟(jì)性

3.4.1 計(jì)算電價(jià)

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)下,充電時(shí)段電價(jià)相對(duì)較低,放電時(shí)段電價(jià)相對(duì)較高。站用電損耗主要集中在充電時(shí)段和放電時(shí)段,因而站用電的平均電價(jià)高于日均下網(wǎng)綜合電價(jià)。保守考慮,方案節(jié)電量的電價(jià)按日均下網(wǎng)綜合電價(jià)計(jì)算。

2022年下半年,電站的日均下網(wǎng)電價(jià)為0.201 7元/(kW·h)。一般工商業(yè)輸配電(35～110 kV)的電價(jià)為0.171 7元/(kW·h),政府性基金費(fèi)用為0.027 2元/(kW·h),發(fā)電優(yōu)購(gòu)損益分?jǐn)偂C(jī)組啟停分?jǐn)偂⒈Ｕ闲噪娏啃略鰮p益分?jǐn)偟荣M(fèi)用按0.020 0元/(kW·h)計(jì)算。

山東容量電價(jià)基準(zhǔn)為0.099 1元/(kW·h)。根據(jù)山東省發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于工商業(yè)供電分時(shí)電價(jià)政策有關(guān)事項(xiàng)的通知[12]：夏季中午及下午時(shí)段為平段,容量電費(fèi)系數(shù)為1;春季和秋季中午及下午時(shí)段為深谷段,容量電費(fèi)系數(shù)為0.1。光伏發(fā)電和空調(diào)的節(jié)電量主要來自于5月至9月的光照強(qiáng)烈且氣溫高的中午、下午時(shí)段。為簡(jiǎn)化計(jì)算,容量電費(fèi)系數(shù)取夏季3個(gè)月(6月至8月)和春秋季2個(gè)月(5月、9月)的加權(quán)平均值(0.4),計(jì)算得到容量電價(jià)為0.039 64元/(kW·h)。

結(jié)合以上各種因素進(jìn)行考慮,日均下網(wǎng)綜合電價(jià)為0.460 24元/(kW·h)。

3.4.2 年節(jié)電收益

布置光伏組件后的年總節(jié)電量為1 565.5 MW·h,計(jì)算電價(jià)為0.460 24元/(kW·h),年節(jié)電收益為72.05萬元。

3.4.3 工程靜態(tài)投資費(fèi)用及回收期

光伏組件綜合單價(jià)為4 000元/kW,光伏裝機(jī)容量為660 kW,投資費(fèi)用為264萬元;100 mm厚巖棉雙層壓型鋼板綜合單價(jià)為200元/m2,可利用面積為5 991.7 m2,投資費(fèi)用為119.83萬元。工程靜態(tài)投資費(fèi)用為383.83萬元,年節(jié)電收益為72.05萬元,工程靜態(tài)投資回收期約為5.3年。

3.5 計(jì)算保守性分析

(1) 在電池艙空調(diào)節(jié)電量的計(jì)算中,未考慮電池艙立面的太陽(yáng)熱輻射,計(jì)算節(jié)電量低于實(shí)際值。

(2) 在電池艙空調(diào)節(jié)電量計(jì)算中,只計(jì)算了5月至9月太陽(yáng)對(duì)電池艙頂面的熱輻射,未計(jì)算其他月份。根據(jù)電站冬季實(shí)際運(yùn)行情況,只要電站進(jìn)行充放電操作,電池艙空調(diào)就不需要開啟加熱功能。其他月份太陽(yáng)對(duì)電池艙的熱輻射仍需要空調(diào)制冷,這也導(dǎo)致計(jì)算節(jié)電量低于實(shí)際值。

(3) 空調(diào)制冷主要運(yùn)行于夏季正午時(shí)段,此時(shí)光照強(qiáng)且環(huán)境溫度高,空調(diào)實(shí)際運(yùn)行制冷系數(shù)低于銘牌工況的制冷系數(shù)(2.358),空調(diào)實(shí)際耗電量高于計(jì)算值,因此計(jì)算的空調(diào)節(jié)電量偏低。

(4) 布置光伏組件后,可以有效降低電池艙區(qū)域空氣溫度,顯著減少外界通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流向電池艙傳遞的熱量,電池艙空調(diào)用電量會(huì)進(jìn)一步降低。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某100 MW/200 MW·h電化學(xué)儲(chǔ)能電站的輔機(jī)耗功進(jìn)行梳理,尋找降低站用電率的關(guān)鍵,對(duì)夏季典型日電池艙的主要熱源進(jìn)行定量分析,探究降低空調(diào)負(fù)荷的有效措施,同時(shí)對(duì)在電池艙防火墻頂部設(shè)光伏棚方案的可行性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算。得出的主要結(jié)論如下:

(1) 對(duì)于電池艙配置風(fēng)冷空調(diào)的該電化學(xué)儲(chǔ)能電站,電池艙空調(diào)裝機(jī)容量(1 696 kW)占主要輔機(jī)裝機(jī)總?cè)萘康?3.77%,優(yōu)化空調(diào)負(fù)荷是降低站用電率的關(guān)鍵。

(2) 夏季典型日電池艙的主要熱源為太陽(yáng)熱輻射、電池充放電散熱、風(fēng)扇散熱,有效隔離太陽(yáng)熱輻射是減少電池艙外部熱源傳熱的關(guān)鍵。

(3) 通過采用在防火墻頂部設(shè)置光伏組件的方案隔離電池艙太陽(yáng)熱輻射,可以從等量替代廠用電和降低電池艙空調(diào)用電兩個(gè)方面顯著減少站用電量。采用550 W組件4排布置方案,光伏裝機(jī)容量為660 kW,光伏年發(fā)電量為858 MW·h,保守計(jì)算電池艙空調(diào)年節(jié)電量為707.5 MW·h,年總節(jié)電量為1 565.5 MW·h。

(4) 按2022年6月至10月的電站運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,隔離太陽(yáng)熱輻射方案可以使電站日均站用電率降低1.87個(gè)百分點(diǎn),日均站用電節(jié)電量為4.29 MW·h。

(5) 方案的工程靜態(tài)投資為383.83萬元,年節(jié)電收益為72.05萬元,靜態(tài)投資回收期約為5.3年,具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

在電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)階段,綜合考慮在防火墻頂部設(shè)置光伏組件方案,既可以降低站用電率,又可以有效利用廠區(qū)面積節(jié)省光伏工程投資。同時(shí),該方案可以提升電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性,具有研究推廣價(jià)值。