高電價(jià)差地區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的探索與實(shí)踐

石 凱

(北京金茂綠建科技有限公司，北京 100012)

0 引 言

峰谷時(shí)段負(fù)荷功率相差大，峰谷時(shí)段電費(fèi)單價(jià)相差大，電能耗占總能耗比例高。近年來(lái)電力負(fù)荷峰谷差日益增大，給發(fā)電和調(diào)度帶來(lái)困難。從建設(shè)成本和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，通過(guò)新增發(fā)輸配電設(shè)備來(lái)滿足高峰負(fù)荷的需求變得越來(lái)越困難。白天用能高的時(shí)間段儲(chǔ)能系統(tǒng)放出電量，晚上用能低的時(shí)間段對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，減小負(fù)荷峰谷差，緩解相應(yīng)的電源和電網(wǎng)建設(shè)，可以最大限度地保障城市電能應(yīng)用得穩(wěn)定性。

目前，大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)主要有物理儲(chǔ)能(抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等)、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能(鋰離子電池、鉛碳電池等)等。

物理儲(chǔ)能適合建造大規(guī)模的儲(chǔ)能電站，受地形限制較大，是百兆瓦以上儲(chǔ)能技術(shù)的首選。

超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能利用超導(dǎo)體制成線圈儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，功率輸送時(shí)無(wú)需能量形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，不具備大規(guī)模推廣的條件。

電化學(xué)儲(chǔ)能以鉛碳電池和鋰離子電池技術(shù)為主要應(yīng)用方向，是目前技術(shù)發(fā)展最快的儲(chǔ)能技術(shù)。鉛碳電池是一種集超級(jí)電容器和鉛酸電池優(yōu)勢(shì)為一體的電池技術(shù)，電池安全性高，在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中擁有廣闊應(yīng)用前景。但是其負(fù)極含有重金屬鉛，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。鋰離子電池具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低和充放電壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，受益于新能源汽車政策推動(dòng)，目前鋰離子電池的可靠性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)有了很大程度的提高，而且不受地形影響，是目前儲(chǔ)能電站的首選技術(shù)路線。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目信息

1.1 項(xiàng)目總體情況

項(xiàng)目位于北京市西城區(qū)某寫字樓B2層。寫字樓總建筑面積約5萬(wàn)平米，主要用于辦公租賃,一樓有少量快餐店和商場(chǎng)。由兩臺(tái)2 000 kVA變壓器提供電力，配套500 kVA柴油發(fā)電機(jī)作備用電源，執(zhí)行北京工商業(yè)電價(jià)見(jiàn)表1，年用電量約600萬(wàn)kWh。

表1 北京西城區(qū)工商業(yè)電價(jià)

根據(jù)用電特點(diǎn)和可用空間情況，于2018年由資方投資建設(shè)儲(chǔ)能電站?？偼顿Y380萬(wàn)，占地面積約100平米，每天額定充放電量為2 000度，電站整體布局如圖1所示，內(nèi)部實(shí)景如圖2所示。

圖1 電站布局平面圖

圖2 電站內(nèi)部實(shí)景圖

儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)額定功率為250 kW，容量為2 000 kWh，電能量存儲(chǔ)介質(zhì)為1260塊鉛碳電池，單體電池規(guī)格為2 V/1000 Ah，如圖3所示，由2臺(tái)250 kW儲(chǔ)能變流器完成交直流變換，如圖4所示，最后通過(guò)2臺(tái)隔離變壓器接入寫字樓配電室供電母線，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行為寫字樓提供電力。

圖3 鉛碳電池

圖4 儲(chǔ)能變流器

儲(chǔ)能系統(tǒng)在谷段和平段時(shí)由電網(wǎng)向電池充電，在峰段時(shí)向?qū)懽謽秦?fù)荷放電，如下是儲(chǔ)能系統(tǒng)功率-時(shí)間工作曲線，為了保證電池使用壽命在平段時(shí)會(huì)給電池補(bǔ)電1小時(shí)，在7月和8月尖峰時(shí)段時(shí)，電池會(huì)在平段補(bǔ)電2小時(shí)。電池的兩種充放電曲線如圖5所示。

圖5

1.2 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

儲(chǔ)能電站正式投運(yùn)一年多的時(shí)間里，充電量累計(jì)已達(dá)85萬(wàn)kWh，放電量累計(jì)已達(dá)70萬(wàn)kWh，僅考慮峰谷套利運(yùn)行模式，已經(jīng)為投資方帶來(lái)超過(guò)60萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)收益。

電站參與的華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)，除了能獲取調(diào)峰服務(wù)補(bǔ)貼外，還提高了華北區(qū)域可再生能源消納水平，參與輔助服務(wù)期間累計(jì)提高可再生能源消納量242 000 kWh，折合節(jié)煤量約80.7 t，二氧化碳減排209.7 t，實(shí)現(xiàn)了電站的社會(huì)效益。

降低了寫字樓20%的峰值用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了寫字樓供電最大12.5%的動(dòng)態(tài)擴(kuò)容。減少了備用柴油發(fā)電機(jī)使用時(shí)間，減輕了對(duì)環(huán)境的污染和降低了運(yùn)營(yíng)成本。

2 其他應(yīng)用方案探索

2.1 寫字樓間儲(chǔ)能電站共享

儲(chǔ)能電站在公共建筑場(chǎng)景應(yīng)用由于用電的峰谷價(jià)差大，能夠?yàn)闃I(yè)主帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但有些公共建筑自身用電特性滿足建設(shè)儲(chǔ)能電站，但是沒(méi)有足夠的空間用來(lái)存放儲(chǔ)能電池和儲(chǔ)能設(shè)備，有些建筑有多余的空間但是用電特性不滿足，所以基于該現(xiàn)狀可以在臨近的建筑間采用共享儲(chǔ)能電站的業(yè)務(wù)模式。資方投資建設(shè)儲(chǔ)能電站，多個(gè)寫字樓業(yè)主按照一定的分成比例享受收益儲(chǔ)能電站本體建在空間充足的樓宇內(nèi)，或者是樓宇外的空地中，通過(guò)線纜將儲(chǔ)能電站與用電負(fù)荷進(jìn)行連接，不同的用戶采用不用的回路。同時(shí)在用戶負(fù)荷側(cè)安裝相應(yīng)的終端設(shè)備，實(shí)時(shí)檢測(cè)用電負(fù)荷特性，從而來(lái)控制電站的充電放電，以及充放電的功率值。

共享儲(chǔ)能電站不再受建設(shè)電站的空間、用戶側(cè)負(fù)荷約束，很大程度上提高了儲(chǔ)能電站的調(diào)峰能力和收益，構(gòu)建了電站投資方與用戶之間的市場(chǎng)化交易機(jī)制。

2.2 綜合能源服務(wù)模式

與傳統(tǒng)能源供應(yīng)相比，綜合能源服務(wù)更加多元化，涵蓋了電力、冷熱及燃?xì)獾榷喾N能源。綜合能源服務(wù)模式有效促進(jìn)了各能源的協(xié)調(diào)配合，同時(shí)也更有利于實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能和高清潔性能源的發(fā)展。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的綜合能源服務(wù)發(fā)展也很迅速，投入規(guī)模也很大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了智能用電管理和智能通信調(diào)控，避免了能源的不必要浪費(fèi)，可以使年用電量下降超過(guò)10%。

由于該寫字樓建成時(shí)間較長(zhǎng)，能源供應(yīng)較為單一，綜合能源服務(wù)可以涵蓋多項(xiàng)內(nèi)容，主要有如下幾點(diǎn)：

供冷供熱機(jī)房的高效化提升，該部分用電量占到了整個(gè)建筑用電的60%，機(jī)房的管理水平很大程度上影響了整個(gè)寫字樓的耗能水平，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的系統(tǒng)控制策略，安裝更加優(yōu)化的冷卻水系統(tǒng)設(shè)備，可以使機(jī)房效率提高25%，實(shí)現(xiàn)建筑耗能降低15%。

BIPV光伏發(fā)電的應(yīng)用，綠色能源是我國(guó)長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，對(duì)于既有建筑和新建建筑BIPV都有很大的市場(chǎng)空間和很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。BIPV系統(tǒng)主要借助光伏發(fā)電原理為建筑提供日常運(yùn)行中所需電能，光伏發(fā)電功率輸出主要集中在上午9點(diǎn)到下午4點(diǎn)之間，該特性與城市耗能的第一個(gè)峰段(北京為10點(diǎn)到15點(diǎn))是一致的，所以光伏發(fā)電不僅能夠降低了建筑能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，還能夠有效降低峰段電能供應(yīng)壓力。